Синус-фильтр 600 А для преобразователя частоты: как подобрать подходящее исполнение

При работе мощных преобразователей частоты особое значение приобретает защита электродвигателя от высокочастотной составляющей ШИМ-напряжения. Чем выше ток электропривода и чем длиннее кабель между ПЧ и двигателем, тем важнее правильно подобрать выходное фильтрующее оборудование.

Если требуется фильтр 600 А, в большинстве случаев речь идет не о фильтре, имеющем строго номинальный ток ровно 600 А, а об устройстве, способном длительно работать с нагрузкой около этого значения.

В стандартной линейке синус-фильтров СЗСЭМ для сети 400 В предусмотрено исполнение:

ФС-0,14/610 У3

с номинальным током 610 А.

Такой фильтр может рассматриваться при проектировании электропривода с рабочим током около 600 А, но окончательно выбирать оборудование только по величине тока нельзя. Необходимо учитывать напряжение, параметры преобразователя частоты, двигатель, частоту ШИМ и длину кабельной линии.

Разберемся подробнее.

Что представляет собой синус-фильтр на 600 А

Синус-фильтр устанавливается между преобразователем частоты и электродвигателем:

сеть → преобразователь частоты → синус-фильтр → электродвигатель

Преобразователь частоты формирует выходное напряжение методом широтно-импульсной модуляции. Поэтому непосредственно на выходе ПЧ находится не обычная синусоида, а последовательность импульсов с высокой скоростью переключения.

Синус-фильтр представляет собой LC-систему, содержащую индуктивные и емкостные элементы.

Его задача — подавить высокочастотную составляющую ШИМ и сформировать на выходе напряжение, значительно более близкое к синусоидальному.

Синус-фильтры серии ФС производства СЗСЭМ предназначены в том числе для:

• улучшения качества выходного напряжения;

• снижения du/dt;

• уменьшения перенапряжений на клеммах двигателя;

• снижения дополнительных потерь в электродвигателе;

• уменьшения потерь в кабельной линии;

• ограничения подшипниковых токов;

• снижения токов утечки на землю.

Для серии ФС производитель указывает качество выходного напряжения THDu менее 5%.

Какой фильтр СЗСЭМ соответствует току около 600 А

Для трехфазной системы 400 В в стандартном ряду СЗСЭМ предусмотрены следующие мощные исполнения:

Модель ФС	Номинальный ток	Индуктивность	Емкость	Типовая мощность ПЧ
ФС-0,185/480 У3	480 А	0,185 мГн	20 мкФ	250 кВт
ФС-0,17/510 У3	510 А	0,17 мГн	20 мкФ	280 кВт
ФС-0,14/610 У3	610 А	0,14 мГн	25 мкФ	315 кВт
ФС-0,14/660 У3	660 А	0,14 мГн	25 мкФ	355 кВт

Таким образом, если требуется синус-фильтр 600 А для сети 400 В, первым кандидатом для рассмотрения является ФС-0,14/610 У3.

Но значение «610 А» не означает, что фильтр автоматически подходит к любому ПЧ или двигателю с током около 600 А.

Характеристики ФС-0,14/610 У3

Основные параметры стандартного исполнения:

• номинальный ток — 610 А;

• индуктивность — 0,14 мГн;

• емкость — 25 мкФ;

• ориентировочная мощность ПЧ — 315 кВт;

• габариты — около 500 × 390 × 680 мм;

• масса — около 352 кг;

• тип подключения — Б.

Параметры опубликованы СЗСЭМ для линейки синус-фильтров ФС.

При этом мощность ПЧ в таблице является ориентиром.

СЗСЭМ отдельно указывает, что типовая мощность приведена для четырехполюсного асинхронного двигателя, а для правильного подбора синус-фильтра следует руководствоваться прежде всего номинальным током двигателя.

Почему фильтр нельзя выбирать только по мощности

Предположим, установлен преобразователь:

315 кВт, 400 В.

В каталоге рядом с такой мощностью находится ФС-0,14/610.

На первый взгляд выбор очевиден.

Но два двигателя мощностью 315 кВт могут иметь разные номинальные токи из-за различий в:

• КПД;

• коэффициенте мощности;

• частоте вращения;

• конструкции двигателя;

• напряжении;

• рабочем режиме.

Например, если номинальный ток конкретного двигателя составляет 570 А, фильтр 610 А имеет один запас.

Если ток двигателя приближается к 620–630 А, ситуация уже другая.

Поэтому алгоритм:

315 кВт → автоматически ФС-0,14/610

слишком упрощен.

Правильнее:

напряжение → ток двигателя → ток ПЧ → режим перегрузки → частота ШИМ → длина кабеля → фильтр.

