Compatibilidad electromagnética cuando se utilizan convertidores de frecuencia

Compatibilidad electromagnética (EMC) Esta es la capacidad de los equipos eléctricos o electrónicos para funcionar normalmente en presencia de campos electromagnéticos. Al mismo tiempo, el equipo no debe interferir con el funcionamiento de otros equipos o sistemas cercanos.

La Directiva EMC de la Comisión Internacional de Energía (IEC) establece los requisitos de inmunidad y emisión para los equipos eléctricos utilizados en el Espacio Económico Europeo. La norma EMC EN 61800-3 cubre los requisitos para los convertidores de frecuencia.

El convertidor de frecuencia extrae corriente de la fuente solo durante los períodos en los que el valor instantáneo de la onda sinusoidal de la fuente de alimentación es superior a la tensión del enlace de CC, es decir, en la región de voltaje pico de la fuente. Como resultado, la corriente no fluye de forma continua, sino intermitente, con valores pico muy altos.

Este tipo de forma de onda de corriente incluye, junto con los componentes de frecuencia fundamental, una proporción más o menos alta de componentes armónicos (armónicos de suministro).

En los convertidores de frecuencia trifásicos, se componen principalmente de armónicos 5, 7, 11 y 13. Estas corrientes provocan una distorsión de la forma de onda de la tensión de alimentación, lo que afecta a otros consumidores eléctricos de la misma red.

Además, las corrientes alternas provocan fluctuaciones en circuitos de corrección del factor de potencia bajo algunas condiciones críticas que pueden conducir a una sobretensión.

Las condiciones son críticas cuando:

• al menos el 10—20% de la potencia de la instalación está formada por el inversor y el rectificador no controlado del convertidor de frecuencia;

• el circuito de compensación funciona sin interrupción;

• la etapa de compensación más baja crea un circuito resonante junto con el transformador de alimentación y una frecuencia resonante cercana a 5 o 7 armónicos de 50 Hz, es decir alrededor de 250 o 350 Hz.

Como resultado de la conmutación muy rápida de los transistores inversores en modulación de ancho de pulso se observan efectos acústicos, que repercuten negativamente en la red eléctrica y en el motor eléctrico.

La conmutación rápida de los interruptores de transistor del inversor da como resultado una señal de interferencia de banda ancha que afecta el medio ambiente a través de los cables del motor. Los cambios continuos en la inductancia causados ​​por los intervalos de voltaje de control de PWM y DTC dan como resultado ligeros cambios en la longitud de las láminas del núcleo del motor (magnetoestricción), lo que genera un ruido modulado característico en la pila del núcleo del estator del motor.

El voltaje de salida del convertidor de frecuencia es de alta frecuencia. tren de pulso rectangular con diferente polaridad y duración con la misma amplitud.La inclinación del frente del pulso de voltaje está determinada por la velocidad de conmutación de los interruptores de potencia del inversor y es diferente cuando se usan diferentes dispositivos semiconductores (por ejemplo: para Transistores IGBT es decir, 0,05 — 0,1 μs).

El paso de una señal de pulso con un frente pronunciado provoca procesos ondulatorios en el cable y provoca sobretensiones en los terminales del motor.

La longitud del cable del motor depende de la longitud de la onda de alta frecuencia (frente de impulsos) que se propaga a través de él. Es fundamental que la longitud del cable sea igual a la mitad de la longitud de onda a la que se aplican los impulsos de tensión a los devanados del motor de inducción, que son cercano en magnitud al doble del voltaje del enlace de CC.

En los accionamientos eléctricos para la clase de tensión 0,4 kV, la sobretensión puede alcanzar los 1000 V. Este problema se denomina problemas de cables largos.

Diagrama de bloques de un convertidor de frecuencia con filtros de entrada y salida

Para cumplir los requisitos de las normas EMC, se utilizan inductancias de línea y filtros EMC en convertidores de frecuencia.

