Силовая электроника №2'2008

Описание и совместное применение сетевых, сглаживающих и моторных силовых дросселей фирмы Elhand Transformatory

Алексей Юшков

Данная статья посвящена трем представителям семейства дросселей Elhand Transformatory — сетевым, сглаживающим и моторным, а также их совместному использованию. Фирма производит сухие трансформаторы, силовые дроссели и блоки питания для применения в таких областях, как:

  • энергетика;
  • системы управления, автоматика и сортировка;
  • кораблестроительная и авиационная промышленность;
  • медицина;
  • железнодорожный транспорт;
  • горнодобывающая, сталеплавильная и химическая промышленность.

Сетевые дроссели ED1N и ED3N

Питающая сеть подвержена воздействиям нелинейных приемников, которые вызывают деформации протекания синусоидального напряжения, следовательно, увеличивают потери, а также создают помехи для работы других машин и приборов, питающихся от сети. Elhand Transformatory изготавливает однофазные ED1N и трехфазные ED3N сетевые дроссели (рис. 1).

Внешний вид сетевого дросселя

Сетевые дроссели чаще всего находят применение на предприятиях в локальных сетях низкого напряжения, питающих большое количество преобразующих приводных систем. Применяемые дроссели позволяют решить множество проблем: ограничивают возникновение гармоник в сети, гасят коммутационные перенапряжения, а в случае короткого замыкания уменьшают ток установившегося короткого замыкания и производную тока.

Основные функции сетевых дросселей

Системы тиристорных преобразователей малой мощности могут питаться непосредственно от сети без установки индивидуального трансформатора. В этих случаях необходимо использовать в цепи между питающей сетью и преобразователем сетевые дроссели типа ED1N или ED3N (рис. 2). Эти дроссели выполняют защитную роль, как в отношении самого преобразователя, так и в отношении питающей сети [1, 2].

Упрощенная схема преобразователя, питающего клеточный двигатель

Управляемые выпрямители и инверторы генерируют в сети ряд гармоник, которые сильно искажают ход синусоиды напряжения, вызывая увеличение потерь мощности всех машин и приборов, питающихся от сети. Сетевые дроссели ED1N или ED3N ограничивают распространение всех гармоник в сети и гасят коммутационные перенапряжения, возникающие во время переключения тиристоров. Применение сетевых дросселей вызывает ослабление взаимных помех, создаваемых преобразователями во время коммутации. Тиристорам преобразовательных систем часто необходимо обеспечить защиту, гарантирующую задержку нарастания тока проводимости до момента переключения структуры тока в состояние проводимости. Самым простым решением данного вопроса является использование сетевых дросселей. При подборе дросселя необходимо обратить внимание на взаимосвязь индуктивности питающей сети LS и индуктивности дросселя LED3N, которые должны удовлетворять условию (1).

где UTm — наибольшая из возможных в данной системе величина напряжения блокировки в момент перед переключением тиристора; (diT/dt) crit — критическая крутизна нарастания тока проводимости тиристора; LS — заменяющая индуктивность сети и источника.

Если из зависимости (1) получим результат LED3N ≤ 0, то это означает, что нет необходимости установки сетевых дросселей, так как индуктивность сети в достаточной степени ограничивает величину производной тока. Существует концепция защиты тиристоров, которая основана на применении специальных дросселей насыщения. Однако решение такого типа вызывает деформации в начальном протекании нагрузочного тока, что во многих случаях недопустимо. Практическим способом определения технических параметров сетевых дросселей является принятие допускаемого падения напряжения на дросселе (2), которое не должно превышать нескольких процентов от номинального напряжения сети:

где I — номинальный нагрузочный ток; ƒ — частота напряжения сети; LED3N — индуктивность сетевого дросселя.