Можно ли использовать фильтр 610 А при токе двигателя 600 А

Предварительно — да, именно такое исполнение и является логичным кандидатом.

Если:

Iдв = 600 А

а:

Iфильтра = 610 А,

то номинальный ток фильтра превышает номинальный ток двигателя примерно на:

10 А.

Но этого сравнения недостаточно.

Необходимо дополнительно определить максимальный ток в реальном технологическом режиме.

Преобразователи частоты и двигатели могут кратковременно работать с перегрузкой.

Например, для насосного или вентиляторного привода режим обычно относительно спокойный.

А для:

• конвейера;

• дробилки;

• подъемного механизма;

• экструдера;

• металлургического оборудования

могут присутствовать значительные перегрузочные токи.

Поэтому при рабочем токе около верхней границы номинала необходимо анализировать весь цикл нагрузки.

Нужно ли брать фильтр 660 А вместо 610 А «с запасом»

Не всегда.

Логика:

«чем больше ток фильтра, тем надежнее»

для LC-фильтра не является универсальной.

Если вместо расчетного ФС-0,14/610 взять ФС-0,14/660, изменяется не только допустимый ток оборудования, но может отличаться исполнение и расчетный режим всей системы.

При выборе синус-фильтра необходимо обеспечить его нормальную работу именно совместно с конкретными:

ПЧ + двигателем + кабелем.

Поэтому увеличивать номинал без расчета нежелательно.

Если же фактический ток двигателя составляет, например, 625–640 А, модель 610 А уже нельзя выбирать только потому, что запрос сформулирован как «фильтр 600а». В таком случае более подходящим кандидатом может оказаться исполнение на 660 А.

Почему важна индуктивность

В модели:

ФС-0,14/610

первая цифра обозначает индуктивность:

0,14 мГн.

Индуктивная часть фильтра ограничивает высокочастотную составляющую выходного сигнала ПЧ.

Для индуктивности действует зависимость:

XL = 2πfL

Чем выше частота, тем больше индуктивное сопротивление.

Благодаря этому основная низкочастотная составляющая, необходимая двигателю, проходит через систему, а высокочастотная составляющая ШИМ значительно ослабляется.

Однако синус-фильтр — это не только дроссель.

Вместе с индуктивностью работают конденсаторы.

Для ФС-0,14/610 в стандартной таблице указана емкость:

25 мкФ.

Именно сочетание L и C определяет частотные характеристики фильтра.

Частота ШИМ преобразователя

При выборе фильтра 600 А обязательно необходимо знать частоту коммутации преобразователя.

Например:

• 2 кГц;

• 4 кГц;

• 6 кГц;

• 8 кГц.

Синус-фильтр рассчитан таким образом, чтобы эффективно подавлять высокочастотную составляющую ШИМ, не создавая при этом нежелательных режимов для основной частоты электродвигателя.

Если параметры ПЧ отличаются от расчетных параметров фильтра, возможны:

• дополнительный нагрев;

• рост тока через конденсаторы;

• ухудшение формы напряжения;

• увеличение потерь;

• резонансные процессы;

• перегрузка выходного каскада преобразователя.

Поэтому модель и настройки ПЧ необходимо обязательно указывать при заказе.

Длина кабеля между ПЧ и двигателем

Еще один важный параметр — расстояние до электродвигателя.

При длинном моторном кабеле возрастает влияние:

• распределенной емкости кабеля;

• волновых процессов;

• отражений импульсов;

• перенапряжений на двигателе.

Именно поэтому синус-фильтры особенно востребованы в системах, где двигатель значительно удален от ПЧ.

СЗСЭМ выпускает отдельную серию ФС для кабельных линий длиной до 400 м. В этой серии также предусмотрено исполнение ФС-0,25/610, рассчитанное на номинальный ток 610 А.

Поэтому запрос «фильтр 600 А» необходимо уточнять не только по току, но и по требуемой длине кабеля.

Пример

Есть:

• преобразователь частоты;

• ток двигателя — 590 А;

• напряжение — 400 В;

• длина кабеля — 50 м.

Это один режим.

Другой вариант:

• тот же ток — 590 А;

• то же напряжение — 400 В;

• расстояние до двигателя — 350 м.

Здесь требования к выходному фильтру уже существенно меняются.

Синус-фильтр 600 А для длинной кабельной линии

Для специальной серии ФС, предназначенной для кабельных линий до 400 м, СЗСЭМ публикует исполнение:

ФС-0,25/610

со следующими параметрами:

• индуктивность — 0,25 мГн;

• ток — 610 А;

• емкость — 50 мкФ;

• типовая мощность — 500 кВт для соответствующей таблицы исполнения;

• масса — около 580 кг.

Обратите внимание: это уже другое изделие, чем стандартный:

ФС-0,14/610.

