Синусный фильтр Schneider Electric (Шнайдер): назначение и как подобрать российский аналог

Преобразователь частоты управляет электродвигателем с помощью широтно-импульсной модуляции. Поэтому непосредственно на выходе ПЧ формируется не обычная синусоида, а последовательность импульсов с высокой скоростью нарастания напряжения.

Для большинства современных электродвигателей такой режим является штатным. Однако при длинном кабеле, повышенных требованиях к изоляции двигателя или использовании специального оборудования может потребоваться дополнительная выходная фильтрация.

Одно из таких решений — синусный фильтр Schneider Electric, устанавливаемый между преобразователем частоты Altivar и электродвигателем.

При ремонте, модернизации или импортозамещении возникает вопрос: чем заменить фильтр синусный Schneider Electric и можно ли использовать российский синус-фильтр серии ФС производства СЗСЭМ?

Можно, но подбирать замену необходимо не только по мощности ПЧ или току старого фильтра. Следует учитывать всю систему:

преобразователь частоты → синус-фильтр → моторный кабель → электродвигатель.

СЗСЭМ выпускает синус-фильтры серии ФС и прямо указывает возможность разработки и изготовления аналогов оборудования зарубежных производителей, в том числе Schneider Electric.

Что представляет собой синусный фильтр Schneider Electric

Schneider Electric выпускает выходные синус-фильтры семейства VW3A5401–VW3A5407, предназначенные для применения с преобразователями частоты Altivar. В актуальной документации Schneider эта линейка связана, в частности, с сериями Altivar Process ATV600 и ATV900.

Устанавливается устройство после преобразователя:

СЕТЬ → ПЧ ALTIVAR → СИНУС-ФИЛЬТР → ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Основная задача — уменьшить высокочастотную составляющую ШИМ-напряжения и обеспечить на двигателе форму напряжения, значительно более близкую к синусоидальной.

Schneider Electric указывает для своих выходных синус-фильтров возможность работы с увеличенной длиной моторного кабеля, применение с параллельно подключенными двигателями, погружными насосами и в системах, чувствительных к высокому dv/dt.

Зачем нужен синус-фильтр на выходе ПЧ

Преобразователь частоты формирует необходимую основную частоту двигателя, быстро переключая силовые транзисторы.

Если двигатель должен работать на частоте 50 Гц, это не означает, что на выходе ПЧ присутствует чистая синусоида 50 Гц. Внутри нее находится высокочастотная ШИМ-составляющая.

Из-за этого могут возникать:

• высокая крутизна фронтов напряжения du/dt;

• импульсные перенапряжения на двигателе;

• дополнительная нагрузка на межвитковую изоляцию;

• дополнительные потери в электродвигателе;

• нагрев;

• повышенный акустический шум;

• подшипниковые токи;

• токи утечки;

• электромагнитные помехи.

Особенно заметными эти эффекты становятся по мере увеличения расстояния между ПЧ и двигателем.

Именно поэтому синусный фильтр Шнайдер особенно актуален для приводов с протяженной моторной линией.

Как работает синус-фильтр

Синус-фильтр представляет собой LC-систему.

Основные элементы:

L — индуктивность;
C — емкость.

Индуктивное сопротивление увеличивается с частотой:

XL = 2πfL

а емкостное сопротивление, наоборот, уменьшается:

XC = 1 / (2πfC).

Правильно рассчитанное сочетание индуктивности и емкости позволяет относительно свободно пропускать полезную основную составляющую напряжения двигателя и значительно ослаблять высокочастотную ШИМ-составляющую.

На входе фильтра:

импульсное ШИМ-напряжение

а на выходе:

напряжение, приближенное к синусоидальному.

Поэтому полноценный синус-фильтр нельзя считать просто большим моторным дросселем.

Какие синус-фильтры Schneider Electric существуют

Для Altivar применяется серия выходных фильтров:

VW3A5401–VW3A5407.

Например:

• VW3A5401 — номинальный ток 6 А;

• VW3A5402 — 15 А;

• VW3A5406 — 180 А.

