Довжина кабелю двигуна при роботі з частотними перетворювачами — відбиття напруги та вибір між dv/dt- і синусоїдальним фільтром

Посібник про симетричну конструкцію кабелю двигуна для частотних перетворювачів розглядає, чому заземлювальний(і) провідник(и) кабелю двигуна частотного перетворювача повинні розташовуватися симетрично навколо фаз, щоб обмежити струми підшипників common-mode. Ця стаття розглядає інше фізичне явище, пов'язане з тим самим кабелем: відбиття напруги, яке виникає в міру подовження кабелю між перетворювачем і двигуном, і яке може проявлятися незалежно від симетричності конструкції кабелю.

Явище: кабель як лінія передачі

Частотний перетворювач перемикає свої вихідні транзистори (зазвичай IGBT) з дуже крутими фронтами перемикання — час наростання напруги порядку кількох сотень наносекунд до кількох мікросекунд. Коли кабель між перетворювачем і двигуном достатньо довгий відносно цього часу наростання, кабель поводиться електрично як лінія передачі: хвильовий опір кабелю відрізняється від опору обмотки двигуна, через що імпульс напруги частково відбивається на кінці біля двигуна. Це відбиття може складатися з вхідним імпульсом, у результаті чого пік напруги на клемах двигуна може досягати приблизно подвійного значення напруги шини постійного струму перетворювача — навантаження, на яке ізоляція обмотки звичайного двигуна не розрахована.

NEMA MG1 Part 30 проти Part 31

NEMA MG1 Part 30 (для двигунів загального призначення, не розрахованих спеціально на живлення від перетворювача) передбачає систему ізоляції, здатну витримувати повторювані піки напруги до 1000 В при часі наростання не менше 2 мікросекунд. NEMA MG1 Part 31 (двигуни "inverter-duty", спеціально розраховані на живлення від перетворювача, з міцнішою системою ізоляції) допускає значно більше навантаження: піки напруги до 1600 В, при часі наростання всього від 0,1 мікросекунди. Звичайний двигун Part 30, живлений по довгому кабелю від сучасного IGBT-перетворювача, може тому легко перевищити піки напруги, на які він був розрахований.

Увага: точна довжина кабелю, при перевищенні якої виникають проблеми з відбиттям, не є фіксованим числом — вона залежить від часу наростання використовуваного перетворювача, характеристик кабелю та номінальної напруги установки. При конкретному проєкті слід звертатися до таблиць довжини кабелю виробника перетворювача, а не застосовувати універсальне емпіричне правило.

Два типи фільтрів, дві сфери застосування

Для обмеження відбиття напруги при довжинах кабелю, що перевищують межу, вказану виробником перетворювача, існують дві основні категорії вихідних фільтрів:

• Dv/dt-фільтр (також званий вихідним реактором або дроселем навантаження у найпростішому варіанті): уповільнює час наростання фронту перемикання достатньо, щоб утримати пік напруги в допустимих межах при помірних довжинах кабелю. Це зазвичай найекономічніше рішення, поки довжина кабелю не перевищує значно вказану виробником межу.
• Синусоїдальний фільтр: перетворює прямокутний ШІМ-сигнал на виході перетворювача на майже чисту синусоїду, усуваючи проблему відбиття в корені, а не просто обмежуючи її. Синусоїдальний фільтр тому не має фіксованої максимальної довжини кабелю, але значно дорожчий за dv/dt-фільтр — на практиці застосовується в основному при дуже довгих кабельних трасах (наприклад, сотні метрів, як у віддалено розташованого насосного двигуна).

Практична значущість

При проєктуванні кола двигуна з частотним перетворювачем з довжиною кабелю, що наближається до межі виробника або перевищує її, слід спочатку встановити, чи є двигун виконанням Part 30 чи Part 31 (або його європейським еквівалентом), а потім — чи достатньо dv/dt-фільтра чи потрібен синусоїдальний фільтр — незалежно від того, чи побудований сам кабель уже симетрично проти струмів підшипників (див. посібник про симетричну конструкцію кабелю двигуна). Обидва заходи можуть знадобитися одночасно, оскільки вони вирішують дві різні проблеми.

Часті помилки

1. Плутанина між відбиттям напруги через довжину кабелю та струмами підшипників common-mode — це два окремих фізичних явища, кожне зі своїм рішенням (фільтр проти симетричної конструкції кабелю та заземлення екрана).
2. Підключення звичайного двигуна Part 30 по довгому кабелю без розгляду фільтра, вважаючи, що двигун "і так достатньо стійкий" до частотного перетворювача.
3. Застосування dv/dt-фільтра при довжині кабелю, що значно перевищує межу виробника — при дуже довгих трасах потрібен синусоїдальний фільтр, одного dv/dt-фільтра недостатньо.
4. Припущення про фіксовану універсальну межу довжини кабелю (наприклад, "завжди 50 метрів") замість звернення до конкретної таблиці виробника перетворювача, яка залежить від напруги, частоти перемикання та типу кабелю.

Пов'язане

• Кабель двигуна для частотних перетворювачів — симетрична конструкція проти струмів підшипників
• Залишкова напруга шини постійного струму — час розряду конденсаторів у частотних перетворювачах
• Заземлення та ЕМС у частотних перетворювачах
• Заземлення екрана кабелю — з одного чи з двох боків