Convertoarele de frecvență sunt utilizate pentru reglarea vitezei motoarelor de curent alternativ. În aplicații, în care convertizorul și motorul sunt conectate printr-un cablu mai lung, apar capacități parazite între conductoare și la sol. În plus, viteza de creștere a impulsurilor de undă rectangulare ale tensiunii de ieșire a convertizorului este în intervalul de la 5 la 10 kV/μs, ceea ce determină curenți de înaltă frecvență în cablu la fiecare operație de comutare. Acestea au o întreagă gamă de efecte negative, care pot fi aproape eliminate prin utilizarea produselor TDK, cum ar fi bobinele de șoc pentru motor (filtrele dv/dt), filtrele sinusoidale și SineFormer®.
Astfel de efecte adverse includ:
▶ Suprapunerea curenților de înaltă frecvență pe cablu reduce cantitatea de curent disponibilă pentru funcționarea motorului. Pentru a compensa acest lucru, convertorul trebuie să fie astfel dimensionat pentru o putere mai mare.
▶ Curenții de înaltă frecvență, cu un conținut ridicat de frecvență de comutare, determină pierderi atât în cablu, cât și în motor.
▶ O parte a curenților de înaltă frecvență ce este condusă la sol, produce interferențe asimetrice. Dacă se utilizează cabluri neecranate pentru motor,
acest lucru ar duce, în consecință, la câmpuri de interferență inadmisibil de mari. Din acest motiv, în general sunt utilizate cabluri de motor ecranate,
dar și scumpe.
▶ Mai mult decât atât, creșterea abruptă a tensiunii convertorului excită circuitele oscilante parazite care constau din capacități de cablu și motor, precum și din inductanțele de linie. Caracteristicile lor tranzitorii se suprapun pe tensiunea convertorului. Pe partea motorului, aceasta conduce în primul rând la depășiri momentane de tensiune, ce pot depăși cu mult tensiunea nominală a motorului și pot exercita o solicitare asupra izolației motorului datorită descărcărilor parțiale, ceea ce, în final, poate provoca o defecțiune a motorului.
Șocuri (inductanțe numite reactoare) pentru motoare trifazate, tip B86301U * R000 / S000. Reduc stresul de tensiune la motor și descresc variația dV/dt la ieșirea convertizorului de frecvență. Caracteristici: • 4A până la 1500A/520V • Ușor de instalat • Greutate redusă • Design compact.
În general, apar următoarele probleme la ieșirea convertorului:
• Curenți de reacție de înaltă frecvență în cablul de alimentare a motorului
• Probleme EMC (Electromagnetic Compatibility)
• Supratensiune la motor cauzată de un gradient abrupt de tensiune și de un cablu lung al motorului
• Deteriorarea izolației motorului
• Deteriorarea lagărului motorului cauzată de curenții de scurgere prin rulmenți
• Zgomotele mecanice ale motorului.
TDK oferă o gamă largă de filtre și reactoare EPCOS:
• Șocuri (inductoare de blocare) pentru motor (filtrele dV/dt)
• Filtre sinusoidale
• SineFormer®
Toate reactoarele și filtrele sunt fabricate cu un sistem de izolație aprobat de UL.
Soluția cu șoc (inductanță) la variația dV/dt
Curentul și tensiunea ce cresc abrupt la ieșirea convertizorului de frecvență sunt temperate de o inductanță care se opune șocurilor de energie la o variație rapidă, în timp ce capacitățile parazite ale cablului motor sunt încărcate și descărcate, cu energie indusă conform legii lui Faraday, mai puțin puternic. Șocurile pentru motoare sunt folosite în principal pentru a proteja înfășurările motoarelor împotriva vârfurilor de tensiune.
Filtre sinusoidale seria B84143V*R227/ R229/R230. Caracteristici: • 4A până la 720A/520V (R227/R230) • versiunea R230 până la 204A/690V • Proiectat pentru cabluri până la 1000 m.
Avantaje (2) și dezavantaje (3)
• Se reduc semnificativ vârfurile dV/dt
• Soluție ieftină
• Cablul motorului este limitat la aproximativ 100m
• Nu se reduce zgomotul acustic
• Este necesar un cablu ecranat
Soluția cu filtru sinusoidal
Filtrele cu undă sinusoidală sunt proiectate ca filtre LC. Spre deosebire de bobinele șoc pentru motoare, totuși, frecvența lor limitată se situează între frecvența tensiunii la ieșire și frecvența ceasului din convertor. Pe măsură ce filtrul cu undă sinusoidală suprimă în principal interferența simetrică dintre linii, interferența care acționează asupra tensiunii fază − sol nu este deloc redusă.
Prin urmare, conductoarele motorului necesită în continuare ecranare. Filtrele cu undă sinusoidală reduc zgomotul motorului și pierderile de curent turbionar și permit utilizarea conductoarelor de motor mult mai mult de 100 m.
Avantaje (4) și dezavantaje (1)
• Reduce semnificativ vârfurile dV/dt
• Formează o undă sinusoidală între faze
• Reduce zgomotul
• Reduce curenții turbionari
• Soluție relativ scumpă, deoarece cablurile ecranate trebuie încă folosite.
SineFormer® Schema de circuit
Soluția cu SineFormer®
Prin utilizarea unei combinații de inductor serie și inductanță șoc de mod comun, interferențele asimetrice pot fi reduse atât de mult încât nu sunt necesare cabluri ecranate ale motorului.
SineFormer®: cea mai bună soluție de filtrare la ieșirea convertizorului. Cod: B84143V****R127. Caracteristici: • Tensiunea 520 VAC (600V) • Curent 6A până la 80A (320A) (@ 40°C) • Frecvența Motor 0 … 100Hz • Frecvența de ceas: 4 … 8kHz (2.5kHz/320A) • Teste funcționale reușite cu cablu până la 1000m, neecranat • Teste EMC (emisii radiate) reușite cu cablu până la 300m, neecranat.
Prezentare generală a beneficiilor
Beneficiile tehnice ale conceptului EMC cu SineFormer®
− Reduce dV/dt la <500 V/μs
− Reduce zgomotului acustic generat de motor
− Reduce semnificativ pierderile de curenți turbionari
− Reduce considerabil curenții în rulmenții motorului
− Împiedică cuplarea interferențelor de la cablul motorului cu alte cabluri de rețea și de semnal
− Performanță mai bună a EMC decât cablurile ecranate
− Emisiile de interferențe radio în limitele specificate de standarde
− Cea mai bună reducere posibilă a interferenței (condusă și radiată) în comparație cu alte soluții de filtru la ieșire
− Nu este necesară nicio reacție la legătura DC a convertizorului.
Avantajele economice ale conceptului EMC cu SineFormer®
− Cablurile motorului neecranate pot fi utilizate și astfel se reduc costurile cablurilor motorului la minimum, dar reducând și costurile de instalare
− Dimensiunea motorului poate fi redusă
− Sunt posibile cabluri mai lungi ale motorului (au fost măsurări pentru cabluri până la 1000m, neecranate)
− Nu există costuri de întreținere, deoarece SineFormer® este proiectat fără ventilație forțată
− Soluție compactă de filtrare (nu e sistem modular) cu volum și greutate reduse
− Cerințele privind filtrele pe liniile de AC pot fi reduse
− Disponibilitate sporită a sistemului
− De asemenea, e potrivit ca set de modernizare.
SineFormer® – Măsurători. 1. Măsurători la ieșirea convertizorului: Tensiunea fază – fază nu e sinusoidală și rezultă interferențe și curenți prin inducție care curg prin rulmenții lagărelor motorului și produc defectarea prematură a lagărelor. 2. Măsurători la ieșirea filtrului (cablu de motor 300 m): • Tensiunea fază – fază e sinusoidală • Curentul asimetric (de mod comun) e redus semnificativ.
Măsurătorile arată avantajele utilizării SineFormer®:
• Nu este necesar un cablu de motor ecranat.
• Vârfurile dV/dt se reduc semnificativ la valori necritice.
• Eliminarea armonicelor pe partea de ieșire.
• Nivelul EMC scăzut nu mai impune cablu ecranat.
• Performanța EMC nu depinde de lungimea cablului.
• SineFormer® + cablu de motor neecranat are o performanță mai bună decât cablurile ecranate.
• Filtrele de undă sinusoidală reduc doar parțial curenții lagărelor din motor.
• Doar filtrele SineFormer® reduc semnificativ curenții în rulmenții lagărelor!