Schneider характеризует VW3A5401 как выходной синус-фильтр на 6 А, предназначенный в том числе для увеличения длины моторной линии и применения с двигателями, чувствительными к dv/dt. VW3A5402 имеет номинальный ток 15 А; для него также указана максимальная выходная частота ПЧ 100 Гц. VW3A5406 рассчитан на 180 А.

Полный каталожный номер установленного устройства желательно определять непосредственно по шильдику.

Например:

VW3A5402

намного полезнее для подбора, чем формулировка:

«синусный фильтр Шнайдер для двигателя 7,5 кВт».

Российские синус-фильтры СЗСЭМ серии ФС

Снежинский завод специальных электрических машин выпускает собственные трехфазные синус-фильтры серии ФС.

Они устанавливаются:

ПЧ → ФС → электродвигатель

и предназначены для:

• улучшения качества выходного напряжения;

• ограничения du/dt;

• уменьшения перенапряжений на клеммах двигателя;

• снижения дополнительных потерь в двигателе и кабеле;

• ограничения подшипниковых токов;

• уменьшения токов утечки;

• снижения нагрева и шума;

• увеличения допустимой длины моторной линии.

Для серии ФС СЗСЭМ заявляет качество выходного напряжения THDu менее 5%.

СЗСЭМ также прямо указывает возможность разработки фильтров-аналогов для замены продукции Schneider Electric (Шнайдер).

Можно ли заменить Schneider Electric российским ФС

Да, фильтры ФС можно рассматривать в качестве российского решения при замене оборудования Schneider Electric.

Однако здесь есть важный нюанс.

На сайте СЗСЭМ опубликована таблица соответствия ФС фильтрам ELHAND, BLOCK, Danfoss и Schaffner, но отдельного официального построчного соответствия:

VW3A5401 → конкретный ФС

VW3A5402 → конкретный ФС

и так далее для Schneider Electric в этой таблице нет.

Поэтому нельзя просто составить соответствие только по ближайшему номинальному току и считать его гарантированной взаимозаменяемостью.

Для Schneider Electric правильнее выполнять индивидуальный инженерный подбор аналога.

По каким параметрам подбирать аналог

Основная последовательность выглядит так:

модель Schneider → напряжение → ток двигателя → ток ПЧ → частота ШИМ → выходная частота → длина кабеля → параметры фильтра.

Разберем каждый пункт.

1. Точная модель фильтра Schneider Electric

Первым делом необходимо определить полную маркировку.

Например:

VW3A5401

или:

VW3A5406.

Лучший источник — шильдик старого фильтра.

Если фильтр уже демонтирован, желательно использовать проектную документацию или спецификацию шкафа управления.

Название:

«фильтр синусный Schneider Electric»

без каталожного номера недостаточно для точного подбора.

2. Рабочее напряжение

Необходимо определить напряжение системы:

• 380 В;

• 400 В;

• 500 В;

• 690 В;

• другое.

СЗСЭМ выпускает ФС для различных напряжений. В опубликованном каталоге есть, в частности, трехфазные исполнения на 400, 500 и 690 В.

Фильтр с подходящим током, но рассчитанный на другое напряжение, нельзя считать правильной заменой.

3. Номинальный ток двигателя

Это один из наиболее важных параметров.

СЗСЭМ отдельно указывает, что мощность двигателя, приведенная в таблице ФС, является типовым ориентиром, а при правильном подборе следует руководствоваться прежде всего номинальным током двигателя.

Например, если:

I двигателя = 175 А,

то при выборе фильтра необходимо обеспечить допустимый длительный ток не ниже значения, требуемого реальным приводом.

Поэтому нельзя выбирать ФС исключительно по условию:

двигатель 90 кВт → фильтр из строки 90 кВт.

Двигатели одинаковой мощности могут иметь различный номинальный ток.

4. Выходной ток преобразователя частоты

Необходимо проверить также характеристики Altivar.

Нужны:

• номинальный выходной ток;

• максимальный длительный ток;

• перегрузочная способность.

Фильтр находится непосредственно в силовой цепи между ПЧ и двигателем, поэтому должен выдерживать предусмотренные технологическим процессом режимы.

