Подавление помех электроприводов

Опубликовано в номере:

Приводы с регулируемой скоростью вращения вала экономят энергию и обладают другими преимуществами, но у них есть и недостаток — тенденция создавать интенсивные электромагнитные помехи, которые должны быть сведены к минимуму при конструировании и монтаже привода.

Приводы с регулируемой скоростью (ПРС) хорошо подходят для экономии энергии и оптимизации автоматических систем, но они неизбежно создают высокочастотные электрические помехи. Основным источником электрических помех, также называемых электромагнитными помехами (ЭМП), являются быстро переключающиеся транзисторы, создающие большие скачки напряжения в блоке питания привода. ЭМП означают любую помеху нормальной работе оборудования (и приводов), вызванную как избыточной энергией, передающейся по кабелю (наведенная помеха), так и влиянием электромагнитных волн (помеха от паразитного электромагнитного излучения). Частоты наведенных помех лежат в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц, а паразитное электромагнитное излучение имеет частоту от 30 МГц до 1 ГГц. Несмотря на то, что здесь, в основном, рассматриваются приводы переменного тока, это также касается и приводов постоянного тока. Радиочастотные помехи (РЧП) представляют собой аналогичное возмущение, которое влияет на средства связи; как правило, оно считается частью ЭМП. Хотя частоты ЭМП и РЧП лежат выше звукового диапазона, их влияние в средствах связи может вызывать слышимые искажения.

При разработке и установке ПРС следует сводить к минимуму ЭМП, чтобы предотвратить ухудшение работы или повреждение самого устройства, ограничить распространение помех на расположенное вблизи оборудование и другие устройства. Электромагнитная совместимость (ЭМС) представляет собой общую концепцию, нацеленную на уменьшение ЭМП, защиту электрического и электронного оборудования. Стандартное решение для систем силового привода (ССП), включая электрические приводы, моторы, оболочки и кабели, рекомендовано основным международным стандартом ЭМС по приводам IEC 61300-3.

Учет условий окружающей среды

В стандарте IEC 61300-3 предусмотрены два типа окружающих сред для размещения приводов. Для жилых районов (первый тип) установлены более строгие требования по ЭМС, чем для промышленных регионов (второй тип). Как отметил г-н Марк Кеньон (Mark Kenyon), менеджер по маркетингу низковольтных приводов компании ABB Automation Inc., для приводов, подключаемых к бытовой низковольтной сети (первый тип), необходимо использовать фильтры ЭМП. Он сказал: «Также рекомендуется использовать фильтры и в промышленности (второй тип), если поблизости расположено чувствительное к наводкам оборудование».

Фильтры ЭМП уменьшают наведенные помехи в точке подключения к линии,отводя их на землю. Фильтр ЭМП, использующий ферритовые сердечники (или кольца) и резистивно-емкостные цепи, является стандартным дополнительным оборудованием большинства новых приводов для первого типа среды, заявил г-н Кеньон. «Встроенные или внешние фильтры являются дополнительной принадлежностью некоторых приводов и для второго типа среды», — сказал он.

В компании Siemens Energy & Automation влияние ЭМП/РЧП внимательно рассматривается уже на этапе разработки приводов с регулируемой скоростью. Для того чтобы убедиться в том, что излучение электромагнитных помех в окружающую среду минимизировано, а окружающая среда не оказывает влияния на работу приводов, проводятся их испытания в специальной камере, — пояснил г-н Вольфганг Гилмер (Wolfgang Hilmer), менеджер по технологии приводов. В основном производятся испытания компонентов блока питания, где расположены быстро переключающиеся биполярные транзисторы с изолированным затвором, создающие ЭМП.

Хорошим способом защиты от ЭМП/ РЧП является фильтрация. Для приводов компании Siemens фильтр ЭМП является стандартным компонентом, обеспечивающим выполнение стандарта по ЭМС для их промышленного использования. Небольшие приводы, как правило, имеют встроенный фильтр ЭМП. «На мощных приводах фильтр часто является обособленным модулем. Он улавливает электрические помехи, выходящие на линию», — сказал г-н Гилмер.

Причины помех кроются в мелочах

Уменьшение мощности излучаемых электромагнитных помех является кропотливым трудом, связанным с мелочами, поскольку от радиоизлучений должны быть защищены самые разные части системы электрического привода. В первую очередь следует уделять внимание оболочкам, кабелям, проводам и монтажу системы. Меры, рекомендуемые компанией ABB, включают в себя следующие технические решения.

