Як відрізнити серйозний перетворювач частоти від несерйозного?

А давайте спочатку спробуємо по вазі!

Серйозно, якщо відкрити потужний ПЧ солідного бренду (наприклад Delta Electronics від 37 кВт :-) ), то до 1/5 об'єму і до 1/3 ваги візьме на себе важка залізна штука, як на картинці:

Це - дросель в ланці постійного струму.

Чи можна на ньому заощадити? Можна. Цим часто користуються не тільки noname виробники, але й які цілком солідно звучать, правда не приводні бренди. Але до чого це призводить?

На вході будь-якого ПЧ знаходиться містовий випрямляч, навантажений на силові конденсатори, від яких живиться міст на IGBT що формує ШІМ.

        Так робити не можна на великих потужностях !

Без дроселя, трифазний випрямляч, навантажений навіть на ідеально активний опір, не кажучи вже про міст IGBT, споживає струм у вигляді коротких імпульсів великої амплітуди.

Це відбувається тому, що діоди відкриваються тільки в ті моменти часу, коли миттєве напруга фази перевищує постійну випрямлену напругу ( напруга в ланці постійного струму).

Власне і потужність споживає ПЧ тільки в площі цих імпульсів, тому їх амплітуда може бути на порядок вище амплітуди номінального синусоїдального струму.

Навіть якщо ви "домовитесь" зі своєю захисно-комутаційною апаратурою, такий характер споживання призведе до насичення  мережі гармоніками. Що цікаво, чим більше ємність силових конденсаторів в ланці постійного струму,тим вище буде рівень цих гармонік.

Якщо ви вважаєте, що гармоніки від перетворювача частоти - це тільки неможливість слухати приймач на довгих і середніх хвилях, який ви і так не слухаєте, або тільки наведення на аналогові лінії зв'язку, які припустимо ви не використовуєте, то ви помиляєтеся.

Електромотори

Якщо від однієї мережі з таким перетворювачем буде підключений звичайний асинхронний двигун, то слід враховувати, що різні гармоніки створюють обертове магнітне поле в різних напрямках. Так, якщо 1-я, 4-а, 7-а, 10-а, 13-я обертають мотор в умовно позитивну сторону, то 2-я, 5-я, 8-а, 11-а, 14-я - в протилежну.

Гармоніки 3, 9, 15, 21 не створюють помітного моменту, але призводять до збільшення втрат в двигуні. Взаємодія магнітних полів, що обертаються в різних напрямках породжують скручують (торсіонні) осциляції валу, що призводять до вібрацій.

Якщо такі вібрації потрапляють в механічний резонанс - можливі навіть серйозні механічні руйнування обладнання і такі випадки фіксувалися.

Трансформатори

Вплив гармонік на трансформатори залишаються непоміченими до тієї пори, поки він раптом не відмовить. Так само як і в моторах, гармоніки створюють додаткові втрати в сталі, що веде до перегріву сердечника.

Але ще більш істотним є ефект витіснення струмів високої частоти в обмотках, особливо в області виводів (crowding current effect), що призводить до різкого зростання опору цих областей і відповідно до розігрівання.

Бачили отгоревшие вивіди трансформатора ?

Шукайте поруч потужний частотники без дроселів.

Якщо ж правильно розраховувати трансформатор з поправкою на гармоніки, потрібно застосовувати коефіцієнт запасу або derating, який легко може досягати 10-ти.

Компенсатори реактивної потужності або конденсаторні установки

Конденсаторні установки часто можна зустріти там, де багато електромоторів - тобто там, де зазвичай використовуються  і перетворювачі частоти.

Але конденсаторні установки розраховані на 50Гц і витримують перевантаження 110% по напрузі і 135% по реактивній потужності. Але з появою гармонік у мережі ці запаси легко перевищуються і конденсаторні установки виходять з ладу.

Але більш серйозні речі можуть статися якщо зловити резонанс мережі - послідовний або паралельний. У мережі з гармоніками можна зловити їх обидва.

У разі паралельного резонансу струм в ланцюзі збільшується в Q разів, у разі послідовного - вже напруга збільшується в Q раз, де Q - добротність резонансного ланцюга, яка може бути і 20, і 50.

