Фильтры эмс что это
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.
ЭМС фильтр для преобразователя частоты
Частотные преобразователи, как и другая нелинейная нагрузка – источники электромашинных помех. Устройства генерируют паразитные гармоники, которые распространяются по входной и выходной цепи и излучают воздушные помехи.
Для обеспечения бесперебойной работы оборудования введено понятие ЭМС – электромагнитная совместимость. Характеристика показывает уровень излучаемых помех и стойкость устройств к нежелательному излучению и паразитным гармоникам. ЭМС определяет способность электроустановок и другого оборудования работать совместно и не допускать недопустимого уровня помех, ведущих к сбоям в работе и возникновению ненормальных режимов.
Электромагнитной совместимость стандартизируется согласно ТР ЕАЭС 020/2011, ГОСТ Р 50397-2011 для России и стран Евроазиатского Экономического Союза, ETS EN для ЕС.
Негативное влияние помех
Различают 2 вида помех при работе преобразователей частоты – эфирные помехи и нежелательные гармоники в цепях сеть-преобразователь частоты и ПЧ-электродвигатель. Паразитное ЭМИ, распространяемое по проводам, приводит к искажению тока и напряжения. Общепринятое обозначение коэффициентов несинусоидальности – THUD по напряжению и THID по току.
Высокий уровень искажений требует применения кабелей и проводов большего сечения, более мощных аппаратов защиты и коммутации, дополнительно нагружает сеть, увеличивает износ электрической и механической части технологического оборудования, снижает КПД.
Способы снижения помех
При высокой скорости коммутации электронных ключей инвертора ПЧ со звеном постоянного тока, при работе мощных преобразователей с непосредственной связью с сетью возникают высоко- и низкочастотные помехи. Для борьбы с ними применяют несколько методов:
Для повышения электромагнитной совместимости также применяют встроенные фильтры и комплексные меры.
Применение экранированных кабелей для подключения преобразователя частоты к двигателю – обязательная рекомендация большинства производителей ПЧ по обеспечению ЭМС. Необходимо:
Использование кабелей, рекомендованных в инструкции ПЧ марок, соблюдения требований к монтажу позволит снизить уровнь помех и искажений при любых условиях эксплуатации и требований к ЭМС.
Ряд производителей предлагает ПЧ, укомплектованных усовершенствованными модулями IGBT с PEP/CAL диодами. Такие устройства имеют низкий уровень помех и искажений. К недостаткам устройств относят высокую цену.
Фильтры для повышения ЭМС
Фильтрация помех и гармонических искажений – самый эффективный и недорогой способ повышения электромагнитной совместимости. Для этого применяют активные фильтры, пассивные входные и выходные устройства.
Активные фильтры подключают параллельно нагрузке по следующей схеме:
Устройства обеспечивают непрерывное измерение амплитуды и фазы искажений, генерируют компенсирующие гармоники в противофазе. В результате результирующий вектор оказывается равным 0, то есть искажения от нагрузки и гармоники, генерируемые активным фильтром, взаимно уничтожаются.
Область применения активных фильтров – участки сети с большим количеством нелинейных потребителей, системы электроснабжения с автономными генераторами или низким коэффициентом мощности. Оборудование может работать на несколько электроприводов, совместимо с другими устройствами повышения ЭМС.
Входные пассивные фильтры – устройства для подавления нечетных гармоник 5, 7, 11 порядка. Оборудование состоит из основного индуктивного элемента L0 и двухступенчатой схемы индуктивными элементами L1 и L2 и конденсаторами C1 и C2.
Наибольшую эффективность устройства показывают при полной нагрузке, в этом случае устройства обеспечивают уменьшение искажений тока THDi до 5-10 %. При частичной нагрузке входные фильтры также уменьшают абсолютное значение гармонического тока и существенно уменьшают отрицательное влияние искажений.
Входные фильтры дешевле активных устройств, при допустимых требованиях ЭМС предпочтительно применять пассивное оборудование. При необходимости можно дополнительно устанавливать фильтры в цепь преобразователь частоты-электродвигатель.
Синусовые фильтры предназначены для снижения помех в выходной цепи. Устройство приставляет собой колебательный контур, выполненный по «Г»- образной схеме.
Устройства продлевают срок службы изоляции, защищают ее от поверхностного пробоя, предотвращают разрушения подшипников.
На рисунке слева показана форма напряжения и тока без синусового фильтра, справа – форма напряжения и тока с выходным устройством фильтрации гармоник.
