Dławiki

Dławiki rdzeniowe - informacje ogólne.
Dławiki rdzeniowe stały się nieodłącznym elementem nowoczesnych układów energoelektroniki i energetyki. Możliwe miejsca pracy dławików rdzeniowych w układzie przedstawiają poniższe rysunki:

Dławiki z rdzeniami z blachy elektrotechnicznej znajdują zastosowanie w zakresie częstotliwości do kilkuset herców. Podstawowe parametry dławików to indukcyjność oraz prąd znamionowy, które dla dławików o tej konstrukcji w wykonaniu naszej firmy ELHAND, mieszczą się w granicach od kilkudziesięciu (µH) do kilkuset (mH) oraz od kilku do kilkuset (A). W obwodach prądu przemiennego dławiki z rdzeniami stalowymi stosowane są w dolnoprzepustowych filtrach napięć wyjściowych lub w filtrach selektywnych LC umożliwiających eliminację wybranych harmonicznych prądu. W obwodach prądu stałego dławiki stosuje się najczęściej do wygładzania charakterystyk napięć i prądów wyjściowych prostowników oraz do zapewnienia w szerokim zakresie pracy przekształtnika, ciągłego przebiegu prądu wyprostowanego. Na uwagę zasługuje również zastosowanie dławików indukcyjnych do kompensacji mocy biernej pojemnościowej.

1. Dławiki sieciowe typu ED1N i ED3N.
Przekształtniki są odbiornikami, które najczęściej wymagają zastosowania dławików sieciowych w obwodach łączących przekształtnik z siecią zasilającą. Dławik ten pełnią rolę ochronną zarówno w stosunku do samego przekształtnika jak i sieci zasilającej. Zawory układów przekształtnikowych potrzebują ochrony zapewniającej powstrzymanie narastania prądu przewodzenia do chwili przełączenia struktury PNPN w stan przewodzenia. W takich układach zachodzi konieczność stosowania dławików sieciowych.
Zastosowanie dławików sieciowych w układach przekształtników powoduje również osłabienie wzajemnego oddziaływania przekształtników zasilanych z tego samego transformatora, podczas komutacji. Użycie dławików powoduje spadek amplitudy impulsu prądu wstecznego przy wyłączaniu zaworu , przepięć komutacyjnych oraz mocy wydzielanej w obwodach tłumiących. Proces komutacji przebiega więc znacznie łagodniej. Dławiki sieciowe zabezpieczają ponadto sieć zasilającą przed niekorzystnym wpływem przekształtników ograniczając propagacje wyższych harmonicznych w sieci. W wypadku dławików sieciowych należy zwrócić uwagę, aby charakterystyka magnetowodu uniemożliwiała wejście dławika w stan nasycenia w całym zakre-sie spodziewanych prądów odbiornika.

2. Dławiki silnikowe typu ED1S i ED3S.
Dławiki silnikowe znajdują szerokie zastosowanie w przekształtnikowych układach napędowych zarówno prądu stałego jak i przemiennego. Są instalowane w obwodach łączących przekształtnik z silnikiem. W zależności od rodzaju układu napędowego, z którym współpracują mają do spełnienia wiele zadań min. zapewnienie ciągłości oraz wygładzenie pulsacji prądu silnika, minimalizację prądu zwarciowego w obwodzie obciążenia przekształtnika jak również ograniczenie przepięć komutacyjnych i kompensację pojemności linii zasilającej.

2.1. Zadania dławików silnikowych w sterowanych układach prostownikowych.
Tętnienie prądu wyprostowanego w obwodzie silnika zasilanego przez prostownik sterowany powoduje iskrzenie pod szczotkami oraz utrudnia proces komutacji.
Brak ciągłości przebiegu prądu w obwodzie zasilającym silnik powoduje niekorzystne zmiany w przebiegu charakterystyk mechanicznych silnika oraz prowadzi do pogorszenia własności dynamicznych napędu. Z tego powodu, jednym z ważniejszych zadań dławika silnikowego ED1S jest zapewnienie jak najszerszego zakresu przewodzenia prądu ciągłego w obwodzie wyjściowym przekształtnika. Prąd ten przyjmuje charakter nieciągły tym częściej im mniejsze są wartości prądu i indukcyjności obciążenia.

