VARIADORES DE VELOCIDAD Y FILTROS CLASIFICACIÓN Y APLICACIÓN
y Filtros AMBITO DE APLICACIÓN SUMARIO 1.. Perturbaciones. 2.. Distorsión armónica 3.. Ruido eléctrico 4. Anexo I. Norma UNE-EN 61800-3/A11:2002 5. Anexo II. Resumen Filtros. 2 2
1 PERTURBACIONES 3 3
PERTURBACIONES PERTURBACIONES GENERADAS POR LOS VARIADORES Las perturbaciones generadas por los pueden clasificarse del siguiente modo: 1. Distorsión Armónica: Producida por el puente rectificador. 2. Ruido Eléctrico: Producido por el puente inversor. Analizaremos en qué consisten cada una de ellas y las formas de hacerles frente gracias, entre otras cosas, al empleo de los diferentes tipos de filtros. 4 4
2 DISTORSIÓN ARMÓNICA 5 5
PERTURBACIONES DISTORSIÓN ARMÓNICA Qué son los armónicos? Se puede demostrar que cualquier forma de onda (cuadrada, triangular, ) periódica puede ser representada como una serie de ondas senoidales de diferentes frecuencias y fases. Todas ellas constituyen el espectro armónico de la onda.» Contenido en armónicos de una onda cuadrada 6 6
PERTURBACIONES DISTORSIÓN ARMÓNICA Cuáles son los efectos de las corrientes armónicas de entrada? Incremento del valor RMS de la corriente que circula por los conductores y los transformadores. Esta corriente extra no es real (no producirá trabajo) y sin embargo obliga a sobredimensionar los transformadores y los conductores a fin de prevenir sobrecalentamientos. Distorsión de la onda de tensión de entrada. Esto puede implicar efectos importantes: Puede afectar al correcto funcionamiento de equipos de alimentación monofásica tales como ordenadores y otros dispositivos de bajo consumo. Pueden producirse fenómenos no deseados de resonancia afectando al sistema de distribución. 7 7
PERTURBACIONES DISTORSIÓN ARMÓNICA Cuáles son los efectos de las corrientes armónicas de entrada? Degradación del factor de potencia. Sobrecarga del transformador, cableado, componentes, Sobrecarga de los condensadores de corrección del factor de potencia. 8 8
PERTURBACIONES DISTORSIÓN ARMÓNICA Cómo compensar la distorsión armónica de entrada? 1. Incorporando bobinas de entrada, también llamadas inductancias de choque. Estos filtros pasivos pueden colocarse a la entrada del puente rectificador, realizando una doble misión: Por una parte protege al mismo frente a variaciones de tensión de la red de alimentación. Adicionalmente filtra los armónicos producidos suavizando la senoide de corriente. También pueden colocarse en el bus de continua. El puente rectificador no estará tan protegido pero esta opción es siempre de menor costo. 2. Empleando Filtros activos de armónicos. Este sistema permite analizar los armónicos generados por el variador y anularlos generando para ello los opuestos. 9 9
PERTURBACIONES DISTORSIÓN ARMÓNICA Cómo compensar la distorsión armónica de entrada? 3. Instalando un sistema de distribución de 12 pulsos. Si repartimos la entrada rectificadora del equipo conversor de potencia entre dos puentes rectificadores y las tensiones de entrada de cada puente están desfasadas 30º eléctricos entre sí, teóricamente podemos eliminar todos los armónicos inferiores al 11. Para ello se requiere un transformador de doble secundario. Un secundario conectado en estrella y el otro secundario en triángulo. Cada secundario alimentará la mitad de la carga, de modo que sus corrientes permanezcan desfasadas 30º Se puede demostrar entonces que los armónicos 5 y 7 se han eliminado. 10 10
PERTURBACIONES DISTORSIÓN ARMÓNICA Sistema de rectificación de 12 pulsos 11 11
PERTURBACIONES DISTORSIÓN ARMÓNICA Sistema de rectificación de 12 pulsos Momento de conducción de los tiristores del puente rectificador: La tensión de entrada supera a la tensión en el Bus. Las bobinas de entrada impiden la descarga completa y suavizan la forma de onda, asemejándola a una onda cuadrada. 12 12
