Шкаф частотного преобразователя: ЭМС, гармоники и заземление
шкаф частотного преобразователя: Шкаф частотного преобразователя решает три задачи одновременно: заделку экрана на 360 градусов, возвращающую высокочастотные помехи к источнику кратчайшим путём, сетевой дроссель или активный выпрямитель, ограничивающий гармоники тока, и тепловой расчёт, учитывающий, что около 3 процентов номинальной мощности преобразователя превращается в тепло.
Содержание
Частотные преобразователи дают значительную экономию энергии за счёт регулирования скорости двигателей, но с точки зрения изготовителя щита они одновременно являются мощным источником помех и заметной тепловой и гармонической нагрузкой. В неправильно спроектированном шкафу анализатор показывает неверные значения, УЗО срабатывают без видимой причины, подшипники двигателя изнашиваются раньше срока, а объект выходит за пределы показателей качества электроэнергии. В статье рассматриваются ЭМС, гармоники и тепловой расчёт с практическими правилами.
Что происходит внутри шкафа преобразователя
Частотный преобразователь выпрямляет сетевое напряжение, накапливает энергию в звене постоянного тока и с помощью IGBT-ключей формирует широтно-импульсное напряжение переменной частоты для двигателя. Фронты коммутации нарастают за микросекунды и вызывают высокочастотные токи утечки вдоль кабеля двигателя. Одновременно выпрямитель потребляет из сети несинусоидальный импульсный ток, заметно увеличивая пятую и седьмую гармоники. Конструкция шкафа должна ограничивать оба эффекта непосредственно в источнике.
ЭМС: экранирование и заделка на 360 градусов
Кабель двигателя должен быть экранированным, а экран заземлён с обеих сторон — на выходе преобразователя и в клеммной коробке двигателя — с помощью ЭМС-вводов или хомутов, обеспечивающих полный круговой контакт. Заделка экрана тонким проводником создаёт индуктивность на высокой частоте и сводит на нет большую часть эффекта экранирования. Внутри шкафа силовые и сигнальные кабели прокладываются в разных коробах и пересекаются под прямым углом, если пересечения не избежать. Монтажная панель преобразователя должна быть из открытого металла, а контакт выполняется по зачищенной от краски площадке, а не зубчатыми шайбами по окрашенной поверхности.
Снижение гармоник: дроссель, 12-пульсная схема и активный выпрямитель
Самый экономичный способ снизить гармонические искажения — установить сетевой дроссель или дроссель звена постоянного тока с полным сопротивлением 3 или 5 процентов, что само по себе уменьшает суммарные искажения тока примерно с 80 до 35 процентов. При более жёстких требованиях рассматривают пассивный гармонический фильтр, 12-пульсный выпрямитель или преобразователь с активным выпрямителем. Активный выпрямитель снижает искажения ниже 5 процентов и обеспечивает рекуперативное торможение, но повышает стоимость и тепловую нагрузку. Выбор определяется мощностью короткого замыкания объекта и требованиями сетевой организации.
Заземление, токи утечки и подшипниковые токи
| Мера | Типовой эффект | Когда требуется |
|---|---|---|
| Сетевой дроссель или дроссель DC | Снижает искажения тока примерно до 35 процентов | Практически для каждого преобразователя |
| Пассивный гармонический фильтр | Около 8–12 процентов искажений | При умеренных требованиях |
| 12-пульсный выпрямитель | Около 10 процентов искажений | Мощные одиночные преобразователи |
| Активный выпрямитель | Ниже 5 процентов, с рекуперацией | Жёсткие сетевые лимиты и энергия торможения |
| Фильтр dv/dt | Ограничивает скорость нарастания напряжения | Длинный кабель, старый двигатель |
| Синусный фильтр | Практически синусоидальный выход | Очень длинный кабель, погружной насос |
Преобразователи по своей природе создают постоянный ток утечки, поэтому обычные УЗО типа AC неприменимы и требуется как минимум тип B. Между преобразователем и двигателем помимо экрана прокладывается отдельный защитный проводник, сечение которого проверяется по условию короткого замыкания. Синфазное напряжение накапливается на валу двигателя и может вызывать электроэрозионный износ подшипников, поэтому при длинных кабелях и больших мощностях следует предусматривать изолированные подшипники, щётки заземления вала или dv/dt-фильтры. Если длина кабеля превышает предел изготовителя, на выходе необходим синусный фильтр.
Тепловая нагрузка, компоновка и правила прокладки
Потери преобразователя обычно составляют 2–3 процента номинальной мощности и напрямую превращаются в тепло внутри оболочки: преобразователь на 110 кВт выделяет около 3 кВт. Поэтому принудительной вентиляции часто оказывается недостаточно и требуется кондиционер либо теплообменник воздух-вода. Преобразователи предпочтительно размещать рядом друг с другом, а не один над другим, всегда соблюдая заявленные изготовителем свободные объёмы. Силовые кабели должны быть короткими, а экранированные линии физически отделены от сигнальных в коробах.
Главное: шкаф частотного преобразователя
- Заделывайте экран на 360 градусов — Заделка тонким проводником добавляет индуктивность и уничтожает большую часть эффекта экранирования.
- Планируйте дроссель для каждого преобразователя — Дроссель 3–5 процентов вдвое снижает гармонические искажения при минимальных затратах.
- Применяйте УЗО типа B — Преобразователи создают ток утечки с постоянной составляющей, к которой типы AC и A нечувствительны.
- Считайте тепло по потерям преобразователя — Около 3 процентов номинальной мощности переходит в тепло и обычно требует активного охлаждения.
- Источник стандарта — каталог публикаций IEC: iec.ch.
Частые вопросы
Какое УЗО подходит для шкафа преобразователя?
Из-за выпрямительного каскада ток утечки не является чистой синусоидой и содержит постоянную составляющую. Эта составляющая способна ослепить аппараты типов AC и A, поэтому необходим тип B или B+. Номинальный дифференциальный ток должен как минимум вдвое превышать нормальную утечку преобразователя, а отдельный аппарат на каждый преобразователь часто оказывается самым надёжным решением.
Какой длины может быть кабель двигателя?
Предел зависит от изготовителя преобразователя, частоты коммутации и типа кабеля и для экранированного кабеля обычно составляет от 50 до 150 метров. При большей длине ёмкость кабеля увеличивает выходной ток, отражения напряжения нагружают изоляцию двигателя, и фильтр dv/dt или синусный фильтр становится обязательным. Длину следует проверять по таблицам изготовителя ещё на стадии проектирования.
Всегда ли шкафу преобразователя нужен кондиционер?
Не всегда, но с ростом установленной мощности это быстро становится неизбежным. При суммарной мощности примерно свыше 50 кВт естественная или принудительная вентиляция обычно не удерживает внутреннюю температуру ниже порога снижения мощности преобразователя. Окончательное решение принимается по тепловому расчёту согласно МЭК 60890 и фактической температуре окружающей среды.
Похожие статьи
- Способы пуска электродвигателя: прямой, звезда-треугольник, устройство плавного пуска и частотный преобразователь
- Гармоники и качество электроэнергии: фильтрация гармоник в распределительных щитах
- Расчёт тепловой нагрузки щита и выбор системы охлаждения
- Все технические статьи
Devpan проектирует шкафы частотных преобразователей комплексно — от ЭМС и гармоник до теплового режима — и подтверждает расчётом выбор дросселей, фильтров и охлаждения. Обсудим ваш проект шкафа преобразователя вместе. Связанное решение Devpan: щит MCC DevControl.