2.2. Rola dławików silnikowych w układach napędowych prądu przemiennego.
Napięcia wyjściowe przekształtników to ciąg prostokątnych impulsów o regulowanej szerokości i częstotliwości. Szybkość narastania impulsów przebiegu napięcia jest bardzo duża i stwarza zagrożenie dla izolacji zasilanych maszyn. Ograniczenie szybkości narastania napięcia a w konsekwencji ryzyka uszkodzenia izolacji silnika uzyskuje się umieszczając pomiędzy silnikiem a falownikiem dławik silnikowy typu ED3S.
Dławiki silnikowe ED3S stosowane są również w celu ograniczenia prądów zwarciowych do czasu zadziałania zabezpieczeń i wyłączenia prądu w obwodzie. Najczęściej dobór odpowiedniej indukcyjności dławika silnikowego jest jedyną możliwością ochrony zaworów układów przekształtnikowych. Dobór indukcyjności dławika silnikowego ED3S uzależniony jest od maksymalnej wartości prądu zwarciowego w układzie. Prąd ten nie może przekraczać niepowtarzalnej, szczytowej wartości prądu tyrystora ITSM.
W praktyce często zachodzi konieczność doprowadzenia napięcia do napędów znacznie oddalonych od źródła zasilania. Długie linie zasilające posiadają duże pojemności, które przyczyniają się do znacznego wzrostu strat mocy w obwodzie. Dławik silnikowy ED3S oprócz ochrony izolacji maszyny kompensuje pojemność linii zasilającej oraz ogranicza harmoniczne i przepięcia komutacyjne w obwodzie silnika.

3. Dławiki filtrów pasywnych oraz dławiki ochronne baterii pojemnościowych.
3.1. Dławiki filtrów pasywnych typu ED3LC.
Wprowadzenie przekształtników tyrystorowych do zasilania i sterowania maszyn elektrycznych dużych mocy spowodowało pojawienie się wyższych harmonicznych przedostających się do sieci w czasie pracy prze-kształtnikowych układów napędowych. W celu ograniczenia niekorzystnego wpływu układów przekształtnikowych na sieć elektryczną, a także na pracę baterii kondensatorowych które mogą być podłączone do tej sieci, stosuje się układy filtrów wyższych harmonicznych.
Filtry to szeregowe układy rezonansowe LC włączone równolegle w obwód zasilania przekształtnika, które spełniają podwójną rolę – kompensują moc bierną pobieraną przez układ napędowy oraz zapobiegają prze-dostawaniu się wyższych harmonicznych do sieci elektrycznej. Reaktancja filtru w zależności od numeru harmonicznej wynosi :

gdzie: Lf ,Cf – indukcyjność oraz pojemność gałęzi obwodu stanowiącej filtr; n – rząd harmonicznej; ω – pulsacja

Przy odpowiednio dobranych wartościach indukcyjności i pojemności, filtr dla harmonicznej podstawowej oraz dla harmonicznych niższego rzędu niż nr (częstotliwość rezonansowa) będzie stanowił obciążenie po-jemnościowe, natomiast dla wszystkich harmonicznych wyższych rzędów obciążenie indukcyjne. Dla często-tliwości rezonansowej gałąź LC będzie stanowiła bardzo małą impedancję. Prąd o częstotliwości rezonan-sowej będzie zamykał się między przekształtnikiem a filtrem nie przedostając się do sieci zasilającej. W trójfazowych układach najczęściej stosuje się obwody filtrujące dla częstotliwości 5, 7, 11, 13 harmonicznej. Dla podstawowej harmonicznej gałęzie filtru zawsze mają charakter pojemnościowy, co oznacza, iż zmniejszają prąd bierny podstawowej częstotliwości.

3.2. Dławiki ochronne baterii pojemnościowych typu ED3F.
Pojemnościowe baterie kompensacyjne instalowane kilkanaście lat temu, nie były zabezpieczane dławikami tłumiącymi. Powoduje to obecnie łatwe do przewidzenia problemy eksploatacyjne, kończące się najczęściej uszkodzeniem kondensatorów baterii. Dławiki typu ED3F zabezpieczają baterie pojemnościowe przed przeciążeniem prądami harmonicznymi.
W większości sieci przemysłowych w wyniku instalowania wielu odbiorników nieliniowych poziom wyższych harmonicznych napięcia i prądu jest niebezpieczny dla transformatorów, silników oraz szczególnie dla baterii kondensatorów. Poprawne wyznaczenie parametrów dławików ED3F decyduje o skuteczności ochrony baterii kompensacyjnej. W tym celu niemal konieczne jest wykonanie pomiarów zawartości wyższych harmonicznych w projektowanym miejscu pracy baterii kompensacyjnej. Na podstawie otrzymanego widma har-monicznych wybieramy odpowiednią częstotliwość rezonansową układu bateria-dławik. Jest to najczęściej częstotliwość pośrednia między częstotliwościami tych harmonicznych napięcia i prądu, które nie występują lub mają najmniejszy udział w widmie pomiarowym. Odstrojony układ rezonansowy bateria-dławik będzie wykazywał nieznaczną impedancję dla częstotliwości harmonicznych znajdujących się w pobliżu częstotliwości rezonansowej. Jednocześnie będzie silnie tłumił prądy o częstotliwościach odległych od częstotliwości rezonansowej.

