Синус-фильтры 400, 500 и 690 В: чем отличаются и как выбрать

Синус-фильтр устанавливается на выходе преобразователя частоты и используется для сглаживания ШИМ-напряжения перед электродвигателем. Такое оборудование особенно востребовано при длинных кабельных линиях, повышенных требованиях к изоляции двигателя, необходимости снизить du/dt, перенапряжения, токи утечки и дополнительный нагрев.

Но при подборе недостаточно определить только мощность преобразователя. Один из первых параметров — рабочее напряжение электропривода.

Снежинский завод специальных электрических машин выпускает синус-фильтры серии ФС в исполнениях:

400 В ±10%;
500 В ±10%;
690 В ±10%.

При этом фильтры на разное напряжение отличаются не просто уровнем изоляции. Меняются индуктивность, емкость, номинальный ток, типовая мощность двигателя и конструктивные характеристики.

Разберемся, чем отличаются синусный фильтр 400 В, синусный фильтр 500 В и синусный фильтр 690 В и по каким параметрам выбирать конкретное исполнение.

Для чего нужен синус-фильтр

Обычный преобразователь частоты формирует выходное напряжение методом широтно-импульсной модуляции.

Упрощенная схема электропривода:

сеть → преобразователь частоты → синус-фильтр → электродвигатель

На выходе ПЧ находится последовательность импульсов с высокой скоростью переключения. Среднее действие такого напряжения позволяет управлять двигателем, однако высокая крутизна фронтов способна создавать дополнительную нагрузку на электродвигатель и моторный кабель.

Синус-фильтр представляет собой LC-систему, которая подавляет высокочастотную составляющую ШИМ.

СЗСЭМ указывает для серии ФС следующие основные задачи:

улучшение качества выходного напряжения;
получение остаточных пульсаций менее 5%;
ограничение du/dt;
уменьшение перенапряжений на клеммах двигателя;
снижение дополнительных потерь в электродвигателе и кабеле;
ограничение подшипниковых токов;
снижение токов утечки на землю.

То есть фильтр защищает прежде всего выходную сторону электропривода.

Почему один фильтр нельзя использовать для любого напряжения

Может показаться, что если ток двигателя одинаковый, то один и тот же синус-фильтр можно применять и на 400, и на 690 В.

Это неправильно.

Основные параметры LC-фильтра связаны с:

напряжением;
током;
основной выходной частотой;
частотой ШИМ;
индуктивностью;
емкостью;
требованиями к изоляции.

Поэтому фильтр проектируется под определенный класс напряжения.

Например, в номенклатуре СЗСЭМ при одинаковом токе 4,5 А существуют разные исполнения:

400 В — ФС-11/4,5 У3, индуктивность 11 мГн;

500 В — ФС-13/4,5 У3, индуктивность 13 мГн;

690 В — ФС-33,5/4,5 У3, индуктивность 33,5 мГн.

Это наглядно показывает: одинаковый номинальный ток не делает фильтры взаимозаменяемыми.

Синусный фильтр 400 В

Система 380/400 В — один из наиболее распространенных вариантов промышленного электропривода.

Для таких сетей СЗСЭМ выпускает широкую номенклатуру ФС — от небольших приводов до мощных преобразователей на сотни киловатт.

Например:

Фильтр ФС 400 В	Ток	Индуктивность	Типовая мощность ПЧ
ФС-22,4/2,5	2,5 А	22,4 мГн	1,1 кВт
ФС-8,4/6,5	6,5 А	8,4 мГн	3 кВт
ФС-0,5/150	150 А	0,5 мГн	75 кВт
ФС-0,4/180	180 А	0,4 мГн	90 кВт
ФС-0,3/325	325 А	0,3 мГн	160 кВт
ФС-0,2/410	410 А	0,2 мГн	200 кВт
ФС-0,14/610	610 А	0,14 мГн	315 кВт
ФС-0,14/660	660 А	0,14 мГн	355 кВт

Параметры приведены для стандартного ряда СЗСЭМ.

При этом мощность двигателя или ПЧ в таблице следует использовать только как первый ориентир.

СЗСЭМ отдельно указывает, что для правильного выбора необходимо руководствоваться номинальным током двигателя.

Когда нужен фильтр на 400 В

Типичные области применения:

насосные установки;
вентиляторы;
компрессоры;
конвейеры;
станочное оборудование;
технологические линии;
двигатели, удаленные от ПЧ;
модернизация старых электродвигателей;
приводы с повышенными требованиями к качеству выходного напряжения.