Номинальный ток у них одинаковый — 610 А, но индуктивность и емкость отличаются.

Это очень важный пример.

Одинаковый ток фильтров не означает одинаковое назначение и взаимозаменяемость.

Поэтому формулировки:

«нужен фильтр на 600 А»

недостаточно для заказа оборудования.

А что выбрать для сети 690 В

При напряжении 690 В токи для одинаковой мощности электропривода будут другими.

В стандартной таблице ФС на 690 В СЗСЭМ представлены, например:

Фильтр	Ток	Индуктивность	Типовая мощность
ФС-0,28/530 У3	530 А	0,28 мГн	450 кВт
ФС-0,23/660 У3	660 А	0,23 мГн	630 кВт
ФС-0,2/765 У3	765 А	0,2 мГн	710 кВт

То есть модели ровно на 600 А в этом стандартном ряду нет. При токе около 600 А необходимо выбирать подходящее исполнение по фактическому номинальному току двигателя и остальным параметрам системы.

Возможность изготовления синус-фильтров с параметрами, отличающимися от стандартной таблицы, СЗСЭМ предусматривает по предварительному согласованию.

Можно ли заказать фильтр ровно на 600 А

Если проектом требуется именно:

600 А

а стандартное исполнение 610 или 660 А по каким-либо причинам не подходит, можно рассматривать индивидуальное исполнение.

Но само по себе отличие:

600 А → 610 А

обычно не является причиной разрабатывать новое устройство.

Важнее проверить:

• рабочий ток;

• перегрузку;

• напряжение;

• индуктивность;

• параметры LC-цепи;

• длину кабеля;

• частоту ШИМ.

Если стандартный ФС-0,14/610 удовлетворяет этим условиям, специальный фильтр ровно на 600 А может быть не нужен.

Какая мощность соответствует 600 А

Для трехфазной системы приблизительную активную мощность двигателя можно оценить:

P ≈ √3 × U × I × cosφ × η

где:

• U — линейное напряжение;

• I — ток;

• cosφ — коэффициент мощности;

• η — КПД.

Предположим:

• U = 400 В;

• I = 600 А;

• cosφ = 0,9;

• КПД = 95%.

Получаем приблизительно:

P ≈ 355 кВт.

Но это лишь расчетный пример.

Реальная мощность двигателя при токе 600 А может отличаться.

Именно поэтому СЗСЭМ рекомендует при выборе ФС ориентироваться прежде всего на номинальный ток двигателя, а не только на мощность в кВт.

Чем синус-фильтр 600 А отличается от сетевого дросселя 600 А

Это принципиально разные устройства.

На сайте СЗСЭМ есть также сетевые дроссели с током порядка 600 А.

Например, в линейке ДТС 2% присутствует:

ДТС-0,025/600 У2.

Но это не синус-фильтр.

Сетевой дроссель 600 А

Устанавливается:

сеть → ДТС → ПЧ

Он предназначен для работы со входной частью преобразователя.

Синус-фильтр около 600 А

Устанавливается:

ПЧ → ФС → двигатель

Он предназначен для фильтрации выходного ШИМ-напряжения.

Поэтому запрос «фильтр 600а» сначала необходимо разделить по месту установки.

Сетевой фильтр или выходной синус-фильтр

Если проблема находится на входе ПЧ:

• гармоники;

• токовые броски;

• сетевые перенапряжения;

необходимы решения со стороны сети — например, ДТС или специализированный фильтр гармоник.

Если задача состоит в:

• защите двигателя;

• снижении du/dt;

• работе с длинным моторным кабелем;

• уменьшении ШИМ-составляющей;

рассматривается синус-фильтр ФС.

Установка мощного синус-фильтра на 610 А не решает проблему входного THDi, поскольку устройство находится с другой стороны преобразователя.

Когда нужен именно синус-фильтр

Выходной синус-фильтр имеет смысл рассматривать, если:

• двигатель находится далеко от ПЧ;

• требуется снизить нагрузку на его изоляцию;

• применяется двигатель, чувствительный к импульсному напряжению;

• используется старый двигатель;

• необходимо уменьшить акустический шум;

• возникают проблемы с подшипниковыми токами;

• требуется снизить токи утечки;

• несколько двигателей работают от одного ПЧ;

• требуется напряжение, близкое к синусоидальному.

Для мощного привода на 600 А все эти факторы особенно важно учитывать, поскольку цена ошибки при выборе оборудования существенно выше, чем для маломощной системы.

Как подобрать фильтр 600 А: пошаговый алгоритм

Шаг 1. Определить место установки

Нужно понять, какой фильтр требуется:

до ПЧ

или

после ПЧ.

Если требуется синус-фильтр, он устанавливается после преобразователя.

