Синус-фильтры - назначение и эксплуатация

Синус-фильтр (иногда “синусоидальный фильтр”, “sine-filter”, “sine-wave filter”) — это устройство или пассивная схема, используемая в электротехнических системах, главным образом совместно с частотными преобразователями (ЧП), для преобразования выходного импульсного сигнала в более чистую синусоидальную форму.

На выходе преобразователя частоты вместо сразу выдаваемых ШИМ-импульсов (PWM — pulse-width modulation) на двигатель подаётся форма напряжения, приближающаяся к идеальной синусоиде.

Зачем нужен синус-фильтр

Основные функции синус-фильтра:

1. Защита двигателя и его изоляции
   — Уменьшение пиков напряжения и перенапряжений на клеммах двигателя, которые могут быть вредны для изоляции.
   — Снижение тока утечки, подшипниковых токов, уменьшение износа и продление срока службы.
2. Сглаживание формы напряжения / уменьшение гармоник
   — На выходе ЧП ШИМ-сигнал неизбежно содержит высокочастотные гармоники и резкие фронты. Фильтр их ослабляет, делая синусоидальную форму.
   — Это уменьшает электромагнитные помехи (EMI), шум, вибрацию, нагрев.
3. Позволяет использовать длинные кабели между преобразователем и двигателем
   — При длинных линиях передача ШИМ-сигналов порождает отражения, усиление перенапряжений, паразитные эффекты (ёмкость, индуктивность кабеля). Синус-фильтр помогает нивелировать эти проблемы.
4. Улучшение акустических свойств
   — Снижение звука от двигателя, вибраций, шумов, связанных с резкими переключениями.
5. Соблюдение стандартов и требований производителя
   — В некоторых случаях производители оборудования требуют, чтобы при определённых условиях использовался синус‐фильтр (например, при большой мощности, длинных кабелях, при высокой чувствительности к качеству питания).

Устройство и принцип работы

Компоненты

Типичная схема синус-фильтра строится на пассивных элементах:

• Катушки индуктивности (дроссели) — часто трёхфазные, магнитные сердечники.
• Конденсаторы — могут быть подключены для сглаживания оставшихся колебаний, компенсации реактивной мощности, формирования LC-контура.
• Бывают и дополнительные элементы: защита, системы охлаждения, корпуса с нужной степенью защиты.

Принцип работы

1. Форма сигнала на выходе ЧП
   Преобразователь частоты генерирует выход, где основная часть — ШИМ-импульсы, модулированные так, чтобы среднее значение в течение периода давало нужную частоту и амплитуду. Такая форма содержит высокочастотную составляющую (частота переключения) и гармоники.
2. Фильтрация высокочастотных компонентов
   LC-фильтр, настроенный как низкочастотный фильтр, ослабляет компоненты выше заданной частоты (частота переключения и её искажения) — таким образом сглаживает фронты, уменьшает амплитуды выходных гармоник.
3. Результат
   После фильтрации остаётся основная синусоидальная компонента с минимальной пульсацией, меньшими перенапряжениями, гармониками, что позволяет двигателю работать чище, с меньшими потерями и менее шумно.

Типы, характеристики и расчет

• Синус-фильтры бывают разных мощностей, рассчитаны на различный ток, напряжение, длину кабеля. Например, фильтры VEDA Sin рассчитаны на напряжение 380 В, мощность от 0,75 до 630 кВт, ток до ~1200 А.
• Метод расчёта включает:
1. Определение частоты переключения преобразователя и требования к форме выходного сигнала (уровень THD (Total Harmonic Distortion) или THDu).
2. Подбор индуктивности и емкости LC-контура, чтобы добиться нужного “среза” (частоты, выше которой гармоники подавляются).
3. Учет параметров кабеля: длины, паразитных емкостей и индуктивностей, сопротивления. Без учёта кабеля эффект фильтра может быть снижен или появятся неожиданные перенапряжения.
4. Учет нагрузок, температур, механических характеристик, требований по защите (IP, изоляция) и стандартов.
• Характеристики, на которые ориентируются:
  • THDu (общий уровень гармоник на выходе) — часто цель — менее ~5 %.
  • Максимальная длина кабеля между преобразователем и двигателем при сохранении допустимых перенапряжений.
  • Скорость нарастания напряжения (du/dt) и характер поворотов фронтов. Фильтр уменьшает крутизну фронтов, что уменьшает стресс на изоляцию.

Ограничения и особенности синус-фильтров

• Фильтры добавляют потерю напряжения и мощности — сопротивление индуктивности, потери в реактивных элементах. При выборе необходимо учитывать, что часть мощности “съедается” фильтром.
• Не всегда оправдано использование синус-фильтра: если кабели короткие, требования к чистоте формы напряжения не строгие, ШИМ-частоты высокие и переключения достаточно “мягкие”.
• Размеры, вес, габариты, стоимость выше, чем у “простейших” решений (например, просто отключить часть фильтрации или использовать небольшие дроссели).
• Возможен резонанс в LC-схемах, если неправильно рассчитать, особенно в сочетании с характеристиками кабеля (ёмкости, индуктивности), что может вызвать усиление нежелательных гармоник.

Где применяют синус-фильтры

• Промышленные электроприводы, особенно при больших мощности и длинных кабелях.
• Насосные установки, компрессоры, вентиляторы, лифты и др., где двигатель работает в широких режимах и резкие ШИМ-фронты могут повредить.
• Приводы в системах автоматизации, особенно там, где требуется низкий уровень шумов и вибраций.
• В системах, где важна электромагнитная совместимость (EMC), минимальный уровень утечек и помех.

Узнать больше о синус-фильтрах можно на сайте https://vedadrive.ru/