Инструкция по подавлению помех и наводок преобразоваелей частоты

Преобразователи частоты для асинхронных электродвигателей несмотря на свои положительные стороны имеют ряд недостатков — их применение связано с интенсивными электромагнитными помехами и наводками, которые создаются в устройствах, непосредственно связанных с ними по цепям питания или находящимися рядом и попадающими под излучение.

Думаю многие сталкивались с набеганием импульсов от энкодера двигателя на программируемом контроллере или счетчике импульсов или с ошибкой работы преобразователя частоты с обратной связью по энкодеру при длинных кабелях - все это проблемы, связанные с наводками и помехами. Да и другое оборудование начинает сбоить, например емкостные или индуктивные датчики приближения, реле с малыми токами втягивания катушек начинали ложно срабатывать. Все это проблемы электромагнитной совместимости оборудования.

Проблема электромагнитных помех (ЭМП) преобразователей частоты решается, если понять причину и способ их появления. Производители преобразователей частоты давно придумали ряд мер по созданию электромагнитной совместимости (ЭМС), которая в настроящее время стандартизована Международной электротехнической комиссией (МЭК).

ЭМС – это способность оборудования удовлетворительно функционировать в электромагнитной среде в отсутствие влияния излучаемых электромагнитных волн на работу другого оборудования.

Основным источником ЭМП инвертора, является ШИМ-модуляция IGBT-транзисторами выходного напряжения, создающие большие скачки перетока энергии в звене постоянного тока инвертора и как следствие во входных цепях, а также на выходе преобразователя частоты. ЭМП означают любую помеху нормальной работе оборудования, вызванную как избыточной энергией, передающейся по кабелю (наведенная помеха), так и влиянием электромагнитных волн (помеха от паразитного электромагнитного излучения). ЭМП можно классифицировать следующим образом:

Типы и пути распространения помех преобразователей частоты

Кондуктивный шум (распространяемый по проводам)

Распространяется по проводникам и влияет на работу периферийного оборудования, подключенного к общему источнику питания с преобразователем частоты. Схематически путь распространения показан на рисунке под цифрой (1). При заземлении через общую шину заземления кондуктивный шум передается по пути (2). Помехи также могут распространяться от двигателя и по экрану или сигнальному проводу датчика по пути (3).

Индуцированный шум (наведенный)

В случае прокладки контрольных цепей и иных проводников периферийного оборудования в непосредственной близости (в одном кабель-канале, трубе, галлерее, лотке, связке) с силовыми кабелями преобразователя частоты (как питающего так и моторного), в которых протекают токи шумов, в этих проводниках могут быть наведены помехи или "наводки". Путь их проникновения показан на рисунке как путь (4). Частоты наведенных помех лежат в диапазоне от 150 кГц до 30 МГц.

Излучаемый шум

Шум, возникающий в преобразователе частоты и излученный в виде электромагнитной волны в окружающую среду вдоль входных/выходных кабелей как от излучающей антенны также вносит помехи в работу периферийного оборудования, но правда на более высоких частотах (более 30 мГц). Это так называемый излучаемый шум, а пути его распространения показаны на рисунке (5). Кроме того, он может также распространяться через корпус двигателя и инвертора.

Отдельно хочется отметить эффект длинных линий, что усугубляет эффекты трансформации токов между проводами, эффекты конденсатора, обкладками которого могут стать провода.

Основные методы подавления шумов и наводок преобразователей частоты.

Меры по подавлению шумов и наводок в основном связаны с конкретным путем распространения помех и действия, связанные непосредственно с периферийным оборудованием, на которое влияют помехи частотных преобразователей.

Подавление помех связанных с конкретным путем распространения помех:

• Раздельная прокладка силовых кабелей (входных и выходных) и других цепей (например, сигналов управления, сигналов с датчиков и энкодера). Эта мера эффективна против излучения и наводок, увеличение расстояния между проводниками уменьшит эффект трансформации токов за счет индуктивностей и емкостного эффекта.
• Установка фильтра помех: моторный дроссель, синус-фильтр, LC-фильтр на входе, а также фильтрация цепей, в которые проникают наводки фильтрами с частотой среза выше пропускной способности цепей устройств. Эта мера эффективна для кондуктивных помех и излучения.
• Электрическое заземление преобразователя частоты и экранирование (установка металлических разделителей) между преобразователем частоты и периферийным оборудованием. Применение экранированных кабелей для силовых цепей или прокладка кабеля в металлической трубе. Эта мера эффективна для кондуктивных, наведенных помех и излучения.
• Применение экранированных кабелей или кабеля типа «витая пара» для сигналов управления. Эта мера эффективна для наведенных помех и излучения. Дополнительной мерой может быть применение ферритовых колец с сигнальными кабелями. Примечание: кабели типа МКЭШ, КУПЭВ итп показывают низкую эффективность по сравнению со специализированными кабелями с витыми парами с двойным экранированием (LAPP, Belden, Hulukabel), есть опыт применения подобных кабелей для связи с 5-и вольтовым энкодером с длиной кабеля более 60м, потому предлагаю обращаться к нам за консультацией по подбору подходящего кабеля.
• Осуществление правильного заземления, заземление должно быть произведено по кратчайшему пути а не через преобразователь частоты, независимого заземления инвертора и другого оборудования. Эта мера эффективна для наведенных помех.
• Снижение несущей частоты ШИМ-модуляции преобразователя частоты. Эта мера эффективна для кондуктивных, наведенных помех и излучения и является самой дешевой из мер борьбы.

Примеры мер связанных с периферийным оборудованием:

• Питание от источников, не связанных с преобразователем частоты, питание от другого фидера трансформатора, применение разделительного изолирующего трансформатора. Эта мера эффективна для кондуктивных помех.
• Повышение рабочего напряжения для оборудования - нагрузка токами сигнальных линий, подтягивание большими сопротивлениями свободных линий к полюсам источника питания. Выбор оборудования с большими токами срабатывания, если речь идет о контроллерах, счетчиках, реле.
• Разнесение оборудования на максимальное расстояние от инвертора, применение металлического корпуса для экранов. Эта мера эффективна для наведенных помех и излучения.

Устройства подавления шумов

Для подавления помех преобразователей частоты основными методами является фильтрация, для этого существует ряд готовых устройств - фильтров, которые можно классифицировать на 3 типа: емкостные фильтры, подключаемые параллельно силовым цепям, индуктивные, включаемые последовательно, и фильтры высокого подавления (LC-фильтры) для снижения радиопомех. В зависимости от желаемого результата, применяйте соответствующий фильтр.

Емкостный фильтр

Этот фильтр состоит из конденсаторов и уменьшает высокочастотные токи из сети, будучи подключенным между входными клеммами и клеммой заземления инвертора. Более удаленное подключение ухудшает эффект, поэтому соединительные проводники должны быть минимальной длины. Данный фильтр эффективен в диапазоне до нескольких мегагерц, т.е. в диапазоне АМ радиочастот.

Индуктивный фильтр

Это может быть нуль-фазный реактор, который представляет собой четыре витка силового кабеля (все три фазы в одном направлении) вокруг ферритового сердечника. Нуль-фазный импеданс при этом возрастает и высокочастотные токи уменьшаются. Хотя этот фильтр пригоден как для входной, так и для выходной сторон инвертора, он не может быть использован на выходе инвертора в случае с экранированным кабелем или при проводке кабеля в металлической трубе. В частности, такой фильтр пригоден для подавления помех, излучаемых кабелем и снижения токов утечки. Эффективен в диапазоне от АМ радиочастот до 10 МГц.
Установите фильтр как можно ближе к инвертору. При сечении кабеля 22 мм2 и более пропустите кабель через как минимум четыре ферритовых сердечника.

Еще один вариант - установка моторного дросселя, эффект еще более высокий, минус-это габариты устройства и цена.

LC-фильтр (высокого подавления)

Состоит из индуктивных (L) и емкостных (С) элементов. Подключите этот фильтр на входе инвертора. Имеет превосходные характеристики ослабления шумов инвертора в диапазоне от АМ радиочастот до 10МГц и менее. Разнесите входные и выходные цепи фильтра. Самым типичным представителем таких фильтров является синус-фильтр.

Эффективность мер по подавлению шумов (Пример оценки)

Встроенный в инвертор фильтр значительно снижает кондуктивные помехи, исходящие от преобразователя частоты. Если частотный преобразователь, содержащий фильтр, применяется совместно с внешним ЭМИ фильтром для соответствия ЭМС директивам, может быть достигнуто еще большее подавление помех до 40 дБмкВ в частотном диапазоне от 150 кГц до 1 МГц и около 30 дБмкВ в частотном диапазоне от 1 МГц до 10 МГц

Эффект снижения несущей частоты ШИМ показан на рисунке.

Эффект от экранирования моторного кабеля представлен ниже. Метод эффективен в случае излученных помех и малоэффективен в случае наводок.