Если вся связка:

ПЧ → двигатель

рассчитана на класс 380/400 В, то исходным вариантом становится именно синусный фильтр 400 В.

Синусный фильтр 500 В

Системы 500 В встречаются реже, чем классические 400 В, но применяются в промышленном оборудовании и специализированных электроприводах.

СЗСЭМ также предусматривает фильтры ФС на:

500 В ±10%.

В стандартной таблице представлены, например:

Фильтр ФС 500 В	Ток	Индуктивность	Типовая мощность
ФС-13/4,5	4,5 А	13 мГн	1,1–1,5 кВт
ФС-6,9/8	8 А	6,9 мГн	2,2–3 кВт
ФС-5,2/10	10 А	5,2 мГн	4 кВт
ФС-3,1/17	17 А	3,1 мГн	5,5–7,5 кВт
ФС-2,4/24	24 А	2,4 мГн	11 кВт

Главный принцип тот же: фильтр выбирается не просто по надписи «500 В», а одновременно по току двигателя и характеристикам преобразователя.

Можно ли поставить фильтр 400 В в систему 500 В

Нет.

Даже если номинальный ток полностью совпадает, устройство на 400 В нельзя автоматически применять в системе 500 В.

Причины:

другой расчет изоляции;
другая необходимая индуктивность;
другие параметры конденсаторной части;
изменение токов LC-цепи;
другие требования к рабочему напряжению компонентов.

Правильное решение — использовать исполнение, рассчитанное на фактическое выходное напряжение ПЧ.

Синусный фильтр 690 В

Напряжение 690 В широко применяется в мощных промышленных электроприводах.

При увеличении напряжения одинаковую мощность можно передавать при меньшем токе.

Для трехфазной системы мощность приблизительно связана с током:

P ≈ √3 × U × I × cosφ × η

Поэтому при большой мощности переход с 400 на 690 В позволяет уменьшить рабочие токи и, соответственно, требования к сечению силовых проводников.

СЗСЭМ выпускает широкую линейку ФС на 690 В.

Например:

Синус-фильтр 690 В	Ток	Индуктивность	Типовая мощность
ФС-61/2,5	2,5 А	61 мГн	1,5 кВт
ФС-19/8	8 А	19 мГн	5,5 кВт
ФС-11,7/13	13 А	11,7 мГн	7,5–11 кВт в зависимости от исполнения
ФС-2/75	75 А	2 мГн	55 кВт
ФС-1,3/115	115 А	1,3 мГн	90 кВт
ФС-0,6/260	260 А	0,6 мГн	200 кВт
ФС-0,35/430	430 А	0,35 мГн	355 кВт
ФС-0,23/660	660 А	0,23 мГн	630 кВт
ФС-0,12/1320	1320 А	0,12 мГн	1200 кВт

Для серии предусмотрены разные варианты в зависимости от требований к кабельной линии и параметрам привода.

Где применяются фильтры 690 В

Такой класс особенно характерен для мощных электроприводов:

насосных станций;
компрессорных установок;
горнодобывающего оборудования;
дробилок;
конвейеров;
металлургических механизмов;
нефтегазового оборудования;
крупных вентиляционных систем;
тяжелого промышленного привода.

Чем больше мощность двигателя, тем привлекательнее может быть использование системы 690 В по сравнению с 400 В.

Можно ли называть фильтр 690 В высоковольтным

В поисковых запросах встречается формулировка:

«высоковольтный синусный фильтр».

Иногда под ней действительно подразумевают фильтр на 690 В — просто потому, что его напряжение выше распространенных 380/400 В.

Но технически такое обозначение не совсем корректно.

В международной классификации IEC к низкому напряжению относится переменное напряжение до 1000 В включительно, а высокое напряжение начинается выше 1000 В AC.

Следовательно:

400 В — низковольтное оборудование;

500 В — низковольтное оборудование;

690 В — также низковольтное оборудование.

Поэтому корректнее говорить:

«синус-фильтр 690 В»

или:

«синус-фильтр для высокомощного привода 690 В».

Однако в статье выражение «высоковольтный синусный фильтр» можно использовать как поисковую формулировку с пояснением, что 690 В технически остается классом до 1 кВ.

