Резюме: В статье рассматриваются отдельные вопросы, связанные с конструкцией сердечников дросселей, используемых в синусоидальных фильтрах систем привода. Представлено сравнение результатов испытаний и моделирования влияния многощелевой конструкции сердечника на потери в дросселе и акустическое поле вокруг фильтра. Испытания проводились для синусоидального фильтра типа FluxSIN. Параметры были смоделированы с помощью программного обеспечения для проектирования от компании RALE Engineering GmbH.

Питание систем привода с помощью преобразователей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) при высокой частотной манипуляции и большой крутизне импульсов напряжения du/dt вызывает ряд негативных явлений в двигателях. Напряжения и токи в подшипниках, токи в заземлении и экранах, перенапряжения на клеммах двигателя, повышенные потери и шум — явления, снижающие срок службы и эффективность работы двигателя [1, 2, 3]. Сопротивление кабельной линии электропередачи уменьшается по мере увеличения частоты импульсов напряжения питания и длины кабеля. Это усиливает протекание токов через емкости изоляции кабеля и двигателя, что приводит к перегрузке преобразователя [4]. Дроссели двигателя, дроссели du/dt (L) или синусоидальные фильтры (LC) используются на выходе преобразователя для ограничения опасного воздействия искаженного напряжения на двигатель и кабельную линию. Выходные дроссели ограничивают значения емкостных токов, протекающих через емкости кабеля и сглаживают крутизну нарастания импульсов напряжения du/dt, что защищает систему изоляции двигателя и кабеля. Помимо эффективного ограничения крутизны du/dt, синусоидальные фильтры также устраняют отраженные напряжения на двигателе [5]. В индуктивных элементах или фильтрах, работающих на выходе преобразователя, также, как и в двигателе, возникают дополнительные потери. Эти потери трудно рассчитать на этапе проектирования. Причиной этой трудности является наличие рассеивания потока вокруг воздушных зазоров, присутствующих в сердечнике [6, 7, 8].

Простым технологическим решением для снижения потерь в сердечнике является использование магнитного материала с узкой петлей гистерезиса и пакетирование сердечника из изолированных пластин как можно более малой толщины в направлении прохождения потока. Такие операции дают желаемые результаты для трансформаторов, в которых сохраняется непрерывность сердечника. В сердечниках больших дросселей, где мы имеем дело с разрывами сердечника в местах поперечных воздушных зазоров, пакетирование и магнитный материал с низкими потерями не решают проблему избыточных дополнительных потерь. В областях близких к зазорам происходит изменение направления потока, и выходящий поток рассеивается в пространстве за пределами сердечника. Это приводит к дополнительным потерям на вихревые токи в сердечнике, обмотке и элементах конструкции, находящихся в зоне действия рассеивания потока.

В дросселях фильтров, которые являются частью резонансной цепи, расширенная линейность магнитной характеристики дросселя является важным эксплуатационным параметром. Достижение требуемой линейности характеристики требует использования широких воздушных зазоров в сердечнике. В результате увеличивается рассеяние потока вокруг зазоров и область его воздействия [9].

Технология производства многощелевых сердечников, благодаря прецизионному склеиванию отдельных сегментов сердечника, позволяет вводить большое количество (от десяти и более до нескольких десятков) очень узких воздушных зазоров на высоте стержня [10]. Это уменьшает рассеивание потока вокруг зазоров и, следовательно, дополнительные потери в областях возле зазоров сердечника, обмотки и элементов конструкции дросселя. Конструкция многощелевого клееного сердечника позволяет избежать пробоя сердечника в области намотанного стержня, что не приводит к дальнейшему нарушению пути потока в сердечнике.

Исследуемый синусоидальный фильтр
Исследовался синусоидальный фильтра типа FluxSIN, предназначенный для работы на выходе инвертора с номинальной мощностью 45 кВт и уровнем напряжения 400 В, 50 Гц. Исследуемый фильтр представляет собой резонансную систему со структурой LC. Дроссель фильтра выполнен на многощелевом сердечнике из классической трансформаторной листовой пластины типа ET150 с толщиной 0,3 мм.

В ходе исследования конструкция сердечника была модифицирована путем изменения количества и ширины воздушных зазоров в сердечнике. Обмотки дросселя были выполнены в виде многослойной катушки с передним каналом охлаждения, профилированными проводниками общим сечением 37,5 мм. Температурный класс используемых изоляционных и конструкционных материалов позволяет фильтру работать при максимальной температуре 1550 Cо. Биметаллический температурный выключатель (AO3- NC155) размещен в обмотке для сигнализации о превышении максимально допустимой рабочей температуры устройства.

Система изоляции фильтра рассчитана на работу с искаженным напряжением питания с ШИМ-модуляцией с высокой скоростью нарастания импульсов du/dt. Для проверки основной изоляции было выполнено испытание фильтра поданным напряжением 3,5 кВ, а для проверки изоляции обмотки было проведено испытание индуцированным напряжением.

Вычислительное моделирование
Синусоидальный фильтр типа FluxSIN-45/85 был разработан с помощью программы для проектирования индуктивных элементов на основе стандарта PN EN60076-6, а также допущениях и алгоритмах расчета, принятых в практике проектирования [11, 12, 13, 14]. Был проведен ряд вычислительных моделирований для конструкции сердечника с различным количеством зазоров на стержня. При моделировании использовались модель потерь и температурная модель, применяемые в программном обеспечении RALE. Общим предположением было то, что условия электропитания в каждом случае были одинаковыми. Полученные значения приведены в таблице 2.

Измерительная система
Измерительная система состояла из трехфазного векторного инвертора типа MFC-710 с номинальной мощностью 11 кВт, питающего синусоидальный фильтр, работающий на холостом ходу. Фильтр был сконструирован на основе трехфазного дросселя и трех однофазных конденсаторов, подключенных по схеме треугольника, и подключенных к концам обмоток дросселя. Измерения мощности проводились с помощью анализатора качества электроэнергии типа PQ-BOX 100. Прибор измеряет напряжения и токи в трехфазной цепи с классом точности «A» в соответствии со стандартом PN-EN 61000-4-30. Для определения уровня звука использовался сонометр UT-352 с классом точности 1,5. Измерения звукового давления проводились в соответствии с методикой, определенной в стандарте PN-EN 60076-10. Температура измерялась с помощью двухканального цифрового измерителя температуры типа UT-325. Зонды для измерения температуры представляют собой термопары K-типа.

Точность измерения температуры находится в пределах ±(0,2%+0,6).

Скачать PDF

M. Лукевский, A. Лукевска, Л. Павлачик — PEMINE-KOMEL 2017, ME-ZP № 2/2017 (114)