ЭМС-фильтр для частотного преобразователя: зачем нужен и как уменьшить помехи

ЭМС-фильтр — это фильтр радиопомех, который устанавливают на входе частотного преобразователя, чтобы высокочастотные помехи от его силовой электроники не уходили в питающую сеть. Он защищает соседнее оборудование — датчики, контроллеры, связь, медицинскую и бытовую технику — от сбоев, а сам частотный привод помогает привести в соответствие нормам электромагнитной совместимости.

Фильтр ЭМС для частотного преобразователя: что это

Если коротко отвечать на вопрос «фильтр ЭМС для частотного преобразователя — что это», то это LC-фильтр нижних частот: он беспрепятственно пропускает ток сети 50 Гц, но подавляет высокочастотные составляющие от сотен килогерц до десятков мегагерц, которые порождает инвертор.

ЭМС расшифровывается как «электромагнитная совместимость» — способность оборудования работать рядом с другими устройствами, не мешая им и не реагируя на их помехи. В англоязычной документации такой фильтр называют EMC filter или RFI filter (radio frequency interference).

Важно не путать ЭМС-фильтр с другими устройствами, которые тоже ставят рядом с частотником:

• сетевой дроссель снижает низкочастотные гармоники тока (5-ю, 7-ю, 11-ю) и броски тока при подаче питания;

• моторный дроссель и dU/dt-фильтр ставят на выходе, они защищают изоляцию двигателя от крутых фронтов напряжения;

• синус-фильтр превращает импульсное напряжение на выходе почти в синусоиду.

ЭМС-фильтр решает другую задачу — подавляет именно высокочастотные помехи, которые распространяются по проводам сети и излучаются в эфир.

Откуда берутся помехи и чем они опасны

Источник помех — сам принцип работы частотного преобразователя. Выходные IGBT-транзисторы переключаются с частотой 2–16 кГц, и каждое переключение — это скачок напряжения на сотни вольт за доли микросекунды. Такие крутые фронты содержат широкий спектр высокочастотных составляющих.

Помехи распространяются двумя путями:

• Кондуктивные — по проводам. Высокочастотный ток утекает через ёмкость кабеля двигателя и обмоток на землю, возвращается к частотнику через контур заземления и питающую сеть. Так помехи попадают в другие устройства, подключённые к той же сети. Нормируются в диапазоне 150 кГц – 30 МГц.

• Излучаемые — по воздуху. Неэкранированный кабель двигателя работает как антенна. Нормируются в диапазоне 30 МГц – 1 ГГц.

К чему приводят помехи на практике:

• сбои аналоговых сигналов 4–20 мА и 0–10 В, «скачущие» показания датчиков давления и температуры;

• зависания контроллеров и панелей оператора, ошибки связи по RS-485 и Modbus;

• ложные срабатывания УЗО и защиты от замыкания на землю;

• шумы в радиосвязи, системах видеонаблюдения, аудиоаппаратуре;

• в жилых и общественных зданиях — жалобы соседей и претензии энергоснабжающей организации.

Требования к помехоэмиссии частотных приводов задаёт стандарт IEC 61800-3, в России действует его аналог ГОСТ Р МЭК 61800-3.

Как устроен и работает ЭМС-фильтр

Внутри ЭМС-фильтра — комбинация дросселей и конденсаторов:

• синфазный дроссель — кольцевой сердечник, на который намотаны все фазы. Ток сети 50 Гц через него проходит без потерь, а синфазная высокочастотная помеха, текущая по всем фазам в одну сторону, встречает большое сопротивление;

• X-конденсаторы между фазами замыкают дифференциальные помехи;

• Y-конденсаторы между фазами и корпусом отводят синфазные помехи на землю — обратно к источнику, а не в сеть.

Поэтому эффективность фильтра напрямую зависит от качества его соединения с землёй: Y-конденсаторы работают только при надёжном контакте корпуса фильтра с заземлённой монтажной панелью.

Встроенный и внешний фильтр

Многие современные частотники выпускаются со встроенным ЭМС-фильтром — это отмечается в обозначении модели или в паспорте. Встроенного фильтра обычно достаточно для промышленной сети. Для жилых зданий или при длинном кабеле двигателя добавляют внешний фильтр, который ставят между автоматом и входными клеммами преобразователя.

Категории C1, C2, C3

Стандарт IEC 61800-3 делит частотные приводы на категории в зависимости от места установки. Чем ниже номер категории, тем жёстче требования к помехам и тем мощнее нужен фильтр.

Категория в паспорте всегда указывается для определённой длины кабеля двигателя. При более длинном кабеле привод может перестать соответствовать заявленной категории.

Когда ЭМС-фильтр нужен и как его выбрать

Внешний ЭМС-фильтр обязателен или настоятельно рекомендован в следующих случаях:

• частотный преобразователь установлен в жилом или общественном здании: в ИТП, насосной, вентиляционной камере жилого дома, школы, больницы;

• рядом работают чувствительные устройства: измерительные приборы, медицинская техника, системы связи и безопасности;

• кабель двигателя длиннее, чем допускает встроенный фильтр по паспорту;

• уже наблюдаются сбои датчиков, контроллеров или ложные срабатывания защиты.

На промышленном предприятии с отдельным трансформатором часто достаточно встроенного фильтра C3 и правильного монтажа.

Как выбрать ЭМС-фильтр:

1. По напряжению и числу фаз — однофазный 230 В или трёхфазный 400 В, совпадающий с питанием частотника.

2. По номинальному току — не меньше входного тока преобразователя, а не тока двигателя.

3. По категории — C1, C2 или C3 в зависимости от места установки.

4. По допустимой длине кабеля двигателя — она указана в паспорте фильтра для каждой категории.

5. По совместимости — лучше всего фильтр, рекомендованный производителем частотника: он рассчитан на его частоту ШИМ и проверен в связке.

6. По типу сети — в сетях IT (с изолированной нейтралью) Y-конденсаторы фильтра отключают или выбирают специальный фильтр, иначе возможны повреждения и ложные срабатывания контроля изоляции.

Учтите, что ЭМС-фильтр увеличивает ток утечки на землю. Поэтому на входе частотного привода с фильтром ставят УЗО типа B с уставкой не менее 300 мА, а иногда защитное отключение не применяют вовсе — по решению проектировщика.

Как уменьшить помехи от частотного преобразователя

Сам по себе фильтр не решает проблему, если монтаж выполнен с ошибками. Помехи снижают комплексом мер.

1. Правильный монтаж фильтра:

• фильтр ставят как можно ближе к частотнику, на ту же металлическую монтажную панель;

• корпус фильтра крепят к оцинкованной панели без краски — нужен электрический контакт по большой площади, а не только через провод PE;

• кабель между фильтром и частотником делают коротким, не длиннее 30–50 см;

• входные провода фильтра (со стороны сети) и выходные (к частотнику) разносят: если их проложить рядом, помеха перескочит через ёмкостную связь в обход фильтра.

2. Экранированный кабель двигателя. Это главная мера против излучаемых помех. Экран заземляют по всему периметру (360°) с обеих сторон — у частотника и в клеммной коробке двигателя — через металлические ЭМС-зажимы или кабельные вводы. Заземление экрана скрученной «косичкой» сводит его эффективность на высоких частотах почти к нулю.

3. Короткий кабель двигателя. Чем длиннее кабель, тем больше его ёмкость на землю и токи утечки. Если кабель длиннее допустимого по паспорту, ставят моторный дроссель или синус-фильтр.

4. Раздельная прокладка кабелей. Силовые кабели двигателя, кабели питания и сигнальные линии прокладывают в разных лотках, на расстоянии не менее 20–30 см. Пересекать их нужно под прямым углом.

5. Сигнальные линии. Для датчиков и аналоговых сигналов используют экранированную витую пару, экран заземляют со стороны частотника или контроллера. Если наводки на 0–10 В не уходят, переходят на токовый сигнал 4–20 мА — он устойчивее.

6. Несущая частота ШИМ. Снижение несущей частоты уменьшает число переключений и уровень помех, но увеличивает акустический шум двигателя. Это компромисс, который подбирают по месту.

7. Ферритовые кольца. На кабель двигателя у выхода частотника иногда надевают синфазные ферритовые кольца — они дополнительно гасят высокочастотные токи утечки.

Частые вопросы

Можно ли поставить ЭМС-фильтр на выход частотника? Нет. Обычный сетевой ЭМС-фильтр рассчитан только на вход. На выходе его конденсаторы окажутся под импульсным напряжением и быстро выйдут из строя, а частотник может уйти в аварию по току. На выходе применяют моторные дроссели, dU/dt- и синус-фильтры.

Нужен ли внешний фильтр, если в частотнике уже есть встроенный? В промышленной сети чаще всего нет. Внешний фильтр добавляют, если привод стоит в жилом или общественном здании, кабель двигателя длиннее допустимого для встроенного фильтра или помехи всё равно мешают соседнему оборудованию.

Почему после установки фильтра срабатывает УЗО? Y-конденсаторы фильтра создают ток утечки на землю. Обычное УЗО типа AC или A на 30 мА воспринимает его как утечку. Для частотных приводов применяют УЗО типа B с уставкой 300 мА или специальные устройства для инверторной нагрузки.

Помогает ли ЭМС-фильтр от гармоник? Нет, от низкочастотных гармоник тока (до 2–2,5 кГц) защищает сетевой дроссель или дроссель в звене постоянного тока. ЭМС-фильтр работает в диапазоне от 150 кГц и выше.

Заключение

ЭМС-фильтр для частотного преобразователя — недорогой элемент, который избавляет от сбоев датчиков, контроллеров и связи, а в жилых зданиях — ещё и от претензий соседей и надзорных органов. Но сам фильтр работает только вместе с правильным монтажом: короткие соединения, контакт с заземлённой панелью, экранированный кабель двигателя с заземлением экрана по всему периметру и раздельная прокладка силовых и сигнальных линий.