Шаг 2. Определить напряжение

Например:

400 В

или:

690 В.

Одинаковый ток при разных напряжениях соответствует совершенно разным мощностям системы.

Шаг 3. Узнать номинальный ток двигателя

Например:

Iдв = 595 А.

Это главный ориентир для предварительного выбора ФС.

Шаг 4. Проверить выходной ток преобразователя

Необходимо знать:

• номинальный выходной ток;

• максимальный ток;

• перегрузочную способность.

Шаг 5. Проверить частоту ШИМ

Она берется из настроек или технической документации ПЧ.

Шаг 6. Определить рабочую частоту двигателя

Важно указать:

• номинальную частоту;

• максимальную частоту.

Шаг 7. Определить длину моторного кабеля

Например:

30 м, 100 м, 300 м или более.

От этого может зависеть выбор конкретного исполнения ФС.

Шаг 8. Подобрать ближайший стандартный номинал

Для сети 400 В и рабочего тока около 600 А одним из вариантов является:

ФС-0,14/610 У3.

При других требованиях может потребоваться другая модификация.

Шаг 9. Проверить LC-параметры

Необходимо убедиться в соответствии:

• индуктивности;

• емкости;

• диапазона рабочих частот;

• режима ПЧ.

Шаг 10. Проверить конструктив

Для фильтра такого тока важны:

• масса;

• размеры;

• шинное подключение;

• место установки;

• вентиляция;

• температурный режим.

Почему габариты важны для фильтра 600 А

Высокотоковый фильтр — это крупное электротехническое оборудование.

Например, стандартный ФС-0,14/610 имеет массу более 350 кг. А исполнение ФС-0,25/610 для протяженных кабельных линий — около 580 кг.

Поэтому еще на этапе проектирования шкафа или электроустановки необходимо предусмотреть:

• несущую способность конструкции;

• пространство для монтажа;

• охлаждение;

• доступ для обслуживания;

• радиус изгиба силовых кабелей;

• шинное подключение.

Выбирать высокотоковый фильтр только после изготовления шкафа часто неудобно: оборудование может физически не поместиться в предусмотренный отсек.

Какие данные нужны для заказа

Чтобы подобрать синус-фильтр около 600 А, желательно предоставить:

1. Модель преобразователя частоты.

2. Номинальную мощность ПЧ.

3. Выходное напряжение.

4. Номинальный выходной ток.

5. Максимальный ток ПЧ.

6. Частоту ШИМ.

7. Мощность двигателя.

8. Номинальный ток двигателя.

9. Номинальную частоту двигателя.

10. Максимальную рабочую частоту.

11. Длину моторного кабеля.

12. Тип кабеля.

13. Требуемый режим перегрузки.

14. Условия эксплуатации.

15. Требования к габаритам и способу подключения.

Чем полнее исходные данные, тем меньше риск ошибочного выбора только по одному параметру «600 А».

Типичные ошибки при выборе фильтра

Выбирать строго по запросу «600 А»

В стандартной линейке ближайший номинал может быть 610 А, и это нормально.

Выбирать по мощности ПЧ

Мощность используется как ориентир. Основной параметр — номинальный ток двигателя.

Не учитывать напряжение

600 А при 400 и 690 В — совершенно разные электрические системы.

Забывать про длину кабеля

Для длинной линии может потребоваться другое исполнение ФС даже при том же номинальном токе.

Не проверять частоту ШИМ

Параметры LC-фильтра должны соответствовать режиму преобразователя.

Путать синус-фильтр и сетевой дроссель

Один работает после ПЧ, другой — до него.

Автоматически брать модель большего тока

Фильтр на 660 А не всегда лучше фильтра 610 А. Устройство следует выбирать под конкретный привод.

Итог

Если для мощного электропривода требуется фильтр 600 А, сначала необходимо определить его назначение.

Для выходной стороны преобразователя частоты СЗСЭМ выпускает синус-фильтры серии ФС. В стандартном ряду на 400 В ближайшим к 600 А является:

ФС-0,14/610 У3

с параметрами:

• ток — 610 А;

• индуктивность — 0,14 мГн;

• емкость — 25 мкФ;

• типовая мощность ПЧ — около 315 кВт.

Для специальных исполнений, рассчитанных на протяженные моторные кабели, существует также ФС-0,25/610 с другой индуктивностью и емкостью.

Поэтому выбирать фильтр только по фразе «600 А» нельзя.

Правильный подбор выполняется по цепочке:

напряжение → ток двигателя → параметры ПЧ → частота ШИМ → длина кабеля → индуктивность и емкость фильтра → условия эксплуатации.

Если стандартная модель не соответствует требованиям конкретного проекта, СЗСЭМ предусматривает возможность изготовления синус-фильтров с другими параметрами по предварительному согласованию.