Optymalizacja konstrukcji dławików rdzeniowych w filtrach sinusoidalnych typu FluxSIN

Rodzaj zastosowanego materiału magnetycznego oraz przyjęte w dławiku rozwiązania konstrukcyjne definiują podstawowe cechy użytkowe filtrów, między innymi straty powstające w filtrze, liniowość magnetyczną czy wartość pola akustycznego wokół dławika. Artykuł przedstawia wyniki symulacji parametrów pasywnych filtrów sinusoidalnych typu FluxSIN z rdzeniami o konstrukcji wieloszczelinowej. Analizę porównawczą wykonano dla dławików z rdzeniami z izotropowych i anizotropowych blach krzemowych na podstawie obliczeń symulacyjnych wykonanych w programie RALE Engineering GmbH.

Filtry typu FluxSIN w układach napędowych

Zasilanie układów napędowych za pomocą przekształtników częstotliwości z modulacją impulsów wyjściowych (PWM -Pulse Width Modulation) jest powszechne. Napięcie powstające w wyniku takiej modulacji nie ma przebiegu sinusoidalnego, jest ciągiem impulsów napięciowych o bardzo dużej stromości narastania. Rzeczywiste impulsy napięcia nie mają teoretycznego, prostokątnego kształtu z uwagi na to, iż kluczowanie przekształtnika wywołuje oscylacje w obwodzie. Powstające w ten sposób przepięcia komutacyjne zależą od parametrów obwodu i mogą osiągać wartości zdecydowanie wyższe od napięcia znamionowego. Powyższe specyficzne warunki zasilania sinika wywołują cały szereg zagrożeń i niekorzystnych oddziaływań -przyspieszoną degradację izolacji silnika i kabla, wzrost strat dodatkowych i hałasu silnika. Wysokie częstotliwości komutacji napięcia powodują obniżenie impedancji kabla zasilającego, a tym samym wzrost prądu płynącego przez pojemności pasożytnicze. Przy długich liniach kablowych zasilających silnik prowadzi to do przeciążenia falownika.

Firma FLUXCOM JEE posiada w swojej ofercie filtry sinusoidalne typu FluxSIN, przeznaczone do pracy w obwodzie wyjściowym falownika, które eliminują niekorzystne oddziaływanie napięcia niesinusoidalnego na silnik, kabel zasilający i falownik (rys. 1). Oprócz oferty katalogowej istnieje możliwość dostarczenia filtru nietypowego, dostosowanego do indywidualnych parametrów napędu lub specyficznych warunków pracy.

Symulacje konstrukcyjne filtrów FluxSIN

Wykonano symulacyjne obliczenia porównawcze w programie RALE, przeznaczonym do projektowania elementów indukcyjnych, dla filtru sinusoidalnego, wykorzystując do budowy rdzenia izotropowe i anizotropowe blachy krzemowe. Obliczenia wykonano dla filtru typu FluxSIN przeznaczonego do pracy z falownikiem o mocy 15 kW. Do symulacji przyjęto częstotliwość kluczowania falownika fk = 4 kHz i wynikające z analizy obwodowej amplitudy harmonicznych napięcia. We wszystkich symulacjach zakłada się rdzeń wykonany w technologii wieloszczelin owej klejonej o stałej ilości szczelin, uzwojenie wykonano przewodem profilowym miedzianym. W tablicy 1 zestawiono wyniki symulacji wpływu zastosowanego materiału magnetycznego rdzenia na straty, masę oraz koszt filtru.

Zależnie od warunków pracy i przeznaczenia filtru możemy, wybierając odpowiedni materiał rdzenia, uzyskać znaczne ograniczenie wymiarów, masy i wartości strat mocy w filtrze. Możemy również zdecydować się na obniżenie ceny elementu kosztem wybranych pozostałych parametrów.

Ograniczenie wartości strat mocy szczególnie ważne jest w filtrach przeznaczonych do pracy w obudowach szczelnych w warunkach górniczych czy kolejowych, gdzie trudne jest chłodzenie elementów i odprowadzenie strat z obudowy.

Bliski zera współczynnik magnetostrykcji blachy o zawartości krzemu 6,5% pozwala zaprojektować dławik przy wyższej indukcji w rdzeniu bez zagrożenia wystąpieniem silnego pola akustycznego podczas pracy filtru. Niskostratny rdzeń wieloszczelinowy.

