Типовые структурные схемы построения мощных статических преобразователей электроэнергии

July 20, 2013 by admin Комментировать »

В качестве практических рекомендаций по проектированию мощных статических преобразователей электроэнергии разработчику можно посоветовать придерживаться следующих типовых структурных схем их построения для обеспечения требуемого уровня подавления электромагнитных помех: по рис. 2.4.24, а — для частотного управления асинхронными двигателями, и по рис. 2.4.24, б, — для остальных

Рис. 2.4.24. Рекомендуемые структурные схемы снижения ЭМП

применений. В любом случае результат снижения электромагнитных помех достигается комбинированным способом последовательного включения фильтра подавления ЭМП и линейного дросселя на входе преобразователя.

Одним из наиболее сложных в плане подавления электромагнитных помех является случай применения статических преобразователей для управления асинхронными двигателями, и вот почему. Как правило, электродвигатель подключается к преобразователю посредством кабеля, длина которого может составлятьдесятки метров. Поскольку форма напряжения в этом кабеле имеет характер широтно-модулированных импульсов высокой частоты, неизбежно появление помех. Рассмотрим типовую схему управления электродвигателем (рис. 2.4.25) детально, чтобы определить источники помех и выработать рекомендации по их минимизации.

Рис. 2.4.25. Минимизация помех в схемах управления электродвигателями

Как мы уже упомянули раньше, фильтр радиопомех традиционно имеет конденсатор подавления синфазных помех, который подключается к корпусу прибора и замыкает ток помехи на «землю». С другой стороны, наличие между проводниками и экранной плеткой силового кабеля связи с электродвигателем образует контур протекания тока следующей конфигурации: «конденсатор фильтра радиопомех» — «паразитная емкость кабеля» — «корпус прибора» — «корпус двигателя». В этом контуре, благодаря наличию силовых токов высокой частоты Лл ^V> Iw (выходных токов преобразователя), наводится так называемый синфазный ток /см (другое его название — ток нулевой составляющей). Этот ток протекает по внутренней стороне экрана кабеля, поскольку сопротивление экрана, как правило, намного меньше сопротивления заземления. Наличие синфазного тока, таким образом, является неизбежным при работе частотного электропривода, поэтому контур протекания этого тока должен иметь надежные электрические контакты в местах соединения разнородных составляющих контура (например, в месте соединения экрана кабеля с корпусом преобразователя и с корпусом двигателя), чтобы ток циркулировал внутри контура и не выходил за его пределы. Именно так можно значительно минимизировать величину излучаемых электромагнитных помех.

При разработке статических преобразователей для реализации асинхронного электропривода особое внимание нужно уделить конструктивным мерам, позволяющим обеспечить надежное электрическое соединение экранов кабелей с корпусами. Велико искушение здесь поступить традиционным способом скрутки жил экрана и подключить его к корпусному лепестку, однако этого делать не следует, так как в месте подключения неизбежно образуется участок с высоким сопротивлением, который нарушит непрерывность экранирования и будет служить источником помех. Следует учитывать, что протекание высокочастотных токов характеризуется наличием скин-эффекта, вытесняющего токи к поверхности проводника. Поэтому место подключения экрана к корпусу должно иметь как можно большую площадь соприкосновения. Выручит здесь применение токопроводящего обжимного сальника ввода кабелей (рис. 2.4.26, а) или использование крепежного хомута (рис. 2.4.26, б).

Рис. 2.4.26. Способы правильной заделки экранной оплетки

Какие кабели следует использовать для подключения электродвигателей? Однозначно нельзя использовать неэкранированные четырехпроводные кабели, так как четвертый проводник не сможет выполнить условие непрерывности экранировки. Ведущие мировые производители рекомендуют применять кабели, конфигурация сечения которых показана на рис. 2.4.27, а. Допускается также использование кабелей с сечением, показанным на рис. 2.4.27, б. Проводник защитного заземления РЕ в этом случае можно проложить вне кабеля. Однако наиболее предпочтительная конструкция силового кабеля показана на рис. 2.4.28.