Номинальный ток сетевого дросселя — это параметр, зависящий от системы преобразователя и его нагрузки. Зная величину нагрузочного тока, воспользовавшись зависимостью (2) и приняв падение напряжения в несколько процентов, можно определить индуктивность дросселя. Следует также обратить внимание на то, чтобы характеристика магнитовода не давала возможности вхождения сетевого дросселя в состояние насыщения во всем диапазоне предполагаемых токов потребителя.

Строение сетевых дросселей

Сетевые дроссели выпускаются в двух вариантах: однофазные ED1N и трехфазные ED3N. Кроме того, в зависимости от природных условий, в которых будут работать дроссели, возможно их изготовление в морском или сухопутном исполнении. Номинальные токи, зависящие от мощности систем, в которых работают дроссели, находятся в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен ампер (860 A). Индуктивность сетевых дросселей находится в пределах от нескольких десятков мкГн до более десяти мГн. Сердечник выполнен из электротехнических кремнистостальных листов толщиной 0,25–0,5 мм. Фасонные детали, являющиеся отдельными элементами сердечника, в зависимости от исполнения дросселя, могут быть соединены или спаяны. Обмотки наматываются на каркасы, у большинства сетевых дросселей — из круглого обмоточного провода. Дроссели, работающие в системах с большими токами, имеют обмотки, выполненные из профильного провода, часто с каналами, облегчающими охлаждение. Сердечник и укрепленные на нем обмотки подвергаются процессу вакуумной импрегнации, которая более эффективна по сравнению с использованием традиционной пропиточной ванны. Вакуумная импрегнация обеспечивает надежность выпускаемых сетевых дросселей при работе в сложных климатических условиях, а также способствует уменьшению потерь мощности. После этого дроссели оборудуются зажимами или кабельными башмаками, крепежными уголками и транспортными держателями. Проверки на электроиспытательной станции, проводимые в соответствии с действующими обязывающими нормами, — это заключительный этап изготовления сетевых дросселей. Цель заключительных проверок — исключение всех возможных недостатков изделия. Система обеспечения качества, отвечающая требованиям нормы PN-ISO-9002, внедренная в фирме Elhand Transformatory, гарантирует наивысшее качество, повторяемость технических параметров выпускаемых дросселей, трансформаторов и питателей, а также четкое и профессиональное обслуживание клиентов.

Сглаживающие дроссели ED1W и ED3W

Внешний вид сглаживающих дросселей ED1W и ED3W представлен на рис. 3. В цепи нагрузки любой схемы выпрямителя получают выходное напряжение, образуемое суммой двух составляющих: постоянной и переменной. Чтобы уменьшить пульсации, чаще всего нежелательные с точки зрения потребителя, между выходом выпрямителя и нагрузкой включают выпрямляющий фильтр. Фирма Elhand Transformatory является производителем сглаживающих дросселей ED1W, которые находят применение в фильтрах выпрямителей.

Сглаживающие дроссели ED1W и ED3W

Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры корректируют форму переходных процессов напряжения и тока выпрямителя. Схема фильтра незначительно влияет на величину постоянной составляющей, зато ограничивает переменную составляющую, а тем самым и коэффициент пульсаций. Свойства и эффективность работы выпрямляющего фильтра определяет коэффициент сглаживания:

где kt1 и kt2 — коэффициенты пульсации (напряжения или тока) соответственно на выходе и входе выпрямителя.

Часто роль фильтра выполняет включенный последовательно с нагрузкой сглаживающий дроссель ED1W (рис. 4a). Индуктивность сглаживающего фильтра, работающего в выходной цепи импульсного выпрямителя, питающего нагрузку с сопротивлением R, при заданном коэффициенте сглаживания напряжения и выходного тока βs, определяется зависимостью:

где R — сопротивление нагрузки; r — внутреннее сопротивление цепи выпрямителя, m — коэффициент, зависящий от вида выпрямителя; βS — коэффициент сглаживания; ƒ — частота напряжения питания выпрямителя.