4. Dławiki kompensacyjne typu ED3K.
Grupa dławików kompensacyjnych przeznaczona jest do kompensacji mocy biernej pojemnościowej, będącej efektem pracy maszyn synchronicznych oraz rozległych sieci kablowych NN i SN przy ich niedostatecznym obciążeniu. Bardzo często dławiki łączy się w baterie dławikowe współpracujące z automatycznymi regulatorami cosø. Baterie takie umożliwiają grupową, znacznie efektywniejszą nadążną kompensację mocy biernej, która zapobiega ewentualnemu przekompensowaniu sieci.
Podstawowym parametrem użytkowym tego typu dławików jest wytwarzana przez nie moc bierna indukcyjna, którą wyznacza się z zależności :

gdzie: In – znamionowa wartość skuteczna prądu sinusoidalnie przemiennego; ω –znamionowa pulsacja; L – indukcyjność dławika

5. Dławiki wygładzające typu ED1W.
Na wyjściu prostowników diodowych oraz tyrystorowych, a także przekształtników prócz składowej stałej napięcia i prądu otrzymujemy zwykle niepożądane w obwodzie obciążenia składowe przemienne. Włączony w szereg z obciążeniem dławik wygładzający pozwala na uzyskanie dostatecznie małych tętnień napięcia i prądu przy dużej częstotliwości składowych przemiennych. W układach prostownikowych zasilanych napięciem o częstotliwości przemysłowej wygładzanie napięcia i prądu tylko za pomocą dławika wymagałoby stosowania elementów o bardzo dużych indukcyjnościach. W takim wypadku dławik łączy się z pojemnością tworząc filtr LC. Ważnymi parametrami dławika wygładzającego, określającymi jego moc budowy, są:
indukcyjność, wartość prądu znamionowego oraz amplituda i częstotliwość pulsacji.

6. Dławiki ograniczające stromość napięcia du/dt, typu ED3dU.
Dławiki ED3dU montowane na wyjściu przekształtnika, ograniczają stromość napięcia du/dt ok. 2-2,5 razy do 700 V/μs i amplitudę przepięć do 1000V. Chronią uzwojenia stojana asynchronicznego silnika przed przebiciem i pozwalają zwiększyć długość kabla zasilającego silnik do 100 mb.

Sieć zasilająca może być narażona na oddziaływanie odbiorników nieliniowych powodujących odkształcenia przebiegu napięcia sinusoidalnego, a zatem wzrost strat i zakłócenia w pracy pozostałych maszyn i urządzeń przyłączonych do tej sieci.
W celu ograniczenia propagacji harmonicznych w lokalnych zakładowych sieciach NN, są stosowane dławiki sieciowe. Oprócz tego realizują one inne zadania, min. tłumią przepięcia komutacyjne, a w wypadku zwarcia zmniejszają wartość ustalonego prądu zwarciowego oraz stromość jego narastania.

Podstawowe funkcje dławików sieciowych w przekształtnikowych układach zasilania.
Układy przekształtników tyrystorowych małej mocy mogą być zasilane bezpośrednio z sieci bez indywidualnego transformatora. W takich okolicznościach konieczne jest stosowanie, w linii pomiędzy siecią zasilającą a przekształtnikiem dławików sieciowych (typu ED1N lub ED3N). Dławiki te pełnią rolę ochronną zarówno w stosunku do samego przekształtnika jak i sieci zasilającej.

Uproszczony schemat przekształtnika zasilającego silnik klatkowy.

Prostowniki sterowane oraz przekształtniki częstotliwości generują w sieci szereg harmonicznych, które silnie zniekształcają przebieg sinusoidy napięcia niosąc ze sobą wzrost strat mocy we wszystkich maszynach i urządzeniach zasilanych z sieci.
Dławiki sieciowe (ED1N lub ED3N) ograniczają rozprzestrzenianie się wyższych harmonicznych w sieci oraz tłumią przepięcia komutacyjne powstające podczas przełączania tyrystorów. Zastosowanie dławików sieciowych powoduje więc osłabienie wzajemnego zakłócania się przekształtników podczas komutacji.
Zawory układów przekształtnikowych często potrzebują ochrony zapewniającej powstrzymanie narastania prądu przewodzenia do chwili przełączenia struktury pnpn w stan przewodzenia. Najprostszą metodą realizacji tego zadania jest zainstalowanie dławików sieciowych.
Dobierając dławik należy zwrócić uwagę na wzajemną zależność indukcyjności sieci zasilającej LS oraz indukcyjności dławika LED3N, które powinny spełniać warunek (1).

	(1)
gdzie: UTm – największa możliwa w danym układzie wartość napięcia blokowania w chwili poprzedzającej przełączenie tyrystora; (diT/dt)crit – krytyczna stromość narastania prądu przewodzenia tyrystora; LS – indukcyjność zastępcza sieci i źródła.

Jeżeli z zależności (1) otrzymamy wynik L_ED3N ≤ 0 oznacza to, że instalowanie dławików sieciowych jest zbędne ponieważ indukcyjność sieci w wystarczającym stopniu ogranicza wartość pochodnej prądu.
Bardziej praktycznym sposobem wyznaczenia parametrów technicznych dławików sieciowych jest założenie dopuszczalnego spadku napięcia na dławiku, który nie powinien przekroczyć kilku procent napięcia znamionowego sieci. Znając wartość prądu obciążenia możemy korzystając z równania (2) określić indukcyjność dławika przyjmując kilkuprocentowy spadek napięcia na dławiku:

Należy zwrócić uwagę na to, by charakterystyka magnetowodu uniemożliwiała wejście dławika sieciowego w stan nasycenia w całym zakresie spodziewanych prądów odbiornika.