Влияние фильтрации на наведенную ЭМП для привода с регулируемой скоростью

Как доказано испытаниями, проведенными в компании Yaskawa Electric America, для привода мощностью 0,7 кВт, работающего на частоте 60 Гц ( несущая частота равна 2 кГц), значительно уменьшить наведенную помеху может входной фильтр ЭМП. Граничные линии на графиках соответствуют стандарту EN 55011, класс B, для бытовых и больничных условий окружющей среды.

Как доказано испытаниями, проведенными в компании Yaskawa Electric America, для привода мощностью 0,7 кВт, работающего на частоте 60 Гц ( несущая частота равна 2 кГц), значительно уменьшить наведенную помеху может входной фильтр ЭМП. Граничные линии на графиках соответствуют стандарту EN 55011, класс B, для бытовых и больничных условий окружющей среды.

  • Используются кожухи с неокрашенными и не подвергающимися коррозии поверхностями в местах, где пластины, дверцы и другие металлические части контактируют между собой, а также проводящие прокладки в дверцах и крышках.
  • Используются неокрашенные опоры для установки, надежно подсоединенные к общей точке заземления, что гарантирует одно и то же заземление для всех отдельных металлических частей.
  • Используются специальные входы для высокочастотного заземления экранов кабеля питания.
  • Используются проводящие прокладки для высокочастотного заземления экрана кабеля, передающего сигналы управления.
  • Экранированные кабели питания и управления прокладываются на удалении друг от друга.
  • Производится заземление всей установки ССП.

Компания Siemens установила, что заземление кожуха привода играет важную роль для регулирования уровня ЭМП, особенно для больших установок в защищенном кожухе. «Основной способ избавиться от электрических помех состоит в том, чтобы сделать заземление с низким сопротивлением, — сказал гн Гилмер. — Кроме того, металлические крышки работают как экран, уменьшая уровень помех, а сварной каркас гарантирует низкое сопротивление». В приводе также должна быть линия заземления, подключенная к кожуху, которая служит путем отвода электрических помех на землю с низкой индуктивностью.

Другим способом улучшения ЭМС, рекомендованным Гилмером, является установка между дверцами и корпусом заземляющих скоб. Использование только лишь одного заземления недостаточно, потому что у него слишком большое сопротивление для электрических помех. «Мы используем скобы с оплеткой, чтобы заземлить дверцы на корпус. Именно поверхность большой площади может эффективно проводить высокочастотные помехи», — сказал он.

Все элементы системы ССП — привод, мотор и кабели — должны быть заземлены. «Остальные части системы столь же важны, как и сам привод», — добавил г-н Гилмер. «Это также относится и к монтажу привода, чтобы снизить ЭМП/РЧП», — пояснил он.

Соответствие стандартам

Приводы с регулируемой скоростью должны соответствовать стандартам по ЭМС, если они используются в Европе или в других регионах. В то же время не существует американских стандартов, которые бы непосредственно и полностью соответствовали требованиям по ЭМС приводов. Соответствующий международный стандарт IEC 61800-3 определяет четыре категории предельных уровней ЭМП, соответствующих мощности привода, применительно к жилой или промышленной среде. Он также определяет методы испытаний приводов с регулируемой скоростью сращения вала. Европейский стандарт EN 55011 задает аналогичные требования для промышленного, научного и медицинского радиочастотного оборудования.

Наиболее подходящим стандартом США является документ «Federal Communications Commission (FCC) rules and regulations» (Правила Федеральной комиссии по связи), часть 15. «Однако в нем отсутствует промышленное оборудование, например, приводы, кроме случая, когда они имеют недопустимый уровень помех, и только тогда производитель привода должен устранить проблему», — сказал г-н Кеньон из компании ABB. То, что приводы не включены в часть 15 Правил, объясняется отсутствием определенной процедуры их испытаний. «Трудно разработать тест, соответствующий характеристикам привода, поскольку в них отсутствует стандартный кабель питания двигателя определенной длины», — добавил г-н Кеньон.

Большинство производителей приводов включают фильтрацию ЭМП в качестве стандартной функции, чтобы удовлетворить возрастающие требования потребителей по созданию в глобальном масштабе однотипных продуктов и, чтобы обеспечить экспорт базовых модулей производителя. Компания ABB отмечает, что включение фильтра в комплект поставки создает финансовые трудности при продвижении различных продуктов в Северной Америке и других регионах.

Компания Siemens выступает с инициативой создания единой системы ЭМС для приводов с переменной скоростью, независимо от того, где они были построены. Это происходит не потому, что не соблюдаются Директивы США по ЭМС, — пояснил Гилмер. Такие особенности, как требования Национального элетрического кода США — NEC, Элементы защиты оболочки привода от ЭМП либо различия типов предохранителей или выключателей (согласно требованиям Международной электротехнической комиссии (МЭК) — IEC по сравнению с требованиями Национальной ассоциации производителей электрооборудования от ЭМП США — NEMA, корректируются на местном уровне.

