Как отличить серьезный частотник от несерьезного ?

А давайте сначала попробуем по весу!

Серьезно, если открыть мощный ПЧ солидного бренда (например Delta Electronics от 37 кВт :-) ), то до 1/5 объема и до 1/3 веса возьмет на себя тяжелая железная штука, как на картинке:

Это - дроссель в звене постоянного тока.

Можно ли на нем сэкономить? Можно. Этим часто не гнушаются не только noname производители, но и вполне солидно звучащие, правда не приводные бренды.  Но к чему это приводит?

На входе любого ПЧ находится мостовой выпрямитель, нагруженный на силовые конденсаторы, от которых питается мост на IGBT формирующий ШИМ.

Без дросселя, трехфазный выпрямитель, нагруженный даже на идеальное активное сопротивление, не говоря уже о мосте  IGBT, потребляет ток в виде коротких импульсов большой амплитуды.

Это происходит потому, что диоды открываются только в те моменты времени, когда мгновенное напряжение фазы превышает постоянное выпрямленное напряжение ( напряжение в звене постоянного тока).

Собственно и мощность потребляет ПЧ только в площади этих импульсов, поэтому их амплитуда  может быть и на порядок выше амплитуды номинального синусоидального тока.

Даже если вы “договоритесь” со своей защитно-коммутационной аппаратурой, такой характер потребления приведет к насыщению питающей сети гармониками. Что интересно, чем больше емкость силовых конденсаторов в звене постоянного тока,тем выше будет уровень  этих гармоник.

Если вы считаете, что гармоники от преобразователя частоты - это только невозможность слушать приемник на длинных и средних волнах, который вы и так не слушаете, либо только наводки на аналоговые линии связи, которые вы допустим не используете, то вы заблуждаетесь.

Электромоторы

Если от одной сети с таким преобразователем будет запитан обыкновенный асинхронный двигатель, то следует учитывать, что разные гармоники создают вращающееся магнитное поле в разных направлениях. Так, если  1-я, 4-я, 7-я, 10-я, 13-я вращают мотор в условно положительную сторону, то 2-я, 5-я, 8-я, 11-я, 14-я - в противоположную.

Гармоники 3, 9, 15, 21 не создают заметного момента, но приводят к увеличению потерь в двигателе. Взаимодействие магнитных полей, вращающихся в разных направлениях порождают скручивающие (торсионные) осцилляции вала, приводящие к вибрациям.

Если такие вибрации попадают в механический резонанс - возможны даже серьезные механические разрушения оборудования и такие случаи фиксировались.

Трансформаторы

Воздействие гармоник на трансформаторы остаются незамеченными до той поры, пока он вдруг не откажет. Так же как и в моторах, гармоники создают дополнительные потери в стали, что ведет к перегреву сердечника.

Но еще более существенным является эффект вытеснения токов высокой частоты в обмотках, особенно в области выводов (crowding current effect), что приводит к резкому возрастанию сопротивления этих областей и соответственно к разогреванию.

Видели отгоревшие выводы трансформатора ?

Ищите рядом мощный частотник без дросселей.

Если же правильно рассчитывать трансформатор с поправкой на гармоники, нужно применять коэффициент запаса или derating, который легко может достигать 10-ти.

Компенсаторы реактивной мощности или конденсаторные установки

Конденсаторные установки часто можно встретить там, где много электромоторов - т.е. там, где обычно обитают и преобразователи частоты.

Но конденсаторные установки рассчитаны на 50Гц и выдерживают перегрузку 110% по напряжению и 135% по реактивной мощности. Но с появлением гармоник в сети эти запасы легко превышаются и конденсаторные установки выходят из строя.

Но более серьезные вещи могут произойти если поймать резонанс сети - последовательный, либо параллельный. В сети с гармониками можно поймать их оба.

В случае параллельного резонанса ток в цепи увеличивается в Q раз, в случае последовательного - уже напряжение увеличивается в Q раз, где Q - добротность резонансной цепи, которая может быть и 20 и 50.

Нужно ли объяснять, к чему может привести выброс напряжения 380*20=7600 В? Так что сгоревшими конденсаторами можно и не отделаться - погорит вокруг все, где защита не успеет отработать.

Кабель

Да, и даже кабель. Как вы знаете, нулевой провод в трехфазном кабеле делают меньшим сечением, чем фазные провода.
И это оправдано, потому что в идеально сбалансированной 3-х фазной системе ток в таком проводе равен нулю и появляется только в случае разбаланса нагрузок.

Но сбалансированная сеть для основной частоты 50 Гц совсем не сбалансирована для гармоник ! И действующее (т.е. нагревающее) значение тока в нулевом проводе чаще всего больше , чем в каждой фазе ! Ситуация усугубляется тем, что на высоких частотах начинает действовать скин эффект, проявляющийся в вытеснении тока к поверхности проводника, что ведет к уменьшению эффективного сечения и возрастанию потерь, а следовательно нагрева. Все это может привести к отгоранию нуля, выходу из строя смежного электрооборудования, перегреву кабеля и даже к пожару.

Иными словами - начались вокруг чудеса - ищите рядом недавно установленный мощный и подозрительно дешевый частотник. Кстати преобразователи частоты Delta Electronics тоже не пугают ценой, но лишь потому, что Delta оказывается еще и мировой лидер по производству моточных изделий и дросселей (как кстати и вентиляторов, средств теплоотвода и источников питания). Дроссели Delta работают и в последнем iPhone и в силовом оборудовании солнечных и ветровых электростанций.

Как избежать ?

Может быть поможет мой встроенный радиочастотный фильтр? Не решит ли он проблему? Нет, не решит. Он подавляет помехи на радио частотах ( в основном от ШИМ-а IGBT), которые начинаются от 150 кГц. 150 кГц - это 3000-я гармоника частоты 50 Гц, а все те неприятности, о которых написано выше, доставляют гораздо более низкие и более мощные гармоники частоты сети.

Поэтому, в качестве решения, как вы уже догадались, можно просто сразу купить качественный преобразователь с дросселем постоянного тока внутри, например Delta Electronics серий С2000/СP2000 (от 37 кВт). Такой дроссель уменьшит скорость нарастания импульса тока, следовательно уменьшит его высоту и расширит основание.

Такая форма тока уже больше похожа на синусоиду. Matlab и анализатор спектра так-же подтвердят снижение коэффициента гармоник в несколько раз, иногда даже на порядок.

Если же вы испытываете проблемы с гармониками для меньших мощностей, то Delta Electronics даст возможность его подсоединить и в этом случае.

В сериях С/СP нужно просто убрать перемычку и поставить вместо нее внешний дроссель.

Ограничить скорость нарастания тока можно и сетевым дросселем.

Однако дроссель в звене постоянного тока обладает двумя преимуществами.

Во первых этот дроссель дешевле и компактнее. Хотя бы потому, что “дросселировать” приходится один провод, а не три.

Во вторых он не создает падения напряжения, как сетевой дроссель. Дело в том, что 3%-й сетевой дроссель создаст 3%-е падение напряжение на своем индуктивном сопротивлении на частоте сети. Преобразователь частоты рассчитан на стандартные параметры входного напряжения 380В +/- 10% (342 - 528В у Delta Electronics). Если ваша сеть работает в минусовом допуске, то потеря еще 3-х процентов напряжения может оказаться критической и привести к срабатыванию защиты преобразователя по пропаданию фазы. Правда в преобразователях Delta Electronics эту защиту можно настроить или вообще отключить.

С другой стороны входной сетевой дроссель обладает и важным преимуществом - он дает время, а следовательно шанс сработать защите преобразователя от коротких мощных выбросов напряжения на входе, которые могут возникнуть в случае близкого расположения от подстанции при включения мощной нагрузки, переключения конденсаторов в устройстве компенсации реактивной мощности, либо расположенного рядом мощного и подозрительно дешевого другого преобразователя частоты. Кроме того входной дроссель обеспечивает несколько более высокое подавление гармоник в сети.

 Оба метода снижения гармониек  - дроссель звена постоянного тока и сетевой дроссель

Так какой же метод выбрать? Если сомневаетесь, применяйте оба, точно хуже не будет.

И внимательно читайте спецификации громких , но дешевых брендов. !