Właściwe określenie strat mocy dławika jest złożonym zagadnieniem projektowym. Powodem trudności wyliczeń jest występowanie strumienia rozproszenia wokół szczelin powietrznych występujących w rdzeniu. Strumień ten wywołuje dodatkowe straty mocy w materiale rdzenia, ferromagnetycznych lub przewodzących elementach konstrukcyjnych oraz w uzwojeniu dławika. W skrajnych przypadkach rozproszenie dławika może powodować sprzężenie strumienia rozproszenia z ferromagnetycznymi elementami znajdującymi się w pobliżu dławika (np. obudowa), wywołując w nich straty mocy. Straty tak powstające mają charakter wiroprądowy i histerezowy. Klasycznym rozwiązaniem technologicznym ograniczającym straty w rdzeniu jest zastosowanie materiału magnetycznego o bardzo wąskiej pętli histerezy, co zapewnia niskie straty histerezowe oraz pakietowanie rdzenia z izolowanych blach o możliwie małej grubości w kierunku przebiegu strumienia. Takie zabiegi obniżające straty sprawdzają się w rdzeniach transformatorowych. W przypadku rdzeni dławików, gdzie mamy do czynienia z nieciągłością rdzenia w miejscach szczelin powietrznych samo pakietowanie i dobre parametry materiału magnetycznego już nie wystarczają. W obszarach przyszczelinowych występuje zmiana kierunku przebiegu strumienia. Wywołuje to intensywne powstawanie strat o podłożu wiroprądowym w materiale rdzenia, uzwojeniu oraz elementach przewodzących znajdujących się w zasięgu strumienia rozproszenia.

W przypadku dławików, stanowiących część układu rezonansowego LC w filtrze, ważnym parametrem użytkowym jest liniowość charakterystyki magnetycznej dławika. Uzyskanie wymaganej liniowości charakterystyki często wymusza zastosowanie szerokich szczelin powietrznych w rdzeniu, co prowadzi do zwiększenia strat mocy i wzrostu temperatury, zwłaszcza w obszarach przyszczelinowych. Występowanie znacznych różnic temperatury pomiędzy poszczególnymi obszarami rdzenia, uzwojenia czy konstrukcji dławika jest bezpośrednim następstwem generowania w określonych obszarach intensywnych dodatkowych strat mocy. W przypadku klasycznych konstrukcji rdzeni dławikowych niełatwo wyznaczyć wartości strat i temperatury metodami analitycznymi. Trudno wyliczalne dodatkowe straty mocy, związane z nadmiernym strumieniem rozproszenia wokół szczelin, mogą przewyższać straty podstawowe występujące w rdzeniu i uzwojeniu dławika.

Na rdzeń magnetyczny przemagnesowywany okresowo działają siły magnetyczne i magnetostrykcyjne. Siły wytwarzają zmienne naprężenia w blachach rdzenia i wywołują drgania elementów konstrukcji, czego konsekwencją jest pole akustyczne wokół dławika. Wielkość sił magnetycznych i magnetostrykcyjnych zależy od maksymalnych lokalnych wartości indukcji magnetycznej, szczególnie w obszarach, gdzie występują zaburzenia kierunku przebiegu strumienia w rdzeniu. Lokalnie w rdzeniu może dochodzić do znacznego wzrostu indukcji. Okresowe nasycanie fragmentów magneto-wodu i związane z tym tworzenie się lokalnych ognisk strat i drgań są trudne do opanowania bez dokładnej analizy modelu cieplnego dławika i zmian w technologii produkcji rdzeni.

Konstrukcja wieloszczelinowa typu FluxCORE pozwala uniknąć otworowania rdzenia w obszarze uzwojonej kolumny. Precyzyjne klejenie segmentów kolumny umożliwia zastosowanie większej ilości wąskich szczelin w rdzeniu. Ograniczeniu w ten sposób ulega pole rozproszenia wokół szczelin i starty dodatkowe w obszarach przyszczelinowych rdzenia, uzwojeniu i elementach konstrukcyjnych filtru. Zastosowanie niskostratnej taśmy krzemowej o niewielkiej grubości dodatkowo znacznie ogranicza straty wiroprądowe w rdzeniu.