Чем отличаются фильтры 400, 500 и 690 В

Главные различия можно свести в таблицу.

Параметр	400 В	500 В	690 В
Типичные системы	Стандартный промышленный привод	Специализированные промышленные системы	Мощный промышленный привод
Рабочее напряжение ФС	400 ±10%	500 ±10%	690 ±10%
Требования к изоляции	Базовые для класса	Выше	Еще выше
LC-параметры	Рассчитываются для 400 В	Отдельный расчет	Отдельный расчет
Ток при одинаковой мощности	Выше	Ниже	Еще ниже
Типичная область мощностей	Очень широкая	Специализированная	Особенно актуально на высокой мощности
Взаимозаменяемость	Нет	Нет	Нет

То есть нельзя выбрать один универсальный ФС и менять только его паспортное напряжение.

Каждое исполнение представляет собой отдельно рассчитанную электрическую систему.

Почему индуктивность на 690 В может быть выше

Сравним фильтры при небольшом одинаковом токе.

При токе:

4,5 А

в каталоге имеются:

400 В — ФС-11/4,5, L = 11 мГн;

500 В — ФС-13/4,5, L = 13 мГн;

690 В — ФС-33,5/4,5, L = 33,5 мГн.

Рост индуктивности связан с необходимостью получить требуемое реактивное сопротивление и характеристики фильтра при другом уровне напряжения.

Это еще раз показывает, почему выбирать ФС только по амперам нельзя.

Что общего у фильтров ФС всех трех напряжений

Для стандартной серии СЗСЭМ указывает общие базовые характеристики:

номинальное напряжение — 400, 500 или 690 В ±10%;
выходная частота инвертора — 0–70 Гц;
частота ШИМ для токов до 250 А — 4–8 кГц;
для токов от 250 А — 3–8 кГц;
перегрузочная способность — 150% номинального тока в течение 1 минуты один раз в час;
Uk — 10% при номинальном напряжении и частоте 50 Гц;
остаточные пульсации — менее 5%;
степень защиты — IP00;
климатическое исполнение — У3.

То есть основная логика работы одинакова, но конкретные L, C и номинальные токи рассчитываются под соответствующий класс напряжения.

Как выбрать синус-фильтр: пошагово

Напряжение — только первый шаг.

Правильный подбор лучше выполнять в следующем порядке.

Шаг 1. Определить напряжение преобразователя и двигателя

Если система:

3 × 400 В

выбирается соответствующая линейка 400 В.

Если:

3 × 500 В

нужно исполнение 500 В.

Если:

3 × 690 В

рассматривается ФС 690 В.

Нельзя использовать фильтр меньшего класса напряжения.

Шаг 2. Определить номинальный ток двигателя

Это один из ключевых параметров.

СЗСЭМ прямо указывает, что типовая мощность двигателя в таблицах является справочной, а подбор следует вести по номинальному току двигателя.

Например:

двигатель 315 кВт не означает автоматически, что ему подойдет любой фильтр из строки «315 кВт».

Необходимо проверить его реальный паспортный ток.

Шаг 3. Проверить выходной ток ПЧ

Фильтр находится непосредственно после преобразователя.

Поэтому нужно знать:

номинальный выходной ток;
максимальный длительный ток;
перегрузочный ток.

Особенно важно это для тяжелого режима работы.

Шаг 4. Узнать частоту ШИМ

Например:

3 кГц;
4 кГц;
6 кГц;
8 кГц.

Для стандартных ФС СЗСЭМ допустимый диапазон зависит от номинального тока:

до 250 А — 4–8 кГц;

от 250 А — 3–8 кГц.

Если преобразователь работает за пределами допустимого диапазона, совместимость необходимо согласовывать отдельно.

Шаг 5. Проверить выходную частоту ПЧ

Стандартная серия рассчитана на:

0–70 Гц.

Это важно, если электродвигатель используется выше номинальных 50 Гц.

Например, привод на:

0–50 Гц

и высокоскоростная система:

0–100 Гц

— это разные задачи.

Если требуется выходная частота выше стандартного диапазона ФС, необходимо индивидуально согласовывать параметры фильтра.

Шаг 6. Определить длину моторного кабеля

Длина кабеля — один из важнейших параметров выбора.

СЗСЭМ выпускает специальные исполнения ФС для протяженных кабельных линий, в том числе линейки до 400 м и до 2000 м. Для серии до 2000 м указаны исполнения на 500 и 690 В с частотой ШИМ 4–8 кГц и выходной частотой 0–70 Гц.