Наиболее часто встречающиеся схемы сглаживающих фильтров

В однополупериодных выпрямителях с индукционным фильтром трудно стабилизировать ток в цепи нагрузки, так как импульсы тока появляются только в каждом втором полупериоде. Поэтому индукционные фильтры скорее не совместимы с однополупериодными выпрямителями. Чаще используют однофазные двухполупериодные выпрямители с фильтром в виде индукционного дросселя (рис. 5). В такой цепи уже при относительно небольших токах нагрузки появляется постоянный ток без значительных пульсаций.

Мостовой двухполупериодный выпрямитель с индукционным фильтром

Если реактивное сопротивление дросселя wL >> R, то в цепи происходит хорошая фильтрация пульсаций тока. Дополнительным преимуществом этой схемы является то, что средняя величина тока 2/pIm не зависит от индуктивности. Ограничение пульсаций тока путем увеличения индуктивности дросселя не вызывает потерь напряжения. Выпрямительный фильтр в виде сглаживающего дросселя ED1W значительно эффективнее выполняет свою задачу, работая с выпрямителем, в котором переменная составляющая имеет в несколько раз большую частоту (например, в импульсных преобразователях). В схемах выпрямителей, работающих от напряжения промышленной частоты, сглаживание напряжения и тока только с помощью дросселя требовало бы применения элементов с очень большой индуктивностью. Поэтому на практике индукционные фильтры применяют чаще всего в трехфазных цепях большой мощности [3]. Соединяя сглаживающий дроссель с конденсатором, получают схему LC-фильтра (рис. 4б, в) с удовлетворительными параметрами, как при незначительных, так и при больших токах нагрузки. Дроссель в такой схеме играет роль последовательного импеданса, конденсатор же дополнительно шунтирует нагрузку переменных составляющих. Часто применяемой разновидностью дросселей являются дроссели типа ED2W. Они имеют две независимые обмотки, размещенные на сердечнике в форме UI. Их используют в схемах, сопряженных с мощными импульсными преобразователями.

Схема сглаживающего дросселя типа ED2W

Если эффективность одиночного фильтра еще слишком мала, то дальнейшее ограничение переменной составляющей получают, строя многоступенчатый фильтр, составленный из нескольких каскадно соединенных цепей. Коэффициент вероятности сглаживания в этом случае равен:

где β — коэффициент сглаживания многоступенчатого фильтра; β1, β2 — коэффициенты сглаживания последующих ступеней фильтра.

Следует помнить, что применение сглаживающего фильтра существенно влияет на выходную характеристику всей выпрямительной схемы. При переходных процессах, возникающих при включении и выключении выпрямителя, в контуре могут появиться значительные осцилляции тока или напряжения, вызванные резонансным характером LC-контура и его высокой добротностью [3, 4].

Строение сглаживающих дросселей

Сглаживающие дроссели ED1W и ED2W выпускают в однофазном исполнении. Основными параметрами этих дросселей являются ток и индуктивность. Эти величины зависят в значительной мере от типа выпрямителя, с которым работает дроссель, а также потребляемой мощности питаемой нагрузки. Обмотки сглаживающих дросселей изготавливаются из медного круглого или профилированного обмоточного провода. Сердечник из электротехнической кремниевой стали изготовлен из жести (форма EI и UI) толщиной 0,25–0,5 мм. После соединения обмоток и сердечников дроссели подвергают вакуумной импрегнации. Это способствует снижению потерь мощности, а также росту надежности изготовляемых дросселей. Затем дроссели снабжают зажимами или кабельными концевиками, а также механической оснасткой. Готовые дроссели попадают на испытательный электростенд — это последний этап производства. Все операции, начиная от закупки материалов и заканчивая упаковкой готового изделия, производятся согласно процедурам системы обеспечения качества ISO 9002.