Рис. 2.4.28. Конструкция кабеля подключения электродвигателя

Рис. 2.4.27. Рекомендуемые сечения кабелей подключения электродвигателей

Здесь мы сделаем одну небольшую оговорку, сообщив читателю, что синфазный ток — далеко не такое безобидное явление, с которым можно и нужно мириться, то есть не искать пути его полного подавления. Дело в том, что между корпусом двигателя и его вращающейся частью также имеется паразитная емкость, создающая путь протекания части синфазного тока. Опыт эксплуатации двигателей с частотным управлением показал, что, протекая по цепи «вал двигателя» — «опорные подшипники вала» — «корпус», синфазный ток приводит к ускоренному выходу из строя опорных подшипников, связанному как с различными электрохимическими процессами, так и с переменной площадью контакта, когда через малое сечение проходит большой ток и локально разогревает трущиеся поверхности, создает на них дефекты. Кроме этого, наличие синфазных токов однозначно приводит к невозможности выполнения некоторых современных норм безопасности, связанных с использованием устройств защитного отключения (УЗО).

Авторы работы [42] попытались устранить саму возможность протекания синфазных токов, и эта задача им удалась путем некоторого усложнения выходной силовой схемы. В результате была разработана

Рис. 2.4.29. Принципиальная схема фильтров нулевой последовательности

типа EFSZ

так называемая серия фильтров нулевой составляющей типа EFSZ. Принципиальная схема таких фильтров приведена на рис. 2.4.29.

Как видно из схемы, к привычному фильтру добавлены некоторые элементы, которые обеспечивают устойчивую работу преобразователя в переходных режимах. Более того, представленный фильтр, кроме снижения синфазного тока, выполняет еще функцию классического фильтра синусоидального напряжения. В составе схемы имеются: M1 и M2 — моторные реакторы; Ll…L6 — одиночные дроссели; Cl…C3, С0 — высоковольтные конденсаторы; R0, Rl…R3 — компенсирующие резисторы. Общий принцип работы фильтра такой: в цепь протекания синфазного тока включается цепь с большим импедансом и вспомогательной цепью протекания паразитного тока, что значительно снижает составляющую синфазного тока в двигателе. Необходимое условие работоспособности фильтра EFSZ — индуктивность M1 должна быть много больше индуктивности Ll…L3, а емкость С0 — много меньше емкости Cl…C3. Синфазный ток замыкается через цепь Ml—C0—R0, дополнительное ограничение синфазного тока происходит при помощи моторного дросселя M2. Дроссели Ll…L3 совместно с конденсаторами Cl…C3 и резисторами Rl…R3 образуют фильтр составляющих фазных токов, резисторы R0, Rl…R3 ограничивают развитие неконтролируемого переходного процесса. Дроссели L4…L6 должны иметь большое значение индуктивности, их функция — снижение постоянной составляющей на конденсаторах Cl…C3.

Испьггания показали, что данный фильтр существенно подавляет высшие гармоники выходного напряжения инвертора, а на его выходе появляется практически синусоидальное напряжение, а между напряжением на входе фильтра и на его выходе практически нет фазового сдвига. Падение напряжения на элементах фильтра (и, соответственно, необратимые потери) составляют не более 3 % от величины основной гармоники.

Авторы разработки представляют сравнительные графики величины синфазного тока в отсутствии фильтра (рис. 2.4.30, а) и при нали-

Рис. 2.4.30. Значение синфазного тока: а — в отсутствии фильтра EFSZ; б — с включенным фильтром EFSZ

чии фильтра (рис. 2.4.30, б). Например, для инвертора с номинальным выходным током 15 А, вследствие перекоса фаз на выходе инвертора и наличия паразитных емкостей в соединительном кабеле и двигателе появляется значительная нулевая составляющая тока, которая достигала в эксперименте значения 4,3 А. Применение фильтра EFSZ дало практически 8-кратное ограничение синфазного тока, а амплитуда выбросов тока не превышала 0,6 А. Дополнительно проведенные исследования по регистрации ухудшений, связанных с точностью регулирования оборотов двигателя, показали, что эти ухудшения столь незначительны, что ими просто можно пренебречь.

