Дисбаланс входного тока возникает, когда частотно-регулируемый преобразователь частоты (ЧРП) с полномостовым выпрямителем работает в условиях небольшой нагрузки. Здесь мы объясняем, что с этим делать.

Одним из явлений, с которым электрики часто сталкиваются после установки ЧРП, является заметный дисбаланс тока на входе в ЧРП, когда этот ЧРП работает при небольшой нагрузке. В пускателях переменного тока, в которых трехфазный асинхронный двигатель работает на полной частоте вращения и напряжении, дисбаланс является проблематичным и требует принятие мер. Но при том, что ЧРП обеспечивает переменную скорость вращения в зависимости от различных нагрузок, эти две системы сравнимы, как яблоки и апельсины.

На самом деле, дисбаланс на входе инвертора при незначительной нагрузке является нормальным явлением в электрической цепи. Дисбаланс возникает из-за подключения источника питания к ЧРП, а не к самому двигателю. Более конкретно, причина явления дисбаланса заключается в полномостовом выпрямителе ЧРП и том, как он работает.

Краткое описание явления дисбаланса в ЧРП

Обычная секция выпрямителя ЧРП состоит из шести диодов. Эти полупроводниковые элементы проводят ток в одном направлении и действуют как обратный клапан в системах водоснабжения (Обратные клапаны пропускают жидкость только тогда, когда давление на стороне подачи превышает давление на стороне отвода). Диоды работают примерно таким же образом, но эквивалентом давления является электродвижущая сила или напряжение.

Диоды выполняют множество функций в электронных схемах; в случае мостового выпрямителя диоды преобразуют переменный ток в постоянный. Постоянный ток затем подключается к цепи специализированных транзисторов, называемых биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT), между которыми находится обмотка двигателя. Транзистор — это просто полупроводниковый переключатель, который может включаться и выключаться с высокой частотой, обычно от 2 до 15 кГц. Именно IGBT-транзисторы непосредственно управляют напряжением и частотой, подаваемыми на обмотку двигателя.

Таким образом, дисбаланс тока на слабонагруженном ЧРП является нормальным при наличии любого дисбаланса напряжения от фазы к фазе. В дополнение:

• Напряжение на шине постоянного тока ЧРП не регулируется и изменяется в зависимости от уровня сетевого напряжения и нагрузки двигателя.
• Если потребляемый ток на всех входных линиях находится на уровне номинального входного тока привода или ниже него, а дисбаланс напряжения трехфазного источника питания находится в пределах рекомендаций стандартов, чрезмерного износа входных компонентов ЧРП быть не должно. ЧРП подключается между линейным источником питания и двигателем, таким образом, ЧРП защищает двигатель от несбалансированного сетевого напряжения.
• Входные линейные преобразователи и дроссели шины постоянного тока — это простые и экономичные устройства, которые повышают сопротивление на входе ЧРП и уменьшают дисбаланс напряжения. Еще одним преимуществом их использования является уменьшение отраженных гармоник от нелинейного потребления тока.

Поиск неисправностей

Не смотря на то, что дисбаланс входных токов преобразователя частоты при небольшой нагрузке является нормальным явлением, которое будет объяснено подробнее дальше, он так же может быть связан и с некорректной работой оборудования.

Если мы говорим о малонагруженных ЧРП в трехфазной сети с небольшим дисбалансом напряжения от 1 до 3%. Дисбалансы напряжения в электрической сети распространены в большинстве районов, но инженерам предприятия следует найти способы их устранения, если они не соответствуют требованиям стандартов.

Чтобы проверить, связан ли текущий дисбаланс с питанием или компонентами, расположенными выше по линии, поменяйте три фазы на входе в ЧРП и сравните текущие измерения до и после. Если текущий дисбаланс последует за переменой фаз, скорее всего, это связано с питанием или компонентами, расположенными выше по линии. Если дисбаланс между входными фазами привода остается таким же, возможно, причиной этого является ЧРП.

Цель изменения порядка фаз — определить, где начинается дисбаланс в линии питания, и изолировать устройство, ответственное за дисбаланс. Тесты на стороне питания каждого устройства выявляют дисбаланс.

