ZASTOSOWANIE DA
AWIKÓW W ENERGOELEKTRONICE
ZAPRASZAMY NA NASZE STRONY INTERNETOWE:
ul. Dąbrowskiego 441, 60-451 Poznań, tel. [phone], faks (061) 848 82 76,
e-mail: [e-mail]
SPIS TREŚCI:
1. Wstęp...........................................................................................................3
2. Co to jest dławik sieciowy?........................................................................3
2.1 Konstrukcja...........................................................................................4
2.2 Parametry..............................................................................................4
2.3 Sposób działania dławika......................................................................5
3. Zastosowanie w napędach o regulowanej prędkości obrotowej (VSD)
3.1 Bezpieczeństwo.....................................................................................6
3.2 Przegląd możliwości zastosowania........................................................6
3.3 Wejście układu.......................................................................................7
3.3.1 Tłumienie harmonicznych..........................................................7
3.3.2 Komutacyjne zapady napięcia.................................................10
3.3.3 Problemy z prostownikiem i kondensatorem...........................12
3.3.4 Niepożądane załączenia.....................................................13
3.4 Obwód pośredni DC-Link.......................................................................14
3.5 Wyjście silnika........................................................................................14
3.5.1 Duże stromości napięcia..........................................................15
3.5.2 Hałas z silnika..........................................................................15
3.5.3 Zabezpieczenie przed zwarciem..............................................15
4. Inne zastosowania.......................................................................................16
4.1 Czy dławik może ograniczyć emisję RF?................................................16
4.2 Dławik sieciowy a transformator separujący............................................17
5. Podsumowanie  koszty i zyski..................................................................17
2
Dławiki sieciowe są potężną bronią w walce o dobrą jakość sieci zasilającej.
Elementy te są stosowanie w aplikacjach napędowych i innych do redukcji
harmonicznych oraz komutacyjnych zapadów napięcia i zwiększenia niezawodności
całego układu napędowego oraz ochrony zarówno urządzeń jaki sieci zasilającej
przed zjawiskiem zakłóceń niskiej częstotliwości. Dokument ten opisuje parametry
techniczne dławików, ich zastosowanie i płynące z tego korzyści dla integratora
systemu lub obsługi.
1 Wstęp
Dokument ten przedstawia pełną ofertę dławików firmy Schaffner i opisuje
zalety jakie można dzięki nim uzyskać. Jakość energii zasilającej jest tematem, który
odgrywa coraz większą rolę w energetyce, ponieważ dostawca energii ma prawny
nakaz dostarczenia klientowi energii o ściśle określonych parametrach takich jak
zawartość harmonicznych, amplituda napięcia, częstotliwość itd. By to osiągnąć
należy ograniczyć oddawanie do sieci zakłóceń generowanych przez różne rodzaje
urządzeń podłączonych do sieci, szczególnie tych, które pobierają odkształcony
prąd z sieci. Jedną z najprostszych lecz skutecznych metod ograniczenia zakłóceń
oddawanych do sieci i jednocześnie ochrony urządzeń przed zakłóceniami niskiej
częstotliwości są dławiki sieciowe.
Firma Schaffner jest doskonale znana z produkcji filtrów sieciowych EMI, które mogą
być również włączone na wejście urządzeń generujących zakłócenia RF (o
częstotliwościach radiowych). Dławiki sieciowe są uzupełnieniem oferty filtrów.
Schaffner może kompleksowo zabezpieczyć wejścia urządzeń oferując filtr RFI i
dławik sieciowy.
2 Co to jest dławik sieciowy?
Pojęcie dławik sieciowy (ang. line reactor) jest niesłusznie kojarzony z
dowolnym elementem indukcyjnym używanym w urządzeniu zasilanym z sieci. W
rzeczywistości element ten może być używany dla różnych celów, niekoniecznie
tylko na wejściu urządzeń lub całych systemów. W poniższych podpunktach opisane
zostaną różnorodne zastosowania. Dławiki opisane w tej broszurce są konstruowane
w następujący sposób:
2.1 Konstrukcja
Dławiki trójfazowe firmy Schaffner (RWK 212, RWK 213) są zbudowane z
warstwowego rdzenia z żelaza, bardzo podobnego do rdzenia transformatorów
sieciowych. Połączenia przewodów za pomocą złączek śrubowych, a dla dużych
mocy za pomocą miedzianej szyny. Dławiki są wykonane w postaci niezabudowanej
(bez obudowy) co jest najczęściej spotykanym i najbardziej ekonomicznym
3
 rozwiązaniem dla różnorodnych aplikacji. W celu ograniczenia słyszalnego buczenia
cewki dławika są pokryte specjalnym impregnatem.