Фильтр d u / dt предназначены для снижения пиков коммутационных перенапряжений, емкостного тока нагрузки, частичного уменьшения подшипниковых токов электродвигателей большой мощности
Схема устройств аналогичная синусовому оборудованию, отличие – фильтры d u / dt отсекают гармоники частотой ниже частоты переключения инверторных ключей.
Устройства можно применять с длительно бывшими в эксплуатаций электродвигателями, в приводах, работающих при высоких температурах, и в агрессивных средах. Оборудование существенно сглаживает форму напряжения и тока на выходе, уменьшает уровень помех в моторном кабеле.
RFI-фильтры предназначены для подавления помех в радиодиапазоне. Устройства существенно снижают негативное влияние работающего частотно-регулируемого привода на беспроводные устройства связи, видео- аудиоаппаратуру, контрольно-измерительные приборы. RFI-фильтры обычно встраиваются в схему частотного преобразователя.
Заключение
При выборе решения ЭМС для преобразователей частоты учитываются требования к уровню помех и помехоустойчивости оборудования на конкретном объекте и стандарты ЭМС. При проектировании привода также принимают во внимание:
Исходя из этих условий, выбирают наиболее эффективное в техническом и экономическом плане решение. Ряд производителей преобразователей частоты и фильтров предлагают услуги расчета устройств для подавления помех.
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.
ЭМС фильтр для преобразователя частоты
Частотно-регулируемый привод значительно уменьшает потребление электроэнергии, позволяет регулировать скорость и момент на валу асинхронных и синхронных двигателей, синхронных машин на постоянных магнитах, обладает рядом других преимуществ.
Однако, такой электропривод обладает серьезным недостатком. Частотный преобразователь – источник электромагнитных помех. Основным их источником являются блоки быстро переключающихся транзисторов или тиристоров.
В результате большого числа коммутаций в единицу времени возникают паразитные гармоники, которые искажают синусоидальную форму напряжения и тока, снижают коэффициента мощности. Общий коэффициент гармонических искажений обозначается аббревиатурой THD (Total Harmonic Distortion). Искажение напряжения – THUD, тока – THID.
Влияние электромагнитных помех
ЭМП приводят к ассиметричной нагрузке в трехфазных электросетях, перегреву обмоток электродвигателей и трансформаторов, избыточному току нейтрали, искажению радиосигналов, появлению наводок в слаботочных сетях.
Наличие помех также требует установки более мощных электроаппаратов защиты и коммутации, выбор нейтрального проводника большего сечения при проектировании. ЭМП увеличивают стоимость систем электроснабжения, эксплуатационные затраты на оборудование и сеть.
Что такое ЭМС
Требования к качеству электроэнергии в сети, искажениям напряжения и тока питания для различного оборудования, величине помех в радиочастотном диапазоне существенно различаются.
Для обеспечения совместной работы различных электроустановок и других технических средств введено понятие ЭМС. Электромагнитная совместимость отражает способность оборудования функционировать одновременно при наличии помех и не генерировать ЭМП недопустимого уровня, негативно влияющих на работу другой техники.
ЭМС регламентируется директивами и нормами IEC (международной электротехнической комиссией), стандартами Европейского комитета по стандартизации электротехники CENELEC (нормативы EN), Европейского Института по стандартизации телекоммуникаций (нормы ETS). В России и странах ближнего зарубежья руководствуются требованиями Технического регламента Таможенного союза стран ЕАЭС 020/2011, ГОСТ Р 50397-2011.
Способы снижения уровня помех, возникающих при работе преобразователя частоты
Скорость коммутации силовых ключей MOSFET и IGBT в частотных преобразователях очень высока. При работе устройств возникают искажения формы напряжения и тока на входе и выходе, а также помехи в радиочастотном диапазоне.
Для обеспечения ЭМС частотных преобразователей применяют следующие методы:
Уровень электромагнитных помех во многом зависит от технологии производства кристаллов силовых полупроводниковых элементов, электрических связей ключей. Снижение помех достигается совершенствованием элементной базы, введение в конструкцию модуля CAL-диодов, отличающихся плавной характеристикой восстановления.
К недостаткам этого метода относятся высокая стоимость таких силовых ключей, несовершенство полупроводниковых кристаллов.
Еще один способ борьбы с генерацией электромагнитных помех – использование от 12-18-пульсных до 54-пульсных схем, настройка ШИМ-модулятора, управляющего ключами, введение в конструкцию разделительного многообмоточного трансформатора для гальванического разделения цепи входа и инвертора.
