Мережевий дросель (AC line reactor) для частотного перетворювача — чому це часто не опціональна розкіш

Гід з гармонік і THD розглядає забруднення мережі, спричинене нелінійними навантаженнями, зокрема частотними перетворювачами. Ця стаття розглядає конкретний компонент, що обмежує це забруднення у джерела: мережевий дросель, розміщений між мережею та вхідним випрямлячем частотного перетворювача.

Проблема: випрямляч не споживає синусоїдальний струм

Вхідний каскад частотного перетворювача зазвичай являє собою діодний випрямляч, що перетворює мережеву напругу в постійну напругу на шині постійного струму (DC bus), після чого великий електролітичний конденсатор стабілізує цю напругу. Без будь-якого опору між мережею та цим випрямлячем конденсатор заряджається лише навколо піків синусоїди мережевої напруги, короткими високими імпульсами струму — сильно несинусоїдальна, багата на гармоніки форма струму, яку перетворювач споживає з мережі (див. також гід з вимірювання K-фактора та гармонік).

Що робить мережевий дросель

Мережевий дросель — це проста котушка, включена послідовно з підключенням перетворювача до мережі (опір зазвичай становить кілька відсотків, найчастіше виражається як %імпеданс відносно номінального струму). Цей імпеданс:

• значно знижує гармонічне забруднення (THDi), яке перетворювач віддає назад у мережу, згладжуючи імпульси струму та розподіляючи їх на ширшу частину періоду синусоїди;
• обмежує пусковий струм (inrush) у конденсатор шини постійного струму при увімкненні перетворювача — без мережевого дроселя цей пусковий струм може в кілька разів перевищувати номінальний струм, створюючи додаткове навантаження на кабелі, запобіжники та самі діоди випрямляча;
• демпфує перехідні процеси напруги з боку мережі (наприклад, від комутаційних операцій в іншій частині установки) до того, як вони досягнуть чутливої вхідної електроніки перетворювача, тим самим опосередковано захищаючи також від передчасного виходу з ладу діодів випрямляча та самого конденсатора шини постійного струму.

Увага: мережевий дросель — це не те саме, що моторний дросель або синусоїдальний фільтр на вихідній стороні перетворювача (див. гід з довжини моторного кабелю, відбиття та синусоїдального фільтра): вони усувають наслідки швидко перемикальної вихідної напруги на кабель двигуна та обмотку двигуна — цілком іншу фізичну проблему, ніж гармонічне забруднення мережі та пусковий струм, які усуває мережевий дросель.

Де це стає актуальним

• Кілька частотних перетворювачів на одній групі або трансформаторі: сумарне гармонічне забруднення кількох перетворювачів без мережевих дроселів може перевищити допустимі межі THDi в точці підключення, на що може відреагувати оператор мережі. IEC 61800-3 встановлює вимоги до електромагнітного випромінювання частотних перетворювачів, і мережевий дросель є поширеним заходом для відповідності цим вимогам.
• Відносно жорстка мережа (низький імпеданс мережі): чим жорсткіша мережа (тобто чим нижчий її власний імпеданс), тим вищий піковий струм, який споживає недросельований випрямляч без зовнішнього імпедансу — мережевий дросель навмисно додає імпеданс, якого сама мережа не забезпечує.
• Середовище з частими комутаційними перехідними процесами (наприклад, поруч із великими конденсаторними батареями або вимикачами, що регулярно перемикаються), де мережевий дросель також захищає сам перетворювач.

Практична значущість

При специфікації нової установки з частотним перетворювачем, або при повторюваних, незрозумілих відмовах діодів випрямляча чи конденсатора шини постійного струму наявного перетворювача, доцільно перевірити, чи встановлено мережевий дросель, і, якщо ні, звернутися до специфікації виробника щодо рекомендованого %імпедансу для даної жорсткості мережі та потужності перетворювача. Багато виробників перетворювачів роблять мережевий дросель обов'язковою гарантійною умовою для певних потужностей і конфігурацій мережі.

Типові помилки

1. Розглядати мережевий дросель як опціональний аксесуар, а не як функціональний компонент, що обмежує як забруднення мережі, так і навантаження від пускового струму — при кількох перетворювачах на одному живленні його відсутність може призвести до накопичувальних проблем з THDi.
2. Плутати мережевий дросель із моторним дроселем або синусоїдальним фільтром — вони знаходяться на різних сторонах перетворювача і вирішують різні проблеми.
3. Вибирати занадто низький %імпеданс для особливо жорсткої мережі, через що передбачуване демпфування гармонік і пускового струму виявляється недостатнім.
4. Приписувати повторювані відмови діодів або конденсатора на вхідній стороні перетворювача виробничому браку, не розглядаючи відсутність мережевого дроселя як можливу першопричину.

Пов'язане

• Гармоніки та THD
• Довжина моторного кабелю частотного перетворювача, відбиття та синусоїдальний фільтр
• Вимірювання гармонік за допомогою мережевого аналізатора — K-фактор
• Залишкова напруга шини постійного струму — час розряду конденсатора для частотних перетворювачів