Особенно важно учитывать перегрузки для:

• конвейеров;

• дробилок;

• подъемных механизмов;

• экструдеров;

• металлургического оборудования;

• других механизмов с тяжелым пуском или переменным моментом.

Частота ШИМ — критически важный параметр

При замене синус-фильтра нельзя ограничиваться сравнением тока и напряжения.

Необходимо знать:

частоту коммутации преобразователя частоты.

Например:

4 кГц, 6 кГц или 8 кГц.

Синус-фильтр представляет собой частотно-зависимую LC-систему. Его параметры рассчитываются таким образом, чтобы подавлять ШИМ-составляющую определенного диапазона.

Если фактическая частота коммутации существенно отличается от расчетной, возможны:

• повышенный нагрев дросселей;

• повышенный ток конденсаторов;

• дополнительные потери;

• ухудшение фильтрации;

• нежелательные резонансные режимы.

Поэтому при подборе ФС модель преобразователя и его настройки необходимо сообщать производителю.

Максимальная выходная частота двигателя

Это еще один параметр, который иногда забывают.

Например, Schneider Electric для VW3A5402 указывает максимальную выходную частоту привода 100 Гц.

Если двигатель работает:

0–50 Гц,

это одна задача.

Если:

0–100 Гц,

условия фильтра уже отличаются.

Для специальных ФС СЗСЭМ, рассчитанных на моторные линии длиной до 2000 м, например, указана выходная частота инвертора 0–70 Гц и диапазон ШИМ 4–8 кГц.

Следовательно, фильтр с подходящим номинальным током может не подойти, если максимальная рабочая частота системы выходит за его допустимый диапазон.

Длина кабеля между фильтром и двигателем

Одно из основных назначений выходного синус-фильтра Schneider — возможность использования более длинной моторной линии. Это прямо указано Schneider Electric для моделей VW3A5401 и VW3A5406.

Поэтому при замене необходимо обязательно указать расстояние:

ПЧ → фильтр → кабель → двигатель.

Например:

20 м

и:

350 м

— совершенно разные условия.

СЗСЭМ выпускает отдельные исполнения ФС:

• для кабельных линий до 400 м;

• для кабельных линий до 2000 м.

Это значит, что даже при одинаковом токе может понадобиться разный фильтр.

Почему нельзя подобрать аналог только по току

Допустим, установлен:

Schneider Electric VW3A5406 — 180 А.

В линейке СЗСЭМ существуют фильтры с номинальным током около 180 А.

На первый взгляд можно сказать:

180 А Schneider → 180 А СЗСЭМ.

Но это пока только предварительная точка подбора.

Необходимо еще сравнить:

• напряжение;

• выходную частоту;

• частоту ШИМ;

• параметры двигателя;

• длину кабеля;

• допустимую перегрузку;

• требуемый уровень фильтрации;

• конструктивное исполнение.

Поэтому совпадение цифры «180 А» не является доказательством полной взаимозаменяемости.

Почему Schneider рекомендует проверенные сочетания Altivar + фильтр

Есть еще один важный технический момент.

Schneider Electric указывает, что сочетания Altivar с синус-фильтрами, которые приведены в каталогах производителя, были проверены эксплуатационными испытаниями. Использование синус-фильтров Schneider со сторонними преобразователями без дополнительной проверки компания не гарантирует.

Этот принцип важен и при обратной замене.

Если вместо штатного фильтра Schneider используется российский ФС, необходимо проверить совместимость:

конкретный Altivar + конкретный ФС + двигатель + кабель.

То есть речь идет не о механической замене коробки одного производителя на коробку другого, а о подборе электротехнического оборудования под конкретную приводную систему.

Что означает маркировка фильтра ФС

В обозначении фильтров СЗСЭМ хорошо видны основные параметры.

Например:

ФС-0,4/180

означает:

• ФС — синус-фильтр;

• 0,4 — индуктивность 0,4 мГн;

• 180 — номинальный ток 180 А.

Именно поэтому при подборе аналога Schneider необходимо знать не только ток старого устройства, но желательно и его электрические параметры.