Zdjęcie 1: Dławik RWK 212
firmy Schaffner
2.2 Parametry
Elementy są skatalogowane po prądzie znamionowym oraz indukcyjności.
Dwa najbardziej popularne parametry w zastosowaniach napędowych to 4% U i 2%
k
U . Parametr U jest często nazywany poprzez analogię z teorią transformatorów
k k
 napięciem zwarcia . Definiujemy to napięcie jako spadek napięcia na dławiku przy
znamionowym prądzie i częstotliwości wyrażony jako procent wartości znamionowej
napięcia. W Europie napięcie przewodowe układach trójfazowych wynosi 400VAC a
częstotliwość 50Hz. Jeśli obciążenie pobiera dokładnie taki prąd jak prąd
znamionowy dławika, wówczas wartość 2% lub 4% wyraża procent impedancji
obciążenia.
Sumaryczny spadek napięcia wynika ze spadku na części rezystancyjnej i
indukcyjnej, ale dławiki są tak projektowane, że dominujący jest spadek na
indukcyjności i dlatego spadek napięcia można bezpośrednio powiązać z
indukcyjnością przy 50Hz.
Przykład:
Przykładowy dławik Schaffner o prądzie 60A ma indukcyjność 0,49mH. Przy 50Hz
stanowi on impedancję 0,154�, co przy przepływie prądu 60A powoduje spadek
napięcia 9,2V. Dla sieci trójfazowej 400V stanowi to poziom 3 �" 9,2/ 400 = 4% .
4
2.3 Sposób działania dławika
By w pełni zrozumieć korzyści płynące z zastosowania elementu indukcyjnego
musimy zrozumieć jego wpływ na obwód mocy. Ilekroć prąd płynący przez
indukcyjność zmienia się, indukuje napięcie na zaciskach cewki zgodnie z
równaniem:
di
U = - L
dt
W ten sposób napięcie w obwodzie jest redukowane, więc również di/dt.
Alternatywnie, gdy obciążenie powoduje skoki napięcia, wówczas indukcyjność
ogranicza di/dt.
Proces przełączania napięcia
Stałe di/dt dla L
Rysunek 1: Schemat indukcyjny
3 Zastosowanie w napędach o regulowanej prędkości
obrotowej (VSD)
Jednym z najczęściej spotykanych aplikacji dla dławików są układy napędowe
z regulowaną prędkością obrotową (VSD, Variable Speed Drives). Układy te
charakteryzują się mocą od 1kW do więcej niż 100kW i zdobywają coraz większą
popularność ze względu na dużą sprawność i łatwość sterowania. Poniżej opisane
zostało zastosowanie dławików w układach napędowych, ale nie jest to ich jedyny
obszar zastosowań.
3.1 Bezpieczeństwo
Producenci współczesnych układów VSD działają na bardzo konkurencyjnym
rynku i widoczna jest tendencja nie stosowania dławików w celu redukcji kosztów
(chyba że tego zażyczy sobie końcowy klient). Z drugiej strony użytkownicy często
nie są świadomi powodów dlaczego stosowanie dławików jest korzystne zarówno dla
niezawodności elektroniki układu jak i jakości energii.
5
Aspekty na które ma wpływ zastosowanie dławika to:
" Oddzielenie układów elektronicznych od szybkich impulsów przejściowych
przychodzących od strony sieci będących skutkiem procesów przełączalnych w
sieci.
" Zapobiega dużym prądom startowym i redukuje przeciążenia elementów
wejściowych
" Poprawia współczynnik kształtu układu VSD co w konsekwencji zmniejsza straty
mocy po stronie wejściowej
" Ogranicza emisję do sieci zasilającej wyższych harmonicznych powstających w
wejściowym układzie prostownika
" Ogranicza komutacyjne zapady napięcia
" Zabezpiecza i zwiększa żywotność kondensatora w obwodzie pośredniczącym
(DC-link) w układach VSD
" Redukuje symetryczne zakłócenia niskich częstotliwości aż do kilku setek kHz
Każdy z aspektów jest poniżej szczegółowo opisany.