Dławik sieciowy ELHAND typu ED3N-0,77mH/70A.

Dławiki silnikowe.
Przekształtniki są najczęściej stosowanymi układami zasilania i regulacji prędkości obrotowej silników elektrycznych. W celu poprawienia charakterystyk mechanicznych oraz własności dynamicznych układu napędowego często między silnikiem a układem przekształtnika umieszcza się dławiki silnikowe (ED1S lub ED3S).
Dławiki silnikowe znajdują szerokie zastosowanie w przekształtnikowych układach napędowych zarówno prądu stałego jak i przemiennego. W zależności od rodzaju układu napędowego, z którym współpracują mają do spełnienia wiele zadań min. zapewnienie ciągłości oraz wygładzenie pulsacji prądu silnika, minimalizację prądu zwarciowego w obwodzie obciążenia przekształtnika jak również ograniczenie przepięć komutacyjnych i kompensację pojemności linii zasilającej.

Zadania dławików silnikowych w sterowanych układach prostownikowych.
Tętnienie prądu wyprostowanego w obwodzie silnika zasilanego przez prostownik sterowany powoduje iskrzenie pod szczotkami oraz utrudnia proces komutacji. Odpowiednio dobrany dławik silnikowy ED1S umieszczony w obwodzie obciążenia prostownika umożliwia ograniczenie wartości skutecznej pierwszej harmonicznej prądu do dopuszczalnego poziomu (2–15) % prądu znamionowego, uzależnionego od mocy oraz zakresu regulacji prędkości kątowej silnika. Indukcyjność obwodu konieczną do utrzymania dopuszczalnej wartości k-tej harmonicznej prądu ΔI_k(%) w obwodzie, znając amplitudę składowej zmiennej napięcia zasilającego wyprostowanego Udz wyznacza się z zależności (1).

	(1)
gdzie: ω – pulsacja, m – liczba faz, k – krotność harmonicznej, Idn – znamionowa wartość prądu przekształtnika, ΔIk(%) – dopuszczalna wartość odpowiedniej harmonicznej prądu.

Znając niezbędną indukcyjność obwodu L_ob oraz indukcyjność twornika maszyny L_t możemy wyznaczyć indukcyjność dławika silnikowego (ED1S) ograniczającego pulsację prądu w obwodzie obciążenia przekształtnika (2) (Rys.1).

(2)

Należy pamiętać, iż materiał magnetyczny rdzenia i konstrukcja dławika silnikowego powinny umożliwiać zachowanie stałej indukcyjności przy prądzie twornika równym podwójnej wartości prądu znamionowego. Warunek ten wynika z przeciążalności prądowej przekształtnika.

Uproszczony schemat symetrycznego mostka trójfazowego.

Rola dławików silnikowych w układach napędowych prądu przemiennego.
Napięcia wyjściowe falowników to ciąg prostokątnych impulsów o regulowanej szerokości i częstotliwości. Szybkość narastania impulsów przebiegu napięcia jest bardzo duża i stwarza zagrożenie dla izolacji zasilanych maszyn. Ograniczenie szybkości narastania napięcia a w konsekwencji ryzyka uszkodzenia izolacji silnika uzyskuje się umieszczając pomiędzy silnikiem a falownikiem dławik silnikowy (typu ED3S) (Rys.2).

Uproszczony schemat przekształtnika zasilającego silnik klatkowy.

Dławiki silnikowe (ED3S) stosowane są również w celu ograniczenia prądów zwarciowych do czasu zadziałania zabezpieczeń i wyłączenia prądu w obwodzie. Najczęściej dobór odpowiedniej indukcyjności dławika silnikowego jest jedyną możliwością ochrony tyrystorów (tranzystorów mocy) układów przekształtnikowych (Rys.2). Dobór indukcyjności dławika silnikowego (ED3S) uzależniony jest od maksymalnej wartości prądu zwarciowego w układzie. Prąd ten nie może przekraczać niepowtarzalnej, szczytowej wartości prądu tyrystora (tranzystora mocy) I_TSM .
W praktyce często zachodzi konieczność doprowadzenia napięcia do napędów znacznie oddalonych od źródła zasilania. Długie linie zasilające posiadają duże pojemności, które przyczyniają się do znacznego wzrostu strat mocy w obwodzie. Dławik silnikowy (ED3S) oprócz ochrony izolacji maszyny kompensuje pojemność linii zasilającej oraz ogranicza harmoniczne i przepięcia komutacyjne w obwodzie silnika.
Dławiki silnikowe mają dużą indukcyjność, bardzo skutecznie zmniejszają szybkość narastania napięcia i znacząco obniżają amplitudę przepięć napięcia chroniąc izolację stojana silnika asynchronicznego. Dławik silnikowy kompensuje też pojemność kabla zasilającego i ogranicza stromość narastania prądu przy zwarciach w obwodach, chroniąc przy tym falownik. Ich wadą w porównaniu z dławikami ograniczającymi stromość narastania napięcia du/dt (ED3dU), są większe wymiary i duża masa.