В линейке СЗСЭМ есть ФС от единиц ампер до мощных высокотоковых исполнений. По предварительному согласованию возможно изготовление фильтров с параметрами, отличными от стандартных таблиц.

Когда особенно нужен синусный фильтр Шнайдер или его аналог

Выходной синус-фильтр особенно актуален в нескольких ситуациях.

Длинный моторный кабель

Чем дальше двигатель от ПЧ, тем сильнее влияние распределенных параметров кабеля и отраженных импульсов.

Синус-фильтр значительно уменьшает эту проблему.

Погружной электродвигатель

Для погружных насосов характерны длинные линии питания и повышенные требования к надежности изоляции.

Schneider прямо отмечает применение своих выходных синус-фильтров для погружных насосов, чувствительных к dv/dt.

Несколько двигателей от одного ПЧ

При параллельном подключении двигателей суммарная емкость моторных кабелей увеличивается.

Schneider также указывает такое применение для своей серии фильтров.

Старый электродвигатель

Двигатель, изначально рассчитанный на питание непосредственно от сети 50 Гц, может иметь изоляцию, менее устойчивую к крутым ШИМ-фронтам современных преобразователей.

Синус-фильтр позволяет уменьшить эту нагрузку.

Требуется снизить шум двигателя

При работе непосредственно от ПЧ двигатель может издавать характерный высокочастотный акустический шум.

Сглаживание выходного напряжения способствует его уменьшению.

Синус-фильтр или dU/dt-фильтр

Эти устройства часто воспринимают как взаимозаменяемые, но это не совсем так.

dU/dt-фильтр

Основная задача:

уменьшить крутизну фронтов напряжения.

Он не обязательно формирует полноценную синусоиду.

Синус-фильтр

Выполняет более глубокую фильтрацию ШИМ.

На выходе формируется напряжение, значительно более близкое к синусоидальному.

Если требуется прежде всего защитить двигатель при относительно умеренной длине кабеля, может быть достаточно dU/dt-решения.

Если же требуется глубокое подавление высокочастотной составляющей или большая длина линии, рассматривается полноценный синус-фильтр.

Синус-фильтр или моторный дроссель

Обычный моторный дроссель также устанавливается после ПЧ:

ПЧ → моторный дроссель → двигатель.

Но он представляет собой преимущественно индуктивность.

Синус-фильтр — это LC-система.

Поэтому степень фильтрации различается.

Условно можно представить:

моторный дроссель → dU/dt-фильтр → синус-фильтр

по мере увеличения глубины воздействия на выходное ШИМ-напряжение.

Следовательно, заменять штатный синусный фильтр Schneider Electric обычным моторным дросселем только из-за совпадения номинального тока нельзя.

Синус-фильтр нельзя путать с фильтром гармоник

Название «фильтр» часто приводит к путанице.

Синус-фильтр

Устанавливается:

ПЧ → фильтр → двигатель

Работает с выходным ШИМ-напряжением.

Фильтр гармоник

Устанавливается:

сеть → фильтр → ПЧ

Предназначен для снижения гармонического тока, который преобразователь потребляет из питающей сети.

Поэтому синус-фильтр не предназначен для снижения входного THDi.

Если проблема заключается в гармониках на стороне сети, необходим другой класс оборудования.

Пример предварительного подбора

Предположим, на объекте установлен:

Schneider Electric VW3A5406

с номинальным током:

180 А.

Порядок действий будет следующим.

1. Проверяем двигатель

Например:

номинальный ток — 172 А.

2. Проверяем преобразователь

Необходимо определить:

• точную модель Altivar;

• выходной ток;

• частоту ШИМ;

• диапазон выходной частоты.

3. Проверяем напряжение

Допустим:

3 × 400 В.

4. Определяем длину кабеля

Например:

120 м.

5. Выбираем предварительное исполнение ФС по току

В линейке СЗСЭМ ищется фильтр с допустимым током не ниже требуемого.

6. Проверяем электрические характеристики

Сравниваются:

• индуктивность;

• емкость;

• частотный диапазон;

• перегрузочная способность;

• требования к моторной линии.

Только после этого конкретный ФС можно рекомендовать для замены.