Более подробная информация о процессах в преобразователе частоты

На рисунке ниже показана общая схема ЧРП с питанием от трехфазного источника питания. Как уже упоминалось, способ подключения мостового выпрямителя между сетью и двигателем делает сравнение параметров ЧРП и пускателя переменного тока недопустимым. Дисбаланс тока в двигателях переменного тока обычно возникает из-за дисбаланса напряжения между фазами в сети питания и должен поддерживаться в пределах, допустимых стандартами, например, не превышающих 1%. В противном случае ухудшается работа двигателя и может произойти повреждение обмоток двигателя.

Поскольку ЧРП отключает прямое подключение линейного источника питания к двигателю, он действует как буфер и фактически защищает двигатель от дисбаланса напряжения между фазами. ЧРП даже может управлять трехфазным двигателем от однофазной сети. Такое фазовое преобразование обычно применяется в ЧРП, где доступен только однофазный ток. При выборе ЧРП для фактического однофазного ввода следует руководствоваться рекомендациями производителя ЧРП, чтобы обеспечить подачу номинальной мощности на двигатель без чрезмерной нагрузки на компоненты ЧРП.

Небольшая нагрузка — это вероятный режим работы, при котором ЧРП изменяют скорость вращения вентиляторов и насосов (что соответствует законам подобия). Это распространенное применение ЧРП, поскольку регулирование скорости является эффективным способом регулирования расхода и снижения энергопотребления. В этом случае даже дисбаланс напряжения в соответствии со спецификациями стандартов может привести к несбалансированному току от фазы к фазе, при этом наибольшее сетевое напряжение обеспечивает большую часть тока. Это связано с конструкцией выпрямителя, который пропускает ток подобно обратному клапану, и с тем фактом, что напряжение питания меняется от положительного к отрицательному (переменное).

Поскольку напряжение является мерой электродвижущей силы, диод проводит ток только тогда, когда напряжение сетевого питания превышает напряжение шины постоянного тока на другой стороне диода. Это означает, что диоды пропускают ток только на пиках (положительных или отрицательных) формы сигнала напряжения. При этом напряжение на шине постоянного тока будет равно самому большому пику синусоидальной волны переменного тока.

Когда инженеры измеряют напряжение сети переменного тока с помощью обычных мультиметров с фиксированным значением, на дисплее прибора отображается напряжение, выраженное в единицах среднеквадратичного значения (RMS). Измеряемое напряжение меняется от положительного к отрицательному, поэтому среднее значение равно нулю. Среднеквадратичное значение — это площадь синусоидальной волны между нулем и пиком. Этот показатель отражает величину электродвижущей силы, передаваемой по линии переменного тока. Таким образом, пик формы сигнала напряжения равен среднеквадратичному значению, умноженному на √2 (или 1,41). Например, среднеквадратичное значение 400 вольт х 1,41 равно максимальному значению 564 Вольт. Если инженер измерит напряжение на шине постоянного тока преобразователя частоты, подключенного к сети 400 В переменного тока, он или она измерит 564 В постоянного тока. По мере того как двигатель нагружается, напряжение на шине постоянного тока естественным образом падает.

Диод, напряжение питания которого превышает пониженное напряжение шины постоянного тока, включится и пополнит шину постоянного тока. Поскольку три фазы линейного источника питания смещены на 120 электрических градусов, в любой момент времени работает только одна пара диодов (один положительный, один отрицательный) из шести. Как только линейное напряжение падает ниже напряжения шины постоянного тока, диоды выключаются, пропуская импульс тока в цепь шины постоянного тока. Вот почему этот тип моста также называют шестипульсным мостом и почему он потребляет энергию нелинейным образом (поэтому форма сигнала тока не совпадает с формой сигнала напряжения).

Ток поступает на шину постоянного тока только при разнице напряжений между шиной постоянного тока и сетевым источником питания. Таким образом, когда ЧРП слегка нагружен и на одной из линий питания напряжение выше, он сначала подает питание на шину постоянного тока и работает дольше, чем на других фазах.

Как только нагрузка двигателя еще больше разряжает шину постоянного тока, начинают включаться другие диоды. Но дисбаланс тока сохраняется, в зависимости от уровня дисбаланса напряжения между фазами.

Короче говоря, дисбаланс тока на входе ЧРП является нормальным при любом уровне дисбаланса напряжения, но наиболее выражен при небольшой нагрузке. Это не является чрезмерной нагрузкой на компоненты входа ЧРП при трехфазном питании.