емс фильтр что такое
ЭМС фильтр для преобразователя частоты
Параметры электрической сети не всегда соответствуют современным требованиям и существующим нормативным документам. В реальности сеть сильно отличается от идеальной. Влияние всевозможных факторов отражается на качестве электроэнергии. Из-за несоответствия нормам возникает повышенное или пониженное напряжение, всплеск либо провал напряжения, искажение синусоидальной формы напряжения. Такие явления отрицательно сказываются на подключенных электропотребителях, нарушают их нормальное функционирование, иногда даже выводят их из строя.
В связи с нарастающим техническим прогрессом, образуется все большая и большая концентрация электрических и электронных компонентов на очень маленькой площади. Поэтому это приводит к увеличению опасности взаимовлияния и связанного с этим нарушения работы оборудования.
Электромагнитное воздействие отрицательно сказывается, преимущественно, на высоких частотах. Это значит, что правильная работа установки возможна только в том случае, когда монтаж соответствует техническим требованиям, то есть выполняются меры предупреждения:
Бесперебойная эксплуатация установки возможна при соблюдении условий: соразмерная минимальная помехозащищенность и ограниченное излучение помех используемых компонентов.
Причины высокочастотных помех
Отчего появляются высокочастотные помехи в установке, работающей лишь с постоянным или с переменным напряжением сети? Все дело в том, что различные формы сигналов имеют свои частотные спектры. Каждому несинусоидальному сигналу свойственно содержать, помимо своей основной частоты, еще и её кратные производные, которые именуются высшими гармониками. В общей сложности, чем быстрее меняется амплитуда сигнала, тем выше высокочастотные гармоники этого сигнала.
Это значит, что каждый процесс коммутации приводит к возникновению высокочастотных сигналов, которые становятся причиной помех. Границы частоты коммутации определяются исходя из расчётных потерь при коммутации, так как их возрастание связано пропорциональной зависимостью с частотой. И не только. Определенная частота коммутации, время переключения находятся при достижении некоего компромисса между требованиями, установленными для работы, к потерям при коммутации, рассеиванию мощности и соблюдением условий электромагнитной совместимости (ЭМС).
Как уменьшить влияние гармонических помех преобразователей частоты до допустимого уровня? Решения существуют, но их сложность и объём зависят от уровня вносимых частными преобразователями помех. Основным показателем качества электрической энергии значится коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения.
При незначительном увеличении этого коэффициента до 8–10% достаточно установки перед преобразователем частоты линейных дросселей либо дросселей постоянного тока. При этом проводится соответствующий расчёт эффективности от установки фильтрующих аппаратов.
Если же гармонические искажения превышают гораздо больше (более 10%), тогда необходимо тщательно проанализировать распределение энергии высокочастотных гармоник с применением измерителя нелинейных искажений или анализатора качества электроэнергии. Исходя из полученных результатов, принимаются технические решения, направленные на:
Влияние помех на приводное оборудование
В промышленности большая часть электропотребления приходится на вентиляторы, насосы, компрессоры, конвейеры и лебёдки, приводы технологических установок. Механическая часть всего этого хозяйства приводится в действие асинхронными двигателями переменного тока. Режимное управление работы асинхронных двигателей, включая сокращение потребления ими электроэнергии, осуществляется с помощью специализированных устройств – преобразователей частоты. Польза их заключается в значительном облегчении пусковых режимов и работы непосредственно асинхронных двигателей. Однако иногда частотные преобразователи оказывают и нежелательное влияние на двигатель.
В виду особенной конструкции преобразователя частоты, его напряжение и ток на выходе имеют форму всплеска с огромным числом помех. Выпрямитель преобразовательного устройства, потребляя нелинейный ток, создаёт высшие гармоники, тем самым загрязняя электрическую сеть. Инвертор частотного преобразователя (ШИМ) – генерирует широкий спектр высокочастотных гармоник.