Los filtros EMC reducen el ruido acústico emitido por el transductor y, para la mayoría de los tipos de transductores, vienen integrados de fábrica en la carcasa de la sonda. Los reactores de línea están diseñados para reducir las altas corrientes de irrupción y, por lo tanto, los armónicos de la corriente de línea y para mejorar la protección contra sobretensiones del variador de frecuencia regulado.

La solución al problema del «cable largo» pasa por la necesidad de aplicar soluciones técnicas para limitar las sobretensiones y corrientes de irrupción en los terminales del motor eléctrico. Estos incluyen la instalación de estranguladores de salida, filtros, filtros sinusoidales.

Diagrama de conexión del convertidor de frecuencia

Los estranguladores de salida sirven principalmente para limitar los picos de corriente que se producen en los cables de motor largos debido a la sobrecarga de los receptáculos de los cables y reducen ligeramente el aumento de tensión en los terminales del motor, pero no reducen los picos de tensión en los terminales del motor.

estrangulador lineal

Los filtros protegen el aislamiento del motor limitando el aumento de tensión y reduciendo los picos de tensión en los terminales del motor a valores no críticos, mientras que los filtros reducen los picos de corriente que se producen cuando los contenedores de cables se recargan periódicamente.

filtros CEM

Los filtros sinusoidales proporcionan un voltaje casi sinusoidal a la salida del convertidor.

Además, los filtros sinusoidales reducen la tasa de aumento del voltaje del terminal del motor a un valor, eliminan los picos de voltaje, reducen las pérdidas adicionales en el motor y reducen el ruido del motor.

Para cables de motor largos, los filtros sinusoidales reducen los picos de corriente generados por la recarga periódica de los contenedores de cables.

Además de los métodos anteriores para limitar las sobretensiones en los terminales del motor eléctrico, se deben tener en cuenta dos formas efectivas de resolver el problema de un cable largo, que no requieren grandes inversiones y pueden ser realizadas directamente por el usuario:

1. Instalación de un filtro LC en serie en la salida del convertidor de frecuencia para reducir la inclinación del borde de ataque de los pulsos de voltaje de salida del inversor;

2.Instalación de un filtro RC paralelo directamente a los terminales del motor para que coincida con la impedancia de onda del cable.

Además de los métodos anteriores para garantizar la compatibilidad electromagnética, debe tenerse en cuenta la necesidad de utilizar cables blindados para conectar el convertidor de frecuencia y el motor eléctrico. Para una supresión efectiva de la interferencia de alta frecuencia radiada, la conductividad de la pantalla debe ser al menos 1/10 de la conductividad del conductor de fase.

Uno de los parámetros que permiten evaluar la conductividad de la pantalla es su inductancia, la cual debe ser pequeña y depender lo menos posible de la frecuencia. Estos requisitos se cumplen fácilmente utilizando un blindaje (armadura) de cobre o aluminio.

Las pantallas del cable que conecta el convertidor de frecuencia y el motor deben estar conectados a tierra en ambos extremos. Cuanto mejor y más apretada sea la pantalla, menor será el nivel de radiación y la magnitud de la corriente en los cojinetes del motor.

Pantalla del cable de motor para el convertidor de frecuencia

El blindaje consta de una capa concéntrica de hilos de cobre y una tira de cobre enrollada.

Normalmente, la pantalla del cable de control se conecta a tierra directamente al convertidor de frecuencia. El otro extremo del blindaje se deja sin conexión a tierra o conectado a tierra a través de un condensador de alta frecuencia de alto voltaje de unos pocos nF.

Se recomienda utilizar un cable de par trenzado con dos pantallas para conectar señales analógicas. También se recomienda el uso de un cable de este tipo para conectar señales de un sensor de velocidad de impulso. Se debe usar un cable con un blindaje separado para cada señal.

Para señales digitales de bajo voltaje, también se recomienda usar un cable de par trenzado con doble blindaje, pero se pueden usar múltiples cables de par trenzado con un blindaje común.

Cable de par trenzado con doble blindaje (a) y cable con varios pares trenzados y un blindaje común (b)