3.2 Przegląd możliwości zastosowania
Dławiki i filtry mogą być podłączone w różnych miejscach w układzie
napędowym: na wejściu linii zasilającej (dławik sieciowy), w obwodzie
pośredniczącym pomiędzy prostownikiem a kondensatorem (dławik DC-link) lub
między falownikiem a silnikiem (dławik silnikowy). Dławik we wszystkich
wymienionych miejscach zastosowania daje pewne efekty i niekoniecznie muszą się
wykluczać. Generalnie byłoby niepotrzebne posiadanie dławika na wejściu i w DC-
link, ale funkcja dławika wejściowego jest zupełnie inna i dlatego uzasadnione jest
używanie obu.
Dławik sieciowy
Wyjściowy
Sieć
Sieć
dławik/filtr
Silnik
(Filtr
Filtr (dławik dv/dt
Zasilanie
harmoniczny)
sieciowy filtr dv/dt,filtr
silnika
sinusoidalny)
Dławik DC
Rysunek 2: System sterowania silnika wraz z dławikami
6
3.3 Wejście układu
Dławik na wejściu urządzenia zasilającego robi dwie rzeczy: zabezpiecza
elektronikę urządzenia przed zakłóceniami pochodzącymi z sieci i zabezpiecza sieć
zasilającą przed zaburzeniami wytwarzanymi przez urządzenie.
3.3.1 Tłumienie harmonicznych
Trójfazowy prostownik z kondensatorem magazynującym energię pobiera z
sieci prąd impulsowy. Gdy napięcie wejściowe na dowolnej parze diod jest większe
niż napięcie na kondensatorze pośredniczącym (DC-link), wówczas płynie prąd i
ładuje kondensator. Gdy napięcie wejściowe jest mniejsze niż napięcie DC-link,
diody blokują przepływ prądu i kondensator pośredniczący DC-link nie jest ładowany.
Powoduje to pobór prądu z sieci w kształcie dwóch impulsów w każdej fazie których
suma na DC-link daje serię sześciu unipolarnych impulsów na okres (300Hz w
Europie)
Warunki :
Prąd fazy bez cewki indukcyjnej
Napięcie zasilania
400 V
Impedancja zródła:
0,15 �
Pojemność : 2500 �F
Impedancja obciążenia
i moc : 20�/14,28 kW
Dławik : 0,84 mH
Charakterystyka
pokazuje prąd
wyjściowy dławika
sieciowego
Rysunek 3: Pulsacje wejściowe 3-fazowego prostownika (6- pulsów)
Nieciągły prąd fazowy zawiera bardzo dużo harmonicznych 50Hz. Współczynnik
odkształcenia THD wynosi około 90-150% z dominacją harmonicznych rzędu 5, 7, 11
i 17.
Harmoniczne powodują następujące problemy w sieci, a zatem również dla innych
urządzeń:
" Transformatory i przewody neutralne przegrzewają się z powodu nadmiernych
prądów składowej zerowej (zero-phase)
" Przegrzewanie kondensatorów odpowiedzialnych za poprawę współczynnika
mocy z powodu prądów wysokiej częstotliwości
7
" Straty w przewodnikach wynikające ze zjawiska naskórkowości przy wysokich
częstotliwościach
" Odkształcenia napięcia w odległych punktach sieci zasilającej spowodowane
rezonansami.
" Awarię silników indukcyjnych podłączonych bezpośrednio do sieci z powodu
pracy przy harmonicznych
" Zakłócenia o częstotliwościach akustycznych (dz
więkowe i elektryczne)
" Zwiększony prąd upływu do ziemi z powodu pojemności pasożytniczych oraz
pojemności w filtrach EMI
Elektrowniom bardzo zależy na zredukowaniu powyższych problemów. W
Europie obowiązkowe jest dostarczanie energii o odpowiedniej jakości, a można tego
dokonać jedynie wtedy, gdy zakłócenia pochodzące od użytkowników będą pod
pełną kontrolą. Nałożono dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych do sieci, które
są szczegółowo określone w normie międzynarodowej IEC61000-3-2 dla urządzeń o
prądzie <16A na fazę oraz IEC-3-12 (projekt) dla urządzeń o prądzie w zakresie od
16A do 75A na fazę. W Stanach zjednoczonych dopuszczalne poziomy
harmonicznych określa norma IEEE519.
