Сетевой дроссель на входе преобразователя частоты выполняет защитную функцию не только в отношении самого преобразователя, но и в отношении сети электроснабжения. По-сути, он является двухсторонним буфером между нестабильной сетью (провалы и всплески напряжения) и преобразователем частоты - источником высших гармоник.
Каждую гармоническую величину (ток или напряжение) можно выразить как сумму основной частоты (50 или 60Гц) и кратных ей. В симметричных трехфазных системах бывают только нечетные гармоники, четные подавляются за счет симметрии. Высшие гармонические токи вызываются нелинейными нагрузками (с несинусоидальным током). Их типичные источники: выпрямительные мосты устройств силовой электроники, импульсные источники питания в офисном оборудовании, люминесцентные лампы и т.п. Для трехфазных выпрямительных нагрузок содержание гармоник можно описать как 6xn±1, т.е. 5, 7, 11, 13, 17, 19 и т.д. То есть в сети будут циркулировать кроме токов частоты 50Гц (60Гц) токи с частотами 250(300), 350(420), 550(660), 650(780), 850(1020), 950(1140) и т.д. Величина токов уменьшается с ростом частоты.
Гармонические токи активной мощности не передают, но вызывают дополнительную нагрузку на кабель за счет увеличения полного тока. Это приводит к перегрузке кабелей, уменьшению коэффициента мощности и может привести к нарушению работы измерительных систем. Напряжение, создаваемое дополнительным током в реактивном сопротивлении трансформатора, могут также повредить другое оборудование или мешать работе устройств в линиях электропередач. Сетевой дроссель для высших гармоник обладает большим сопротивлением и подавляет их влияние на сеть электроснабжения.
Практическим критерием определения индуктивности сетевых дросселей является критерий допустимого падения напряжения на дросселе при номинальной частоте питающей сети которое, как правило, не должно превышать 3-4% от номинального напряжения сети электроснабжения. При индуктивном сопротивлении 3% и более высшие гармоники подавляются в значительной степени, а действующее значение суммарного тока стремится к величине тока основной гармоники.
Подавление высших гармоник составляющих входного тока системы важно еще и потому, что высшие гармоники тока искажают синусоиду питающего напряжения, приводя к появлению высших гармоник напряжения. В результате этого через нагрузки, батареи конденсаторов, кабельные сети циркулируют токи высших гармоник, что приводи к дополнительным потерям за счет потерь на гистерезис, емкостных потерь в кабельных линиях, потерь на батареях конденсаторов, вызывая их нагрев и снижение срока службы. Понятно, что чем больше мощность преобразователя частоты, тем существенней искажение синусоиды напряжения и тем более негативное влияние на систему электроснабжения оказывают высшие гармоники.
Сетевой дроссель защищает преобразователь частоты при коротких замыканиях на его выходе, ограничивая скорость нарастания тока короткого замыкания и установившийся ток короткого замыкания, способствуя успешному срабатыванию токовой защиты преобразователя частоты. Кроме того, провалы и всплески напряжения на входе приводят к кратковременному увеличению токов через диоды неуправляемого выпрямителя. Вызвано это свойством конденсаторов в промежуточном звене постоянного тока. При скачкообразном увеличении напряжения на входе преобразователя частоты напряжение на конденсаторе увеличивается плавно по экспоненциальному закону, а скорость нарастания тока через диоды ограничивается только собственной индуктивностью питающей сети (практически не ограничивается), и при определенных уровнях перенапряжения всплески тока становятся выше критической величины для диода, который выходит из строя. При перекосах фаз питающего напряжения, вызванного неравномерностью нагрузки, подключенной к разным фазам, использование сетевого дросселя приводит к выравниванию линейных напряжений на входе преобразователя частоты. Это объясняется тем, что большие линейные напряжения приводят к большим падениям напряжения на реактивном сопротивлении сетевого дросселя и соответственно меньшие линейные напряжения вызывают меньшие падения напряжения, в результате трехфазная система напряжений выравнивается. Перекосы напряжения по фазам вызывают увеличение токов через диоды неуправляемого выпрямителя, что также может привести к выходу их из строя.
Эффективность использования сетевого дросселя с преобразователями частоты
При использовании преобразователя частоты реактивная мощность из сети не потребляется, так как преобразователь не является индуктивной нагрузкой и сетевое напряжение питания, подводимое к преобразователю, сразу выпрямляется. Реактивная мощность присутствует только на участке цепи "преобразователь - двигатель", а этот участок, как правило, небольшой и потери в нем незначительны. Однако преобразователь частоты потребляет несинусоидальный ток и с этим связан ряд проблем.Одной из основных проблем являются сильные гармонические искажения входного тока. На диаграмме представлена реальная форма тока снятая с входа преобразователя (3 фазы 400 В мощность 5,5 кВт номинальный входной ток 13,2 А) нагруженного номинальной нагрузкой без дросселя и с дросселем.
Без дросселя
С дросселем
Как видно из графика при номинальном входном токе 13,2 А, выбросы достигают 33 - 34 А без дросселя и 22 - 23 А с дросселем. Опасность таких выбросов состоит в том, что они могут оказывать сильное влияние на других потребителей, а в случае работы нескольких преобразователей от одной сети, они могут сильно влиять и друг на друга вплоть до выхода преобразователя из строя.
Теперь рассмотрим разложение данных сигналов в ряд Фурье. Коэффициент, характеризующий несинусоидальность формы (коэффициент формы или power factor в зарубежной литературе) в данном случае равен 66 %.
Без дросселя К=66%
С дросселем К=89%
Коэффициент, характеризующий несинусоидальность формы (коэффициент формы или power factor в зарубежной литературе), в случае без дросселя равен 66%, при использовании дросселя равен 89%.
Как видно из вышеприведенных диаграмм использование дросселя существенно влияет на форму потребляемого тока и значительно приближает его к синусоидальной.
Однако, это не единственное преимущество использования дросселя.
Дроссель существенно ослабляет броски напряжения в сети при включении или выключении крупных потребителей. Это не редкость, так как в России качество подводимой электроэнергии оставляет желать лучшего.
При использовании дросселя в диапазоне от 10 кГц до 300 кГц достигается уменьшение нагрузочных помех вплоть до 30 dB.
Продлевается срок службы конденсаторов промежуточного контура.
Надежность преобразователя увеличивается в 5 - 7 раз.
При использовании дросселя ограничивается скорость нарастания тока, если преобразователь по каким либо причинам вышел из строя. При этом успевает сработать входной автомат отключения питания, и повреждения оказываются минимальными, и, как следствие, более дешевый ремонт.