W obwodzie pośredniczącym przekształtnika w celu wygładzenia pulsacji oraz zapewnienia ciągłości prądu wyprostowanego umieszczany jest dławik wygładzający (ED1W). Optymalny dobór jego indukcyjności ma istotny wpływ na pracę całego układu napędowego.

Dławik silnikowy ELHAND typu ED3SM-0,29mH / 250A	Dławik silnikowy ELHAND typu ED3S-0,15mH / 400A

Dławiki du/dt, ograniczające stromość napięcia - typu ED3dU.
Dławiki ED3dU montowane na wyjściu przekształtnika, ograniczają stromość napięcia du/dt ok. 2-2,5 razy do 700 V/μs i amplitudę przepięć do 1000V. Chronią uzwojenia stojana asynchronicznego silnika przed przebiciem i pozwalają zwiększyć długość kabla zasilającego silnik do 100 mb.

W obwodzie obciążenia każdego układu prostownikowego otrzymuje się napięcie wyjściowe będące sumą dwóch składowych stałej i zmiennej. Celem redukcji tętnień, najczęściej niekorzystnych z punktu widzenia odbiornika, między wyjście prostownika a obciążenie włącza się filtr prostowniczy.
Firma ELHAND produkuje dławiki wygładzające ED1W, które znajdują zastosowanie w filtrach prostowniczych.

Filtry wygładzające, ich zadaniem jest korekcja kształtu przebiegów czasowych napięcia i prądu prostownika. Układ filtru ma niewielki wpływ na wartość składowej stałej, ogranicza natomiast składową zmienną, a tym samym współczynnik tętnień.
Własności oraz skuteczność działania filtru prostowniczego określa współczynnik wygładzania:

gdzie: kt1 i kt2 są współczynnikami tętnień (napięcia lub prądu) odpowiednio na wyjściu i wejściu prostownika

Często rolę filtru spełnia włączony w szereg z obciążeniem dławik wygładzający ED1W (Rys.1a). Indukcyjność dławika wygładzającego pracującego w obwodzie wyjściowym prostownika m – pulsowego zasilającego odbiornik o rezystancji R, przy zadanym współczynniku wygładzania napięcia i prądu wyjściowego bs, wyraża się zależnością:

gdzie: R- rezystancja odbiornika; r- rezystancja wewnętrzna obwodu prostownika; m współczynnik zależny od rodzaju prostownika; bs- współczynnik wygładzania; f częstotliwość napięcia zasilającego prostownik

a)	b)	c)
Najczęściej spotykane układy filtrów wygładzających: a) indukcyjny, b) indukcyjno-pojemnościowy typu G, c) indukcyjno-pojemnościowy typu P

W prostownikach jednofazowych, jednopulsowych z filtrem indukcyjnym bardzo trudne jest uzyskanie ciągłego charakteru prądu w obwodzie obciążenia, gdyż impulsy prądu występują tylko co drugi półokres. Z tego powodu filtry indukcyjne raczej nie współpracują z prostownikami jednopulsowymi. Częściej wykorzystuje się prostowniki jednofazowe dwupulsowe z filtrem w postaci dławika indukcyjnego (Rys.2). W układzie tym, już przy stosunkowo niedużych prądach obciążenia występuje ciągły przepływ prądu bez dużych tętnień.

a)	b)
Prostownik mostkowy dwupulsowy z filtrem indukcyjnym: a) schemat układu, b) przebiegi czasowe prądów

Jeżeli reaktancja dławika ωL>>R to w obwodzie występuje bardzo dobra filtracja tętnień prądu. Dodatkową zaletą tego układu jest to, iż wartość średnia prądu nie zależy od indukcyjności.
Ograniczenie tętnień prądu poprzez wzrost indukcyjności dławika nie wprowadza strat napięcia.
Filtr prostowniczy w postaci dławika wygładzającego ED1W znacznie efektywniej spełnia swoje zadanie współpracując z prostownikiem, w którym składowa zmienna ma kilkakrotnie wyższą częstotliwość (np. w przekształtnikach impulsowych).
W praktyce filtry indukcyjne stosowane są najczęściej w układach trójfazowych większych mocy.
Poprzez połączenie dławika wygładzającego z kondensatorem otrzymuje się strukturę filtru LC (Rys.1b,1c) o parametrach korzystnych zarówno przy małych jak i przy dużych prądach obciążenia. Dławik w układzie tym stanowi impedancję szeregową, kondensator zaś dodatkowo bocznikuje obciążenie dla składowych zmiennych. Często wykorzystywaną odmianą dławików wygładzających są dławiki typu ED2W.
Posiadają one dwa niezależne uzwojenia umieszczone na rdzeniu w kształcie UI .
Wykorzystywane są w układach współpracujących z przekształtnikami wielopulsowymi dużych mocy.