В составе статических преобразователей, кроме силовых кабелей, имеется большое количество сигнальных кабелей, которые передают управляющие и диагностические сигналы. Естественно, помехи, возникающие в силовых кабелях, могут наводиться на сигнальные кабели и в значительной степени (вплоть до возникновения аварийных режимов) нарушать работу приборов. Поэтому нелишне будет привести рекомендации и в отношении сигнальных проводников.

Как правило, сигнальные проводники также экранируются, а общие принципы обеспечения непрерывности экранировки для них те же: заземление экранов выполняется с двух сторон. Если по каким-либо причинам заземлить сигнальный кабель не удастся, то лучше вообще его не заземлять.

Еще один тип сигнального кабеля, который широко используется при разработке статических преобразователей, — это так называемая «витая пара». В некоторой степени витая пара является аналогом экранированного кабеля, так как поверхность, подверженная воздействию электромагнитных помех, у него значительно меньше, чем у двух отдельных проводников. При использовании витой пары необходимо обеспечить как можно меньшую протяженность нескрученных участков (эта ситуация обычно возникает в местах подключения кабелей).

Комбинированный вариант сигнального кабеля — «витая пара в экране» и «витая пара в двойном экране» (рис. 2.4.31) — встречается реже и является достаточно дорогостоящим способом защиты от воздействия электромагнитных помех. Поэтому такой вариант применяют в случае крайне неблагоприятной электромагнитной обстановки внутри прибора и наличии высокого уровня помех (как создаваемых прибором, так и внешних).

Способ совместной прокладки кабелей разных типов в приборе также может серьезно повлиять на работоспособность преобразователя. Разработчикам имеет смысл придерживаться здесь общих рекомендаций. Силовые кабели должны быть проложены как можно дальше от сигнальных кабелей, причем минимальное расстояние между ними должно составлять порядка 20 см. Если такой возможности нет, или она сильно ограничена, необходимо приложить все усилия к тому, чтобы проводники хотя бы не шли параллельно на участках более 30 см. Пересечение кабелей желательно выполнять под углами, близкими к 90 градусам. Здесьтакже могут выручить металлические крепежные конструкции большой площади: прокладывать силовой кабель можно по одной стороне металлического листа-перегородки, а сигнальный — с другой.

Аналоговые и цифровые сигналы управления необходимо передавать по разным экранированным кабелям. Сигналы релейного управления контакторами и механическими переключателямидопустимо передавать в одном экранированном кабеле с цифровыми управляющими сигналами, если их амплитуда не превышает значения 48 В. Естественно, для каждого сигнала необходимо проложить свою «витую пару». В то же время крайне не рекомендуется передавать по одному кабелю сигналы постоянного тока до 24 В и переменного напряжением 220 (380) В.

Недорогим и эффективным способом борьбы с электромагнитными помехами внутри прибора является использование ферритовых трубчатых фильтров (рис. 2.4.32). Применение таких фильтров в совокупности с другими мерами снижения помех, о которых мы говорили выше, позволяет уменьшать их влияние непосредственно на входах и выходах составных частей преобразователей, если подключение к ним осуществляется не с помощью экранированных разъемных соединителей, а посредством клеммных колодок. Токоведущий провод продевается сквозь ферритовый фильтр, образуя одну петлю, как показано

на рис. 2.4.32. Сигнальные и питающие цепи должны фильтроваться разными трубчатыми фильтрами. Располагать их нужно в максимальной близости к клеммам устройства.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты