Вопрос №1 Выходные фильтры инверторов и преобразователей частоты

В инверторах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) имеют место сложные процессы, не поддающиеся точному аналитическому описанию. Напряжения и токи ветвей схемы инвертора, кроме составляющих основной частоты, содержат пульсации сложной формы, усложняющие точный расчет. К примеру, на рис.1 показаны осциллограммы тока дросселя и напряжения конденсатора фильтра при ШИМ, подтверждающие это

За последнее время инверторы с ШИМ получили широкое практическое применение благодаря хорошим техническим, эксплуатационным и другим характеристикам. Накоплена достаточная база для их разработки и использования. Расчету процессов в таких инверторах посвящена обширная литература. Известны разнообразные методики и подходы к вычислениям, начиная от самых грубых и оценочных и кончая уточненными с интегральным учетом высших гармоник. На современном этапе разработки и исследования этих способов явно недостаточно нужны более точные подходы и методы. Расчету параметров LC-фильтра инвертора также посвящена обширная литература. Известны методики вычисления параметров как для немодуляционного случая так и для случая ШИМ. Учет пульсаций при ШИМ ведется по-разному. Так, в одном случае при расчете токов фильтра предлагается исходить из максимальной пульсации тока дросселя, а результирующие токи определяются прямым (максимальные значения) или геометрическим (эффективные значения) сложением основных и пульсационных составляющих. В другом уточненный учет пульсаций проведен путем компьютерных расчетов на модели фильтра, а для выбора параметров L и C предлагается исходить из заданного коэффициента несинусоидальности выходного напряжения и условия минимальности суммарной установленной мощности фильтра В других работах для уточненного расчета процессов в инверторе с ШИМ, в том числе и выходном фильтре, применен аппарат локального усреднения. Этот подход получил свое развитие, в части распространения на разные структуры и схемы инверторов и более детального и точного расчета величин. В данной работе приводится анализ процессов с использованием подхода локального усреднения и с дополнительным учетом некоторых реальных параметров элементов.

Основные способы повышения надежности и безопасности оборудования сводятся к следующим мерам:

• установка низкоиндуктивных реакторов и фильтров, не приводящих к снижению динамических показателей регулирования;
• установка реакторов со стороны двигателя (с повышенной индуктивностью), которые, однако, не всегда возможно использовать в регулируемых электроприводах;
• установка так. наз. синусоидальных фильтров с большими значениями L и C, оптимизированными под выходное напряжение преобразователя. Такое решение также не всегда применимо.

Примером традиционных синусоидальных фильтров являются фильтры FN520, FN5010 и FN5020. Эти фильтры представляют собой фильтры нижних частот, подавляющие высокочастотный спектр, обусловленный ШИМ. Остаточный уровень высокочастотных пульсаций определяется значениями L и С и находится на уровне 3-5% выходного напряжения преобразователя. Применение синусоидальных фильтров позволяет:

• снизить потери в стали, обусловленные перемагничиванием и вихревыми токами;
• снизить нагрузку преобразователя паразитными токами утечки;
• снизить акустический шум двигателя;
• снизить уровень паразитных наводок от экранированного кабеля между двигателем и преобразователем;
• повысить общую надежность и безопасность системы в целом.

В большинстве случаев такой фильтр является хорошим решением. Соответственно такие фильтры для преобразователей частоты начали выпускать многие производители. Однако синусоидальные фильтры не способны полностью исключить импульсные токи на землю. Как следствие могут возникать проблемы типа подшипниковых токов, необходимости использования экранированного кабеля и ограничения возможной длины кабеля.