Schemat dławika wygładzającego typu ED2W.

Jeżeli skuteczność pojedynczego filtru jest zbyt mała to dalsze ograniczenie składowej zmiennej uzyskuje się budując filtr wielostopniowy złożony z kilku kaskadowo połączonych ogniw. Wypadkowy współczynnik wygładzania jest równy:

gdzie: b – współczynnik wygładzania filtru wielostopniowego; b1 ,b2 – współczynniki wygładzania kolejnych stopni filtru

Należy pamiętać, że zastosowanie filtru wygładzającego wpływa w istotny sposób na charakterystykę wyjściową całego układu prostowniczego. W stanach nieustalonych powstających podczas włączania i wyłączania prostownika, w obwodzie mogą wystąpić znaczne oscylacje prądu lub napięcia powodowane rezonansowym charakterem układu LC i znaczną jego dobrocią.

Dławik wygładzający ELHAND typu ED1WHX-40mH / 600A; 6kV.

Dławik wygładzający ELHAND typu ED2W-2x0,033mH / 3500A.

Dławiki ochronne typu ED3F zabezpieczają baterie pojemnościowe przed przeciążeniem prądami harmonicznymi.

Schemat jednego stopnia baterii kompensacyjnej z dławikami tłumiącymi.

W wyniku instalowania wielu odbiorników nieliniowych poziom wyższych harmonicznych napięcia i prądu jest niebezpieczny dla transformatorów, silników a szczególnie dla baterii kondensatorów. Poprawne wyznaczenie parametrów dławików ochronnych (ED3F) decyduje o skuteczności ochrony baterii kompensacyjnej. W tym celu niemal konieczne jest wykonanie pomiarów zawartości wyższych harmonicznych w projektowanym miejscu pracy baterii kompensacyjnej. Na podstawie pomierzonego widma harmonicznych wybieramy odpowiednią częstotliwość rezonansową układu bateria-dławik. Jest to najczęściej częstotliwość pośrednia między częstotliwościami tych harmonicznych napięcia i prądu, które nie występują lub mają najmniejszy udział w widmie pomiarowym. Układ rezonansowy bateria-dławik będzie wykazywał nieznaczną impedancję dla częstotliwości harmonicznych znajdujących się w pobliżu częstotliwości rezonansowej. Jednocześnie będzie silnie tłumił prądy o częstotliwościach odległych od częstotliwości rezonansowej f_R.
Wybór optymalnej częstotliwości rezonansowej układu (np. f_R=189Hz) i znajomość częstotliwości sieci (f_N=50Hz) przy której będzie pracowała bateria pozwala wyznaczyć współczynnik tłumienia p% (1), który następnie wykorzystamy w uproszczonych rachunkach.

(1)

Tab.1. Przykładowe częstotliwości rezonansowe układu bateria-dławik:

Każdy stopień baterii kompensacyjnej zabezpieczany jest dławikiem ochronnym o indukcyjności wyznaczonej dla pojemności stopnia baterii i założonej częstotliwości rezonansowej układu. Niezbędne jest określenie mocy Q_CN i napięcia znamionowego U_CN kondensatorów stanowiących poszczególne stopnie baterii kompensacyjnej. Pozwala to właściwie wykonać obliczenia zmierzające do wyznaczenia prądów I_S w obwodach i indukcyjności L_N dławików ochronnych.
Korzystając z zależności opisującej moc kondensatora (np. 25kVar/440V 50Hz) możemy określić pojemność stopnia baterii kompensacyjnej (2).

(2)

Następnie wyznaczamy reaktancje pojemnościową X_C, indukcyjną X_L oraz wypadkową reaktancję baterii z dławikami X_BAT (3,4,5), przy założeniu, iż częstotliwość rezonansowa układu powinna wynosić ~189Hz (p=7%).

	(3)
	(4)
	(5)

Na tej podstawie określamy indukcyjność fazową dławika L_N oraz prąd I_S wymuszany przez baterię (6, 7):

	(6)
	(7)

Rzeczywiste napięcie U_CR na zaciskach baterii osiągnie wartość (8) :

(8)

Stąd można wyznaczyć rzeczywistą moc bierną Q_CR baterii pojemnościowej 25kvar/440V 50Hz, moc bierną dławika ochronnego Q_L i wypadkową moc bierną stopnia baterii Q_BAT (9, 10, 11):

	(9)
	(10)
	(11)

Od dławików ochronnych (ED3F) wymaga się poprawnej pracy w warunkach zmiennego obciążenia. Udział prądów harmonicznych obciążających baterię i dławiki zmienia się w zależności od konfiguracji sieci zakładowej i ilości pracujących aktualnie przekształtników czy innych nieliniowych odbiorników. Określono zatem parametr zwany liniowością magnetyczną. Przedstawia on maksymalny prąd dławika I_LIN, dla którego tolerancja indukcyjności powinna zawierać się w przedziale L ≥ 0,95LN. Jest on więc miarą stabilności parametrów dławika w podczas przeciążenia.
Intensywność zniekształcenia sinusoidy napięcia sieciowego w miejscu pracy baterii pojemnościowej może w znacznym stopniu zależeć od odbiorników nieliniowych pracujących w sąsiednich przedsiębiorstwach zasilanych z tej samej rozdzielni. Należy również zwrócić uwagę, że ilość zniekształceń (czyli THDU, THDI) może zmienić się radykalnie na przestrzeni zaledwie kilku miesięcy (w miarę instalowania np. przekształtników we wspomnianych już sąsiednich przedsiębiorstwach). Dlatego aby uniknąć problemów eksploatacyjnych instalowane układy kompensacyjne powinny zawierać dławiki ochronne.

