Wieloszczelinowe rdzenie w dławikach filtrów sinusoidalnych

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 silnikach. Napięcia i prądy łożyskowe, prądy doziemne i ekranowe, przepięcia na zaciskach silnika, wzrost strat i hałasu są zjawiskami, które wpływają na obniżenie trwałości oraz efektywności pracy silnika [1, 2, 3]. Impedancja kablowej linii zasilającej maleje wraz ze wzrostem częstotliwości impulsów napięcia zasilającego i długości kabla. Potęguje to przepływ prądów przez pojemności układu izolacyjnego kabla i silnika, co prowadzi do przeciążenia przekształtnika [4]. W celu ograniczenia niebezpiecznego oddziaływania odkształconego napięcia na silnik i linię kablową stosuje się na wyjściu przekształtnika dławiki silnikowe, dławiki du/dt (L) lub filtry sinusoidalne (LC). Dławiki wyjściowe ograniczają wartości prądów pojemnościowych płynących przez pojemności kabla oraz łagodzą stromość narastania impulsów napięcia du/dt, co zabezpiecza układ izolacyjny silnika i kabla. Filtry sinusoidalne oprócz skutecznego ograniczenia stromości du/dt eliminują również napięcia refleksyjne na silniku [5]. W elementach indukcyjnych lub filtrach pracujących na wyjściu przemiennika powstają podobnie jak w silniku straty dodatkowe. Straty te są trudne do wyliczenia na etapie projektowania. Powodem trudności jest występowanie strumienia rozproszenia wokół szczelin powietrznych występujących w rdzeniu [6, 7, 8].

Prostym rozwiązaniem technologicznym ograniczającym straty w rdzeniu jest zastosowanie materiału magnetycznego o wąskiej pętli histerezy oraz pakietowanie rdzenia z izolowanych blach o możliwie małej grubości w kierunku przebiegu strumienia. Zabiegi te dają oczekiwane efekty w przypadku transformatorów gdzie zachowana jest ciągłość rdzenia. W rdzeniach dużych dławików, gdzie mamy do czynienia z nieciągłością rdzenia w miejscach poprzecznych szczelin powietrznych, pakietowanie i niskostratny materiał magnetyczny nie rozwiązują problemu nadmiernych strat dodatkowych. W obszarach przyszczelinowych następuje zmiana kierunku przebiegu strumienia oraz wydostawanie się strumienia rozproszenia w przestrzeń poza rdzeniem. Powoduje to powstawanie dodatkowych strat o podłożu wiroprądowym w rdzeniu, uzwojeniu i elementach konstrukcyjnych znajdujących się w zasięgu strumienia rozproszenia.
W dławikach filtrów stanowiących część układu rezonansowego ważnym parametrem użytkowym jest wydłużona liniowość charakterystyki magnetycznej dławika. Uzyskanie wymaganej liniowości charakterystyki wymusza zastosowanie szerokich szczelin powietrznych w rdzeniu. W efekcie zwiększa się strumień rozproszenia wokół szczelin i zasięg jego oddziaływania [9].

Technologia produkcji wieloszczelinowych rdzeni, dzięki precyzyjnemu klejeniu poszczególnych segmentów rdzenia, umożliwia wprowadzenie na wysokości kolumny dużej liczby (kilkunastu – kilkudziesięciu) bardzo wąskich szczelin powietrznych [10]. Ograniczeniu w ten sposób ulega strumień rozproszenia wokół szczelin, a tym samym straty dodatkowe w obszarach przyszczelinowych rdzenia, uzwojeniu i elementach konstrukcyjnych dławika. Konstrukcja wieloszczelinowego rdzenia klejonego pozwala uniknąć otworowania rdzenia w obszarze uzwojonej kolumny, co nie zaburza dodatkowo drogi przebiegu strumienia w rdzeniu.

Badany filtr sinusoidalny

Testowano filtr sinusoidalny typu FluxSIN przeznaczony do pracy na wyjściu falownika o mocy znamionowej 45kW i poziomie napięcia 400V, 50Hz. Badany filtr jest układem rezonansowym o strukturze LC. Dławik filtru zbudowany jest na rdzeniu wieloszczelinowym wykonanym z klasycznej blachy transformatorowej typu ET150 o grubości 0,3 mm.

Konstrukcja rdzenia w trakcie badań podlegała modyfikacji – zmieniano ilość i szerokość szczelin powietrznych w rdzeniu. Uzwojenia dławika wykonano w postaci cewki warstwowej z czołowym kanałem chłodzącym, przewodami profilowymi o łącznym przekroju 37,5 mm. Klasa temperaturowa zastosowanych materiałów izolacyjnych i konstrukcyjnych pozwala na pracę filtru w temperaturze maksymalnej 1550C. W uzwojeniu umieszczony jest bimetaliczny łącznik temperaturowy (AO3- NC155) sygnalizujący przekroczenie maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy urządzenia.

Układ izolacyjny filtru zaprojektowany jest do pracy przy zasilaniu napięciem odkształconym z modulacją PWM o dużej szybkości narastania impulsów du/dt. Przeprowadzono próbę napięciową filtru napięciem doprowadzonym 3,5 kV testując izolację główną oraz próbę napięciem indukowanym badając izolację zwojową.

Symulacje obliczeniowe

Filtr sinusoidalny typu FluxSIN-45/85 zaprojektowany został przy użyciu programu do projektowania elementów indukcyjnych w oparciu o normę PN EN60076-6 oraz przyjęte w praktyce projektowej założenia i algorytmy obliczeniowe [11, 12, 13, 14]. Wykonano szereg symulacji obliczeniowych dla konstrukcji rdzenia z różną ilością szczelin przypadających na kolumnę. W symulacjach wykorzystano model strat i model temperaturowy zastosowany w programie RALE. Założeniem wspólnym były w każdym przypadku takie same warunki zasilania. Otrzymane wyniki przedstawiono w Tabeli 2.

Układ pomiarowy

Układ pomiarowy składał się z trójfazowego falownika wektorowego typu MFC-710 o mocy znamionowej 11 kW zasilającego filtr sinusoidalny pracujący w stanie jałowym. Filtr zbudowany był w oparciu o trójfazowy dławik oraz trzy jednofazowe kondensatory połączone w trójkąt przyłączone do końców uzwojeń dławika. Pomiary mocy wykonano przy użyciu analizatora jakości energii typu PQ-BOX 100. Przyrząd dokonuje pomiaru napięć i prądów w obwodzie trójfazowym w klasie dokładności „A” zdefiniowaną w normie PN-EN 61000-4- 30. Do wyznaczenia poziomu dźwięku użyto sonometru UT-352 o klasie dokładności 1,5. Pomiary ciśnienia akustycznego wykonano zgodnie z metodologią zdefiniowaną w normie PN-EN 60076-10. Temperaturę mierzono przy zastosowaniu dwukanałowego cyfrowego miernika temperatury typu UT-325. Sondy do pomiaru temperatury to termopary typu K. Dokładność pomiaru temperatury mieści się w granicach ±(0,2%+0,6).