Compatibilidade eletromagnética ao usar conversores de frequência

Compatibilidade Eletromagnética (EMC) É a capacidade de um equipamento elétrico ou eletrônico funcionar normalmente na presença de campos eletromagnéticos. Ao mesmo tempo, o equipamento não deve interferir na operação de outros equipamentos ou sistemas próximos.

A Diretiva EMC da Comissão Internacional de Energia (IEC) define os requisitos de imunidade e emissão para equipamentos elétricos usados ​​na Área Econômica Européia. O padrão EMC EN 61800-3 abrange os requisitos para conversores de frequência.

O conversor de frequência extrai corrente da fonte apenas durante os períodos em que o valor instantâneo da onda senoidal da fonte de alimentação é maior que a tensão do barramento CC, ou seja, na região de tensão de pico da fonte. Como resultado, a corrente não flui continuamente, mas de forma intermitente, com valores de pico muito altos.

Este tipo de forma de onda de corrente inclui, junto com os componentes de frequência fundamental, uma proporção mais ou menos alta de componentes harmônicos (harmônicos de alimentação).

Em conversores de frequência trifásicos, eles consistem principalmente em 5º, 7º, 11º e 13º harmônicos. Essas correntes causam distorção na forma de onda da tensão de alimentação, o que afeta outros consumidores elétricos da mesma rede.

Além disso, correntes alternadas causam flutuações na circuitos de correção do fator de potência sob algumas condições críticas que podem levar a sobretensão.

As condições são críticas quando:

• pelo menos 10 — 20% da potência da instalação é formada pelo inversor e pelo retificador não controlado do conversor de frequência;

• o circuito de compensação funciona sem interrupção;

• o estágio de compensação mais baixo cria um circuito ressonante junto com o transformador de alimentação e uma frequência ressonante próxima a 5 ou 7 harmônicos de 50 Hz, ou seja, em torno de 250 ou 350 Hz.

Como resultado da comutação muito rápida dos transistores do inversor em modulação de largura de pulso são observados efeitos acústicos, que têm um impacto negativo na rede elétrica e no motor elétrico.

A comutação rápida das chaves do transistor do inversor resulta em um sinal de interferência de banda larga que afeta o ambiente através dos cabos do motor. As mudanças contínuas na indutância causadas pelos intervalos de tensão de controle PWM e DTC resultam em pequenas mudanças no comprimento das folhas do núcleo do motor (magnetostricção), resultando em um ruído modulado característico na pilha do núcleo do estator do motor.

A tensão de saída do conversor de frequência é de alta frequência trem de pulso retangular com polaridade diferente e duração com a mesma amplitude.A inclinação da frente do pulso de tensão é determinada pela velocidade de comutação dos interruptores de potência do inversor e é diferente ao usar diferentes dispositivos semicondutores (por exemplo: para transistores IGBT ou seja, 0,05 — 0,1 μs).

A passagem de um sinal de pulso com uma frente íngreme causa processos ondulatórios no cabo e leva a sobretensões nos terminais do motor.

O comprimento do cabo do motor depende do comprimento da onda de alta frequência (frente de pulso) que se propaga através dele. Crítico é um comprimento de cabo igual à metade do comprimento de onda no qual os pulsos de tensão são aplicados aos enrolamentos do motor de indução, que são próximo em magnitude ao dobro da tensão do barramento CC.

Em acionamentos elétricos para classe de tensão 0,4 kV, a sobretensão pode chegar a 1000 V. Esse problema é chamado de problema de cabo longo.

Diagrama de blocos de um conversor de frequência com filtros de entrada e saída

Para atender aos requisitos dos padrões EMC, indutores de linha e filtros EMC são usados ​​em conversores de frequência.

Os filtros EMC reduzem o ruído acústico emitido pelo transdutor e, para a maioria dos tipos de transdutores, são construídos de fábrica no invólucro da sonda. Os reatores de linha são projetados para reduzir altas correntes de irrupção e, portanto, harmônicos da corrente de linha e para melhorar a proteção contra surtos do conversor de frequência regulado.

A solução para o problema dos «cabos longos» passa pela necessidade de aplicar soluções técnicas para limitar as sobretensões e correntes de irrupção nos terminais do motor elétrico. Isso inclui a instalação de bobinas de saída, filtros, filtros senoidais.

Diagrama de conexão do conversor de frequência

As bobinas de saída servem principalmente para limitar os picos de corrente que ocorrem em cabos longos do motor devido à sobrecarga dos receptáculos do cabo e reduzem ligeiramente o aumento de tensão nos terminais do motor, mas não reduzem os picos de tensão nos terminais do motor.

Choque linear

Os filtros protegem o isolamento do motor limitando o aumento de tensão e reduzindo os picos de tensão nos terminais do motor para valores não críticos, enquanto os filtros reduzem os picos de corrente que ocorrem quando os recipientes de cabos são recarregados periodicamente.

filtros EMC

Os filtros senoidais fornecem uma tensão quase senoidal na saída do conversor.

Além disso, os filtros senoidais reduzem a taxa de aumento da tensão terminal do motor para um valor, removem picos de tensão, reduzem perdas adicionais no motor e reduzem o ruído do motor.

Para cabos de motor longos, os filtros senoidais reduzem os picos de corrente gerados pela recarga periódica dos recipientes de cabos.

Além dos métodos acima para limitar as sobretensões nos terminais do motor elétrico, devem ser observadas duas formas eficazes de resolver o problema de um cabo longo, que não exigem grandes investimentos e podem ser realizadas diretamente pelo usuário:

1. Instalação de um filtro LC série na saída do conversor de frequência para reduzir a inclinação da borda de ataque dos pulsos de tensão de saída do inversor;

2.Instalar um filtro RC paralelo diretamente nos terminais do motor para corresponder à impedância de onda do cabo.

Além dos métodos acima para garantir a compatibilidade eletromagnética, deve-se observar a necessidade de usar cabos blindados para conectar o conversor de frequência e o motor elétrico. Para supressão efetiva de interferência de alta frequência irradiada, a condutividade da blindagem deve ser de pelo menos 1/10 da condutividade do condutor de fase.

Um dos parâmetros que permite avaliar a condutividade da tela é sua indutância, que deve ser pequena e depender o menos possível da frequência. Esses requisitos são facilmente atendidos usando um escudo de cobre ou alumínio (armadura).

As blindagens do cabo que liga o conversor de frequência ao motor devem ser aterradas em ambas as extremidades, quanto melhor e mais apertada a blindagem, menor o nível de radiação e a magnitude da corrente nos mancais do motor.

Blindagem do cabo do motor para o conversor de frequência

A blindagem consiste em uma camada concêntrica de fios de cobre e uma tira de cobre enrolada.

Normalmente, a blindagem do cabo de controle é aterrada diretamente no conversor de frequência. A outra extremidade da blindagem é deixada sem aterramento ou conectada ao terra por meio de um capacitor de alta tensão e alta frequência de alguns nF.

Recomenda-se usar um cabo de par trançado com duas blindagens para conectar sinais analógicos. O uso de tal cabo também é recomendado para conectar sinais de um sensor de velocidade de impulso. Um cabo com blindagem separada deve ser usado para cada sinal.

Para sinais digitais de baixa tensão, também é recomendável usar um cabo de par trançado com blindagem dupla, mas vários cabos de par trançado com uma blindagem comum podem ser usados.

Cabo de par trançado com blindagem dupla (a) e cabo com vários pares trançados e uma blindagem comum (b)