Prostownik pracujący w obwodzie wejściowym falownika pobiera z sieci prąd silnie odkształcony. Wywołuje to zwiększone straty w transformatorach energetycznych oraz w niektórych przypadkach wtórnie powoduje odkształcenie sinusoidy napięcia zasilającego. Częściowe ograniczenie odkształcenia prądu uzyskuje się między innymi poprzez zastosowanie dławików sieciowych.
W artykule przedstawiono parametry użytkowe dławików wejściowych stosowanych w falownikowych układach napędowych. Omówiono zagadnienia związane z zadaniami i konstrukcją dławików rdzeniowych.
Zadania elementów indukcyjnych w układzie napędowym
Zasilanie układów napędowych za pomocą przekształtników z modulacją impulsów wyjściowych PWM (Pulse Width Modulation) przy dużych częstotliwościach kluczowania oraz dużych stromościach impulsów napięcia du/dt jest przyczyną występowania szeregu zjawisk pasożytniczych w kablach zasilających i silnikach. Niekorzytne oddziaływania występują również po stronie sieci zasilającej. Większość falowników zbudowana jest w topologii z sześciopulsowym prostownikiem na wejściu. Taka konstrukcja jest przyczyną silnego odkształcenia prądu pobieranego z sieci przez falownik. Prąd pobierany przez sześciopulsowy prostownik jest sumą prądów harmonicznych z których harmoniczna piąta jest dominująca. Amplitudy wszystkich harmonicznych prądu pobieranych przez prostownik zależą od impedancji sieci w miejscu połączenia prostownika z siecią. Harmoniczne prądu działają niekorzystnie na energetyczne transformatory sieciowe powiększając ich straty oraz wtórnie wywołując odkształcenie sinusoidy napięcia zasilającego [1].
Częściowe ograniczenie oddziaływania przekształtnika na sieć zasilającą można uzyskać stosując szeregowy dławik sieciowy w torze zasilania przemiennika. Dławiki sieciowe powiększają impedancję sieci zasilającej wpływając na ograniczenie amplitudy prądów harmonicznych pobieranych z sieci przez prostowniki. Przy zastosowaniu dławika możemy ograniczyć wartość współczynnika zawartości harmonicznych prądu THDi do wartości około 35%. Dalsze ograniczanie zawartości harmonicznych w prądzie pobieranym z sieci jest możliwe przy zastosowaniu filtrów wyższych harmonicznych na przykład typu ThdECOTM [2].
W układach tyrystorowych dławiki komutacyjne o dużej indukcyjności 5 – 8%. ograniczają skutki występowanie zapadów komutacyjnych oraz zmineijszają występujące wtórnie przepięcia komutacyjne. Dławik o dużej indukcujności jest magazynem energii w polu magnetycznym. Oddaje zmagazynowaną energię w czasie komutacji nie dopuszczając lub ograniczając głębokość zapadu napięcia. W odróżnieniu od dławików komutacyjnych, dławiki sieciowe mają przeważ nie mniejszą indukcyjność na której występuje około 2 – 4% spadek napięcia podczas przepływu prądu znamionowego.
Rys. 2 Trójfazowy dławik sieciowy typu 3RTN-2%
Konstrukcja i parametry dławików wejściowych
Straty dławików zależą silnie od zawartości harmonicznych w prądzie dławika . W trakcie obliczeń niezwykle ważne jest właściwe określenie widma harmonicznych prądu w obwodzie dławika oraz amplitud tych harmonicznych zgodnie z rzeczywistymi warunkami pracy. Tylko wówczas, gdy do projektu przyjęty zostanie rzeczywisty kształt napięcia i prądu, dławik będzie pracował poprawnie, osiągnie założone temperatury a wyliczone straty znajdą potwierdzenie podczas eksploatacji.
W uzwojeniu dławika, w którym płyną prądy harmoniczne o stosunkowo wysokich częstotliwościach występuje efekt naskórkowości (ang. Skin effect) oraz efekt zbliżenia (ang. Proximity effect). Zjawiska te mają istotny wpływ na wartość strat w uzwojeniach dławików, a ich zrozumienie pozwala prawidłowo zaplanować ułożenie przewodów. Efekt naskórkowości wywołuje przepływ prądu jedynie w warstwie powierzchniowej przewodów, a grubość warstwy przewodzącej maleje ze wzrostem częstotliwości. Ograniczenie zjawiska naskórkowości realizuje się stosując uzwojenia nawijane wiązką równoległych, izolowanych przewodów. Przekrój pojedynczego przewodu w wiązce definiowany jest w zależności od głębokości wnikania prądu na powierzchni przewodu. Głębokość wnikania prądu (1) zależy od częstotliwości (f), przenikalności magnetycznej (μ, μO,μr) oraz konduktywności (σ) przewodnika [3].
Na straty w rdzeniu magnetycznym dławika składają się podstawowe starty histerezowe i wiroprądowe oraz dodatkowe straty związane ze strumieniem rozproszenia, występujące zwłaszcza w miejscach nieciągłości rdzenia. Ograniczenie strat wiroprądowych poprzez pakietowanie rdzenia z cienkich, izolowanych blach w przypadku dławików nie wystarcza. W obszarach przyszczelinowych występuje zmiana kierunku przebiegu strumienia, który generuje dodatkowe straty wiroprądowe w materiale rdzenia, uzwojeniu oraz w przewodzących elementach konstrukcyjnych.
W rdzeniu magnetycznym przemagnesowywanym okresowo występują siły magnetyczne i magnetostrykcyjne. Wielkość sił magnetycznych i magnetostrykcyjnych zależy od maksymalnych, lokalnych wartości indukcji magnetycznej w rdzeniu. Działające siły wywołują zmienne naprężenia w blachach rdzenia, co skutkuje drganiami elementów konstrukcji i polem akustycznym wokół dławika.
Uzwojenie dławika zaprojektowane są w sposób ograniczający straty dodatkowe wynikające z obecności harmonicznch prądu (ang. Skin effect). Dzięki kompleksowym działaniom technologicznym ograniczającym straty, obniżenie strat łącznych dławika może sięgać 30-40%.
Firma TRAFECO Sp. J. produkuje oprócz, wysokiej jakości dławików sieciowych i komutacyjnych również nietypowe elementy indukcyjne zaprojektowane według indywidualnych specyfikacji, dedykowane do pracy w specjalnych lub trudnych warunkach eksploatacji.
Rys. 1 Trójfazowy dławik komutacyjny typu 3RTN -8%