Электропитание обмоток двигателя таким нестандартным током подчас доводит до теплового и электрического пробоя изоляции обмоток двигателя, износу изоляции, увеличению степени акустических шумов работающего мотора, эрозии подшипников. Помимо этого, частотные преобразователи источают помехи в электрической сети, что оказывает отрицательное воздействие на остальное электрооборудование, питающееся от этой же электросети. Для уменьшения неблагоприятного влияния гармонических искажений, создаваемых преобразователем частоты в процессе работы, на электросеть, для двигателя и самого преобразователя частоты используется фильтрация.
Предназначение фильтров ЭМС для частотных преобразователей
Частотный преобразователь создаёт сильные помехи, и их требуется свести к минимуму при комплектации монтаже, установке и эксплуатации электрического привода.
Преобразователи частоты неминуемо создают помехи, они являются основными источниками и виновниками больших скачков напряжения. Для нормальной работы приводной техники это оборачивается такими негативными явлениями, как:
Для всех этих негативных помех соответствует свой высокочастотный диапазон. Радиочастотные помехи также считаются частью электромагнитных помех, влияющих особенно на средства связи. Защитой от помех является фильтрация. ЭМС-фильтры обеспечивают соблюдение норм по электромагнитной совместимости и защищают от токов утечки, вызванных емкостью проводников. В совокупности с экранированным кабелем двигателя достигается нормальная работа техники.
Выходные ЭМС-фильтры для частотных преобразователей
ЭМС-фильтры делятся на активные и пассивные. И в тех и других присутствуют катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы. Отличие заключается в том, что в активных фильтрах применяются:
Помимо этого, разумеется, активным фильтрам требуется питание. А, главное, они намного эффективнее, чем пассивные фильтрующие средства.
Сетевой дроссель
Совместное применение преобразователя частоты с сетевым дросселем позволяет достичь большей мощности промежуточных звеньев. Сетевой дроссель сокращает помехи тока, что соответствует нормам ЭМС для сетей.
Фильтр dU/dt
Крутизна выходной характеристики преобразовательного устройства в совокупности с длинным кабелем двигателя зачастую приводит к переходным процессам, способствующим перенапряжению на клеммах агрегата. С помощью установки фильтра dU/dt на выходе преобразователя удается подавить это отклонение, а также сократить токи утечки в моторном кабеле.
Синусные фильтры
По виду синусные фильтры напоминают конструкцию фильтров dU/dt. Отличие заключается только в том, что в них используются дроссели и конденсаторы с большими номинальными параметрами. Это обеспечивает более эффективный способ борьбы с помехами высоких частот. Габариты синусных фильтров сравнимы с габаритами преобразователя частоты, которому данный фильтр предназначен. Синусные фильтры дают возможность применять моторные кабели необходимой длины тогда, когда мотор установлен вдали от преобразователя частоты.
Ферритовый фильтр
Ферритовые кольца – это пассивный способ борьбы с синфазными помехами. Когда стоит задуматься о пассивных способах борьбы с помехами? Тогда, когда требуется наличие:
Ферритовые кольца фильтра синфазных помех обладают овальной формой для простоты монтажа. Через отверстие в кольце продеваются все три фазные жилы моторного кабеля.
ЭМИ-фильтры
ЭМИ-фильтры являются обязательным элементом для эффективной работы импульсного преобразователя, применяются для уменьшения электромагнитных помех.
Электромагнитная совместимость частотных преобразователей
Электромагнитная совместимость технических средств — это нормальная (с требуемым качеством) работоспособность технического оборудования в реальной окружающей обстановке несмотря на непреднамеренное воздействие электромагнитных помех и способность не создавать недопустимых помех другой технике.
Все модели векторных преобразователей частоты оснащаются сетевыми фильтрами, чем обеспечивается необходимый уровень ЭМС. Фильтры допускается не применять в диапазоне до 30 кВт. Все преобразователи частоты большей мощности снабжаются встроенными фильтрами по умолчанию. Встроенный фильтр даёт возможность доводить до минимума наводки и помехи в электронной технике.