By spełnić te wymagania obwód wejściowy trójfazowego prostownika z elementem
gromadzącym energię musi być wyposażony w szeregową indukcyjność. Funkcję
indukcyjności spełnia właśnie dławik sieciowy. Dławik sieciowy ogranicza stromość
narastania każdego impulsu prądu pobieranego z sieci i sprawia, że prąd płynie
jeszcze przez milisekundę lub dwie po tym jak napięcie spadnie poniżej napięcia na
DC-link. Wówczas sześcio-pulsowy przebieg napięcia jest wygładzony i przy
odpowiednio dużej indukcyjności staje się ciągły, a nie przerywany.
Warunki :
Prąd fazy z cewką indukcyjną
Napięcie zasilania
400 V
Impedancja zródła:
0,15 �
Pojemność : 2500 �F
Impedancja obciążenia
i moc : 20�/14,28 kW
Dławik : 0,84 mH
Charakterystyka
pokazuje prąd
wyjściowy na linii
dławika
Rysunek 4: Wyprostowany prąd wejściowy z dławikiem
8
W tym samym czasie wartość szczytowa prądu maleje. Oznacza to, że współczynnik
kształtu (ang. crest factor) przebiegu również maleje zatem stosunek wartości
szczytowej do skutecznej jest mały. Ma to wiele zalet włączając w to mniejsze
narażenia kondensatora gromadzącego energię i większą niezawodność.
Tłumienie harmonicznych jest bezpośrednio powiązane z wartością indukcyjności w
obwodzie. Ponieważ dławiki Schaffner są uszeregowane jako procentowy spadek
napięcia, możemy powiązać te spadki napięcia z redukcją harmonicznych jak w
tabeli 1. Jak można zauważyć, dławik 4% daje znacznie lepsze tłumienie
harmonicznych niż 2% ale kosztem większego spadku napięcia oraz wymiarów
dławika.
Numer Impedancja wejściowa (U ) a pozostałe harmoniczne
k
harmonicznej 0,5% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10%
5-ta 80 60 46 40 34 32 30 28 26 24 23
7-ma 60 37 22 16 13 12 12 10 9 8,3 7,5
11-ta 18 12 9 7,3 6,3 5,8 5,8 5 4,3 4,2 4
13-ta 10 7,5 5,8 4,9 4,2 3,9 3,9 3,3 3,15 3 2,8
17-ta 7,3 5,2 3,6 3 2,4 2,2 2,2 0,9 0,7 0,5 0,4
19-ta 6 7,2 2,8 2,2 2 0,8 0,8 0,4 0,3 0,25 0,2
% THD-I 102,5 7 52,3 44,1 37,3 34,9 34,9 30,3 28,0 25,9 24,6
2,2 3 1 6 6 5 4 2 8
Tabela 1
Decyzja o wyborze wyższej lub niższej impedancji dławika jest zawsze w kontekście
konkretnej aplikacji, potrzeby redukcji harmonicznych i maksymalnego
dopuszczalnego spadku napięcia na wejściu zasilania.
3.3.2 Komutacyjne zapady napięcia
Niektóre urządzenia VSD (np. falowniki prądu) mają szczególnie niepożądany
efekt na zasilanie. W przetwornicach z komutacją prąd obciążenia jest przełączany z
jednej gałęzi do kolejnej. W chwili przejmowania prądu przez kolejną gałąz
ma
miejsce krótkotrwałe zwarcie zasilania. Prąd płynący w chwili komutacji jest
ograniczany jedynie przez rezystancję klucza i impedancję sieci, nie przez
obciążenie.