Применение многопульсных схем позволяет значительно снизить искажения. Так, THID 6-пульсного преобразователя составляет 60%, 12-пульсного – не более 7%. Однако, стоимость таких преобразователей намного выше. Разделительный трансформатор значительно увеличивает габариты и массу преобразователя частоты. Сфера применения таких устройств – электроприводы выше 1 кВ.
Самый широко применяемый метод для обеспечения ЭМС – встроенные или внешние фильтры. Устройства несколько усложняют конструкцию электропривода, однако, такой способ борьбы с ЭМП обходится дешевле дорогих полупроводниковых элементов и многопульсных схем.
Фильтры электромагнитных помех встраивают во входную цепь и звено постоянного тока преобразователя частоты или подключают перед устройством и электродвигателем. Рассмотрим типы фильтров ЭМП для частотных преобразователей.
Типы фильтров для преобразователей частоты и особенности их применения
Различают пассивные и активные фильтры для борьбы с помехами и обеспечения электромагнитной совместимости преобразователей частоты.
Первые представляют собой дроссели или колебательные контуры, которые встраивают в схему преобразователя или подключают к входу или выходу устройства. Фильтры играют роль двухстороннего буфера между преобразователем и электрической сетью или между частотником и электродвигателем.
Входные внешние фильтры
На входе устройства устанавливают дроссели и импульсные фильтры. Устройства защищают конденсатор в звене постоянного тока частотного преобразователя от пробоя, продлевают срок его службы, частично выравнивают нагрузку по фазам, сглаживают искажения с 5 гармоники. Входные пассивные фильтры устанавливают:
Пассивные входные фильтры эффективны при высоком фоновом искажении, однако, в таких условиях гармоническая составляющая может превысить допустимое для сети и электрооборудования значение. Устройства наиболее эффективны при номинальной нагрузке, при низком коэффициенте мощности потребителей и частичной загрузке, лучше использовать фильтры другого типа.
При питании от генератора, отсутствие или снижение нагрузки может привести к нарастанию напряжения и пробою конденсаторов. В таких сетях необходимо установить коммутационный аппарат для отключения конденсаторов при снижении нагрузки до 20% от номинала.
Выходные внешние фильтры
Для сглаживания паразитных составляющих на выходе преобразователей устанавливают dU/dt или синусовые фильтры. Первые представляют собой «Г» — образный колебательный контур. Фильтры такого типа снижают быстрое нарастание напряжения, электромагнитное излучение в кабеле двигателя, отсекают гармоники выше частоты коммутации. Устройства применяют в приводах со старыми электродвигателями, оборудовании, работающем в повторно-кратковременных режимах, с частыми запусками, остановками и реверсом.
Синусовые фильтры также представляют собой колебательный контур. Резонанс устройства настроен на ½ частоты коммутации транзисторных ключей преобразователя. Синусовые фильтры обеспечивают форму напряжения на выходе преобразователя частоты, приближенную синусоидальной, эффективно подавляют высокочастотные гармоники, снижают нагрев обмоток, акустический шум. Сфера применения устройств –электроприводы на 680 В, оборудование, работающее в повторно-кратковременном режиме.
Активные внешние фильтры
При высоких требованиях к ЭМС, большом количестве нелинейных потребителей, высоких фоновых искажениях, применяют активные фильтры. Устройства представляют собой следящую схему, автоматически определяющие фазу, частоту и амплитуду искажений и генерирующие компенсационное напряжение. Его наложение на паразитные составляющие дает чистую синусоиду.
Активные фильтры можно устанавливать на всю нелинейную нагрузку или на отдельное оборудование. Устройства эффективно подавляют паразитные гармоники во всем частотном диапазоне, повышают коэффициент мощности, исключают резонанс в сетях переменного тока. Оборудование совместимо с батареями конденсаторов, пассивными фильтрами и другими средствами для обеспечения ЭМС. К недостаткам таких фильтров относится высокая цена.
Встроенные фильтры
Большинство производителей частотных преобразователей комплектуют устройства встроенными фильтрами в звене постоянного тока и входной цепи.
Такие решения снижают помехи в радиодиапазоне и уменьшают до приемлемых значений величину искажений на входе и выходе частотника. При высоких требованиях к ЭМС, в сетях с дизельными генераторами, при небольшой мощности питающего трансформатора, дополнительно применяют внешние пассивные и активные фильтры.
Заключение
Обеспечение электромагнитной совместимости частотного преобразователя – комплексная задача. При выборе технических решений руководствуются условиями конкретной сети электроснабжения, видом и параметрами потребителей и другого оборудования на объекте, стандартами и директивами, регламентирующими ЭМС электрооборудования. Исходя из этих критериев, выбирают оптимальное, экономически и технически эффективное решение.