Длина кабеля двигателя при работе с частотными преобразователями — отражение напряжения и выбор между dv/dt- и синусоидальным фильтром

Руководство о симметричной конструкции кабеля двигателя для частотных преобразователей рассматривает, почему заземляющий(е) проводник(и) кабеля двигателя частотного преобразователя должны располагаться симметрично вокруг фаз, чтобы ограничить токи подшипников common-mode. Эта статья рассматривает другое физическое явление, связанное с тем же кабелем: отражение напряжения, возникающее по мере удлинения кабеля между преобразователем и двигателем, которое может проявляться независимо от симметричности конструкции кабеля.

Явление: кабель как линия передачи

Частотный преобразователь переключает свои выходные транзисторы (обычно IGBT) с очень крутыми фронтами переключения — время нарастания напряжения порядка нескольких сотен наносекунд до нескольких микросекунд. Когда кабель между преобразователем и двигателем достаточно длинный по отношению к этому времени нарастания, кабель ведёт себя электрически как линия передачи: волновое сопротивление кабеля отличается от сопротивления обмотки двигателя, из-за чего импульс напряжения частично отражается на конце у двигателя. Это отражение может складываться с входящим импульсом, в результате чего пик напряжения на клеммах двигателя может достигать примерно двукратного значения напряжения шины постоянного тока преобразователя — нагрузка, на которую изоляция обмотки обычного двигателя не рассчитана.

NEMA MG1 Part 30 против Part 31

NEMA MG1 Part 30 (для двигателей общего назначения, не рассчитанных специально на питание от преобразователя) предполагает систему изоляции, способную выдерживать повторяющиеся пики напряжения до 1000 В при времени нарастания не менее 2 микросекунд. NEMA MG1 Part 31 (двигатели "inverter-duty", специально рассчитанные на питание от преобразователя, с более прочной системой изоляции) допускает значительно большую нагрузку: пики напряжения до 1600 В, при времени нарастания всего от 0,1 микросекунды. Обычный двигатель Part 30, питаемый по длинному кабелю от современного IGBT-преобразователя, может поэтому легко превысить пики напряжения, на которые он был рассчитан.

Внимание: точная длина кабеля, при превышении которой возникают проблемы с отражением, не является фиксированным числом — она зависит от времени нарастания используемого преобразователя, характеристик кабеля и номинального напряжения установки. При конкретном проекте следует обращаться к таблицам длины кабеля производителя преобразователя, а не применять универсальное эмпирическое правило.

Два типа фильтров, две области применения

Для ограничения отражения напряжения при длинах кабеля, превышающих предел, указанный производителем преобразователя, существуют две основные категории выходных фильтров:

• Dv/dt-фильтр (также называемый выходным реактором или дросселем нагрузки в простейшем варианте): замедляет время нарастания фронта переключения достаточно, чтобы удержать пик напряжения в допустимых пределах при умеренных длинах кабеля. Это обычно наиболее экономичное решение, пока длина кабеля не превышает значительно указанный производителем предел.
• Синусоидальный фильтр: преобразует прямоугольный ШИМ-сигнал на выходе преобразователя в почти чистую синусоиду, устраняя проблему отражения в корне, а не просто ограничивая её. Синусоидальный фильтр поэтому не имеет фиксированной максимальной длины кабеля, но значительно дороже dv/dt-фильтра — на практике применяется в основном при очень длинных кабельных трассах (например, сотни метров, как у удалённо расположенного насосного двигателя).

Практическая значимость

При проектировании цепи двигателя с частотным преобразователем с длиной кабеля, приближающейся к пределу производителя или превышающей его, следует сначала установить, является ли двигатель исполнением Part 30 или Part 31 (или его европейским эквивалентом), а затем — достаточно ли dv/dt-фильтра или нужен синусоидальный фильтр — независимо от того, построен ли сам кабель уже симметрично против токов подшипников (см. руководство о симметричной конструкции кабеля двигателя). Обе меры могут потребоваться одновременно, поскольку они решают две разные проблемы.

Частые ошибки

1. Путаница между отражением напряжения из-за длины кабеля и токами подшипников common-mode — это два отдельных физических явления, каждое со своим решением (фильтр против симметричной конструкции кабеля и заземления экрана).
2. Подключение обычного двигателя Part 30 по длинному кабелю без рассмотрения фильтра, полагая, что двигатель "и так достаточно устойчив" к частотному преобразователю.
3. Применение dv/dt-фильтра при длине кабеля, значительно превышающей предел производителя — при очень длинных трассах нужен синусоидальный фильтр, одного dv/dt-фильтра недостаточно.
4. Предположение о фиксированном универсальном пределе длины кабеля (например, "всегда 50 метров") вместо обращения к конкретной таблице производителя преобразователя, которая зависит от напряжения, частоты переключения и типа кабеля.

Связанные материалы

• Кабель двигателя для частотных преобразователей — симметричная конструкция против токов подшипников
• Остаточное напряжение шины постоянного тока — время разряда конденсаторов в частотных преобразователях
• Заземление и ЭМС в частотных преобразователях
• Заземление экрана кабеля — с одной или с двух сторон