Dławik ELHAND do ochrony baterii typu ED3F-22,2/400/7-25/440.

Dławiki pasywnych filtrów wyższych harmonicznych (filtracyjne).
Znaczny poziom wyższych harmonicznych w przemysłowych oraz miejskich sieciach elektroenergetycznych jest spowodowany szybkim wzrostem ilości eksploatowanych przekształtników i odbiorników nieliniowych. Odkształcenie sinusoidy napięcia prowadzi do zwiększenia strat, a w skrajnych sytuacjach nawet do zakłóceń w pracy maszyn i urządzeń. W celu ograniczenia niekorzystnego wpływu odbiorników nieliniowych i przekształtników na sieć elektroenergetyczną, zasilane z niej maszyny oraz na połączone z siecią baterie kondensatorów stosuje się układy filtrów wyższych harmonicznych.
ELHAND produkuje dławiki ochronne typu ED3LC przeznaczone do pracy w układach filtrów LC wyższych harmonicznych.

Zadania filtrów wyższych harmonicznych w sieciach elektroenergetycznych.
W najczęściej spotykanych układach przekształtników trójfazowych mostkowych (układy sześciopulsowe) przebieg prądu po stronie pierwotnej transformatora - przy założeniu symetrii napięć zasilających, impedancji komutacyjnych i kątów opóźnienia wyłączania zaworów – będzie zawierał oprócz składowej podstawowej harmoniczne min.: 5, 7, 11, 13, których numery określa ogólne równanie (1):

	(1)
gdzie: n – rząd harmonicznej, k – liczba naturalna, p – liczba pulsów napięcia wyprostowanego.

Wartości amplitud składowych harmonicznych możemy wyznaczyć korzystając z równania (2):

	(2)
gdzie: A1 – amplituda podstawowej harmonicznej napięcia, An – amplituda n-tej harmonicznej.

Zbyt duża zawartość wyższych harmonicznych prądu zasilającego może spowodować znaczny wzrost strat mocy w urządzeniach i maszynach współpracujących z przekształtnikiem w wyniku przepływu prądu o podwyższonej częstotliwości lub wywołać zaburzenia w pracy urządzeń przez zniekształcenie napięcia zasilającego. Szczególnie odnosi się to do baterii kondensatorów pracujących równolegle z układem przekształtnikowym. Zmniejszenie impedancji kondensatorów połączone ze wzrostem częstotliwości może spowodować uszkodzenia baterii na skutek przeciążenia prądami o częstotliwościach wyższych harmonicznych.
Ponadto niebezpiecznym zjawiskiem jest rezonans równoległy w układzie. Harmoniczne wytwarzane przez bezstopniowe układy napędowe mogą być wzmocnione aż 10-15 razy w obwodzie rezonansu równoległego utworzonego przez reaktancję pojemnościową baterii kondensatorów i indukcyjność sieci. Zjawisko to może doprowadzić do uszkodzenia zarówno baterii kondensatorów jak i przekształtnika.
Składowe harmoniczne w niekorzystnych warunkach mogą stanowić zagrożenie dla konstrukcji mechanicznej maszyn elektrycznych. Pary harmonicznych np. 5 i 7 mogą wywołać drgania mechaniczne o częstotliwości 6-tej harmonicznej w generatorze lub silniku. Drgania te powstają wskutek wahań momentu obrotowego w wyniku zniekształcenia krzywej napięcia zasilającego. Gdy częstotliwość tych drgań zbiegnie się z częstotliwością rezonansu mechanicznego, wówczas konstrukcja mechaniczna maszyny narażona będzie na znaczne przeciążenia.
Uciążliwy efekt głośnej pracy maszyn elektrycznych będący skutkiem zjawiska magnetostrykcji jest ze względu na stosunkowo wysokie częstotliwości składowych harmonicznych prądu dodatkowo wzmocniony. Prądy odkształcone zawartością wyższych harmonicznych powodują ponadto znacznie intensywniejsze nagrzewanie przewodów i kabli elektroenergetycznych w skutek zjawiska naskórkowości oraz efektu bliskości.
Zadaniem filtrów LC, których elementami są dławiki ochronne typu ED3LC jest ograniczenie niekorzystnego wpływu wyższych harmonicznych prądu na sieć elektroenergetyczną i wszystkie urządzenia z nią połączone.
Rysunek 1 przedstawia typowy układ do kompensacji mocy biernej oraz filtracji harmonicznych. Występują tu trzy gałęzie filtrujące dostrojone do 5-, 7-, 11-tej harmonicznej. Ilość zainstalowanych gałęzi filtrujących zależy od wymaganej mocy biernej koniecznej do kompensacji oraz od pomiarów i dokładnej analizy zawartości poszczególnych harmonicznych w sieci.