Моторные дроссели ED1S и ED3S

Тиристорные преобразователи — наиболее часто применяемые системы питания и регулирования электрических двигателей. С целью улучшения механических характеристик и динамических свойств тиристорной приводной системы нередко между двигателем и системой преобразователя устанавливают моторные дроссели. Изготавливает однофазные ED1S и трехфазные ED3S моторные дроссели фирма Elhand Transformatory из Люблинца, Польша. Моторные дроссели (рис. 7) находят широкое применение в преобразовательных приводных системах, как постоянного, так и переменного тока. В зависимости от вида приводной системы, вместе с которой работают дроссели, они выполняют множество функций: обеспечение непрерывности и сглаживание пульсаций тока двигателя, минимизацию тока короткого замыкания в цепи нагрузки преобразователя, а также ограничение коммутационных перенапряжений и компенсацию емкости цепи питания.

Внешний вид моторного дросселя

Задачи моторных дросселей в управляемых системах выпрямления

Пульсация выпрямленного тока в цепи двигателя, питающегося от управляемого выпрямителя, вызывает искрение под щетками и затрудняет процесс коммутации. Подобранный надлежащим образом моторный дроссель ED1S, установленный в цепи нагрузки выпрямителя, позволяет успешно ограничить величину первой гармоники тока до допустимого уровня 2–15% номинального тока, зависящего от мощности и диапазона регулировки угловой скорости двигателя. Индуктивность цепи, необходимая для поддержания допустимой величины k-ой гармоники тока Ik (%) в цепи, при известном значении амплитуды переменной составляющей выпрямленного питающего напряжения Udz, определяется по формуле (1).

где m — число фаз, k — кратность гармоники, Idn — величина номинального тока преобразователя, ΔIk (%) — допустимая величина соответствующей гармоники тока.

Зная необходимую индуктивность цепи Lob и индуктивность якоря машины Lt, можно определить индуктивность моторного дросселя ED1S, ограничивающего пульсацию тока в цепи нагрузки преобразователя (7) (рис. 8).

Упрощенная схема симметричного трехфазного мостика

Следует помнить, что магнитный материал сердечника и конструкция моторного дросселя должны обеспечить сохранение постоянной индуктивности при токе якоря, равной двойной величине номинального тока. Это условие вытекает из токовой перегрузки преобразователя.

Отсутствие непрерывности протекания тока в цепи, питающей двигатель, вызывает отрицательные изменения в ходе механических характеристик двигателя и приводит к ухудшению динамических свойств привода. По этой причине одной из самых важных задач моторного дросселя ED1S является обеспечение как можно более широкого диапазона прохождения непрерывного тока в выходной цепи преобразователя. Этот ток принимает характер прерываемого тем чаще, чем меньше значения тока и индуктивности нагрузки. Определяя граничное значение тока нагрузки Idgr так, как представлено на рис. 8, и зная тип и параметры цепи преобразователя, можно определить минимальную величину индуктивности цепи Lob, которая обеспечит протекание непрерывного тока нагрузки преобразователя. Для системы трехфазного преобразовательного мостика (рис. 8) она составляет:

где Idgr — граничное значение тока нагрузки преобразователя, при котором наступает изменение характера тока в цепи; Xa — реактивное сопротивление фазы анодной цепи; U2p — наименьшее линейное напряжение, питающее преобразователь.

На основании индукции цепи и параметров питаемой машины можно легко определить индуктивность моторного дросселя ED1S (9), который, будучи установленным в сети, обеспечит непрерывный характер тока двигателя:

где Lob — индуктивность цепи, вычисленная по формуле (8), Lt — индуктивность якоря, установленная на основании типа и технических параметров машины.

Роль моторных дросселей в приводных системах переменного тока

Выходные напряжения инверторов — это последовательность прямоугольных импульсов регулируемой ширины и частоты. Скорость нарастания импульсов протекания напряжения очень большая, что представляет опасность для изоляции питаемых машин. Ограничение скорости нарастания напряжения, а в результате — снижение риска повреждения изоляции двигателя, достигается путем установки между двигателем и инвертором моторного дросселя типа ED3S (рис. 9).