9
Dławik
komutacyjny
ograniczający
Obciążenie
prąd zwarcia
Rysunek 5 :Zjawisko komutacji
W celu zabezpieczenia kluczy, pewna reaktancja w obwodzie zasilania jest
niezbędna i jest to rola dławika komutacyjnego, który jest dostarczany jako część
systemu. Jednakże dławik komutacyjny nie jest zaprojektowany do celów ochrony
samej sieci. Gdy impedancja sieci jest znaczną częścią impedancji tego dławika
komutacyjnego, wówczas chwilowe zwarcia powodują zapady komutacyjne w
napięciu zasilającym. Głębokość tych zapadów w zależności od stosunku impedancji
z
ródła do impedancji dławika komutacyjnego przy założeniu, że klucze stanowią
zwarcie.
Pomimo że te zapady nie mają poważnego wpływu na pracę przekształtnika, to
mogą powodować niepoprawną pracę innych urządzeń podłączonych do tej samej
sieci zasilającej. Możliwe jest na przykład przy zapadach napięcia fałszywa
sygnalizacja przejścia przez zero.
Rysunek 6: Przykłady komutacji
Tak więc w tym przypadku celem stosowania dławika sieciowego jest włączenie
szeregowe na wejściu urządzenia w celu zabezpieczenia układu zasilania
urządzenia i zredukowania amplitudy zapadów napięcia. Amplituda zapadów jest
teraz funkcją impedancji sieci i całkowitej indukcyjności (linia i dławiki komutacyjne)
jak również czasu komutacji.
10
Linia
dławika
Komutacja dławika
Rysunek 7 : Dodanie dławika
Głębokość zapadu % = Z / (Z + Z )
C C D
Gdzie:
Z jest impedancją sieci zasilającej w punkcie przyłączenia (z założenia bierna) oraz
C
Z jest odsprzężoną reaktancją pomiędzy punktem przyłączenia a zaciskami
D
przetwornicy (linia plus dławik komutacyjny)
Jako drugi efekt prąd zwarcia jest ograniczany wraz ze wzrostem dławika
sieciowego, zatem jest to jak najbardziej pożądane dla zwiększenia niezawodności
elementów półprzewodnikowych i innych elementów.
Zharmonizowana norma dla układów napędowych o regulowanej prędkości
EN 61800-3 zaleca maksymalne zapady napięcia na poziomie 20% dla środowisk
domowych i 40% dla innych środowisk i mówi (szukaj w dodatku B1 do tej normy)
Tam gdzie są możliwe zapady napięcia, producent powinien dostarczyć
następujących informacji użytkownikom:
" Wartości każdej odsprzężonej reaktancji, które są dołączone do układu
napędowego.
" Dostępne odsprzężone reaktancje, które mogą być zewnętrznie dodane w celu
łagodzenia.
3.3.3 Problemy z prostownikiem i kondensatorem
Gdy podłączymy zasilanie do urządzenia, ładowany jest kondensator DC-link.
Jeżeli nie przyłożymy napięcia w punkcie przejścia przez zero lub nie użyjemy
obwodu soft-startu, natychmiast popłynie duży prąd przez czas kilku milisekund na
czas ładowania kondensatora. Ten prąd rozruchowy jest ograniczony jedynie
impedancją sieci i zazwyczaj ma wartość kilka razy większą niż prąd AC w stanie
ustalonym.
11
 Prostownik jest zazwyczaj w stanie wytrzymać przejściowy prąd startowy (np. 40
amperowy 40HF80 ma prąd I =570A) ale gdy nie ma dodatkowej impedancji w
FSM
sieci należy mieć nadzieję, że ten graniczny prąd nie zostanie osiągnięty.
Dławik sieciowy pomiędzy innymi zaletami zapewnia tę impedancję. Jako przykład,
załóżmy że załączamy napięcie blisko wartości szczytowej przebiegu 400V z 0,84mH
dławikiem RWK 212-35-KL (35A, 4%) włączonym do sieci. Początkowe di/dt wynosi
V/L=565/0,84=673A/ms i wartość szczytowa prądu jest ograniczona do około 600A
(zobacz rys. 8). Bez tej impedancji i jeżeli całkowita impedancja wejściowa wynosi
np. 0,2�, wówczas impuls prądu przy starcie może wynieść ponad 2000A przez
kilkadziesiąt ms. Ponieważ cewka przewodzi prąd po wystąpieniu wartości
szczytowej napięcia, napięcie DC-link może osiągnąć ściśle określoną wartość, którą
można dokładnie określić poprzez stosunek indukcyjności i pojemności
pośredniczącej.
