Dławiki układów napędowych pracujące na wyjściu falownika są narażone na działanie napięć i prądów harmonicznych. Takie warunki pracy sprzyjają powstawaniu znacznych strat dodatkowych. Zastosowanie najlepszych materiałów magnetycznych oraz nowych rozwiązań technologicznych i konstrukcyjnych w dławikach decyduje o ich parametrach technicznych i trwałości. Firma TRAFECO Sp. J. jest producentem niskostratnych dławików dedykowanych do pracy w układach napędowych.
Oddziaływanie przemienników częstotliwości
Sterowane układy napędowe zasilane są za pomocą falowników napięcia z modulacją impulsów wyjściowych PWM (Pulse Width Modulation). Układy takie mogą pracować przy coraz większych częstotliwościach kluczowania oraz dużych stromościach impulsów napięcia du/dt. Jest to przyczyną występowania szeregu zjawisk pasożytniczych w silnikach. Przepięcia na zaciskach silnika, wzrost strat i hałasu są zjawiskami, które skracają czas życia silnika oraz ograniczają sprawność [1, 2].
Ograniczenie oddziaływania
odkształconego napięcia na silnik i linię kablową osiąga się stosując na wyjściu
przekształtnika dławiki silnikowe typu 3RTM lub dławiki du/dt typu 3RTU. Dławiki
silnikowe i du/dt kompensują częściowo pojemność kabla oraz łagodzą stromość
narastania impulsów napięcia du/dt co zabezpiecza układ izolacyjny silnika i
kabla.
W elementach indukcyjnych pracujących na wyjściu przemiennika powstają podobnie
jak w silniku straty dodatkowe. Wielokość strat dodatkowych powstających w
rdzeniu i uzwojeniu dławika uzależniona jest od jego konstrukcji i
zastosowanych rozwiązań technologicznych. Szerokie szczeliny w rdzeniu dławika
powodują rozpraszanie strumienia magnetycznego co jest bezpośrednim powodem
występowania dodatkowych strat w rdzeniu [4, 5].
CoreECOTM wieloszczelinowa technolnologia budowy rdzenia
Klasyczny rdzeń dławika budowany jest z pakietów anizotropowych blach transformatorowych. Konstrukcja rdzenia zakłada występowanie kilku szerokich szczelin powietrznych pomiędzy blokami materiału magnetycznego w każdej kolumnie. Elementy konstrukcyjne rdzenia takie jak kątowniki czy szpilki, wykonane są ferromagnetycznego metalu. Ze względu na rodzaj zastosowanych do budowy dławika materiałów, powstają straty histerezowe w elementach ferromagnetycznych oraz straty wiroprądowe we wszystkich przewodzących elementach dławika. Intensywność strat podstawowych powstających w rdzeniu dławika zależy od amplitud i częstotliwości występujących w obwodzie prądów harmonicznych oraz wartości indukcji maksymalnej w rdzeniu. Straty wiroprądowe ponadto zależą silnie od grubości blach magnetycznych oraz od kierunku przebiegu strumienia magnetycznego w rdzeniu. Wielkość strat histerezowych uzależniona jest od stratności zastosowanego materiału magnetycznego.
Rys. 2. Przekrój kolumny rdzenia w technologii wieloszczelinowej CoreECOTM ograniczającej straty w dławikach. 
Rys. 3. Ilustracja konstrukcji dławika z rdzeniem w technologii wieloszczelinowej CoreECOTM ograniczającej straty w dławikach.
Ciągły rdzeń magnetyczny – magnetowód skupia strumień magnetyczny wytworzony przez uzwojenia dławika oraz stabilizuje kierunek jego przebiegu. Rdzeń magnetyczny najczęściej jest pakietowany lub zwijany z blach o możliwie małej grubości w kierunku przebiegu strumienia. Pozwala to uzyskać niskie straty gdy znany i przewidywalny jest kierunek przebiegu strumienia w rdzeniu. W rdzeniach dławików występują nieciągłości w postaci poprzecznych szczelin powietrznych w kolumnach. Szerokie szczeliny powietrzne w rdzeniu powodują zmianę kierunku przebiegu strumienia w obszarach przyszczelinowych oraz wywołują zewnętrzny strumień rozproszenia. Zmiana kierunku przebiegu strumienia powoduje wzrost strat podstawowych histerezowych z powodu anizotropii materiału rdzenia oraz silny wzrost strat wiroprądowych w rdzeniu. Zasięg oddziaływania magnetycznego strumienia rozproszenia zależny jest od wartości indukcji w rdzeniu i szerokości szczelin powietrznych. Strumień rozproszenia wywołuje wiroprądowe straty dodatkowe w uzwojeniu oraz dodatkowe straty wiroprądowe i histerezowe w ferromagnetycznych metalicznych częściach konstrukcyjnych dławika.