PERTURBACIONES DISTORSIÓN ARMÓNICA Sistema de rectificación de 12 pulsos Podemos suponer un sistema casi ideal aplicado al rectificador, tomando como referencia señales cuadradas. Teniendo en cuenta que el doble secundario explicado antes introduce un desfase adicional de 30º entre las corrientes que llegan a cada rectificador, el resultado es una forma de onda mucho más senoidal en el inversor: 13 13
3 RUIDO ELÉCTRICO 14 14
RUIDO ELÉCTRICO RUIDO ELÉCTRICO El ruido eléctrico está producido por el puente inversor. Es debido a la interrupción de la señal de corriente por la conmutación en el estado de los tiristores (cambio de conducción a OFF y viceversa). Por este motivo la señal de ruido es una señal de corriente de alta frecuencia que se acopla a la señal de corriente que circula por el equipo y hacia el motor y adicionalmente puede ser emitida. Hay que hacer frente por tanto a dos tipos de emisiones: Conducidas Radiadas 15 15
RUIDO ELÉCTRICO El ruido eléctrico RADIADO será atenuado teniendo en cuenta: RUIDO ELÉCTRICO RADIADO Empleo de conducciones metálicas. Empleo de cables apantallados. El propio envolvente del variador metálico ayudará en la minimización de este efecto.» Apantallamiento de cables de potencia 16 16
RUIDO ELÉCTRICO RUIDO ELÉCTRICO CONDUCIDO El ruido eléctrico CONDUCIDO puede ser atenuado de diferentes formas: Ruido acoplado a la señal de entrada del variador. Empleo de Filtros de entrada RFI (Radio Frequency Interferences) también llamados Filtros EMC (Electro-Magnetic Compatibility). La normativa que regula la elección de estos filtros es la UNE-EN EN 61800-3/A11:2002 3/A11:2002. Ver detalle Anexo I. 17 17
RUIDO ELÉCTRICO RUIDO ELÉCTRICO CONDUCIDO El ruido eléctrico CONDUCIDO puede ser atenuado de diferentes formas: Ruido acoplado en la corriente que circula hacia el motor. Empleo de Ferritas de Salida en Modo Común, en el caso de que el ruido acoplado sea en modo común, esto es, acoplado en las capacidades existentes entre las fases y tierra y también entre los bobinados del motor y tierra. Este ruido es el causante de daños en los cojinetes. Empleo de Filtros de Salida dv/dt, en el caso de que el ruido acoplado sea en modo diferencial, esto es, acoplado en las capacidades existentes entre las distintas fases. Este ruido producirá perforaciones en el aislamiento y también incrementa el dv/dt. Estos filtros pueden ser: Inductancias de salida (bobinas de salida en serie, una por fase) Toroides de Polvo de Hierro, en todas las fases de salida. 18 18
RUIDO ELÉCTRICO FUNCIÓN DEL FILTRO dv/dt Podemos observar que la forma de onda de salida del variador tiene la siguiente forma: Este es el resultado de la acción del puente inversor. Visualizar película 19 19
RUIDO ELÉCTRICO FUNCIÓN DEL FILTRO dv/dt Si ampliamos la forma de onda se podría observar que el ángulo no es exactamente 90º Variador 132kW 132kW dv/dt 800V/µs 4000V/µs Pérdidas 1380W 1100W 20 20
RUIDO ELÉCTRICO FUNCIÓN DEL FILTRO dv/dt Con un incremento en la rampa del dv/dt se consigue una reducción en las pérdidas del equipo lo que permite que los variadores tengan que disipar menos potencia y por consiguiente puedan ser cada vez más pequeños. Variador 132kW 132kW dv/dt 800V/µs 4000V/µs Pérdidas 1380W 1100W La principal desventaja de este método es la aparición de sobreimpulsos muy bruscos en bornes del variador y mayores aún en bornes del motor. Esto se puede apreciar en la medición realizada sobre un equipo de la competencia:» Medición real equipo competencia de 200A en carga 21 21
RUIDO ELÉCTRICO Para corregir este problema, Power Electronics trabaja con la resistencia de puerta de los IGBTs, garantizando que esos sobreimpulsos no superarán un determinado valor. FUNCIÓN DEL FILTRO dv/dt» Medición real equipo 200A en carga: Competencia Rg es la resistencia de puerta y con ella se controla la carga del condensador que conforma el IGBT.» Medición real equipo 200A en carga: POWER ELECTRONICS 22 22
RUIDO ELÉCTRICO Como complemento a este diseño, los variadores de Power Electronics, integran además los filtros dv/dt de salida. Estos filtros tal y como se ha comentado anteriormente están constituidos por unas bobinas en serie a la salida, que terminan de atenuar los efectos indeseables que acabamos de ver. El resultado: FUNCIÓN DEL FILTRO dv/dt 3 er Nivel: Filtros Inductancias 2º Nivel: Refrigeración 1 er Nivel: Electrónica Alimentación Filtros RFI Filtro dv/dt» Medición real equipo 200A en carga: POWER ELECTRONICS 23 23
