Выпрямитель, работающий во входной цепи инвертора, потребляет из сети сильно искаженный ток. Это приводит к увеличению потерь в силовых трансформаторах и в некоторых случаях вызывает вторичное искажение синусоиды питающего напряжения. Частичное ограничение искажений тока достигается, в частности, за счет использования сетевых дросселей.
В данной статье представлены характеристики входных дросселей, используемых в системах инверторных приводов. Рассматриваются вопросы, связанные с задачами и проектированием дросселей с сердечниками.
Задачи индуктивных элементов в системе привода
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 силовых кабелях и двигателях. Имеется также и неблагоприятное воздействие со стороны электросети. Большинство инверторов построены по топологии с шестипульсным выпрямителем на входе. Такая конструкция вызывает сильное искажение тока, потребляемого инвертором из сети. Ток, потребляемый шестипульсным выпрямителем, является суммой гармонических токов, среди которых преобладает пятая гармоника.
Амплитуды всех гармоник тока, потребляемого выпрямителем, зависят от импеданса сети в точке подключения выпрямителя к сети. Гармоники тока оказывают вредное воздействие на сетевые силовые трансформаторы, увеличивая их потери и вызывая вторичное искажение синусоиды питающего напряжения [1].
Частичное снижение влияния преобразователя на сеть может быть достигнуто путем использования последовательного сетевого дросселя в тракте питания преобразователя. Сетевые дроссели увеличивают сопротивление сети за счет уменьшения амплитуды гармонических токов, потребляемых из сети выпрямителями. Используя дроссель, мы можем уменьшить значение коэффициента нелинейных искажений тока THDi приблизительно до 35%. Дальнейшее снижение нелинейных искажений в токе, потребляемом из сети, возможно при использовании фильтров высших гармоник, например, типа ThdECOTM [2].
В тиристорных системах коммутационные дроссели с высокой индуктивностью 5 — 8% ограничивают последствия провалов коммутации и снижают вторичные коммутационные перенапряжения. Дроссель с высокой индуктивностью является накопителем энергии в магнитном поле. Он отдает накопленную энергию во время коммутации, не допуская и не ограничивая глубину провала напряжения. В отличие от коммутационных дросселей, сетевые дроссели имеют преимущественно меньшую индуктивность, на которой падение напряжения при номинальном токе составляет около 2 — 4%.
Конструкция и параметры входных дросселей
Потери в дросселе сильно зависят от нелинейных искажений в токе дросселя. При расчетах чрезвычайно важно правильно определить спектр гармоник тока в цепи дросселя и амплитуды этих гармоник в соответствии с реальными условиями эксплуатации. Только если при проектировании учитывается реальная форма напряжения и тока, дроссель будет работать правильно, достигать предполагаемых температур, а рассчитанные потери подтвердятся в процессе эксплуатации.
В обмотке дросселя, в котором протекают гармонические токи относительно высоких частот, возникает скин-эффект (англ. «Skin effect») и эффект близости (англ. «Proximity effect»). Эти эффекты оказывают существенное влияние на величину потерь в обмотках дросселей, и их понимание позволяет правильно спланировать укладку проводов. Скин-эффект индуцирует протекание тока только в поверхностном слое проводов, и толщина проводящего слоя уменьшается с увеличением частоты. Скин-эффект можно уменьшить с помощью использования обмоток, сформированных в жгут параллельных изолированных проводов. Поперечное сечение отдельного провода в жгуте определяется в зависимости от глубины проникновения тока на поверхности провода. Глубина проникновения тока (1) зависит от частоты (f), магнитной проницаемости (μ, μO,μr) и проводимости (σ) проводника [3].
Потери в магнитном сердечнике дросселя состоят из основных гистерезисных потерь и потерь на вихревые токи, а также дополнительных потерь, связанных с рассеянием потока, особенно возникающих в местах разрывов в сердечнике. Уменьшение потерь на вихревые токи путем пакетирования сердечника из тонких изолированных пластин в случае дросселей недостаточно. В областях в зоне зазоров происходит изменение направления потока, что создает дополнительные потери на вихревые токи в материале сердечника, обмотке и в элементах конструкции.
Магнитные и магнитострикционные силы возникают в магнитном сердечнике с периодическим изменением направления магнитного потока. Величина магнитных и магнитострикционных сил зависит от максимальных локальных значений магнитной индукции в сердечнике. Действующие силы вызывают переменные напряжения в пластинах сердечника, что приводит к вибрации элементов конструкции и возникновению акустического поля вокруг дросселя.
Обмотка дросселя спроектирована таким способом, который ограничивает дополнительные потери из-за наличия гармоник тока (англ. «Skin effect»). Благодаря комплексным технологическим действиям по снижению потерь, снижение общих потерь дросселя может достигать 30- 40%.
Компания TRAFECO Sp. J. производит кроме высококачественных сетевых и коммутационных дросселей также и нестандартные индуктивные элементы, разработанные по индивидуальным спецификациям, предназначенные для работы в особых либо сложных условиях эксплуатации.
