Дроссели

Дроссели с магнитным сердечником – общая информация
Дроссели с магнитным сердечником стали неотъемлемым элементом современных устройств силовой электроники и энергетических систем.
Возможные места установки дросселей с магнитным сердечником в составе системы приведены на рисунках ниже:

Дроссели с магнитными сердечниками выполненными из листов электротехнической стали применяются в диапазоне частот до нескольких сотен герц. Основные параметры дросселей – индуктивность и номинальный ток, которые в случае дросселей данной конструкции производства фирмы "ELHAND" располагаются в пределах от нескольких десятков микрогенри до нескольких сотен миллигенри и от нескольких ампер до нескольких сотен ампер. В цепях переменного тока дроссели со стальными стержнями применяются в фильтрах нижних частот выходных напряжений либо в избирательных фильтрах LC, позволяющих подавить определённые гармоники тока. В цепях постоянного тока дроссели чаще всего используются для сглаживания характеристик выходных напряжений и токов выпрямителей, а также для обеспечения работы инвертора и непрерывного протекания выпрямленного тока. Также заслуживает внимания применение дросселей для компенсации емкостной реактивной энергии.

1. Сетевые дроссели модели типа ED1N и ED3N
Тиристорные (транзисторные) преобразователи – это потребляющие устройства, которые чаще всего требуют применения сетевых дросселей в цепях, соединяющих преобразователь с питающей сетью. Дроссели выполняют защитную функцию как по отношению к самому преобразователю, так и по отношению к питающей сети. Тиристоры (транзисторы) инверторных систем требуют защиты, обеспечивающей сдерживание нарастания тока проводимости до момента переключения структуры PNPN в состояние проводимости. В таких системах возникает необходимость применения сетевых дросселей.
Использование сетевых дросселей в системах тиристорных (транзисторных) преобразователей ослабляет негативное взаимовлияние преобразователей, питаемых от одного и того же источника электроснабжения, в процессе коммутации. Использование дросселей ведёт к уменьшению амплитуды импульса противотока при выключении тиристора (транзистора), коммутационных перенапряжений и мощности, возникающей в демпфирующих сетях. Следовательно, процесс коммутации проходит значительно мягче. Кроме того, сетевые дроссели защищают питающую сеть от неблагоприятного влияния преобразователей, ограничивая распространение высших гармоник в сети. В случае сетевых дросселей следует обратить внимание на то, что характеристика магнитопровода должна исключать возможность насыщения магнитной системы дросселя при всех предполагаемых токах потребляющего устройства.

2. Моторные дроссели модели типа ED1S и ED3S
Дроссели для двигателей широко применяются в составе инверторных приводных систем как постоянного, так и переменного тока. Они устанавливаются в цепях, соединяющих преобразователь с двигателем. В зависимости от вида приводной системы, с которым они взаимодействуют, дроссели должны выполнять множество задач, обеспечивая, как минимум, непрерывность и сглаживание пульсаций тока двигателя, минимизацию тока короткого замыкания в цепи нагрузки преобразователя, а также ограничивая коммутационные перенапряжения и компенсацию ёмкости силового моторного кабеля.

2.1. Задачи моторных дросселей в составе управляемых систем выпрямителей
Пульсация выпрямленного тока в цепи якоря двигателя постоянного тока, получающего питание от управляемого выпрямителя, вызывает искрение под щётками и усложняет процесс коммутации.
Прерывистый ток якоря двигателя, вызывает негативные изменения в механической характеристике двигателя и ведёт к ухудшению динамических характеристик электропривода. По этой причине одна из основных задач моторного дросселя ED1S состоит в обеспечении как можно более широкого диапазона проводимости длительного тока в выходной цепи преобразователя. Этот ток приобретает прерывистый характер тем чаще, чем меньше значение тока и индуктивность нагрузки.

2.2. Роль моторного дросселя для двигателя в составе приводных систем переменного тока
Выходные напряжения преобразователей – это последовательность прямоугольных импульсов регулируемой ширины и частоты. Скорость нарастания импульсов прохождения напряжения очень высока и создаёт опасность для изоляции питаемых машин. Ограничение скорости нарастания напряжения и, следовательно, риска повреждения изоляции двигателя можно получить, установив между двигателем и инвертором моторного дросселя модели ED3S.
Моторные дроссели ED3S применяются также для ограничения токов короткого замыкания до момента срабатывания защиты и выключения тока в цепи. Чаще всего подбор соответствующей индуктивности дросселя для двигателя – это единственная возможность защитить тиристоры (силовые транзисторы) инверторных систем. Подбор индуктивности моторного дросселя ED3S зависит от максимального значения тока короткого замыкания в системе. Этот ток не должен превышать уникальное максимальное значение тока тиристора ITSM.
На практике часто возникает необходимость подачи напряжения на двигатели, находящиеся на большом расстоянии от источника питания. Длинные силовые линии обладают большой ёмкостью, которая приводит к значительным потерям мощности в цепи. Моторный дроссель ED3S, кроме защиты изоляции машины, компенсирует ёмкость силовой линии и ограничивает гармоники и коммутационные перенапряжения в цепи двигателя.

3. Дроссели пассивных фильтров и дроссели для защиты ёмкостных батарей модели ED3F
3.1. Дроссели пассивных фильтров типа ED3LC
Внедрение тиристорных преобразователей в системы питания и управления электрическими машинами большой мощности приводит к тому, что в сети электроснабжения, помимо основной гармоники напряжения, появляется широкий спектр высших гармоник, которые проникаю в сеть в процессе работы инверторных систем. С целью ограничения неблагоприятного воздействия инверторных систем на сеть электроснабжения, а также на работу конденсаторных батарей, которые могут быть подключены к сети, используются системы фильтров высших гармоник.
Фильтры - это последовательные резонансные системы LC, параллельно подключённые к цепи питания преобразователя, которые выполняют двойную функцию – компенсируют реактивную мощность, потребляемую приводной системой, а также предотвращают проникновение высших гармоник в сеть электроснабжения. Реактивное сопротивление фильтра в зависимости от номера гармоники составляет:

где: Lf ,Cf – индуктивность и ёмкость фильтра; n – номер гармоники; ω – угловая частота, [1/s]

При соответствующим образом подобранных значениях индуктивности и ёмкости фильтра для основной гармоники и гармоник ниже резонансной частоты (n_r ) будет представлять собой ёмкостную нагрузку, а для всех гармоник выше резонансной – индуктивную нагрузку. Цепь LC будет обладать низким импедансом для резонансной частоты. Ток с резонансной частотой будет замыкаться между преобразователем и фильтром, не попадая в сеть электроснабжения. В трёхфазных системах чаще всего используются фильтрующие цепи для частот 5, 7, 11, 13 гармоник. Для основной гармоники ветви фильтра всегда носят ёмкостный характер - это значит, что они уменьшают реактивный ток основной частоты.

3.2. Дроссели для защиты конденсаторных батарей типа ED3F
Батареи статических конденсаторов, которые устанавливались несколько десятков лет назад, не были оснащены демпферными дросселями. Сегодня это вызывает ожидаемые эксплуатационные проблемы, которые чаще всего заканчиваются повреждением конденсаторов батарей. Дроссели модели ED3F защищают ёмкостные батареи от перегрузки токами высших гармоник.
В случае большинства промышленных сетей в результате установки большого числа нелинейных потребителей уровень высших гармоник напряжения и тока представляет опасность для трансформаторов, двигателей и, особенно, для батарей статических конденсаторов. Правильный подбор параметров дросселей ED3F определяет эффективность защиты компенсационной батареи. Для правильного выбора необходимо произвести измерения содержания высших гармоник в предполагаемом месте установки компенсационной батареи. На основании полученного спектра гармоник следует выбрать соответствующую резонансную частоту системы батарея-дроссель. Чаще всего это средняя частота между частотами тех гармоник напряжения и тока, которые не представлены или имеют минимальную долю в спектре. Расстроенная резонансная система батарея-дроссель будет характеризоваться незначительным импедансом для гармонических частот, близких к резонансной частоте. В то же время она будет сильно подавлять токи, частота которых значительно отдалена от частоты резонанса.

4. Компенсационные дроссели модели типа ED3K
Группа компенсационных дросселей, предназначенных для компенсации емкостной реактивной мощности, которая возникает в результате работы синхронных машин и разветвленных кабельных сетей NN и SN при недостаточной нагрузке. Очень часто дроссели объединяют в дроссельные батареи, взаимодействующие с автоматическими регуляторами cosø. Такие батареи обеспечивают возможность групповой, значительно более эффективной компенсации реактивной мощности, предотвращая возможную перекомпенсации сети электроснабжения.
Основной эксплуатационный параметр дросселей данного вида – генерируемая ими индуктивная реактивная мощность, которая определяется по формуле:

где: In – номинальное действующее значение синусоидально-переменного тока; ω –угловая частота; L – индуктивность дросселя

5. Сглаживающие дроссели модели типа ED1W
На выходе диодных и тиристорных выпрямителей, а также преобразователей кроме постоянной составляющей напряжения и тока, как правило, присутствуют нежелательные для цепи нагрузки и переменные составляющие. Последовательно подключённый к нагрузке сглаживающий дроссель позволяет получить достаточно низкую пульсацию напряжения и тока при высокой частоте переменных составляющих. В случае выпрямляющих систем, получающих напряжение промышленной частоты, сглаживание напряжения и тока только с помощью дросселя предусматривало бы необходимость применения элементов с очень большой индуктивностью. В этой ситуации дроссель соединяется с ёмкостью, создавая LC фильтр. Важными параметрами сглаживающего дросселя, которые определяют его собственную мощность, являются:
индуктивность, значение номинального тока, а также амплитуда и частота пульсаций.

6. Дроссели ограничивающие скорость нарастания напряжения du/dt, типа ED3dU
Дроссели ED3dU снижают скорость нарастания напряжения du/dt в 2-2,5 раза до 700 в/мкс и ограничивают амплитуду выброса до 1000В защищая обмотки статора асинхронного двигателя от пробоя и позволяя увеличить длину моторного кабеля до 100м.

Сеть электроснабжения может подвергаться воздействию нелинейных потребителей, которые вызывают искажение синусоидального напряжения, и, следовательно, рост потерь и помехи в работе других машин и устройств, подключённых к той же сети.
Для ограничения распространения гармоник в заводских сетях NN используются сетевые дроссели. Кроме того, сетевые дроссели выполняют также другие задачи: гасят коммутационные перенапряжения, а в случае короткого замыкания уменьшают значение установившегося тока короткого замыкания и скорость его нарастания.

Основные функции сетевых дросселей в инверторных системах питания.
Системы маломощных тиристорных преобразователей могут получать питание непосредственно от сети без индивидуального трансформатора. В такой ситуации необходимо в линии между питающей сетью и преобразователем установить сетевые дроссели (модели ED1N или ED3N).
Эти дроссели выполняют защитную функцию как по отношению к самому преобразователю, так и по отношению к питающей сети.

Упрощённая схема преобразователя, питающего асинхронный двигатель

Выпрямители и преобразователи частоты генерируют в сети ряд гармоник, которые сильно искажают синусоиду напряжения и вызывают увеличение потерь мощности во всех машинах и устройствах, питаемых от сети.
Сетевые дроссели (ED1N или ED3N) ограничивают распространение высших гармоник в сети и гасят коммутационные перенапряжения, возникающие в процессе переключения тиристоров. Применение сетевых дросселей ведёт к уменьшению взаимных помех преобразователей в ходе коммутации.
Тиристоры (транзисторы) инверторных систем часто требуют защиты, обеспечивающей сдерживание нарастания тока проводимости до момента переключения структуры "pnpn" в состояние проводимости. Самый простой метод выполнения этой задачи – установка сетевых дросселей.
Подбирая дроссель, необходимо обратить внимание на взаимозависимость индуктивности питающей сети L_S и индуктивности дросселя L_ED3N, которые должны соответствовать условию (1).

	(1)
где: UTm – максимальное возможное для данной системы значение напряжения блокировки в момент, предшествующий переключению тиристора; (diT/dt)crit – критичная крутизна нарастания тока проводимости тиристора; LS – альтернативная индуктивность сети и источника

Если зависимость (1) даст результат L_ED3N  ≤ 0, это означает, что установка сетевых дросселей не требуется, так как индуктивность сети достаточно ограничивает значение производной тока.
Более практичный метод определения технических параметров сетевых дросселей – предположить допустимое падение напряжения на дросселе, которое не должно превышать нескольких процентов номинального напряжения сети. Зная значение тока нагрузки можно с помощью уравнения (2) определить индуктивность дросселя, предполагая падение напряжения на дросселе на уровне нескольких процентов.

Необходимо обратить внимание на то, что характеристика магнитопровода должна исключать возможность насыщения магнитной цепи дросселя при всех предполагаемых токах потребителя.

Сетевой дроссель ELHAND модели ED3N-0,77mH/70A

Тиристорные (транзисторные) преобразователи - это наиболее часто используемые системы питания и регулировки скорости вращения электрических двигателей. С целью улучшения механических характеристик и динамических свойств тиристорной приводной системы между двигателем и системой преобразователя часто устанавливаются моторные дроссели (ED1S или ED3S).
Моторные дроссели широко применяются в составе преобразовательных приводных систем как постоянного, так и переменного тока. В зависимости от вида приводной системы, с которой они взаимодействуют, дроссели должны выполнять множество задач, обеспечивая, как минимум, бесперебойность и сглаживание пульсации тока двигателя, минимизацию тока короткого замыкания в цепи нагрузки преобразователя, а также ограничивая коммутационные перенапряжения и компенсацию ёмкости силовой линии.

Задачи моторных дросселей в составе преобразователей для двигателей постоянного тока
Пульсация выпрямленного тока в цепи якоря двигателя, получающего питание через управляемый выпрямитель, вызывает искрение коллектора под щётками и усложняет процесс коммутаций. Правильно подобранный моторный дроссель ED1S, установленный в цепи нагрузки выпрямителя, позволяет ограничить действующее значение первой гармоники тока до допустимого предела (2-15)% номинального тока, который зависит от мощности и пределов регулирования угловой скорости двигателя. Индуктивность цепи, необходимая для удержания допустимого значения k-ой гармоники тока  ΔI_k(%) в цепи, при известной амплитуде переменной составляющей выпрямленного напряжения питания U_dz, определяется по формуле (1).

	(1)
где: ω – угловая частота, m – количество фаз, k – кратность гармоники, Idn – номинальное значение тока преобразователя, ΔIk(%) – допустимое значение соответствующей гармоники тока.

Зная необходимую индуктивность цепи L_ob и индуктивность якоря двигателя постоянного тока L_t можно определить индуктивность моторного дросселя (ED1S), который ограничивает пульсацию тока в цепи нагрузки преобразователя (2) (рис.1).

(2)

Следует помнить о том, что магнитный материал сердечника и конструкция моторного дросселя должны обеспечивать возможность сохранения постоянной индуктивности, даже в том случае если ток якоря будет равен двойному номинальному току. Это условие обосновано допустимой двукратной перегрузкой преобразователя.

рис. 1. Упрощённая схема привода постоянного тока

Задачи моторных дросселей в составе приводных систем переменного тока
Выходные напряжения преобразователей частоты – это последовательность прямоугольных импульсов регулируемой ширины и частоты. Скорость нарастания напряжения очень высока и создаёт опасность для изоляции двигателей получающих питание от преобразователя. Ограничения скорости нарастания напряжения и, следовательно, риска повреждения изоляции двигателя можно достигнуть, установив между двигателем и инвертором моторный дроссель (модель ED3S) (рис.2).

Рис. 2. Упрощённая схема привода переменного тока

Моторные дроссели ED3S применяются также для ограничения токов короткого замыкания до момента срабатывания защиты и выключения тока в цепи. Чаще всего подбор соответствующей индуктивности моторного дросселя – это единственная возможность защитить тиристоры (или силовые транзисторы) инверторных систем. Выбор индуктивности моторного дросселя ED3S зависит от максимального значения тока короткого замыкания в системе. Этот ток не должен превышать уникальное максимальное значение тока тиристора I_TSM.

На практике часто возникает необходимость подачи напряжения на приводы, находящиеся на большом расстоянии от преобразователя частоты. Длинные кабельные линии обладают большой ёмкостью, которая приводит к значительным потерям мощности в цепи. Моторный дроссель ED3S, кроме защиты изоляции машины, компенсирует ёмкость силовой линии и ограничивает гармоники и коммутационные перенапряжения в цепи двигателя.

Моторные дроссели обладают большой индуктивностью, очень эффективно снижают скорость нарастания напряжения и существенно снижают амплитуду выброса напряжения защищая изоляцию статора двигателя. Кроме того моторный дроссель компенсирует емкость питающего кабеля и ограничивает скорость нарастания тока при коротких замыканиях в цепях нагрузки приводя к успешному срабатыванию защиты преобразователя частоты. Но по сравнению с дросселями ограничивающими скорость нарастания напряжения типа du/dt (ED3dU), у моторных дросселей большие размеры и большая маса.

В контуре постоянного тока преобразователя частоты с целью сглаживания пульсаций и обеспечения непрерывности выпрямленного тока устанавливается сглаживающий дроссель (ED1W). Верный подбор его индуктивности оказывает большое влияние на работу приводной системы в целом.

Моторный дроссель модели ED3SM-0,29mH / 250A	Моторный дроссель модели ED3S-0,15mH / 400A

Дроссели du/dt - для преобразователей частоты разных производителей
Дроссели du/dt находят широкое применение в цепях электроприводов и усанавливаются на выходе преобразователей частоты. Дроссели du/dt ограничают скорость нарастания напряжения на зажимах мотора, благодаря чему повышают срок их службы защищая изоляцию мотора от повреждения, понижая температуру мотора и уменьшая уровень шума мотора. Кроме того, допускают возможность увеличения длины слового кабеля от ПЧ до мотора от 30 до 100 метров в зависимости от частоты переключений. Они снижают также уровень электромагнитных помех.
Линейка дросселей du/dt спроектирована опираясь на номинальные токи преобразователей частоты известных производителей. Их универсальность заключается в возможности использования их для механизмов с разными типами моментов сопротивления.
По предварительному согласованию возможно исполнение дросселей с иными параметрами, отличными от приведенных в таблице.

В цепи нагрузки любой системы выпрямления имеет место выходное напряжение, которое представляет собой сумму двух составляющих – постоянной и переменной. Для сокращения пульсаций, которые часто оказываются неблагоприятными для нагрузки, между выходом выпрямителя и нагрузкой устанавливается выпрямительный фильтр.
Фирма "ELHAND" производит сглаживающие дроссели ED1W, которые применяются в выпрямительных фильтрах.

Задача сглаживающих фильтров состоит в корректировке формы напряжения и тока на выходе выпрямителя. Фильтр не оказывает большого влияния на величину постоянной составляющей, в то же время, ограничивая переменную составляющую, и, следовательно, коэффициент пульсаций.
Свойства и эффективность работы выпрямительного фильтра определяет коэффициент сглаживания:

где: kt1 i kt2 коэффициенты пульсаций (напряжения или тока) на выходе и входе выпрямителя соответственно

Часто роль фильтра выполняет подключённый последовательно с нагрузкой сглаживающий дроссель ED1W (Рис.1a). Индуктивность сглаживающего дросселя, работающего в выходной цепи m – пульсного выпрямителя, который питает нагрузку с активным сопротивлением R, при заданном коэффициенте сглаживания напряжения и выходного тока b_s, выражается формулой:

где: R - активное сопротивление нагрузки; r - внутренне активное сопротивление цепи выпрямителя; m - wкоэффициент, который зависит от схемы выпрямителя; bs - коэффициент сглаживания; f - частота напряжения питания выпрямителя.

a)	b)	c)
Рис. 1 Наиболее часто встречающиеся схемы сглаживающих фильтров: a) индуктивный, b) индуктивно-ёмкостной типа G, c) индуктивно-ёмкостной типа P.

В однополупериодных выпрямителях с индукционным фильтром очень трудно стабилизировать ток в цепи нагрузки, так как импульсы тока появляются только в каждом втором полупериоде. Поэтому индукционные фильтры неприменимы с однополупериодными выпрямителями. На практике чаще используются однофазные двухполупериодные выпрямители с фильтром в виде индуктивного дросселя (Рис. 2). В такой схеме уже при относительно небольших токах нагрузки появляется постоянных ток без значительных пульсаций.

a)	b)
Рис. 2 Мостовой двухполупериодный выпрямитель с индуктивным фильтром: а) принципиальная схема, b) временные характеристики токов

Если реактивное сопротивление дросселя ωL>>R , то в цепи происходит очень эффективная фильтрация пульсаций тока. Дополнительное преимущество этой схемы состоит в том, что средняя величина тока не зависит от индуктивности.
Ограничение пульсаций тока путём увеличения индуктивности дросселя не вызывает потерь напряжения.
Выпрямительный фильтр в виде сглаживающего дросселя ED1W значительно эффективнее выполняет свою задачу, работая с выпрямителем, в котором переменная составляющая имеет в несколько раз большую частоту, например, в импульсных преобразователях.
На практике индуктивные фильтры чаще всего применяются в трёхфазных цепях большой мощности.
Путём соединения сглаживающего дросселя с конденсатором получают схему фильтра LC (Рис.1b,1c) с удовлетворительными параметрами, как при незначительных, так и при больших токах нагрузки. В такой схеме дроссель играет роль последовательного импеданса, а конденсатор дополнительно шунтирует переменные составляющие.
Часто применяемой разновидностью дросселей являются дроссели модели ED2W.
У них две независимые обмотки, размещённые на сердечнике в форме UI.
Данные дроссели используются в схемах, взаимодействующих с мощными импульсными преобразователями.

Рис.3 Схема сглаживающего дросселя модели ED2W

Если эффективность одиночного фильтра слишком мала, то дальнейшее ограничение переменной составляющей получают, создавая многоступенчатый фильтр, составленный из нескольких звеньев соединённых последовательно. Эквивалентный коэффициент сглаживания в этом случае составляет:

где: b – коэффициент сглаживания многоступенчатого фильтра; b1 ,b2 – коэффициенты сглаживания последующих ступеней фильтра.

Следует помнить, что применение сглаживающего фильтра существенно влияет на выходную характеристику системы выпрямления в целом. При переходных процессах, возникающих при включении и выключении выпрямителя, в цепи могут появиться значительные колебания тока или напряжения, вызванные резонансным характером системы LC и его высокой добротностью.

Сглаживающий дроссель модели ED1WHX-40mH / 600A; 6кВ

Сглаживающий дроссель модели ED2W-2x0,033mH / 3500A

Дроссели модели ED3F защищают ёмкостные батареи от перегрузки высшими гармониками тока.

дроссель ED3F       батарея конденсаторов
	Рис. 1 Схема одной ступени компенсационной батареи с компенсационными дросселями

В результате установки множества нелинейных потребляющих устройств уровень высших гармоник напряжения и тока представляет опасность для трансформаторов, двигателей и особенно для батарей статических конденсаторов. Правильный подбор параметров защитных дросселей (ED3F) определяет эффективность защиты компенсационной батареи. Для этого необходимо произвести измерения содержания высших гармоник на предполагаемом месте установки компенсационной батареи. На основании полученного спектра гармоник следует выбрать соответствующую резонансную частоту системы батарея-дроссель. Чаще всего это средняя частота между частотами тех гармоник напряжения и тока, которые не представлены или имеют минимальную долю в спектре. Резонансная система батарея-дроссель будет характеризоваться незначительным импедансом для гармонических частот, близких к резонансной частоте. В то же время она будет сильно заглушать токи, частота которых значительно отдалена от резонансной частоты f_R.
Подбор оптимальной резонансной частоты системы (напр. f_R=189Гц) при известной частоте сети (f_N=50Гц), от которой будет работать батарея, позволяет определить коэффициент затухания p% (1), который будет использован для дальнейших упрощённых расчётов.

(1)

Таблица 1. Примеры резонансной частоты системы батарея-дроссель.

Каждая ступень компенсационной батареи защищается дросселем, индуктивность которого определяется в зависимости от ёмкости данной ступени батареи и заданной резонансной частоты системы. Обязательно следует определить мощность QCN и номинальное напряжение UCN конденсаторов, представляющих собой отдельные ступени конденсаторной батареи. Это обеспечивает правильное проведение расчётов с целью установления токов IS в цепях, а также индуктивность LN защитных дросселей.
На основании зависимости, описывающей мощность конденсатора (например. 25 кВАр/440В 50Гц), можно установить ёмкость ступени конденсаторной батареи (2).

(2)

После этого определяем ёмкостное реактивное сопротивление X_C, индуктивное реактивное сопротивление X_L и результирующее реактивное сопротивление X_BAT (3,4,5), исходя из того, что резонансная частота системы должна составлять ~189Гц (p=7%).

	(3)
	(4)
	(5)

На этом основании определяем фазную индуктивность дросселя L_N и ток I_S, вызываемый батареей (6,7):

	(6)
	(7)

Реальное напряжение U_CR на зажимах батареи составит (8):

(8)

Отсюда можно установить реальную реактивную мощность Q_CR ёмкостной батареи 25 кВАр/440В 50Гц, реактивную мощность защитного дросселя Q_L и результирующую реактивную мощность ступени батареи Q_BAT (9,10,11):

	(9)
	(10)
	(11)

От защитных дросселей (ED3F) требуется нормальная работа в условиях изменяющейся нагрузки. Доля гармонических токов, нагружающих батарею и дроссели, изменяется в зависимости от конфигурации промышленной сети и количества задействованных в данный момент преобразователей либо других нелинейных нагрузок. Поэтому был введён параметр, который называют магнитной линейностью. Данный параметр представляет собой максимальный ток дросселя I_LIN, для которого допустимое отклонение индуктивности должно находится в пределах L ≥ 0,95LN. Таким образом, он становится мерой стабильности параметров дросселя во время перегрузки.
Интенсивность искажения синусоиды сетевого напряжения в месте установки ёмкостной батареи может в значительной мере зависеть от нелинейных потребителей, которые работают на соседних предприятиях, получающих питание от одной и той же подстанции. Необходимо также обратить внимание на то, что количественно искажения сети (то есть THDU, THDI) могут существенно меняться в течение всего нескольких месяцев (например, по мере установки преобразователей частоты или мощных выпрямительных схем на уже упоминавшихся соседних предприятиях). Поэтому, во избежание эксплуатационных проблем, устанавливаемые компенсационные системы должны содержать защитные дроссели.

Дроссель ELHAND для защиты батареи модели ED3F-22,2/400/7-25/440

Дроссели пассивных фильтров высших гармоник (фильтрующие дроссели)
Значительный уровень высших гармоник в промышленных и городских сетях электроснабжения вызван лавинообразным ростом количества преобразователей (управляемых и неуправляемых выпрямителей, преобразователей частоты) и нелинейных приёмников. Искажение синусоиды напряжения приводит к увеличению потерь, а в крайних ситуациях даже к нарушениям работы электрических машин и оборудования. С целью ограничения отрицательного влияния преобразователей и нелинейных приёмников на сеть электроснабжения и питаемые от неё электрические машины и конденсаторные батареи применяются системы фильтров высших гармоник.
Фирма ELHAND производит дроссели типа ED3LC, предназначенные для работы в системах пассивных фильтров высших гармоник типа LC.

Задачи фильтров высших гармоник в сетях электроснабжения.

В наиболее часто встречаемых системах трёхфазных мостовых преобразователей (шестипульсные схемы выпрямления) ток на первичной стороне трансформатора – при условии симметрии питающих напряжений, полных коммутационных сопротивлений и углов запаздывания выключения тиристоров (транзисторов)– кроме основной гармонической составляющей будет содержать гармоники, минимум: 5, 7, 11, 13, номера которых определяются по формуле (1).

	(1)
где: n – порядок гармоники, k – натуральное число, p – число пульсаций выпрямленного напряжения.

Значения амплитуд гармонических составляющих можно определить, используя уравнение (2).

	(2)
где: A1 – Амплитуда основной гармоники напряжения, An – амплитуда n-ой гармоники.

Чрезмерно большое содержание высших гармоник тока питания преобразователя может вызвать значительное увеличение потерь мощности в устройствах и машинах подключенных к той же сети электроснабжения, в результате протекания тока повышенной частоты (250, 350, 550 Гц) или вызвать нарушения в работе устройств путём искажения напряжения питания. Особенно, это относится к конденсаторным батареям, работающим параллельно с преобразовательной системой. Уменьшение полного сопротивления конденсаторов вместе с увеличением частоты может вызвать повреждение батареи в результате перегрузки токами с частотами высших гармоник.
Кроме того, опасен параллельный резонанс в системе. Гармоники, создаваемые бесступенчатыми приводными системами, могут быть усилены даже в 10-15 раз в цепи параллельного резонанса, образованного емкостным реактивным сопротивлением конденсаторной батареи и индуктивностью сети. Это явление может привести к повреждению, как конденсаторной батареи, так и преобразователя.
Гармонические составляющие при неблагоприятных условиях могут представлять опасность для механической конструкции электрических машин. Пары гармоник, например 5 и 7, могут вызвать механические колебания с частотой 6-той гармоники в генераторе или двигателе. Эти колебания возникают из-за колебаний вращающего момента в результате искажения кривой напряжения питания. В том случае если частота этих колебаний совпадёт с частотой механического резонанса, то механическая конструкция машины будет подвержена значительным перегрузкам.
Нежелательный эффект шумной работы электрических машин, являющийся результатом явления магнитострикции, дополнительно усиливается из-за относительно высоких частот гармонических составляющих тока. Токи, искажённые содержанием высших гармоник, вызывают, кроме того, более интенсивное нагревание электрических проводов и кабелей в результате явления поверхностного эффекта и эффекта близости.
Роль фильтров LC, элементами которых являются дроссели типа ED3LC, заключается в ограничении отрицательного влияния высших гармоник тока на сеть электроснабжения и на все устройства, присоединённые к ней.
На рисунке 1 приведена типовая схема для компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник. Здесь имеют место три фильтрующие ветви, относящиеся к 5, 7, 11-ой гармоникам. Количество необходимых фильтрующих ветвей зависит от требуемой реактивной мощности, необходимой для компенсации, а также от измерений и точного анализа содержания конкретных гармоник в сети.

рис 1. Упрощённая схема цепи компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник.

Фильтры – это последовательные резонансные системы LC, параллельно подключенные к цепи питания преобразователя, которые исполняют двойную роль: компенсируют реактивную мощность, потребляемую приводной системой, и предотвращают проникновение высших гармоник в электрическую сеть. Реактивное сопротивление фильтра, в зависимости от номера гармоники, определяется по формуле (3).

	(3)
где: Lf ,Cf – индуктивность и ёмкость ветви цепи, представляющей фильтр; n – порядок гармоники;  ω – угловая частота n-гармоники.

При правильном выборе величин индуктивности и ёмкости, фильтр для основной гармоники и для гармоник низших, чем nr (резонансная частота) порядков, будет являться емкостной нагрузкой, а для всех гармоник высших порядков – индуктивной нагрузкой. Для резонансной частоты ветвь LC будет иметь небольшое полное сопротивление, равное в принципе активному сопротивлению обмоток дросселя. Ток с резонансной частотой будет замыкаться между преобразователем и фильтром, не попадая в сеть питания. Для основной гармоники ветви фильтра всегда имеют емкостной характер, что в практике означает реализацию компенсации реактивной мощности (рис.2).

рис 2. Характеристика полного сопротивления фильтра LC

Примеры исполнения пассивных фильтров LC
Существует большое количество технических решений промышленного применения, однако, наиболее часто используются пассивные фильтры LC (рис.3).

рис 3. Примеры схем пассивных фильтров LC

Ветви фильтра LC, представленного на (рис.3a), во время работы находятся под линейным напряжением сети. В связи с этим, конденсаторные батареи и дроссели будут в этом случае, особенно в диапазоне средних напряжений, значительно дороже, чем в схемах (рис.3b,c). Поэтому конфигурация фильтра (рис.4a) применяется повсеместно в системах низкого напряжения. Недостатком этого решения является отсутствие возможности фильтрования гармоник кратных трем. Это является возможным только в схеме звезды с заземлённой нулевой точкой.
В схеме (рис.3b) значения напряжений на отдельных фазах фильтра зависят от ёмкости и индуктивности каждой ветви. В связи с необходимостью обеспечения одинакового рабочего напряжения во всех трёх фазах, необходимо обеспечить точную симметрию ёмкости и индуктивности. Схемы (рис.4a,b) могут применяться в любых системах трёхфазной сети. А схема (рис.3c) не может быть применена в сети с изолированной нейтралью или с нейтралью, заземлённой через успокаивающий дроссель. В такой схеме ветви фильтра работают практически при равных напряжениях (U_p/√3). В случае замыкания одной фазы на землю, в остальных ветвях появляется наименьшее линейное напряжение U_p . Это напряжение в √3 раза больше напряжения при нормальном режиме работы. Конденсаторная батарея в этом случае должна быть очень быстро выключена (t ≤ 1мин.). А в сетях с изолированной нейтралью о коротких замыканиях на землю в основном только поступает аварийный сигнал, замыкание длится значительно дольше, что является существенной опасностью для системы фильтров.
Параметры дросселей, предназначенных для работы в системах фильтрации гармоник, находятся соответственно в пределах от десятых долей до нескольких миллигенри и от нескольких до нескольких сотен ампер. Эти параметры зависят исключительно от схемы фильтра, ёмкости и мощности конденсаторной батареи, совместно с которой дроссель будет работать. Стержень дросселя изготавливается из электротехнической кремнистой жести толщиной (0,25 – 0,5) мм. Обмотки выполнены из обмоточного провода, круглого или профильного, навиты на каркасах и размещены на сердечнике. После закрытия сердечника всё подвергается вакуумной импрегнации, которая успешно защищает дроссель от воздействия климатических факторов. После оснащения дросселя выводами или кабельными наконечниками, а также механическим оборудованием, готовое устройство подвергается серии тестов на электрической испытательной станции. Эти испытания выявляют все возможные недостатки изделия, которые могли остаться незамеченными в процессе производства. Все работы, начиная от приобретения материалов, используемых для изготовления, и кончая отправкой готового изделия, производятся в соответствии с процедурами системы обеспечения качества ISO-9002, что гарантирует наивысшее качество выпускаемых машин и оборудования.

рис 4. Фильтрующий дроссель.

Наша фирма производит воздушные однофазные и трёхфазные дроссели без сердечников.
Устройства проектируются по индивидуальному заказу и техническим требованиям клиента.
Вольт-амперная характеристика воздушных дросселей – линейная. Это означает отсутствие эффекта ферромагнитного насыщения сердечника. По сравнению с дросселями с магнитными сердечниками воздушные дроссели характеризуются меньшим весом.
В случае дросселей без сердечника в результате сильного рассеивания магнитного потока возникают большие потери.
Воздушные дроссели выполняют роль индуктивных элементов, сглаживающих либо ограничивающих скорость нарастания напряжения du/dt. Данные дроссели используются в схемах с преобразователями низких и средних напряжений.

Воздушный дроссель ELHAND
модели 3xED1PH-2mH/540A; 6кВ.

Воздушный дроссель ELHAND
модели 2xED1P-4mH/170A; 0,75кВ; 300Гц