Чи треба пояснювати, до чого може призвести викид напруги 380*20=7600 В? Так що згорілими конденсаторами усе може і не скінчитись - погорить і все навколо, де захист не встигне відпрацювати.

Кабель

Так, і навіть кабель. Як ви знаєте, нульовий провід у трифазному кабелі роблять меншим перетином, ніж фазні дроти.
І це виправдано, тому що в ідеально збалансованої 3-х фазній системі струм в такому проводі дорівнює нулю і з'являється тільки у разі розбалансу навантажень.

Але збалансована мережу для основної частоти 50 Гц зовсім не збалансована для гармонік ! І діюче (тобто нагріває) значення струму в нульовому проводі найчастіше більше , ніж у кожній фазі ! Ситуація ускладнюється тим, що на високих частотах починає діяти скін ефект, що проявляється у витісненні струму до поверхні провідника, що веде до зменшення ефективного перерізу і зростанням втрат, а отже нагріву. Все це може призвести до отгоранию нуля, виходу з ладу суміжного електрообладнання, перегрів кабелю і навіть до пожежі.

Іншими словами - почалися навколо дива - шукайте поруч нещодавно встановлений потужний і підозріло дешевий частотники. До речі перетворювачі частоти Delta Electronics теж не лякають ціною, але лише тому, що Delta виявляється ще й світовий лідер з виробництва моткових виробів і дроселів (як до речі і вентиляторів, засобів тепловідведення та джерел живлення). Дроселі Delta працюють і в останньому iPhone і у силовому обладнанні сонячних і вітрових електростанцій.

Як уникнути ?

Можливо допоможе мій вбудований радіочастотний фільтр? Чи не вирішить він проблему? Ні, нажаль, не вирішить. Він пригнічує перешкоди на радіо частотах ( в основному від ШІМ-а IGBT), які починаються від 150 кГц. 150 кГц - це 3000-я гармоніка частоти 50 Гц, а всі ті неприємності, про які написано вище, приносять набагато більш низькі і більш потужні гармоніки частоти мережі.

Тому, в якості рішення, як ви вже здогадалися, можна просто відразу купити якісний перетворювач з дроселем постійного струму всередині, наприклад Delta Electronics серій С2000/СР2000 (від 37 кВт). Такий дросель зменшить швидкість наростання імпульсу струму, отже зменшить його висоту і розширить основу.

Така форма струму вже більше схожа на синусоїду. Matlab і аналізатор спектру так-же підтвердять зниження коефіцієнта гармонік в кілька разів, іноді навіть на порядок.

Якщо ж ви відчуваєте проблеми з гармоніками для менших потужностей, то Delta Electronics дасть можливість його під'єднати і в цьому випадку.

У серіях С/СР потрібно просто прибрати перемичку і поставити замість неї зовнішній дросель.

Обмежити швидкість наростання струму можна і мережевим дроселем.

Однак дросель в ланці постійного струму, має дві переваги.

По перше цей дросель дешевшим і компактнішим. Хоча б тому, що "дросселювати" припадає один провід, а не три.

По друге він не створює падіння напруги, як мережевий дросель. Справа в тому, що 3%-й мережевий дросель створить 3%-е падіння напруги на своєму індуктивному опорі на частоті мережі. Перетворювач частоти розрахований на стандартні параметри вхідної напруги 380В +/- 10% (342 - 528В у Delta Electronics). Якщо ваша мережа працює в мінусовому допуск, то втрата ще 3-х відсотків напруги може виявитися критичною і привести до спрацьовування захисту перетворювача по відсутності фази. Правда в перетворювачах Delta Electronics цей захист можна змінити або взагалі відключити.

З іншого боку вхідний мережевий дросель має і важливу перевагу - він дає час, а отже шанс спрацювати захисту перетворювача від коротких потужних викидів напруги на вході, які можуть виникнути у разі близького розташування від підстанції при включенні потужного навантаження, перемикання конденсаторів у пристрої компенсації реактивної потужності , або розташованого поруч потужного та підозріло дешевого іншого перетворювача частоти. Крім того вхідний дросель забезпечує дещо вище придушення гармонік у мережі.

Обидва методи зниження гармониек - дросель ланки постійного струму і мережевий дросель

Який саме метод обрати? Якщо сумніваєтеся, використовуйте обидва, точно гірше не буде.

І уважно читайте специфікації гучних , але дешевих брендів. !