Warunki:
Załączenie z cewką indukcyjną
Zasilanie Z= 0,2 �
Pojemność linii DC 1000 �F
Obciążenie 20 �
Cewka indukcyjna 0,84 mH
Załączenie bez cewki indukcyjnej
Wratość szczytowa prądu
>2000 A
Rysunek 8: Nagły wzrost prądu wraz z dławikiem
3.3.4 Niepożądane załączenia
Prąd startowy (rozruchowy) nie jest jedyną rzeczą którą steruje dławik
sieciowy: również znacząco obniża amplitudę udarów pochodzących z sieci. Mogą
one być spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi lub, co jest częstsze, z
powodu przełączania kondensatorów. Baterie kondensatorów są używane w
energetyce do poprawy współczynnika mocy i kontroli napięcia w dystrybucji energii.
12
W zależności od warunków obciążenia, kondensatory są załączane i wyłączane
dziennie, tygodniowo lub sezonowo w zależności od potrzeb.
Włączenie baterii kondensatorów powoduje chwilowe zwarcie w czasie którego
energia sieci zasilającej jest używana do ładowania kondensatora. Objawia się to
nagłym spadkiem napięcia i związanym z tym oscylacjami napięcia i częstotliwości
zależnymi od konfiguracji obwodu. typowa amplituda przepięć wynosi 1,2 do 1,6 razy
znamionowe napięcie z częstotliwością oscylacji 400 do 600Hz. Podczas zjawiska
przepięcia, kondensator pośredniczący w układzie VSD przechodzi w tryb off-line
wskazując błąd przepięcia lub w niektórych przypadkach nawet uszkodzenie układu
prostownika wejściowego. Najczęściej te przepięcia pojawiają się o określonej porze
dnia, często wcześnie rano gdy załączane są baterie kondensatorów w odpowiedzi
na duże zapotrzebowanie mocy. Dla niektórych układów VSD przepięcia będą
powiązane z przełączaniem silników dużej mocy i kondensatorów poprawiających
współczynnik mocy w obrębie tej samej elektrowni. Mniejsze układy VSD oraz słabo
obciążone układy VSD są bardziej wrażliwe na przepięcia powodowane przez
przełączanie kondensatorów.
Dławiki obniżają skutki stanów przejściowych wynikłych z przełączania
kondensatorów w układach VSD w dwojaki sposób. Po pierwsze impedancja dławika
dostarcza spadek napięcia który redukuje napięcie na DC-link co zapewnia większy
margines bezpieczeństwa przy przepięciach. Po drugie, dławik ogranicza amplitudę i
stromość impulsów prądowych ładujących kondensator.
W większości przypadków dławik 4% jest wystarczający, ale jeśli stany przejściowe
napięcia pojawią się w chwili gdy układ VSD jest w stanie bezczynności, wówczas
być może nawet dławik nie rozwiąże problemu, szczególnie dla napędów małej mocy
poniżej 5hp (3,6 KW). W stanie spoczynku VSD pobiera bardzo mały prąd z sieci i
nadwyżka energii po stronie sieci nie może być przeniesiona do obciążenia silnika.
Urządzenia przepięciowe (SPD= surge protection devices) mogą próbować usiłować
zabezpieczyć przed przepięciami i ochronić wejściowy układ prostownika, ale ich
zdolność tłumienia przepięć jest większa niż przepięcia wynikające z przełączeń.
13
3.4 DC-Link
Wiele z zalet dławika włączonego na wejście urządzenia można poprawić
jeśli dławik jest włączony szeregowo z DC-Link. Takie umiejscowienie
dławika eliminuje również emisję harmonicznych, ogranicza prąd
rozruchowy (startowy) i obniża niepożądane załączenia spowodowane
przepięciami wynikającymi z przełączania kondensatorów. jednakże nie
zabezpiecza wtedy obwodu prostownika wejściowego przed przepięciami
przychodzącymi od strony sieci zasilającej.
