по Тодд Шударек, главный инженер, корпорация MTE

Новый фильтр для приводов с регулируемой частотой вращения справляется как с дифференциальными, так и с синфазными проблемами.

Большинство пользователей приводов переменного тока с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) знакомы с повышенным напряжением двигателя в дифференциальном режиме из-за явления отраженной волны, быстрого нарастания и пиковых напряжений, которые они могут создавать. Однако многие пользователи менее знакомы с синфазными напряжениями, создаваемыми ШИМ-инвертором, которые также могут приводить к высоким напряжениям и пиковым токам на землю. Многие проблемы, связанные с синфазными напряжениями и токами, по своей природе нелегко обнаружить. Синфазные эффекты связаны с трудноопределимыми паразитными параметрами кабелей и двигателей. Поскольку эти значения никоим образом не влияют на нормальную работу привода, они не публикуются. Однако они могут вызвать неустойчивое поведение платы контроллера, что может привести к ошибке тайм-аута. Иногда возникает ошибка замыкания на землю, которая препятствует запуску привода. На самом катастрофическом уровне скачки синфазных напряжений и токов могут привести к преждевременному выходу из строя подшипников двигателя, обмоток двигателя или кабелей.

Синфазные сигналы ШИМ-привода
Синфазные напряжения и токи, которые существуют на выходе типичного ШИМ-привода, присущи коммутационной топологии.

Чтобы лучше понять это, вам необходимо изучить трехфазные сигналы, генерируемые типичным ШИМ-приводом. Три фазы и напряжение шины постоянного тока могут включаться или выключаться только с помощью IGBTs. В идеале все фазы могли бы суммироваться вместе, как трехфазные синусоидальные сигналы, и в результате не было бы синфазного напряжения. По своей сути, они никогда не могут суммироваться до нуля во время работы, потому что единственный раз, когда нечетное число переключаемых сигналов может суммироваться до нуля, — это если все они выключены.

Синфазное напряжение, создаваемое типичным ШИМ-приводом, индуцирует синфазные токи, которые проходят через паразитные емкости, расположенные в кабеле и двигателе. Эти токи могут проходить по всему двигателю от статора к раме через подшипники двигателя к земле.

Синфазные напряжения и токи иногда могут вызывать системные неполадки. Эти проблемы трудно диагностировать, поскольку они проявляются в виде неустойчивых тайм-аутов или ошибок замыкания на землю. В крайних случаях синфазный сигнал может привести к преждевременному выходу из строя подшипников двигателя, обмоток двигателя или кабелей. Эти сбои являются как неприятностями, так и проблематичными, приводя к потере производительности.

На рынке представлено множество решений для этих синфазных напряжений и токов. Например, синфазный индуктор может уменьшить воздействие этих токов. Другим возможным решением является комплект заземления вала, который обеспечивает защиту подшипников, но при этом все синфазные токи по всей системе не уменьшаются.

Хотя щетка для заземления вала не является фильтром, она по-прежнему является распространенным методом защиты подшипников двигателя. Правильно установленная щетка заземления вала может защитить подшипники двигателя, обеспечивая альтернативный путь тока в обход подшипников двигателя. Такая защита подшипников, хотя и довольно эффективна для защиты подшипников двигателя, может усугубить другие проблемы. Поскольку это создает путь с низким сопротивлением к земле, токи заземления могут увеличиваться, тем самым усугубляя другие проблемы, такие как неустойчивое поведение платы контроллера и замыкания на землю. Решение для щетки заземления вала также не обеспечивает никакой защиты от повышенных напряжений дифференциального режима и времени нарастания, которые обеспечивает даже самый типичный фильтр dV /dt.

Типичные топологии индукторов
В основном для фильтрации выходных данных в ШИМ-приводах используются две топологии встроенных катушек индуктивности: трехфазная катушка индуктивности (реактор) и синфазная катушка индуктивности. Пользователи обычно используют фильтры dV/dt, сконструированные с трехфазным реактором, который обеспечивает фильтрацию только в дифференциальном режиме. В некоторых случаях, когда по-прежнему возникают необъяснимые проблемы с приводом, пользователи попытаются исправить ситуацию, установив синфазный индуктор.

Синфазные катушки индуктивности могут быть сложными по размеру, трудны в установке и могут оказаться неэффективными, поскольку они могут вызвать резонанс в системе. Две топологии индукторов обеспечивают либо фильтрацию всех дифференциальных режимов, либо фильтрацию всех синфазных режимов, но не то и другое вместе.

Идеальным решением является наличие фильтра, обеспечивающего снижение шума в дифференциальном режиме и в общем режиме — все это в одном фильтре. Недавно разработанный фильтр dV Sentry от MTE содержит сердечник тройной защиты, трехфазную запатентованную конструкцию реактора, который имеет как дифференциальную, так и синфазную фильтрацию.

Типичный фильтр, MTE Sentry DVS0065E, был протестирован с приводной системой напряжением 480 В, мощностью 50 л.с., кабелем длиной 1000 футов, полной нагрузкой и частотой переключения 8 кГц. Фильтрация в дифференциальном режиме работала хорошо, поддерживая пиковое напряжение двигателя на уровне менее 1000 В, сокращая время нарастания и обеспечивая превосходную фильтрацию в синфазном режиме. Межпиковый синфазный ток был снижен с 15,9 А без фильтра до 8,5 А с фильтром MTE dV Sentry, что на 47% снизило пиковые синфазные токи.

Типичный фильтр dV/dt не фильтрует синфазные токи. По своей конструкции они фильтруют дифференциальный режим, вызываемый ШИМ-инверторами. В таких конструкциях систем иногда может помочь дополнительный синфазный дроссель, а также использование комплекта заземления вала на двигателе.

Основные блюда на вынос
Неполадки в обычном режиме могут вызывать случайные ошибки, приводящие к перерыву в работе, ошибке замыкания на землю и иногда препятствующие запуску привода. На самом катастрофическом уровне скачки синфазных напряжений и токов могут привести к преждевременному выходу из строя подшипников двигателя, обмоток или кабелей. Ищите фильтр, который обеспечивает надежную фильтрацию в общем и дифференциальном режимах для защиты двигателя.

Корпорация MTE
www.mtecorp.com