RUIDO ELÉCTRICO Finalmente, existe un tipo de filtro que hace frente al problema convirtiendo la señal troceada en una senoide: es el Filtro de Salida Senoidal (conjunto LC a la salida del variador). El ruido depende de la capacidad y del dv/dt. La capacidad es variable en cada instalación. El dv/dt depende del variador. Si el dv/dt se reduce hasta niveles despreciables, el ruido prácticamente desaparecerá. El resultado: RUIDO ELÉCTRICO CONDUCIDO 24 24
4 Anexo I Norma UNE-EN 61800-3/A11:2002 25 25
Anexo I COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA NORMA UNE-EN 61800-3/A11:2002 Aplicación de límites en las medidas de Perturbaciones Conducidas Actualmente existen diferentes normas de EMC de acuerdo con la Directiva 89/336/EEC que hacen referencia a los variadores de frecuencia o a los equipo en los que éstos se incorporan. Normas específicas para variadores UNE-EN EN 61800-3/A11:2002: Accionamientos eléctricos de potencia de velocidad variable. Parte 3: Norma de producto relativa a CEM incluyendo métodos de ensayos específicos. 26 26
Anexo I COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA NORMA UNE-EN 61800-3/A11:2002 Norma Criterios de Clasificación Primer entorno Distribución no restringida Distribución restringida Segundo entorno Corriente de entrada 100A Donde: Corriente de entrada > 100A Límite Aplicable Límite 1 Límite 2 Límite 3 Límite 4 Primer Entorno: Incluye uso doméstico o residencial. También incluye lugares conectados directamente sin transformadores intermedios a una red de alimentación de energía de baja tensión que dé suministro a edificio utilizados para fines domésticos (cines, teatros, centros comerciales, hospitales, ). Segundo Entorno: (Llamado también industrial). Incluye todos los lugares distintos a aquellos que estén conectados directamente a una red de suministro de energía de baja tensión que alimente a edificios utilizados para fines domésticos (fábricas e instalaciones alimentadas con transformador de media tensión a baja tensión). 27 27
Anexo I COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA NORMA UNE-EN 61800-3/A11:2002 Norma Criterios de Clasificación Primer entorno Distribución no restringida Distribución restringida Segundo entorno Corriente de entrada 100A Corriente de entrada > 100A Límite Aplicable Límite 1 Límite 2 Límite 3 Límite 4 Donde: Distribución No Restringida: Modalidad de comercialización en la que el suministro del equipo no depende de la competencia del cliente o usuario en cuestiones de EMC para la aplicación de los accionamientos. Distribución Restringida: Modalidad de comercialización en la que el fabricante limita el suministro del equipo a aquellos suministradores, clientes o usuarios que de forma independiente o conjunta tengan competencia técnica sobre los requisitos de EMC relativos a la aplicación de los accionamientos. 28 28
5 Anexo II Resumen Filtros 29 29
Anexo II RESUMEN FILTROS Resumiendo: Distorsión Armónica Ruido Eléctrico TIPOS DE FILTROS Filtro pasivo: Bobinas de Entrada (Inductancia de Choque) Filtros Activos Conducciones metálicas Radiado Cables apantallados Envolventes metálicas Conducido Bobina en el Bus DC Bobina Trifásica de Entrada Filtro EMC (o RFI) de Entrada. Para ruido acoplado en la señal de entrada Ferritas de Salida en Modo Común. Para ruido acoplado en la señal hacia el motor. Filtro de Salida dv/dt (ruido en modo diferencial) Filtro de Salida Senoidal (conjunto LC) Inductancias de Salida en serie (1 por fase) Toroides de Polvo de Hierro (1 por fase) 30 30
Gracias por su atención Presentación VARIADORES DE VELOCIDAD Y FILTROS Clasificación y Aplicación Realización Pilar Navarro Organización Departamento de Marketing www.power-electronics.com 2006 Power Electronics España, S.L.