Rys.1. Uproszczony schemat obwodu kompensacji mocy biernej i filtracji harmonicznych.

Filtry to szeregowe układy rezonansowe LC włączone równolegle w obwód zasilania przekształtnika, które spełniają podwójną rolę: kompensują moc bierną pobieraną przez układ napędowy oraz zapobiegają przedostawaniu się wyższych harmonicznych do sieci elektrycznej. Reaktancja filtru w zależności od numeru harmonicznej wynosi (3):

	(3)
gdzie: Lf ,Cf – indukcyjność oraz pojemność gałęzi obwodu stanowiącej filtr; n – rząd harmonicznej; ω – pulsacja.

Przy odpowiednio dobranych wartościach indukcyjności i pojemności filtr dla harmonicznej podstawowej oraz dla harmonicznych niższego rzędu niż nr (częstotliwość rezonansowa) będzie stanowił obciążenie pojemnościowe, natomiast dla wszystkich harmonicznych wyższych rzędów obciążenie indukcyjne. Dla częstotliwości rezonansowej gałąź LC będzie miała niewielką impedancję równą w zasadzie rezystancji uzwojeń dławika. Prąd o częstotliwości rezonansowej będzie zamykał się między przekształtnikiem a filtrem nie przedostając się do sieci zasilającej. Dla podstawowej harmonicznej gałęzie filtru zawsze mają charakter pojemnościowy, co w praktyce oznacza realizację kompensacji mocy biernej (Rys.2).

Rys.2. Charakterystyka impedancyjna filtru LC.

Istnieje wiele rozwiązań przemysłowych filtrów, często są to pasywne filtry LC (Rys.3).

Rys.3. Przykładowe układy pasywnych filtrów LC.

Gałęzie filtru LC przedstawionego na (Rys.3a) znajdują się w czasie pracy pod napięciem przewodowym sieci. W związku z tym baterie kondensatorów i dławiki będą tu, (szczególnie w zakresie średnich napięć) znacznie droższe niż w układach (rys.3b,c). Dlatego konfiguracja filtru (Rys.3a) powszechnie stosowana jest w układach niskonapięciowych. Wadą tego rozwiązania jest brak możliwości filtrowania harmonicznych potrójnych. Jest to możliwe wyłącznie w układzie gwiazdy z uziemionym punktem zerowym.
W układzie z (rys.3b) rozkład napięć na poszczególnych fazach filtru uzależniony jest od pojemności oraz indukcyjności każdej gałęzi. Ze względu na konieczność zapewnienia prawidłowego napięcia pracy we wszystkich trzech fazach wymagana jest ścisła symetria pojemności i indukcyjności. Układy (rys.3a,b) mogą być stosowane w dowolnym systemie sieci trójfazowej. Natomiast układ (rys.3c) nie może być stosowany w sieci z izolowanym punktem zerowym lub z punktem zerowym uziemionym przez dławik gaszący. W układzie takim gałęzie filtru pracują praktycznie pod równymi napięciami (U_p/√3). W przypadku zwarcia jednej fazy z ziemią na pozostałych gałęziach pojawia się napięcie międzyprzewodowe U_p. Napięcie to jest √3 razy większe niż w stanie normalnej pracy. Bateria kondensatorów w takiej sytuacji powinna zostać wyłączona bardzo szybko (t ≤ 1 min). Natomiast w sieciach o izolowanym punkcie zerowym zwarcia doziemne są przeważnie jedynie sygnalizowane i utrzymują się znacznie dłużej, co stanowi poważne zagrożenie dla układu filtrów.

Dławik filtracyjny.

Nasza firma produkuje dławiki bezrdzeniowe-powietrzne jedno i trójfazowe.
Projekty wykonujemy w/g indywidualnych wymagań technicznych klienta.
Charakterystyka napięciowo prądowa dławików powietrznych jest liniowa, to znaczy nie występuje efekt nasycenia ferromagnetycznego. Dławiki powietrzne w porównaniu z dławikami rdzeniowymi charakteryzują się mniejszą masą.
W bezrdzeniowej konstrukcji dławików powietrznych na skutek silnego rozproszenia strumienia magnetycznego występują zwiększone straty.
Dławiki powietrzne pełnią rolę elementów indukcyjnych wygładzających lub ograniczających szybkość narastania zbocza napięcia du/dt. Współpracują z przekształtnikami niskich i średnich napięć.

Dławik powietrzny ELHAND typu 3xED1PH-2mH/540A; 6kV.

Dławik powietrzny ELHAND typu 2xED1P-4mH/170A; 0,75kV; 300Hz.