Tabela 1. Porównanie parametrów technicznych dławika silnikowego typu 3RTM wykonanie klasyczne i niskostratne
| Parametr | 3RTM – 0,28mH/56A 400V T40F | 3RTM – 0,28mH/56A 400V T40F |
| klasyczny | nisko-stratny | |
| Uzwojenie | 2,5×9 mm | 2x (2,5×4) mm |
| Straty w uzwojeniu | 54 W | 46 W |
| Rdzeń | 3 szczeliny | CoreECOTM |
| Straty w rdzeniu | 36 W | 19 W |
| Częstotliwość kluczowania | 4 kHz | 4kHz |
| Indukcja w rdzeniu | 0,9 T | 1 T |
| Max. przyrost temperatury | 83 K | 82 K |
| Masa dławika | ~ 7,5 kg | ~ 5,5 kg |
Ograniczenie strat histerezowych w rdzeniu realizowane jest poprzez zastosowanie transformatorowych blach krzemowych o obniżonej stratności lub amorficznych i nanokrystalicznych materiałów magnetycznych o bardzo wąskiej pętli histerezy. W konstrukcji wieloszczelinowej rdzenia (Rys.2) zmniejszenie zasięgu działania strumienia rozproszenia wokół szczelin powietrznych uzyskuje się ograniczając szerokość pojedynczej szczeliny w rdzeniu. Szeroką szczelinę powietrzną zastępuje się kilkoma lub kilkunastoma wąskimi szczelinami, które zmniejszają odkształcenie drogi strumienia w rdzeniu i zmniejszają strumień rozproszenia w przestrzeni wokół rdzenia.
W uzwojeniu dławika, w którym płyną prądy harmoniczne o stosunkowo wysokich częstotliwościach występuje efekt naskórkowości (ang. Skin effect) oraz efekt zbliżenia (ang. Proximity effect). Zjawiska te mają istotny wpływ na wartość strat w uzwojeniach dławików a ich zrozumienie pozwala prawidłowo zaplanować ułożenie przewodów. Efekt naskórkowości wywołuje przepływ prądu jedynie w warstwie powierzchniowej przewodów, a grubość warstwy przewodzącej maleje ze wzrostem częstotliwości.
Ograniczenie zjawiska naskórkowości realizuje się stosując uzwojenia nawijane wiązką równoległych, izolowanych przewodów. Przekrój pojedynczego przewodu w wiązce definiowany jest w zależności od głębokości wnikania prądu na powierzchni przewodu. Głębokość wnikania prądu zależy od częstotliwości, przenikalności magnetycznej oraz konduktywności przewodnika.
W rdzeniu magnetycznym przemagnesowywanym okresowo występują siły magnetyczne i magnetostrykcyjne. Wielkość sił magnetycznych i magnetostrykcyjnych zależy od maksymalnych, lokalnych wartości indukcji magnetycznej w rdzeniu. Działające siły wywołują zmienne naprężenia w blachach rdzenia, co skutkuje drganiami elementów konstrukcji i polem akustycznym wokół dławika. CoreECOTM jest niskostratną technologią montażu i pakietowania wieloszczelinowych rdzeni dławikowych, która umożliwia zdecydowane ograniczenie start w rdzeniu przy jednoczesnym zmniejszeniu intensywności pola akustycznego wokół dławika [5].
W tabeli 1. zestawiono parametry techniczne dałwika silnikowego przeznaczonego do napędu o mocy 30kW wykonanego w technologii klasycznej oraz niskostratnej technologii pakietowania rdzenia CoreECOTM. Uzwojenie dławika również zaprojektowane zostało w sposób ograniczający straty dodatkowe wynikające z obecności harmonicznch prądu. Dzięki komleksowym działaniom technologicznym ograniczającym straty, obniżenie strat łącznych dławika sięga 30%.
Firma TRAFECO Sp. J. produkuje wysokiej jakości dławiki silnikowe oraz nietypowe elementy indukcyjne zaprojektowane według indywidualnych specyfikacji, dedykowane do pracy w specjalnych, trudnych warunkach eksploatacji.
Mirosław Łukiewski
TRAFECO Sp. J.
www.trafeco.pl
Literatura
[1]. P. Zientek, „Wpływ parametrów wyjściowych falowników PWM i kabla zasilającego na zjawiska pasożytnicze w silnikach indukcyjnych”, Maszyny Elektryczne – Zeszyty Problemowe, nr 71, str. 119 -124, 2005.
[2]. J. Bamberski, „Efektywność silnika elektrycznego zasilanego z przemiennika częstotliwości”, Maszyny ElektryczneZeszyty Problemowe, nr 78, str. 129 -134, 2007
[3]. D. M. Ionel, M. Popescu, C. Cossar, M. I. McGilp, A. Boglietti, A. Cavagnino „A General Model for Estimating the Laminated Steel Losses under PWM Voltage Supply”, IEEE Transactions on Industry Applications, VOL.46, 07 08.2010
[4]. A. Van den Bossche, V.C. Valchev „Improved calculation of winding losses in gapped inductors”, Journal of Applied Physics, 97, 10Q703, 2005
[5]. Łukiewski M.,Łukiewska A., Pawlaczyk L., Wieloszczelinowe rdzenie w dławikach filtrów sinusoidalnych; ME-ZP Nr2/2017 (114), KOMEL 2017