Фильтры электромагнитной совместимости и активные фильтры гармоник.
EMC-filters and active filters.
Активные фильтры эффективно компенсируют высшие гармоники при резко переменных нагрузках приводов.
Фильтры ЭМС (электромагнитной совместимости) – это один из терминов, который применяется для обозначения устройств компенсации высших гармоник определенного порядка в электроустановках. Аналогичный ему по смыслу англоязычный термин – “Tuned filter” (настроенный фильтр). Частота, на которую «настраивается» фильтр ЭМС, во многих случаях соответствует гармоникам 5-го и 7-го порядка. Именно такой спектр «опасных» по величине гармоник формируется при работе преобразователей частоты и выпрямителей с 6-пульсной схемой включения.
В состав фильтров ЭМС входят дроссели и конденсаторы.
Фильтры включаются последовательно с нелинейным электроприёмником, высшие гармоники от которого требуется компенсировать. С этим в первую очередь связаны недостатки подобных фильтров.
Фильтры ЭМС “Ecosine” включены последовательно с преобразователями частоты ACS 550 (ABB).
Фильтры ЭМС (“Tuned filters”) эффективно работают при расчетной нагрузке электроприёмника, которая обычно составляет 80% от номинальной. При снижении нагрузки ток, проходящий через дроссели фильтра, также снижается и конденсаторы начинают генерировать в сеть реактивную мощность ёмкостного характера. Если в схеме фильтра не предусмотрено отключение конденсаторов, то создаваемая ёмкостная нагрузка может представлять опасность для генераторов автономных источников (вплоть до аварийного отключения).
Поскольку фильтры ЭМС (“Tuned filters”) включаются последовательно с электроприёмником, через их дроссели протекает полный ток нагрузки. Тепловые потери в этих дросселях могут быть значительны.
В случае выхода из строя конденсаторов фильтра ЭМС он уже не выполняет своё предназначение (не компенсирует гармоники 5-го и 7-го порядков) и превращается в малоэффективный дроссель. При коротком замыкании или обрыве в обмотке дросселя нарушается цепь питания основного электроприёмника, что отрицательно влияет на показатели надежности электроустановки в целом.
Активные фильтры являются привлекательной альтернативой фильтрам ЭМС. Они программно настраиваются на компенсацию гармоник определённого порядка, выполняя функции “Tuned filters”, но без присущих последним недостатков:
Настройка активных фильтров на компенсацию гармоник определённого порядка.
Максимальный ток компенсации в системах с активными фильтрами при напряжении 400 В – 13500 А; при напряжении 690 В – 8100 А.
Наряду с компенсацией высших гармоники тока активные фильтры, поставляемые Инженерным центром «АРТ», могут непосредственно компенсировать искажения напряжения. При компенсации искажений напряжения на отдельной секции или присоединении это существенно удешевляет решение.
Предложения Инженерного центра «АРТ».
Полный комплекс работ по созданию систем компенсации высших гармоник на базе активных фильтров.
Фильтры для частотных преобразователей — диапазон регулирования
При работе двигателя нередко рождаются нежелательные явления, которые именуют «высшими гармониками». Они негативно сказываются на кабельных линиях и оборудовании электросети, приводят к нестабильной работе оборудования. При этом получается малоэффективное использование энергии, быстрое старение изоляции, сниженный процесс передачи и генерации.
Для решения данной проблемы необходимо выполнять требования по электромагнитной совместимости (ЭМС), выполнение которых позволит обеспечить устойчивость технических средств к негативным воздействиям. В статье сделан небольшой экскурс в область электротехники, связанной с фильтрацией входных и выходных сигналов частотного преобразователя (ПЧ) и повышением эксплуатационных характеристик двигателей.
Что такое электромагнитные шумы?
Они возникают буквально от всех металлических антенн, собирающих и излучающих дезориентирующие энергетические волны. И сотовые телефоны, естественно, тоже наводят магнитоэлектрические волны, поэтому при взлете/посадке самолета стюардессы просят отключать аппаратуру.