Dławik DC-link potrzebuje tylko dwóch uzwojeń w porównaniu z trójfazowym
dławikiem sieciowym. Jednakże uzwojenia te muszą być zaprojektowane na większy
prąd znamionowy, co skutkuje również wzrostem gabarytów. Zatem nic się nie
zyskuje, ponieważ indukcyjność musi być wytworzona przez większe uzwojenie. Gdy
układ VSD zawiera już odpowiedni dławik DC-link to mało zyskujemy dodając dławik
sieciowy. Gdy jednak układ VSD nie posiada dławika DC-link wówczas przyłączenie
dławika sieciowego do zacisków wejściowych jest najprostsze i daje dużo zalet.
3.5 Wyjście silnika
Chociaż ta broszurka traktuje głównie o zastosowaniu dławików sieciowych, to
warto krótko opisać poniżej zalety dławików wyjściowych. Szczegóły dotyczące
dławików i filtrów wyjściowych zostały opisane w innej broszurce.
3.5.1 Duże stromości napięcia
Nowoczesne półprzewodniki o dużej częstotliwości przełączania dają bardzo
dobrą sprawność termiczną w układzie napędowym, ale skutkują bardzo dużymi
stromościami napięcia du/dt na zaciskach silnika. Powoduje to powstawanie
zakłóceń EMI, z którymi można sobie poradzić jedynie przez dokładne i staranne
ekranowanie przewodów, oraz bezpośrednim oddziaływaniem na silnik. Strome
impulsy na wyjściu falownika w połączeniu z długim przewodem silnikowym
powoduje impulsy przepięciowe na silniku, które znacznie skracają żywotność izolacji
uzwojeń silnika. Dodatkowo harmoniczne, które powstają w wyniku przełączania z
dużą częstotliwością powodują dodatkowe straty magnetyczne w silniku który się
grzeje. Standardowa izolacja uzwojeń silnika, która jest ponadto narażona na duże
stromości napięcia, jej żywotność skraca się dwukrotnie na każde 10oC
podwyższonej temperatury.
Kolejnym problemem jest to, że przy prądach dużej częstotliwości spowodowanymi
dużym du/dt są pojemnościowo sprzęgane przez pasożytnicze pojemności w
obudowie silnika i płyną przez łożyska podgrzewając smar i niszcząc je.
14
Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe zagadnienia razem nasuwa się jeden
wniosek  bezpośrednie podłączenie silnika do falownika znacznie skraca jego
żywotność. Wszystkie te problemy w części lub całkowicie można zlikwidować przy
użyciu dławików lub filtrów wyjściowych.
3.5.2 Hałas z silnika
Ponieważ częstotliwość nośna i szerokie spektrum częstotliwości w
większości falowników pokrywa zakres częstotliwości akustycznych dlatego możemy
słyszeć dz
więki z pracującego silnika zasilanego z takiego falownika (wystarczy się
przejechać nowoczesnym tramwajem by to usłyszeć). Zastosowanie dławika lub filtra
wyjściowego pozwala na prawie całkowite zmniejszenie harmonicznych wyższych
częstotliwości (11-ta i większe) oraz na znaczne zmniejszenie harmonicznych
niższych rzędów (5-ta i 7-ma). Redukcja tych harmonicznych pozwala na wyciszenie
akustyczne silnika o 3 do 6dB.
3.5.3 Zabezpieczenie przed zwarciem.
W chwili wystąpienia zwarcia na silniku najczęściej uszkodzone są
tranzystory VSD, pomimo że VSD mają wbudowane zabezpieczenia przed
przeciążeniem, to prąd zwarciowy może być groz
ny i na tyle szybki, że uszkodzenie
nastąpi zanim zadziała zabezpieczenie. Dławik lub filtr wyjściowy ogranicza prąd
zwarciowy do bezpiecznej wartości i zmniejszy prędkość narastania prądu
zwarciowego i chociaż silnik jest uszkodzony, to tranzystory falownika są
bezpieczne.
Zdjęcie 2 : Dławik RWK 212 oraz filtr wyjściowy FN 5010
firmy Schaffner
15
4 Inne zastosowania
Powyższe rozważania koncentrowały się jedynie na układach napędowych z
regulowaną prędkością obrotową VSD, ale nie jest to jedyny obszar zastosowań
dławików. Znalez
ć je można również w zasilaczach (impulsowe, przetwornice w
UPS), urządzeniach oświetleniowych, prostownikach, spawarkach, zgrzewarkach,
piecach łukowych itd. Wszędzie tam gdzie pojawiają się duże di/dt i du/dt z
obciążenia mogą wracać do punktu podłączenia i powodować zakłócenia i problemy
z niezawodnością, dławik może być pomocny.
4.1 Czy dławik może ograniczyć emisję RF?
Można myśleć, że skoro dławik stanowi indukcyjność w obwodzie, zatem
będzie skutecznie tłumił emisję RF tak jak harmoniczne. W niższym zakresie
częstotliwości FW do kilkuset kHz rzeczywiście tłumi składowe symetryczne, ale
ponieważ jest zoptymalizowany do pracy przy niższych częstotliwościach ma
stosunkowo dużą pojemność własną co utrudnia skuteczne tłumienie częstotliwości
RF. Sam dławik nie jest w stanie wytłumić wszystkich zaburzeń w paśmie RF do
30MHz i konieczny jest do tego filtr EMI.
Stosowanie dławików ma jeszcze jedną mniej oczywistą zaletę. Filtr EMI musi być
zawsze dobrany na maksymalny impuls prądu płynący w obwodzie a nie prąd RMS.
Jak to zostało pokazane dławik redukuje ten impuls dzięki czemu można zastosować
mniejszy filtr. Również zdolność filtru do tłumienia zakłóceń symetrycznych może być
znacznie mniejsza, ponieważ instalacja dławika po części załatwia nam ten problem.
Zdjęcie 3: Filtr FN 3400 oraz filtr EMI
16
4.2 Dławik sieciowy a transformator separujący
Dawniej w układach VSD często potrzebne było obniżenie lub podwyższenie
napięcia które realizowano za pomocą transformatora, który jednocześnie separował
napęd od sieci. Była to kosztowna część całej inwestycji. Większość nowoczesnych
napędów ma wewnętrzną izolację a silniki mają szerszy zakres napięć, więc
potrzeba stosowania transformatora nie jest konieczna, co pozwoliło na redukcję
kosztów.
Indukcyjność transformatora zapewniała ochronę napędu przed zaburzeniami
z sieci i na odwrót. Gdy nie stosuje się transformatora to należy zamiast niego
zastosować element zabezpieczający którym jest dławik. Dławik sieciowy jest
mniejszy i tańszy niż transformator separujący o podobnej mocy, najczęściej cztery
razy tańszy i dziesięć razy mniejszy. Dławik zapewnia ochronę na granicy sieć-układ
napędowy, ale nie zapewnia separacji galwanicznej ani zmiany poziomu napięć.
5 Podsumowanie  koszty i zyski
Dostawca lub integrator systemu napędowego zawsze szuka najtańszych
rozwiązań do stawianych wymagań. Z takiego punktu widzenia dławik sieciowy jest
zawsze dodatkowym kosztem, ponieważ nie jest elementem koniecznym do
działania układu. Jednak ten dodatkowy koszt jest zrekompensowany przez szereg
zalet.
" Zwiększenie niezawodności; przepięcia strony sieci są tłumione i istnieje mniejsze
ryzyko uszkodzenia półprzewodników a ograniczenie impulsów prądowych
zwiększa żywotność kondensatorów
" Czasy postoju systemu są zredukowane, ponieważ przepięcia ze strony sieci
trudniej wywołują niepożądane wyzwolenia.
" Ochrona innych urządzeń w sieci z powodu ograniczenia emisji harmonicznych
oraz komutacyjnych zapadów napięcia
" Inne elementy systemu jak np. filtry mogą być tańsze
" Starty w wyniku grzania się pod wpływem nadmiernej ilości harmonicznych są
zmniejszone, co prowadzi do oszczędności w zużyciu energii.
Dodatkowo zastosowanie filtru lub dławiku na wyjściu falownika skutkuje znacznym
zwiększeniem niezawodności i żywotności silnika. Dławiki i filtry Schaffner są w
stanie rozwiązać wszystkie problemy z którymi można się spotkać w nowoczesnych
układach napędowych.
17