Упрощенная схема преобразователя, питающего клеточный двигатель

Моторные дроссели ED3S используются также для ограничения тока короткого замыкания до момента срабатывания защиты и выключения тока в цепи. Зачастую подбор соответствующей индукции моторного дросселя — это единственная возможность защиты тиристоров (транзисторов мощности) преобразовательных систем (рис. 9). Подбор индуктивности моторного дросселя ED3S зависит от максимальной величины тока короткого замыкания в цепи. Этот ток не может быть больше неповторяемого пикового значения тока тиристора ITSM. На практике часто возникает необходимость подведения напряжения к приводам, значительно удаленным от источника питания. Длинные питающие линии обладают большими емкостями, которые способствуют увеличению потерь мощности в цепи. Моторный дроссель ED3S, кроме защиты изоляции машины, компенсирует емкость питающей линии, а также ограничивает гармоники и коммутационные перенапряжения в цепи двигателя. В цепи преобразователя с целью выравнивания пульсации и обеспечения непрерывности выпрямленного тока устанавливают дроссель ED1W. Оптимальный выбор его индукции имеет существенное влияние на работу всей приводной системы.

Строение моторных дросселей

Моторные дроссели в зависимости от вида приводной системы и условий, в которых они будут работать, выпускаются в однофазном или трехфазном исполнении, морском или сухопутном. Номинальные токи таких дросселей достигают величины сотен ампер, а индуктивности находятся в диапазоне нескольких десятков мГн. Эксплуатационные требования и вытекающие из них технические параметры приводят к тому, что готовые магнитные устройства имеют значительные размеры. Обмотки моторных дросселей чаще всего производят из круглого медного обмоточного провода, а при больших токовых нагрузках — из профильного провода или ленты. Сердечник из кремнистой стали выполнен из листов толщиной 0,25×0,5 мм. После установки сердечника и обмоток дроссели подвергаются вакуумной импрегнации, которая способствует уменьшению потерь мощности и повышает надежность выпускаемых элементов. После этого дроссели оборудуются зажимами или кабельными башмаками, крепежными уголками и, в случае необходимости, транспортными держателями. Заключительным этапом изготовления моторных дросселей является серия проверок на электроиспытательной станции, которые проводятся в соответствии с действующими обязывающими нормами.

Дроссели фирмы Elhand Transformatory в составе энергосберегающих преобразователей частоты

В последнее десятилетие экономия электроэнергии — это одно из приоритетных направлений экономической политики стран СНГ. И в этой связи на промышленных предприятиях широкое распространение получили энергосберегающие преобразователи частоты (ЭПЧ), которые используются в качестве регуляторов производительности энергетических установок (насосов, вентиляторов, компрессоров и т. п.). Для получения максимального энергосберегающего эффекта ЭПЧ необходимо оснащать сетевыми и (или) сглаживающими дросселями.

Типовая схема подключения изображена на рис. 10. В структуру системы на базе ЭПЧ, как правило, входят сетевой ED3N, сглаживающий ED1W и моторный ED3S дроссели.

Типовая схема подключения энергосберегающего преобразователя частоты

Сетевой дроссель (ED3N) подключается к входу ЭПЧ и является двухсторонним буфером между сетью электроснабжения и ЭПЧ.

Назначение дросселей

Назначение сетевых дросселей

  1. Повышение энергосберегающего эффекта от внедрения ЭПЧ путем увеличения коэффициента мощности системы «ЭПЧ – асинхронный двигатель (АД)».
  2. Подавление высших гармоник входного тока ЭПЧ, генератором которых является неуправляемый выпрямитель ЭПЧ.
  3. Выравнивание линейных напряжений на входе ЭПЧ при перекосах питающего напряжения.
  4. Подавление быстрых изменений напряжения на входе ЭПЧ (грозовые перенапряжения, коммутация батарей статических конденсаторов и т. п.).
  5. Снижение скорости нарастания тока короткого замыкания на выходе ЭПЧ.