Шумы разделяются по типу источников их возникновения, по спектру и характерным признакам. Электрическими и магнитными полями разных источников из-за наличия коммутационных связей создаютсяв кабельной линии ненужные разности потенциалов, нарастающие на полезные волны.
Возникающие в проводах помехи называются противофазными либо синфазными. Последние (они также называются несимметричными, продольными) образуются между кабелем и землей, и действуют на изоляционные свойства кабеля.
Их значительная часть образуется от коммутации электрических цепей, непреднамеренной взаимной индуктивности и паразитной емкости. И небольшое количество от магнитного излучения, которое распространяется в пространстве по мере изменения параметров сети во времени.
Наиболее распространенными шумовыми источниками является индуктивная аппаратура (содержащая катушки), такие, как асинхронные двигатели (АД), реле, генераторы и т. д. Шум может вступать в «конфликт» с некоторыми устройствами, индуцируя электротоки в их цепях, вызывая сбои в рабочем процессе.
Как шумы связаны с частотным преобразователем?
Электроток является наиболее важной частью во время преобразования. Это кровь, протекающая по артериям (проводам) для питания оборудования. Конденсаторы отвечают за фильтрацию импульсов тока. Именно ток обеспечивает нужный уровень Uвых. Мощность зависит от текущей нагрузки. Паразитная емкость и взаимная индуктивность приводит к образованию потерь. Эта концепция перекрестных преткновений распространяется по всей цепи.
Преобразователи для асинхронных двигателей с динамически изменяющимся рабочим режимом, имея много положительного, обладают рядом недостатков — их использование приводит к возникновению интенсивных электромагнитных помех и наводок, которые формируются в аппаратах, связанных с ними по сети либо расположенными вблизи и подвергающимися излучению. Зачастую АД размещают удаленно от инвертора и соединяют с ним удлинённым проводом, что создаёт угрожающие предпосылки выхода электродвигателя из строя.
Наверняка кому-то приходилось столкнуться с импульсами от энкодера электродвигателя на контроллере либо с выдачей ошибки при использовании длинных проводов — все эти проблемы, так или иначе, связаны с совместимостью электронной техники.
Фильтры частотных преобразователей
Для повышения качества управления, ослабления отрицательного влияния используется фильтрующее устройство, представляющее собой элемент с нелинейной функцией. Задаётся частотный диапазон, вне которого реакция начинает ослабевать. С точки зрения электроники, этот термин довольно часто используется при обработке сигналов. Им определяется ограничительные условия для токовых импульсов. Основная функция частотника заключается в генерировании полезных, уменьшении нежелательных колебаний до уровня, установленного в соответствующих стандартах.
Существует два вида приборов в зависимости от места расположения в цепи, именуемые как входной и выходной. «Вход» и «выход» означает, что фильтрующие аппараты подсоединены к входной и выходной стороне преобразователя. Отличие между ними определяется их применением.
Входные служат для уменьшения шумовв кабельной линии электроснабжения. Они также влияют на устройства, подключенные к той же сети. Выходные предназначаются для помехоподавления для аппаратов, расположенныхрядом с инвертором и использующих одну и ту же землю.
Назначение фильтров для частотного преобразователя
В процессе функционирования частотный преобразователь – асинхронный двигатель, создаются нежелательные высшие гармоники, которые в совокупности с индуктивностью проводов приводят к ослаблению помехоустойчивости системы. По причине генерирования излучения электронная техника начинает неправильно работать. Активно функционирующие сетевые фильтры обеспечивают электромагнитную совместимость систем регулирования АД, спроектированных на основе ПЧ. К некоторому оборудованию предъявляются повышенные требования на предмет помехоустойчивости.
Фильтры необходимы для:
Все модели векторных частотных преобразователей снабжены сетевой фильтрацией. Наличие фильтрующих аппаратов обеспечивает необходимый уровень ЭМС для работы системы. Встроенное устройство позволяетделать минимальными наводки ишумы в электронной технике, и, следовательно,удовлетворяет требованиям по совместимости.