Компанией Danfoss Drives отмечено усиливающееся международное одобрение новых стандартов МЭК, например,IEC 61800-3 по ЭМС приводов. Кроме того, Йорн Лэндкилдехас
(Jorn Landkildehus), менеджер по ЭМС, надежности ифункциональной безопасности компании Danfoss, упоминаетновую европейскую директиву 2004/108/EC как еще один стандарт, проясняющий требования по ЭМС. Она требует следования документированной проверенной инженерной практике в областях ЭМС, таких как уменьшение эмиссии, взаимных наводок и излучения, повышение защищенности оборудования.

«Это соответствует нашим усилиям по повышению компетентности потребителей в вопросах влияния способа установки ЭМС приводов на их характеристики», — сказал г-н Лэндкилдехас. В компании Danfoss организованы семинары по обучению работников и клиентов правильной методике монтажа приводов переменного тока с выдачей соответствующих удостоверений.

Оптимизация размера фильтра

Компания Yaskawa Electric America от-мечает, что электрические помехи, соз-даваемые при определенной конфигу-рации привода, постоянны. «Вместе с тем, внутри привода можно установить фильтры, уменьшающие распространение радиопомех и влияние привода на внешнюю среду», — сказал д-р Макеш Свами (Mahesh Swamy), директор по НИОКР компании Yaskawa. В зависимости от желаемого уровня снижения ЭМП, для уменьшения наведенной помехи используется фильтр ЭМП (внутренний или внешний по отношению к приводу), а экранирование кабелей является очевидным способом уменьшения излучения радиоволн. Однако д-р Свами тут же отметил, что экранированные кабели могут и усилить наведенные ЭМП из-за наличия пути с низким сопротивлением (импедансом) для токов, проходящих от проводников к заземленному экрану. Для уменьшения влияния токов заземления он предложил проводить тщательную оптимизацию прокладки кабелей.

Тщательная конструкторская проработка привода также приносит свои плоды. Трехуровневая конфигурация привода переменного тока, предложенная компанией в 2003 году, хотя напрямую и не снижает уровень ЭМП, однако упрощает фильтрацию синфазных и аддитивных помех. Говорят, что это приводит к значительному уменьшению уровня наведенных и излучаемых ЭМП. «Размер фильтра значительно уменьшается, благодаря меньшему размеру ступеней в наведенном синфазном напряжении при работе с выходным напряжением, превосходящим 230-240 В», — продолжил др Свами. Кроме того, трехуровневая конструкция обеспечивает спектр выходного сигнала на несущей частоте, расположенный значительно выше по отношению к рабочей частоте (обычно 2:1). «Это помогает уменьшить размер фильтра аддитивных помех», — утверждает он. Сообщается, что малогабаритный фильтр, разработанный компанией YEA, весьма эффективен для уменьшения наведенной ЭМП.

Еще один пример монтажа, уменьшающего влияние ЭМП, — использование защитных зажимов для гарантии контакта всей поверхности оболочки кабеля питания электродвигателя с защитной шиной в приводах компании Siemens Sinamics.

Еще одним удачным схемным решением привода переменного тока, предложенным компанией YEA в 2005 году, является матричный конвертер, т.е. прямой преобразователь переменного тока в переменный (четыре квадранта) без громоздкой схемы постоянного тока. Матричный конвертер компанииYEA также позволяет уменьшить размер ступеней в фильтре синфазных помех. Кроме того, такая структура помогает в разработке комбинированных фильтров синфазных и аддитивных помех, причем по результатам тестирования они значительно уменьшают размер входного фильтра ЭМП, объяснил д-р Свами.

Во всех входных фильтрах ЭМП используется конденсатор, соединяющий сигнальную линию с землей. «Хорошо известно, что это создает большие токи на землю. Интеграция фильтров синфазных и аддитивных помех в матричном конвертере позволяет уменьшить емкость конденсатора входного фильтра в 10 раз, — добавил д-р Свами. — Это существенно упрощает проблемы, связанные с использованием рискованных методов фильтрации ЭМП».

Баланс производительности привода и уровня ЭМП

Представители компании Baldor Electric согласны с тем, что генерация высокочастотных помех является нежелательным результатом применения современных мощных устройств коммутации, которые сделали возможным создание высокопроизводительных приводов переменного тока. «В конструкции привода должен быть достигнут баланс между переключениями, необходимыми для достижения высокой эффективности и производительности привода или двигателя, и ограничением уровня ЭМП, которое вызывается этими быстрыми переключениями», — сказал г-н Фил М. Кемп (Phil M. Camp), специалист по высокопроизводительным приводам переменного тока.

