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.

        Так делать нельзя на больших мощностях !

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. !