При этом допустимая длина зависит не только от самого фильтра, но и от типа кабеля.

Поэтому при заказе нужно обязательно указывать:

длину;
сечение;
экранированный или неэкранированный кабель;
количество параллельных линий.

Почему длинный кабель так важен

ШИМ-импульсы распространяются по моторной линии как высокочастотные сигналы.

При большой длине кабеля возникают волновые процессы и отражения.

В результате напряжение непосредственно на клеммах двигателя может значительно отличаться от напряжения на выходе ПЧ.

Это повышает нагрузку на изоляцию.

Синус-фильтр подавляет высокочастотную составляющую еще до кабельной линии:

ПЧ → ФС → длинный кабель → двигатель

Поэтому использование ФС особенно эффективно именно при удаленном расположении электродвигателя.

Пример выбора фильтра 400 В

Допустим:

ПЧ — 90 кВт;
напряжение — 400 В;
номинальный ток двигателя — 175 А;
частота ШИМ — 4 кГц.

В стандартной линейке находится:

ФС-0,4/180 У3

с:

током 180 А;
индуктивностью 0,4 мГн;
типовой мощностью 90 кВт.

По току это логичный кандидат.

Но перед окончательным выбором необходимо еще проверить длину кабеля, перегрузочный режим и максимальную выходную частоту.

Пример выбора фильтра 690 В

Предположим:

ПЧ — 450 кВт;
система — 690 В;
номинальный ток двигателя — около 500 А.

В линейке ФС на 690 В представлены, например:

ФС-0,28/530 — 530 А

и соседние исполнения с другими номинальными токами.

ФС-0,28/530 выглядит как возможная отправная точка для подбора.

Но если фактический длительный ток двигателя выше 530 А, необходимо переходить к следующему подходящему номиналу.

Почему нельзя брать фильтр с большим запасом без расчета

Можно предположить:

если нужен фильтр на 500 А, возьмем сразу 660 А.

Для обычного проводника подобный запас часто кажется безобидным.

Но синус-фильтр — не просто силовая шина.

Это LC-система.

При переходе на другую модель могут изменяться:

индуктивность;
емкость;
частотная характеристика;
габариты;
масса;
потери.

Поэтому чрезмерное завышение номинала не является универсальным способом повысить надежность.

Нужно выбирать ФС под реальный привод.

Что выбрать: 400 или 690 В для одной мощности

Предположим, рассматривается мощный двигатель.

При повышении напряжения для передачи одинаковой мощности необходим меньший ток.

Это дает преимущества:

меньшее сечение силового кабеля;
меньше токовая нагрузка на коммутационную аппаратуру;
меньше потери I²R;
удобнее передавать большую мощность.

Но переход на 690 В требует, чтобы весь привод был рассчитан на соответствующий класс:

ПЧ + фильтр + двигатель + кабель + коммутационная аппаратура.

Нельзя просто установить синус-фильтр 690 В в существующий привод 400 В и получить преимущества более высокого напряжения.

Синус-фильтр 690 В и высоковольтный ПЧ — не одно и то же

Еще раз важно разделить понятия.

Система 690 В может восприниматься как «высоковольтная» относительно обычных 400 В, но согласно принятой IEC границе она находится в диапазоне до 1000 В AC и относится к низкому напряжению.

Настоящие средне- и высоковольтные приводы могут работать, например, на:

3 кВ;
6 кВ;
10 кВ

и требуют уже совершенно другого класса преобразователей и фильтрующего оборудования.

Поэтому запрос «высоковольтный синусный фильтр» всегда желательно уточнять по фактическому напряжению.

Если требуется 690 В — можно рассматривать стандартную линейку ФС.

Если требуется несколько киловольт — необходим уже специальный инженерный проект.

Синус-фильтр нельзя путать с сетевым фильтром

Несмотря на похожее название, это разные устройства.

Синус-фильтр

Устанавливается:

ПЧ → ФС → двигатель

Работает с выходным напряжением.

Сетевой фильтр или сетевой дроссель

Устанавливается:

сеть → фильтр/дроссель → ПЧ

Работает с входной стороной преобразователя.

Синус-фильтр на 400, 500 или 690 В не предназначен для снижения входного THDi питающей сети.

