Дроссели систем привода, работающие на выходе инвертора, подвержены воздействию гармонических напряжений и токов. Такие условия работы способствуют появлению значительных дополнительных потерь. Использование наилучших магнитных материалов и новых технологических и конструкторских решений в дросселях определяет их технические параметры и долговечность. Компания TRAFECO Sp. J. является производителем дросселей с низкими потерями, специально предназначенных для работы в системах привода.

Воздействие преобразователей частоты

Управляемые системы привода питаются от инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией выходных импульсов PWM (Pulse Width Modulation). Такие системы могут работать при очень высоких частотах переключения и при большой крутизне импульсов напряжения du/dt. Это является причиной возникновения ряда негативных явлений в двигателях. Перенапряжение на клеммах двигателя, дополнительные потери и создание высокого уровня шума являются вероятными причинами, которые сокращают долговечность двигателя и ограничивают его эффективность [1, 2].

Ограничение воздействия искаженного напряжения на двигатель и кабельную линию достигается путем применения на выходе преобразователя моторных дросселей типа 3RTM или дросселей du/dt типа 3RTU. Моторные дроссели и du/dt частично компенсируют емкость кабеля и сглаживают крутизну нарастания импульсов напряжения du/dt, что защищает систему изоляции двигателя и кабеля. В индуктивных элементах, работающих на выходе преобразователя, также, как и в двигателе, возникают дополнительные потери. Величина дополнительных потерь, возникающих в сердечнике и обмотке дросселя, зависит от его конструкции и применяемых технологических решений. Наличие широких зазоров в сердечнике дросселя приводит к рассеиванию магнитного потока, что является непосредственной причиной возникновения дополнительных потерь в сердечнике [4,5].

CoreECOTM многощелевая технология конструкции сердечника
Классический сердечник дросселя изготавливается из пакетов трансформаторных пластин из анизотропной стали. Конструкция сердечника предполагает наличие нескольких широких воздушных зазоров между блоками магнитного материала в каждой колонне. Конструктивные элементы сердечника, такие как уголки или штифты, изготовлены из ферромагнитного металла. Благодаря типу материалов, используемых в конструкции дросселя, в ферромагнитных элементах возникают гистерезисные потери, а во всех проводящих элементах дросселя возникают потери на вихревые токи. Интенсивность основных потерь, возникающих в сердечнике дросселя, зависит от амплитуд и частот гармонических токов, возникающих в цепи, и величины максимальной индукции в сердечнике. Потери на вихревые токи также сильно зависят от толщины магнитных пластин и направления магнитного потока в сердечнике. Величина гистерезисных потерь зависит от степени потерь в используемом магнитном материале.

Непрерывный магнитный сердечник — магнитопровод концентрирует магнитный поток, создаваемый дроссельными обмотками, и стабилизирует направление его протекания. Магнитный сердечник обычно выполняется в виде пакета или сворачивается из максимально тонких пластин в направлении потока. Это позволяет добиться низких потерь, если направление потока в сердечнике известно и предсказуемо. В сердечниках дросселей имеются разрывы в виде поперечных воздушных зазоров в стержнях. Широкие воздушные зазоры в сердечнике вызывают изменение направления потока в областях возле зазоров и индуцируют внешнее рассеивание потока. Изменение направления потока вызывает увеличение фундаментальных гистерезисных потерь из-за анизотропии материала сердечника и сильное увеличение потерь на вихревые токи в сердечнике. Диапазон воздействия рассеивания магнитного потока зависит от величины индукции в сердечнике и ширины воздушных зазоров. Рассеивание потока вызывает дополнительные потери на вихревой ток в обмотке и дополнительные потери на вихревой ток и гистерезисные потери в ферромагнитных металлических конструктивных элементах дросселя.

Уменьшение гистерезисных потерь в сердечнике достигается за счет использования трансформаторных кремниевых пластин с уменьшенными потерями или аморфных и нанокристаллических магнитных материалов с очень узкой петлей гистерезиса. В конструкции многощелевого сердечника (рис.2) уменьшение диапазона рассеивания потока вокруг воздушных зазоров достигается путем ограничения ширины каждого отдельного зазора в сердечнике. Широкий воздушный зазор заменяется несколькими или более узкими зазорами, которые уменьшают деформацию пути потока в сердечнике и снижают рассеивание потока в пространстве вокруг сердечника.
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 зависит от частоты, магнитной проницаемости и проводимости проводника.

В магнитном сердечнике с периодическим изменением направления магнитного потока возникают магнитные и магнитострикционные силы . 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. CorECOTM — это технология сборки и пакетирования многощелевых сердечников дросселей с малыми потерями, которая позволяет резко уменьшить потери в сердечнике при одновременном снижении напряженности акустического поля вокруг дросселя [5].

В таблице 1 приведены технические параметры моторного дросселя мощностью 30 кВт, изготовленного по классической технологии пакетирования сердечника и по технологии с малыми потерями CorECOTM. Обмотка дросселя также была спроектирована способом, который ограничивает дополнительные потери из-за наличия гармоник тока. Благодаря комплексным технологическим действиям по снижению потерь, снижение общих потерь дросселя достигает 30%.
Компания TRAFECO Sp. J. производит высококачественные моторные дроссели и нестандартные индуктивные элементы, разработанные по индивидуальным спецификациям, предназначенные для работы в особых, сложных условиях эксплуатации.

M. Лукевский — Энергетическое оборудование 3/2019