Compatibilitat electromagnètica quan s'utilitzen convertidors de freqüència

Compatibilitat electromagnètica (EMC) És la capacitat dels equips elèctrics o electrònics de funcionar normalment en presència de camps electromagnètics. Al mateix temps, l'equip no ha d'interferir amb el funcionament d'altres equips o sistemes propers.

La Directiva sobre compatibilitat electromagnètica de la Comissió Internacional de l'Energia (IEC) estableix els requisits d'immunitat i emissions per als equips elèctrics utilitzats a l'Espai Econòmic Europeu. La norma EMC EN 61800-3 cobreix els requisits dels convertidors de freqüència.

El convertidor de freqüència treu corrent de la font només durant els períodes en què el valor instantani de l'ona sinusoïdal de la font d'alimentació és superior a la tensió de l'enllaç DC, és a dir. a la regió del pic de voltatge de la font. Com a resultat, el corrent no flueix contínuament, sinó de manera intermitent, amb valors pics molt elevats.

Aquest tipus de forma d'ona de corrent inclou, juntament amb els components de freqüència fonamental, una proporció més o menys elevada de components harmònics (harmònics d'alimentació).

En els convertidors de freqüència trifàsics, consten principalment d'harmònics 5è, 7è, 11è i 13è. Aquests corrents provoquen una distorsió de la forma d'ona de la tensió d'alimentació, que afecta altres consumidors elèctrics de la mateixa xarxa.

A més, els corrents alterns provoquen fluctuacions circuits de correcció del factor de potència en algunes condicions crítiques que poden provocar sobretensió.

Les condicions són crítiques quan:

• almenys el 10-20% de la potència de la instal·lació està formada per l'inversor i el rectificador no controlat del convertidor de freqüència;

• el circuit de compensació funciona sense interrupció;

• l'etapa de compensació més baixa crea un circuit ressonant juntament amb el transformador d'alimentació i una freqüència de ressonància propera a 5 o 7 harmònics de 50 Hz, és a dir. al voltant de 250 o 350 Hz.

Com a resultat de la commutació molt ràpida dels transistors inversors a modulació d'amplada de pols s'observen efectes acústics, que tenen un impacte negatiu en la xarxa elèctrica i el motor elèctric.

La commutació ràpida dels interruptors de transistors de l'inversor produeix un senyal d'interferència de banda ampla que afecta el medi ambient a través dels cables del motor. Els canvis continus en la inductància causats pels intervals de tensió de control PWM i DTC donen lloc a lleugers canvis en la longitud de les làmines del nucli del motor (magnetostricció), donant lloc a un soroll modulat característic a la pila del nucli de l'estator del motor.

La tensió de sortida del convertidor de freqüència és d'alta freqüència tren de polsos rectangular amb diferent polaritat i durada amb la mateixa amplitud.La inclinació de la part frontal del pols de tensió ve determinada per la velocitat de commutació dels interruptors d'alimentació de l'inversor i és diferent quan s'utilitzen diferents dispositius semiconductors (per exemple: per Transistors IGBT és a dir 0,05 — 0,1 μs).

El pas d'un senyal de pols amb un front pronunciat provoca processos d'ona en el cable i provoca sobretensions als terminals del motor.

La longitud del cable del motor depèn de la longitud de l'ona d'alta freqüència (front de pols) que es propaga a través d'ell. La crític és una longitud de cable igual a la meitat de la longitud d'ona a la qual s'apliquen polsos de tensió als bobinats del motor d'inducció, que són d'una magnitud propera al doble de la tensió de l'enllaç DC.

En els accionaments elèctrics per a la classe de tensió 0,4 kV, la sobretensió pot arribar als 1000 V. Aquest problema s'anomena problemes de cable llarg.

Diagrama de blocs d'un convertidor de freqüència amb filtres d'entrada i sortida

Per complir amb els requisits dels estàndards EMC, les bobines de línia i els filtres EMC s'utilitzen als convertidors de freqüència.

Els filtres EMC redueixen el soroll acústic emès pel transductor i per a la majoria dels tipus de transductors estan integrats de fàbrica a la carcassa de la sonda. Els reactors de línia estan dissenyats per reduir els alts corrents d'entrada i, per tant, els harmònics del corrent de línia i per millorar la protecció contra sobretensions del convertidor de freqüència regulada.

La solució al problema del «cable llarg» és la necessitat d'aplicar solucions tècniques per limitar les sobretensions i els corrents d'irrupció als terminals del motor elèctric. Aquests inclouen la instal·lació de boques de sortida, filtres, filtres sinusoïdals.

Diagrama de connexió del convertidor de freqüència

Les boques de sortida serveixen principalment per limitar els pics de corrent que es produeixen en cables llargs del motor a causa de la sobrecàrrega dels receptacles del cable i reduir lleugerament l'augment de tensió als terminals del motor, però no redueixen els pics de tensió als terminals del motor.

Asfixia lineal

Els filtres protegeixen l'aïllament del motor limitant l'augment de tensió i reduint els pics de tensió als terminals del motor a valors no crítics, mentre que els filtres redueixen els pics de corrent que es produeixen quan els contenidors de cables es recarreguen periòdicament.

Filtres EMC

Els filtres sinusoïdals proporcionen una tensió gairebé sinusoïdal a la sortida del convertidor.

A més, els filtres sinusoïdals redueixen la velocitat d'augment de la tensió del terminal del motor a un valor, eliminen els pics de tensió, redueixen les pèrdues addicionals al motor i redueixen el soroll del motor.

Per a cables de motor llargs, els filtres sinusoïdals redueixen els pics de corrent generats per la recàrrega periòdica dels contenidors de cables.

A més dels mètodes anteriors per limitar les sobretensions als terminals del motor elèctric, s'han de tenir en compte dues maneres efectives de resoldre el problema d'un cable llarg, que no requereixen grans inversions i poden ser realitzades directament per l'usuari:

1. Instal·lació d'un filtre LC en sèrie a la sortida del convertidor de freqüència per reduir la inclinació de l'avantguarda dels polsos de tensió de sortida de l'inversor;

2.Instal·lació d'un filtre RC paral·lel directament als terminals del motor perquè coincideixi amb la impedància d'ona del cable.

A més dels mètodes anteriors per garantir la compatibilitat electromagnètica, cal tenir en compte la necessitat d'utilitzar cables blindats per connectar el convertidor de freqüència i el motor elèctric. Per a la supressió eficaç de la interferència radiada d'alta freqüència, la conductivitat de la pantalla ha de ser almenys 1/10 de la conductivitat del conductor de fase.

Un dels paràmetres que permet avaluar la conductivitat de la pantalla és la seva inductància, que ha de ser petita i dependre el menys possible de la freqüència. Aquests requisits es compleixen fàcilment amb un blindatge de coure o alumini (armadura).

Els apantallaments del cable que connecta el convertidor de freqüència i el motor s'han de posar a terra per ambdós extrems Com millor i més ajustat sigui el blindatge, menor serà el nivell de radiació i la magnitud del corrent en els coixinets del motor.

Pantalla del cable del motor del convertidor de freqüència

L'escut consta d'una capa concèntrica de filferros de coure i una tira de coure enrotllada.

Normalment, el blindatge del cable de control es posa a terra directament al convertidor de freqüència. L'altre extrem de l'escut es deixa sense terra o connectat a terra mitjançant un condensador d'alta freqüència d'alta tensió d'uns pocs nF.

Es recomana utilitzar un cable de parell trenat amb dos blindatges per connectar senyals analògics. També es recomana l'ús d'aquest cable per connectar senyals d'un sensor de velocitat d'impuls. S'ha d'utilitzar un cable amb un blindatge independent per a cada senyal.

Per a senyals digitals de baixa tensió, també es recomana utilitzar un cable de parell trenat de doble blindatge, però es poden utilitzar diversos cables de parell trenat amb un blindatge comú.

Cable de parell trenat de doble apantallament (a) i cable amb diversos parells trenats i un blindatge comú (b)