Его задача — именно выходное ШИМ-напряжение.

Когда синус-фильтр особенно необходим

Независимо от напряжения применение ФС стоит рассматривать, если:

между ПЧ и двигателем длинный кабель;
используется старый электродвигатель;
двигатель имеет повышенную чувствительность к du/dt;
требуется снизить перенапряжения;
необходимо уменьшить подшипниковые токи;
наблюдается повышенный шум двигателя;
необходимо уменьшить токи утечки;
один ПЧ питает несколько двигателей;
требуется получить форму напряжения, близкую к синусоидальной.

При этом чем выше мощность установки, тем важнее точно рассчитать фильтр, поскольку ошибка в выборе приводит не только к ухудшению фильтрации, но и к значительным тепловым и токовым нагрузкам.

Какие данные нужны для подбора ФС

Для корректного выбора желательно подготовить:

Производителя и модель ПЧ.
Номинальное выходное напряжение.
Номинальную мощность ПЧ.
Номинальный выходной ток.
Максимальный допустимый ток.
Частоту ШИМ.
Мощность электродвигателя.
Номинальный ток двигателя.
Номинальное напряжение двигателя.
Номинальную частоту.
Максимальную рабочую частоту.
Длину кабеля от фильтра до двигателя.
Тип и сечение кабеля.
Количество параллельно подключенных двигателей.
Требуемый перегрузочный режим.
Условия эксплуатации.

Если стандартного исполнения нет, СЗСЭМ указывает возможность изготовления ФС с параметрами, отличающимися от приведенных в стандартной номенклатуре.

Основные ошибки при выборе

Выбирать только по напряжению

Фразы:

«нужен синусный фильтр 400В»

недостаточно.

Нужно знать как минимум ток.

Выбирать только по мощности ПЧ

Мощность — ориентир. Основной параметр для выбора ФС — номинальный ток двигателя.

Использовать фильтр 400 В в системе 500 или 690 В

Так делать нельзя без специально подтвержденного производителем исполнения.

Выбирать самый большой ток «с запасом»

LC-фильтр необходимо согласовать с приводом, а не просто завысить его номинал.

Игнорировать частоту ШИМ

Для стандартной серии существуют конкретные допустимые диапазоны.

Не учитывать длину кабеля

Две системы с одинаковым двигателем, но кабелями 20 и 500 м могут требовать разных исполнений ФС.

Считать 690 В настоящим высоковольтным классом

690 В выше привычных 400 В, но технически остается диапазоном до 1 кВ AC.

Как выбрать между 400, 500 и 690 В

Здесь правило очень простое:

фильтр выбирается под фактическое номинальное напряжение преобразователя и двигателя.

Если привод работает на:

400 В → ФС 400 В;

500 В → ФС 500 В;

690 В → ФС 690 В.

После выбора класса напряжения выполняется следующий этап:

номинальный ток → частота ШИМ → рабочая частота → длина кабеля → конкретная модель ФС.

Итог

Синус-фильтры на 400, 500 и 690 В выполняют одну и ту же основную функцию — сглаживают выходное ШИМ-напряжение преобразователя частоты и уменьшают его негативное воздействие на электродвигатель и кабельную линию.

Но считать их взаимозаменяемыми нельзя.

Синусный фильтр 400 В наиболее востребован в стандартных промышленных электроприводах.

Синусный фильтр 500 В применяется в специализированных системах соответствующего класса напряжения.

Синусный фильтр 690 В особенно актуален для мощных промышленных приводов, где повышение рабочего напряжения позволяет передавать большую мощность при меньшем токе.

СЗСЭМ выпускает ФС для всех трех классов напряжения — 400, 500 и 690 В ±10%, с широким диапазоном номинальных токов и возможностью изготовления нестандартных исполнений.

При этом запрос «высоковольтный синусный фильтр» требует уточнения. Если имеется в виду 690 В, такое оборудование есть в стандартной линейке ФС, хотя по технической классификации IEC напряжение 690 В еще относится к диапазону до 1 кВ, а не к высоковольтному оборудованию.

Правильная последовательность подбора выглядит так:

напряжение → номинальный ток двигателя → ток ПЧ → частота ШИМ → максимальная выходная частота → длина моторного кабеля → параметры конкретного ФС.

Такой подход позволяет выбрать синус-фильтр не только по напряжению или мощности, а под реальные условия работы всего электропривода.