Отсутствие функции фильтрации в частотном преобразователе часто приводит к совокупительному нагреву питающего трансформатора, импульсным изменениям, искажениям формы питающей кривой, что вызывает сбой работы техники.
1. Тококомпенсирующие сетевые дроссели
Аппараты, абсолютно необходимые для обеспечения стабильности работы сложной электронной техники. Между преобразователем частоты и сетью питания монтируется буфер с целью защиты линии от высших гармоник. Он способен сдерживать этиколебания волн,частота которых больше550 Гц. При остановке мощной асинхроннойдвигательной системы, может возникнуть скачок напряжения. В этот момент срабатывает защита.
Сетевой дроссель рекомендовано устанавливать для подавления высокочастотных гармоник и корректировки коэффициента системы. Важность установки состоит в том, чтобы уменьшить потери в статорах электродвигателя, нежелательный нагрев агрегата.
Сетевые дроссели обладают достоинствами. Правильно выбранная индуктивность устройства позволяет обеспечить:
Можно представить конденсатор как блокиратор. Поэтому в зависимости от способа подключения конденсатора, он может выступать в качестве:
В практических схемах может потребоваться резистор, чтобы ограничить электронный поток и достичь правильного отсечения частот.
2. Фильтры электромагнитного излучения (ЭМИ)
Вы используете ситечко для чая во время приготовления чая? Оно используются для предотвращения «нежелательных! элементов от входа в вашу систему. В электрических цепях есть множество подобных нежелательных явлений, которые появляются в различных частотах.
Электропривод в составе преобразователя частоты и электродвигателя, считается переменной нагрузкой. Эти аппараты и индуктивность проводоввызывают зарождение высокочастотных флуктуаций напряжения и, как следствие, электромагнитного излучения кабелей, что негативно сказывается на функционировании остальных устройств.
Каждому проводу присуще паразитная емкость. Она способствует стеканию на землю высокочастотных токов, которые вызываются токами утечки. Последние графически выглядят в виде коротких остроконечных импульсов. В электроустановке без выравнивания потенциала данные пики токов утечки вызывают всплески напряжения. Помимо этого, вокруг токов утечки образуются высокочастотные магнитные поля, индуцирующие шумы в петлях кабеля.
ЭМИ требуются для соблюдения электромагнитной совместимости при монтаже преобразователя частоты в местах, неблагоприятных с точки зрения появления сетевых всплесков. Трёхфазные ЭМИ способны существенно уменьшать помехи в заданном частотном диапазоне. Некоторые частотные преобразователи производятся со встроенными фильтрующими блоком, подавляющим паразитные колебания сети.
3. Дроссель du/dt
Это индуктор с двумя (или больше) обмотками, в котором течёт ток в противоположных направлениях. Использование этого устройства, состоящего из дросселя и конденсатора, имеет ряд преимуществ. Он более надежен и может применяться при самых низких рабочих температурах. Все это позволяет увеличить срок службы электродвигателя. Низкая индуктивность и малый размер также являются его ключевыми особенностями.
Применяются в тех случаях, когда:
На довольно высоких частотах падение напряжения практически равняется нулю, и конденсатор ведет себя как разомкнутая цепь. Фильтпресс изготовлен в виде делителя напряжения с резистором и конденсатором. Он, по сути, применяется для того, чтобы уменьшить пропускную способность, нестабильность и исправить скорость нарастания Uвых.
Говоря простыми словами, обычный дроссель исходит от слова «душить». И до сих пор используется, потому что довольно точно описывает своё предназначение. Подумайте, как сжимается «кулак» вокруг провода, чтобы препятствовать резким изменениям тока.
4. Синусоидальные фильтры
Переменный электроток представляет собой волну, некую комбинацию синуса и косинуса. Различные синусоидальные волны имеют разные частоты. Если знать, какие частоты присутствуют, какие нужно передать или удалить, то в результате можно получить сочетание «полезных» волн, то есть без шума. Это помогает в некоторой степени очистить токовый сигнал. Синусоидальный фильтр – это комбинация емкостных и индуктивных элементов.
Одной из мер по обеспечению электромагнитной совместимости является применение синусоидального аппарата, это бывает необходимо:
Назначение устройства заключается в предотвращении повреждения изоляторов обмотки электродвигателя. Благодаря почти полному поглощению высоких импульсов, на выходе напряжение принимает синусную форму. Его правильная установка – важный аспект для уменьшения уровня помех в сети и, следовательно, излучения. Это позволяет применять длинный провод и способствует снижению шумового уровня. Низкая индуктивность также означает меньший размер и более низкую цену. Устройства сконструированы по методу на фильтрации dU/dt с отличием в большую сторону по величине номинала элементов.
5. Высокочастотные фильтры синфазных помех
Экранированным кабелям свойственна паразитная емкость. При неблагоприятных обстоятельствах экранирование выходной кабельной линии приводит к ослаблению помехоустойчивости из-за образующихся токов утечки с их высокочастотными составляющими. Удаление нежелательных явлений осуществляется с помощью фильтрации на выходе. Некоторые электронные приборы чувствительны к наличию гармоник в напряжении питания, поэтому требуют регулирования мощности для нормальной работы.
Если искаженная синусоида напряжения ведет себя как ряд гармонических сигналов добавленных к основной частоте, то фильтрующая схема позволяет пропускать только основную частоту, блокируя ненужные высшие гармоники. Входной аппарат фильтрации предназначается для подавления высокочастотного шума.
Приборы отличаются от выше рассмотренных более сложной конструкцией. Важнейшим способом снижения шумов служит соответствие требуемым правилам заземления в электрическом шкафу.
Как правильно выбрать входной и выходной фильтр ЭМС
Их отличительные достоинства заключаются в высоком помехопоглащающем коэффициенте. ЭМС применяются в устройствах с импульсными источниками питания. Стоит придерживаться требований инструкций по конкретной схеме управления асинхронных двигателей. Существуют общие принципы, определяющие правильность выбора.
Необходимо обратить внимание, что выбранная модель должна соответствовать:
Самый простой способ повысить качество электрической сети – это предпринять меры на стадии проектирования. Самое интересное, что при необоснованном отклонении от проектных решений вина полностью ложится на плечи электромонтажников.
Правильное решение по выбору типа частотного преобразователя, в совокупности с подходящей фильтровой аппаратурой, предотвращает возникновение большинства проблем для функционирования силового привода.
Обеспечение хорошей совместимости получается при правильном подборе параметров компонентов. Некорректное применение приборов может увеличить уровень помех. В реалии, входные и выходные фильтры иногда негативно влияют друг на друга. Это, особенно, касается случая, когда входной прибор встроен в частотный преобразователь. Выбор фильтрующего прибора к конкретному преобразователю осуществляется по техническим параметрам и лучше по компетентной рекомендации специалиста. Профессиональная консультация, возможно, принесёт вам существенную выгоду, так как дорогостоящей аппаратуре на самом деле всегда подбирается качественный недорогой аналог. Либо же она не действует в нужном частотном диапазоне.
Заключение
Электромагнитное воздействие влияет на оборудование, главным образом, на высоких частотах. Это означает, что правильная работа системы будет достигнута лишь тогда, когда соблюдаются правила электромонтажа и производственно-технические требования, а также выполняются требования к высокочастотному оборудованию (к примеру, экранирование, заземление, фильтрация).
Стоит заметить, что меры по повышению помехоустойчивости – это комплекс мероприятий. Использование лишь одних фильтров не решит проблему. Однако это наиболее эффективный способ удаления либо довольно значимого уменьшения вредоносных помех для нормальной электромагнитной совместимости электронной техники. Нельзя забывать также о том, что подходит или нет конкретная модель для решения задачи – определяется «на месте» либо путём эксперимента и тестирования.