Сетевой дроссель (AC line reactor) для частотного преобразователя — почему это часто не опциональная роскошь

Гид по гармоникам и THD рассматривает загрязнение сети, вызываемое нелинейными нагрузками, в том числе частотными преобразователями. Эта статья рассматривает конкретный компонент, ограничивающий это загрязнение у источника: сетевой дроссель, размещаемый между сетью и входным выпрямителем частотного преобразователя.

Проблема: выпрямитель не потребляет синусоидальный ток

Входной каскад частотного преобразователя обычно представляет собой диодный выпрямитель, преобразующий сетевое напряжение в постоянное напряжение на шине постоянного тока (DC bus), после чего крупный электролитический конденсатор стабилизирует это напряжение. Без какого- либо сопротивления между сетью и этим выпрямителем конденсатор заряжается только около пиков синусоиды сетевого напряжения, короткими высокими импульсами тока — сильно несинусоидальная, богатая гармониками форма тока, которую преобразователь потребляет из сети (см. также гид по измерению K-фактора и гармоник).

Что делает сетевой дроссель

Сетевой дроссель — это простая катушка, включённая последовательно с подключением преобразователя к сети (сопротивление обычно составляет несколько процентов, чаще всего выражается как %импеданс относительно номинального тока). Этот импеданс:

• значительно снижает гармоническое загрязнение (THDi), которое преобразователь отдаёт обратно в сеть, сглаживая импульсы тока и распределяя их на более широкую часть периода синусоиды;
• ограничивает пусковой ток (inrush) в конденсатор шины постоянного тока при включении преобразователя — без сетевого дросселя этот пусковой ток может в несколько раз превышать номинальный ток, создавая дополнительную нагрузку на кабели, предохранители и сами диоды выпрямителя;
• демпфирует переходные процессы напряжения со стороны сети (например, от коммутационных операций в другой части установки) до того, как они достигнут чувствительной входной электроники преобразователя, тем самым косвенно защищая также от преждевременного выхода из строя диодов выпрямителя и самого конденсатора шины постоянного тока.

Внимание: сетевой дроссель — это не то же самое, что моторный дроссель или синусоидальный фильтр на выходной стороне преобразователя (см. гид по длине моторного кабеля, отражению и синусоидальному фильтру): они устраняют последствия быстро переключающегося выходного напряжения на кабель двигателя и обмотку двигателя — совершенно иную физическую проблему, чем гармоническое загрязнение сети и пусковой ток, которые устраняет сетевой дроссель.

Когда это становится актуальным

• Несколько частотных преобразователей на одной группе или трансформаторе: суммарное гармоническое загрязнение нескольких преобразователей без сетевых дросселей может превысить допустимые пределы THDi в точке подключения, на что может отреагировать сетевой оператор. IEC 61800-3 устанавливает требования к электромагнитному излучению частотных преобразователей, и сетевой дроссель является распространённой мерой для соответствия этим требованиям.
• Относительно жёсткая сеть (низкий импеданс сети): чем жёстче сеть (то есть чем ниже её собственный импеданс), тем выше пиковый ток, который потребляет недросселированный выпрямитель без внешнего импеданса — сетевой дроссель намеренно добавляет импеданс, который сама сеть не обеспечивает.
• Среда с частыми коммутационными переходными процессами (например, рядом с крупными конденсаторными батареями или выключателями, регулярно переключающимися), где сетевой дроссель также защищает сам преобразователь.

Практическая значимость

При спецификации новой установки с частотным преобразователем, или при повторяющихся, необъяснимых отказах диодов выпрямителя или конденсатора шины постоянного тока существующего преобразователя, целесообразно проверить, установлен ли сетевой дроссель, и, если нет, обратиться к спецификации производителя относительно рекомендуемого %импеданса для данной жёсткости сети и мощности преобразователя. Многие производители преобразователей делают сетевой дроссель обязательным гарантийным условием для определённых мощностей и конфигураций сети.

Типичные ошибки

1. Рассматривать сетевой дроссель как опциональный аксессуар, а не как функциональный компонент, ограничивающий как загрязнение сети, так и нагрузку от пускового тока — при нескольких преобразователях на одном питании его отсутствие может привести к накопительным проблемам с THDi.
2. Путать сетевой дроссель с моторным дросселем или синусоидальным фильтром — они находятся на разных сторонах преобразователя и решают разные проблемы.
3. Выбирать слишком низкий %импеданс для особенно жёсткой сети, из- за чего предполагаемое демпфирование гармоник и пускового тока оказывается недостаточным.
4. Приписывать повторяющиеся отказы диодов или конденсатора на входной стороне преобразователя производственному браку, не рассматривая отсутствие сетевого дросселя как возможную первопричину.

Похожие материалы

• Гармоники и THD
• Длина моторного кабеля частотного преобразователя, отражение и синусоидальный фильтр
• Измерение гармоник с помощью сетевого анализатора — K-фактор
• Остаточное напряжение шины постоянного тока — время разряда конденсатора для частотных преобразователей