Назначение сглаживающих дросселей

  1. Уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения и тока на выходе выпрямителя.
  2. Повышение энергосберегающего эффекта от внедрения ЭПЧ путем увеличения коэффициента мощности системы «ЭПЧ – асинхронный двигатель (АД)».
  3. Подавление высших гармоник входного тока ЭПЧ, генератором которых является неуправляемый выпрямитель ЭПЧ.
  4. Снижение скорости нарастания тока короткого замыкания на выходе ЭПЧ.

Назначение моторных дросселей

Выходное напряжение ЭПЧ — это последовательность прямоугольных импульсов регулируемой ширины и частоты. Скорость нарастания импульсов напряжения очень велика, что представляет опасность для изоляции питаемых АД. Ограничение скорости нарастания напряжения, а в результате — снижение риска повреждения изоляции двигателя достигаются путем установки между двигателем и ЭПЧ моторного дросселя типа ED3S (рис. 10). Моторные дроссели ED3S используются также для ограничения тока короткого замыкания до момента срабатывания защиты и выключения тока в цепи. Зачастую подбор соответствующей индуктивности моторного дросселя — это единственная возможность защиты выходных транзисторов. Подбор индуктивности моторного дросселя ED3S зависит от максимальной величины тока короткого замыкания в цепи. На практике зачастую двигатель значительно удален от ЭПЧ. Длинный кабель обладает большими емкостями, которые способствуют увеличению потерь мощности в ЭПЧ и кабеле. Моторный дроссель ED3S, кроме защиты изоляции двигателя, компенсирует емкость питающей линии, а также ограничивает гармоники и коммутационные перенапряжения в цепи АД. В результате двигатель меньше греется.

Сравнительные характеристики дросселей

Проведем сравнение продукции всем известной компании Siemens с дросселями Elhand на примере сетевых дросселей (серия Siemens 4EU2752, серия Elhand ED3N).

Сравнительные характеристики дросселей производства Siemens и Elhand (1) приведены в таблице.

Таблица. Сравнительные характеристики дросселей производства Siemens и Elhand (1)
Сравнительные характеристики дросселей производства Siemens и Elhand (1)

Анализируя приведенную таблицу и учитывая сопутствующую информацию по ценам и доступности, можно сделать соответствующий вывод (см. выводы, п. 7).

Выводы

  1. Правильный выбор индуктивности сетевого дросселя в составе энергосберегающего преобразователя частоты (ЭПЧ) позволяет более полно использовать энергосберегающие свойства ПЧ, работающего в качестве регулятора производительности насоса, вентилятора и других механизмов с вентиляторной механической характеристикой в функции заданного технологического параметра, например давления.
  2. Сетевой дроссель защищает сеть электроснабжения от высших гармоник, генератором которых является неуправляемый выпрямитель энергосберегающего преобразователя частоты.
  3. Сетевой дроссель защищает сам преобразователь частоты от всплесков напряжения в сети электроснабжения и перекосов линейных напряжений питающей сети.
  4. Сглаживающий дроссель целесообразно использовать совместно с сетевым дросселем для преобразователей частоты мощностью более 55 кВт.
  5. Моторные дроссели необходимо использовать при длинных кабельных линиях или высокой вероятности короткого замыкания на выходе преобразователя частоты.
  6. Дроссели фирмы Elhand — экономически выгодная альтернатива «фирменным» дросселям.
  7. При соблюдении паритета параметров (таблица) дроссели Elhand имеют значительно меньшую цену, а за счет более гибкого производства обеспечиваются оптимальные сроки в соответствии потребностями производства.

Литература

  1. Жиборски Й., Липски T. Страховка диодов и тиристоров. Варшава: WNT, 1979.
  2. Lastowiecki J. Elementy magnetyczne wuk adach nap dowych. Варшава: WNT, 1982.
  3. Русек A. Основы электроники. Варшава: WSiP, 1985.
  4. Барлик Р., Новак M. Тиристорная техника. Варшава: WNT, 1994.
  5. Новак M., Барлик Р. Пособие инженера энергоэлектронщика. Варшава: WNT, 1998.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2008_2_12.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо