Проблемы электромагнитной совместимости и решения для приводов с переменной частотой
В качестве силового электронного устройства эксплуатационные характеристики частотного преобразователя (VFD) определяют, что он служит как источником электромагнитных помех (EMI), так и компонентом, восприимчивым к внешним электромагнитным воздействиям. Проблемы электромагнитной совместимости (EMC) широко распространены в применениях VFD; если их не решить должным образом, они могут нарушить нормальную работу самого VFD, а также другого подключенного оборудования. В этой статье анализируются основные причины проблем EMC в универсальных VFD и представляется систематический набор решений.
Механизм, с помощью которого VFD генерирует электромагнитные помехи, можно проанализировать на основе его основных принципов работы. Внутри устройства силовые коммутационные элементы VFD работают на высоких частотах переключения, создавая быстрые и резкие колебания напряжения и тока. Эти быстрые переходные процессы напряжения вызывают токи общего режима через распределенную емкость, присутствующую в кабелях и окружающем пространстве, тем самым генерируя как проводимые, так и излучаемые электромагнитные помехи. В частности, электромагнитные помехи, создаваемые VFD, можно разделить на два пути распространения: во-первых, проводимые помехи, которые распространяются через проводящие среды, такие как силовые линии и сигнальные кабели; и во-вторых, излучаемые помехи, которые распространяются через окружающее электромагнитное поле в пространстве.
Основными источниками проводимых помех являются процессы выпрямления и инверсии внутри VFD. Выпрямительный мост генерирует токовые гармоники во время своих циклов переключения (включения и выключения); эти гармонические токи возвращаются в электросеть, потенциально создавая помехи для другого оборудования, подключенного к той же сети. Кроме того, формы сигналов широтно-импульсной модуляции (PWM), генерируемые секцией инвертора, содержат богатый спектр высокочастотных гармоник. Эти гармоники не только передаются по выходным кабелям к двигателю, но и обратно связаны с входной стороной через внутреннюю распределённую ёмкость VFD, что дополнительно ухудшает электромагнитную обстановку на входе. Частотный спектр этих проводимых помех достаточно широк и обычно варьируется от десятков килогерц до десятков мегагерц.
Излучаемые помехи в первую очередь генерируются выходными кабелями ПЧ и самим двигателем. Поскольку высокочастотные импульсные напряжения, создаваемые ПЧ, распространяются по выходным кабелям, кабели фактически выступают в роли передающих антенн, излучая электромагнитную энергию в окружающее пространство. Чем длиннее кабель, тем интенсивнее становятся излучаемые помехи. Кроме того, высокочастотные токовые петли внутри внутренней схемы ПЧ также генерируют излучение; однако, поскольку ПЧ обычно размещаются в металлических корпусах, это внутреннее излучение часто эффективно экранируется. Частотный диапазон этих излучаемых помех обычно начинается с 30 мегагерц и простирается вверх. Основной подход к решению проблем электромагнитной совместимости (ЭМС) в частотных преобразователях (ПЧ) включает «трёхкомпонентную стратегию»: подавление источника помех, прерывание пути связи и повышение помехоустойчивости восприимчивого оборудования. Для ПЧ конкретно распространёнными мерами являются установка фильтров электромагнитных помех (ЭМП), использование экранированных кабелей, обеспечение правильного заземления и внедрение корректных методов прокладки проводки.
Фильтры EMI являются эффективным средством подавления проводимых помех, создаваемых VFD. Обычно устанавливаемые на входной стороне VFD, эти фильтры состоят из индукторов общего режима и индукторов дифференциального режима в сочетании с конденсаторами. Индукторы общего режима служат для подавления помех общего режима, в то время как индукторы дифференциального режима подавляют помехи дифференциального режима. При выборе фильтра необходимо учитывать мощность VFD, а также требования, установленные соответствующими стандартами EMC. Во время установки следует соблюдать следующие моменты: фильтр должен быть установлен в непосредственной близости от входных клемм VFD; входные и выходные кабели, подключенные к фильтру, должны прокладываться отдельно, чтобы предотвратить связь; и сам блок фильтра требует надежного заземления.
Выходные фильтры используются для подавления электромагнитных помех на выходной стороне VFD. Выходной реактор представляет собой простую форму выходного фильтра; он эффективно замедляет скорость изменения напряжения (dV/dt) и ослабляет высокочастотные компоненты тока. Для приложений с более строгими требованиями могут использоваться синусоидальные фильтры; эти устройства преобразуют форму сигнала широтно-импульсной модуляции (PWM) в форму, близкую к чистой синусоиде, тем самым фактически устраняя высокочастотные помехи. Еще одной функцией выходных фильтров является защита изоляционной системы двигателя — особенно ценное преимущество в приложениях с длинными кабельными линиями или при модернизации старых двигателей.
Использование экранированных кабелей имеет решающее значение для подавления излучаемых электромагнитных помех. Силовые кабели, соединяющие VFD с двигателем, должны быть симметричными экранированными кабелями, при этом слой экрана должен быть надежно заземлен на стороне VFD. Этот слой экрана служит для поглощения высокочастотной электромагнитной энергии, предотвращая её излучение наружу. Аналогично рекомендуется использовать экранированные кабели для линий управления и связи, заземляя их экранирующие слои в одной точке — конкретно на стороне VFD. Важно отметить, что как метод заземления экрана, так и качество этого заземления напрямую влияют на эффективность экранирования.
Заземление является самым фундаментальным — но часто и самым подверженным ошибкам — аспектом реализации EMC. Практики заземления VFD должны соответствовать следующим принципам: использовать выделенный провод заземления, подключенный непосредственно к основной системе заземления объекта; обеспечивать, чтобы провод заземления был как можно короче и толще на практике; при совместном использовании нескольких VFD общей системы заземления применять топологию заземления «звезда»; и, что особенно важно, избегать образования контуров заземления. Что касается заземления экранированных кабелей, обычно рекомендуется подключать слой экрана к корпусу на стороне инвертора, оставляя сторону двигателя плавающей или заземленной через конденсатор.
Правильная прокладка кабелей является эффективным средством снижения электромагнитной связи. Входные, выходные и управляющие кабели инвертора должны прокладываться отдельно, с соблюдением достаточного расстояния между ними. Выходные кабели и управляющие кабели не должны прокладываться в одном и том же канале. Когда кабели разных уровней напряжения пересекаются, они должны пересекаться как можно более перпендикулярно, чтобы избежать параллельной прокладки. Для прокладки на большие расстояния следует использовать металлические кабельные лотки или трубы, которые должны быть правильно заземлены.
Ферритовые кольца — это простые и удобные в использовании компоненты для подавления помех. Протягивая кабель через ферритовое кольцо — обматывая его один или несколько раз — можно увеличить высокочастотное сопротивление линии и подавить токи синфазного режима. Ферритовые кольца подходят для использования на силовых кабелях, выходных кабелях и сигнальных кабелях; они легко устанавливаются и имеют низкую стоимость. Ферритовые кольца, изготовленные из различных материалов, подходят для разных частотных диапазонов, поэтому при выборе соответствующего типа следует проявлять осторожность.
В дополнение к вышеупомянутым аппаратным мерам, настройки программного обеспечения внутри самого инвертора также могут влиять на уровень электромагнитных помех. Несущая частота является регулируемым параметром; снижение несущей частоты уменьшает частоту переключения, тем самым снижая энергию высокочастотных помех. Однако снижение несущей частоты увеличивает коэффициент гармонических искажений выходного тока, что может привести к увеличению шума двигателя. Пользователям необходимо найти баланс между электромагнитной совместимостью и эксплуатационными характеристиками. Некоторые инверторы также предлагают функцию «случайной широтно-импульсной модуляции» (PWM), которая распределяет гармоническую энергию по более широкому частотному диапазону, тем самым уменьшая пики помех на определённых частотах.
Для систем, которые уже находятся в эксплуатации, если возникают проблемы с электромагнитной совместимостью, можно применить следующий диагностический процесс: сначала определить, является ли путь распространения помех проводящим или излучающим; затем использовать временные меры — такие как установка ферритовых колец или временных заземляющих проводов — для выявления источника; наконец, реализовать целенаправленные контрмеры на основе результатов диагностики. В ходе этого диагностического процесса обычно используются анализаторы спектра и осциллографы.
Важно отметить, что решение проблем электромагнитной совместимости часто требует нескольких попыток и корректировок. Условия на объекте значительно различаются от одного места к другому; следовательно, одни и те же меры могут давать разные результаты в разных условиях. Настоятельно рекомендуется уделять полное внимание проектированию электромагнитной совместимости на этапе первоначальной установки оборудования, чтобы избежать трудностей и затрат, связанных с последующими исправлениями.