Ограничить влияние ЭМП на систему предприятия помогает линейный элемент с реактивным сопротивлением, устанавливаемый во входном преобразователе в точке, где привод соединяется с блоком питания. При этом, как утверждает г-н Кемп, даже лучшим выбором, чем линейный элемент, может быть развязывающий трансформатор. Трансформаторы обеспечивают более существенное уменьшение передачи ЭМП на источник питания и при этом снижают пик-фактор линейного тока, что уменьшает нагрузку на конвертер, — пояснил он.

Г-н Бэлдор (Baldor) также считает существенным установку в приводе фильтров ЭМП. «Фильтры должны быть спроектированы так, чтобы уменьшать как дифференциальные помехи (от линии к линии), так и синфазные помехи (от линии на землю)», — утверждает г-н Кемп. Еще одно соображение касается именно приводов большой мощности, которые используют устройства с регулируемой фазой (например, электрические машины с короткозамкнутым ротором), чтобы помочь зарядить конденсаторы на шине во время включения устройства. Излучаемые приводом помехи уменьшатся, если устройства с регулируемой фазой будут использоваться только для предварительной зарядки, но не для регулировки напряжения на шине во время нормальной работы привода, — отмечает г-н Кемп.

Уменьшить ЭМП, создаваемые приводом, также может рациональная конструкция выходного инвертера. «При проектировании выходных цепей следует обеспечить правильный выбор проводимости устройства, чтобы его переключение осуществлялось управляющим током, — сказал г-н Кемп. — Включенный в обратном направлении параллельно каждому переключателю диод, должен иметь «мягкое» выключение и низкие характеристики обратного восстановления. Управление током переключения должно ограничивать скорость изменения напряжения (dv/dt) на выходе привода». Это требует нахождения компромисса между уменьшением уровня помех вследствие более медленного переключения и большими потерями при переключении в инвертере из-за более длительного перехода между состояниями «включено/выключено» в блоке питания.

Программные алгоритмы, использующие векторную широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), еще больше способствуют уменьшению уровня ЭМП, минимизируя время переключения выходных устройств. Еще одно программное решение использует «подавление минимальной ширины импульса» — технологию, при которой исключаются импульсы, более короткие, чем заданный интервал времени (например, 5 мс), — пояснил г-н Кемп.

Установка приводов вблизи жилых кварталов

Г-н Гилмер из компании Siemens отметил, что приводы переменного тока все чаще находят применение вблизи мест проживания людей, например в системах отопления, вентиляции и кондиционирования зданий и городских водонапорных станций. Это в еще большей степени поднимает важность проблем уменьшения уровня ЭМП, выдвигая требование соответствия привода строгим правилам по ЭМС.

Промышленные установки, напротив, почти всегда имеют трансформатор, который, как правило, блокирует распространение ЭМП/РЧП от привода наружу. У этих установок также предусмотрено больше возможностей подавления излучаемых ЭМП по сравнению с техникой, расположенной в местах проживания.

Компания Yaskawa Electric отметила, что для соответствия промышленных приводов правилам по ЭМС часто оказывается достаточным использовать в них небольшие встроенные фильтры. Однако, для соответствия приводов по ЭМС стандартам МЭК в области жилых зон, включая больницы, по всей видимости, нужны внешние и, возможно, двухкаскадные фильтры.

Компания Danfoss Drives подтверждает, что «требования по ЭМС для жилых зон являются самыми трудно выполнимыми». По информации г-на Лэндкилдехаса, в связи с тем, что монтаж систем отопления, вентиляции и кондиционирования является для компании Danfoss профильным видом деятельности, она конструирует свои приводы сразу с учетом их ЭМС, прямо со стадии разработки. Это привело к разработке современных фильтров ЭМП/РЧП, которые обеспечивают надежную и экономичную ЭМС приводов.

Встраиваемые в привод фильтры проектировались для длинных кабелей электродвигателей (в которых 150 м, как правило, экранированы, а 300 м не экранированы). «Чтобы соответствовать этому требованию, конструкцию привода также пришлось оптимизировать с позиций обеспечения приемлемых тепловых режимов». Г-н Лэндкилдехас подчеркнул также, что встроенные фильтры имеют преимущество в отношении интеграции своего теплового дизайна в общий тепловой дизайн привода.

С учетом общей тенденции к глобализации конструирования приводов ожидается, что все большее число моделей приводов с регулируемой скоростью будут удовлетворять международным стандартам по ЭМС, снижая уровень электромагнитных помех.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *