Фильтры DANFOSS: классификация, принцип действия и применение в электротехнических системах

Фильтры DANFOSS представляют собой серию пассивных и активных устройств, предназначенных для подавления электромагнитных помех (ЭМП) в силовых цепях частотно-регулируемых приводов (ЧРП), сервоприводов и другого оборудования с импульсными преобразователями энергии. Основная функция — обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) в соответствии с международными стандартами IEC/EN 61800-3, снижение уровня гармонических искажений и защита оборудования от перенапряжений в сети.

Классификация и типы фильтров Danfoss

Продуктовая линейка делится на несколько категорий в зависимости от места установки, конструкции и решаемых задач.

1. Сетевые дроссели (Line Reactors / Input Chokes)

Устанавливаются на входе преобразователя. Основные функции: ограничение пусковых токов, снижение скорости нарастания тока (di/dt), защита конденсаторов звена постоянного тока, частичное подавление высших гармоник (особенно 5-й и 7-й).

• Серия DCR (Danfoss Commercial Reactor): Стандартные дроссели для общего применения.
• Серия VACON® NXP Input Choke: Специализированные дроссели для приводов VACON, рассчитанные на определенный диапазон мощностей и уровней гармоник.

2. Входные фильтры ЭМС (EMC Input Filters)

Пассивные LC/LC-фильтры, устанавливаемые между сетью и входом ЧРП. Предназначены для подавления синфазных и дифференциальных помех, излучаемых приводом обратно в питающую сеть. Обеспечивают соответствие классам ЭМС.

• Класс A: Для промышленных сред, не подключенных к сетям низкого напряжения, питающим жилые здания.
• Класс B (более строгий): Для установок в жилых зонах и на объектах, подключенных к той же сети, что и жилые помещения.

Пример: Фильтры серий VACON® NXP, совместимые с приводами соответствующей мощности.

3. Моторные дроссели (Motor Chokes / Output Reactors)

Устанавливаются между выходом ЧРП и электродвигателем. Ключевые задачи: снижение скорости нарастания напряжения (du/dt) на выходах ШИМ-преобразователя, уменьшение токов утечки через емкость кабеля, продление срока службы изоляции обмоток двигателя, особенно при длинных кабелях (>50 м).

4. Фильтры синусоидальной формы выходного напряжения (dv/dt и синус-фильтры)

Наиболее продвинутый класс выходных фильтров.

• dv/dt-фильтры: Уменьшают скорость нарастания напряжения до уровня, безопасного для стандартной изоляции двигателя (менее 500 В/мкс).

Синус-фильтры (Sine-wave filters): Преобразуют ШИМ-сигнал на выходе привода в практически синусоидальное напряжение. Это позволяет использовать стандартные двигатели на больших расстояниях (сотни метров), значительно снижает потери в кабеле и нагрев двигателя, устраняет явление отраженных волн.

5. Гармонические фильтры (Active Harmonic Filters — AHF)

Активные устройства, компенсирующие гармонические искажения в реальном времени. Danfoss предлагает решения типа AHF для компенсации токов высших гармоник в сетях 0.4 кВ. Они измеряют гармоники и генерируют компенсирующий ток противоположной фазы, что позволяет достичь коэффициента нелинейных искажений THDi менее 5%.

Технические характеристики и выбор

Выбор фильтра Danfoss осуществляется на основе системных параметров.

Сравнительная таблица основных типов фильтров Danfoss

Тип фильтра	Место установки	Основная функция	Нормируемый стандарт ЭМС	Ключевые параметры при выборе
Сетевой дроссель	Вход преобразователя	Ограничение пусковых токов, подавление гармоник	Косвенное влияние	Индуктивность (%), номинальный ток, падение напряжения
Входной фильтр ЭМС	Вход преобразователя	Подавление кондуктивных помех	IEC/EN 61800-3 (Класс A/B)	Класс ЭМС, номинальное напряжение/ток, степень защиты IP
Моторный дроссель	Выход преобразователя	Защита двигателя (du/dt), ограничение токов утечки	Не применимо	Индуктивность, максимальная рабочая частота, длина кабеля
Синус-фильтр	Выход преобразователя	Формирование синусоидального напряжения на двигателе	Не применимо	Мощность привода, несущая частота ШИМ, длина кабеля
Активный гармонический фильтр (AHF)	Параллельно нагрузке в РУ	Активная компенсация гармоник и реактивной мощности	IEC/EN 61000, ГОСТ Р 51317.3.12	Уровень гармоник в сети (THDi), требуемый ток компенсации

Принципы интеграции в систему

Правильный монтаж критически важен для эффективности фильтров.

• Прокладка кабелей: Входные и выходные силовые кабели должны быть разнесены друг от друга (минимум на 30 см) или пересекаться только под прямым углом для минимизации перекрестных помех.
• Заземление: Корпус фильтра должен быть подключен к шине защитного заземления с минимальной длиной и максимальной площадью контакта. Сечение проводника заземления должно соответствовать номинальному току фильтра.
• Коммутация: Не рекомендуется устанавливать устройства коммутации (контакторы, автоматы) между фильтром и приводом, так как это может создать паразитные контуры и ухудшить характеристики ЭМС.
• Тепловой режим: Необходимо обеспечить естественную конвекцию вокруг фильтра согласно рекомендациям по монтажу. Нагрев выше допустимого снижает эффективность и срок службы.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1: Обязательно ли использовать сетевой дроссель, если в приводе Danfoss уже есть встроенный EMC-фильтр?

Да, в большинстве случаев рекомендуется. Встроенный EMC-фильтр предназначен в первую очередь для подавления высокочастотных помех. Сетевой дроссель (рекомендуемая индуктивность 2-4%) решает другую задачу: он ограничивает броски тока при включении, защищает выпрямитель привода, снижает влияние несимметрии напряжения и подавляет низкочастотные гармоники (начиная с 5-й). Эти функции дополняют друг друга.

Вопрос 2: Какой класс входного EMC-фильтра (A или B) выбрать для промышленного цеха?

Если питающая сеть цеха не имеет прямой связи (через трансформатор) с сетями, питающими жилые дома, офисы или медицинские учреждения, допустимо применение фильтров класса A. Однако, если такая связь существует, или если цех расположен в городской черте, а требования местных норм строгие, необходимо применять фильтры класса B. Всегда следует руководствоваться проектной документацией и нормами ЭМС на объекте.

Вопрос 3: В чем принципиальная разница между моторным дросселем и синус-фильтром?

Моторный дроссель (обычно с индуктивностью 1-3%) лишь уменьшает скорость нарастания напряжения (du/dt) и сглаживает пики напряжения, но форма выходного сигнала остается ШИМ-модулированной. Синус-фильтр — это комплексный LC-фильтр нижних частот с более высокой индуктивностью и подобранной емкостью. Он практически полностью сглаживает ШИМ-несущую, подавая на двигатель синусоидальное напряжение с минимальными искажениями. Синус-фильтр необходим для очень длинных кабелей или для питания двигателей со старой или поврежденной изоляцией.

Вопрос 4: Можно ли использовать один входной фильтр на группу нескольких частотных преобразователей?

Нет, это не рекомендуется и, как правило, запрещено инструкцией по монтажу. Фильтр рассчитывается и согласовывается с конкретной моделью привода по току и спектру помех. Подключение группы приводов к одному фильтру приведет к его перегрузке, резкому снижению эффективности подавления помех и возможному выходу из строя. Каждый привод должен быть укомплектован собственным фильтром.

Вопрос 5: Как активный гармонический фильтр (AHF) Danfoss взаимодействует с конденсаторными батареями для компенсации реактивной мощности?

Активный фильтр Danfoss AHF может работать в сети параллельно с конденсаторными установками (УКРМ), но их настройка требует тщательного расчета. AHF компенсирует гармонические токи, которые могут вызывать перегрузку и резонанс в конденсаторных батареях. Рекомендуется сначала установить AHF для подавления гармоник, а затем, при необходимости, подключать УКРМ для компенсации реактивной мощности на основной частоте. В некоторых случаях AHF может частично или полностью брать на себя функцию компенсации реактивной мощности.

Заключение

Фильтры DANFOSS являются неотъемлемым компонентом для построения надежных и соответствующих нормам ЭМС систем на базе регулируемого электропривода. Их корректный подбор по типу, классу и номинальным параметрам, а также профессиональный монтаж и коммутация напрямую влияют на энергоэффективность, бесперебойность работы и срок службы как самого привода, так и подключенного к нему электрооборудования. Использование специализированных фильтров — сетевых, моторных, синус-фильтров или активных гармонических фильтров — позволяет решать комплекс задач: от обеспечения электромагнитной совместимости до защиты дорогостоящих асинхронных двигателей и снижения потерь в кабельных сетях.