Какие данные нужны для подбора российского аналога

Чтобы подобрать синус-фильтр серии ФС вместо Schneider Electric, желательно предоставить:

1. Полное обозначение старого фильтра Schneider.

2. Фото его шильдика.

3. Точную модель преобразователя Altivar.

4. Номинальную мощность ПЧ.

5. Выходное напряжение.

6. Номинальный выходной ток.

7. Перегрузочную способность ПЧ.

8. Установленную частоту ШИМ.

9. Мощность двигателя.

10. Номинальный ток двигателя.

11. Номинальную частоту двигателя.

12. Максимальную рабочую частоту.

13. Длину кабеля от фильтра до двигателя.

14. Тип моторного кабеля.

15. Условия эксплуатации.

16. Требования к габаритам и подключению.

Чем полнее исходная информация, тем точнее можно подобрать российский аналог без избыточного запаса и риска несовместимости.

Что делать, если точного серийного аналога нет

Необязательно искать ФС с абсолютно такими же цифрами, как у старого Schneider Electric.

Разные производители могут использовать:

• разную индуктивность;

• различную емкость;

• другую топологию фильтра;

• иные габариты.

Главное — обеспечить необходимые характеристики всей приводной системы.

СЗСЭМ указывает возможность изготовления синус-фильтров с параметрами, отличными от стандартных, по предварительному согласованию.

Поэтому при отсутствии готового серийного исполнения возможно разработать фильтр под параметры существующего Altivar и двигателя.

Типичные ошибки при замене фильтра Schneider Electric

Подбирать только по мощности двигателя

Мощность в кВт — только ориентир. Приоритет имеет номинальный ток.

Подбирать только по току старого фильтра

Совпадение ампер не гарантирует совместимости LC-параметров.

Не учитывать частоту ШИМ

Это один из ключевых параметров работы синус-фильтра.

Не учитывать максимальную частоту двигателя

Особенно важно для приводов, работающих выше стандартных 50 Гц.

Не указывать длину моторного кабеля

Для 30 и 300 м могут потребоваться разные исполнения фильтра.

Путать синус-фильтр с dU/dt-дросселем

Они обеспечивают разную глубину фильтрации.

Путать выходной фильтр с фильтром гармоник

Один работает после ПЧ, другой — на сетевой стороне.

Считать любое совпадение тока прямым аналогом

Подтверждать замену нужно по совокупности характеристик.

Российский аналог синус-фильтра Schneider Electric

СЗСЭМ выпускает широкую линейку синус-фильтров ФС для преобразователей частоты различных производителей.

Оборудование предназначено для:

• формирования выходного напряжения с THDu менее 5%;

• ограничения du/dt;

• снижения перенапряжений;

• уменьшения нагрева двигателя;

• снижения потерь;

• ограничения токов утечки и подшипниковых токов;

• работы с протяженными кабельными линиями.

Производитель прямо указывает возможность разработки аналогов для замены Schneider Electric.

При этом правильный аналог выбирается не по названию бренда, а по характеристикам конкретной системы.

Итог

Фильтр синусный Schneider Electric устанавливается на выходе преобразователя частоты Altivar перед электродвигателем. Он используется для уменьшения высокочастотной составляющей ШИМ, снижения du/dt и перенапряжений и позволяет применять более протяженные моторные кабельные линии. Schneider Electric выпускает для этих задач серию VW3A5401–VW3A5407.

Если требуется заменить синусный фильтр Шнайдер российским оборудованием, можно рассматривать синус-фильтры СЗСЭМ серии ФС. Завод прямо указывает возможность разработки аналогов Schneider Electric.

Однако подбор необходимо выполнять последовательно:

точная модель Schneider → напряжение → номинальный ток двигателя → выходной ток ПЧ → частота ШИМ → максимальная выходная частота → длина моторного кабеля → параметры ФС.

Совпадение только мощности или номинального тока недостаточно для подтверждения полной взаимозаменяемости.

Если стандартного ФС с подходящими параметрами нет, возможно согласовать специальное исполнение под характеристики существующего преобразователя Schneider Electric, двигателя и кабельной линии.