ECAS Electro | www.ecas.ro
Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu | emil.floroiu@ecas.ro
Descărcați din https://en.tdk.eu documentul:
Portfolio of EPCOS EMC Filters High-performance line-up for every application
Soluția completă de protecție EMC intrare / ieșire pentru aplicații cu motor electric. Soluții cu performanțe diferite, pentru aplicații cu motoare alimentate prin cabluri lungi: lifturi, pompe, aer condiționat, sisteme de tip transportor. • Șoc dV/dt: 50 m • Filtru dV/dt: 100 m • Filtru sinusoidal: 1000 m • SineFormer®: 1000 m
Documentații TDK:
https://en.tdk.eu/tdk-en/1029890/products/product-catalog/emc-components/output-filters–epcos-
https://en.tdk.eu/tdk-en/373562/tech-library/articles/applications—cases/applications—cases/interference-free-converter-output/ 1502156
Documentații Notă:
http://www.ecmweb.com/content/bearing-current-problems-causes-symptoms-and-solutions
https://new.abb.com/motors-generators/iec-low-voltage-motors/articles/bearing-currents
Notă
Cum se generează curenții de înaltă frecvență în rulment?
Sursa curenților din rulment este tensiunea indusă peste rulment. Când există tensiune pe arborele motorului, aceasta poate depăși efectul de izolare al filmului de lubrifiere a rulmentului. Acest lucru provoacă un flux de curent ce este eficient în producerea de descărcare electrică (EDM − Electric Discharge Machining) în rulment, provocând uzura prematură și, în cele din urmă, defectarea timpurie.
Această tensiune poate fi generată în trei moduri diferite, în funcție de mărimea motorului, de modul de împământare al cadrului și axului, de cablarea electrică și de caracteristica electronică specifică a unității AC.
1. În motoarele mari − cu dimensiune a cadrului peste IEC 280, o tensiune de înaltă frecvență este indusă între capetele arborelui motor de către fluxul de înaltă frecvență care circulă în jurul statorului. Atunci când această tensiune atinge un nivel suficient de ridicat pentru a depăși impedanța filmului de ulei rulant, un curent circulant apare în bucla formată de arbore, rulmenți și cadrul statorului.
2. În motoarele mai mari, curentul de împământare al arborelui care intră în rama statorului trebuie să revină la invertor, ce este sursa acestui curent. Orice rută înapoi are impedanță și, prin urmare, tensiunea cadrului motorului este ridicată în comparație cu nivelul de masă (ground) al sursei. Dacă arborele motorului este legat la pământ prin intermediul mașinilor acționate, această creștere a tensiunii cadrului motorului este observată peste rulmenții din lagăre. În cazul în care tensiunea este suficient de mare pentru a depăși impedanța filmului de ulei al lagărului, un curent de masă al arborelui poate curge prin intermediul lagărului de antrenare, arborelui și mașinii acționate, înapoi la invertor.
3. În motoarele mici − cu dimensiunea cadrului sub IEC 280, curentul de descărcare capacitivă când o parte a tensiunii de mod comun peste capacitățile parazite interne ale motorului provoacă tensiuni pe arborele motorului suficient de mari pentru a crea impulsuri de curent de înaltă frecvență în rulment. Acest lucru se poate întâmpla dacă arborele nu este împământat prin mașinile acționate mecanic, în timp ce cadrul motorului este legat la pământ în modul standard pentru protecție.
Trei soluții eficiente de alegere a primelor acțiuni pentru curenții de rulmenți sunt deja stabilite pe piață. Acestea includ: un lagăr izolat la capătul necuplat mecanic; filtru de mod comun, împământare și cablare ecranată. Acum, pentru cele mai exigente situații în care una sau o combinație a acestor soluții nu poate oferi o soluție completă, au fost dezvoltate două noi abordări îmbunătățite sub formă de perii de împământare a arborilor și lagăre izolante la ambele capete.
În detaliu, cele 3 soluții de primă acțiune pentru curenții de rulment sunt:
1 − Încorporarea unui lagăr izolat la capătul necuplat mecanic. O soluție eficientă pentru motoarele cu o dimensiune a cadrului IEC 280 și mai sus, este înlocuirea rulmentului la capătul necuplat cu un lagăr izolat care împiedică curgerea curentului prin acest punct. Acest lucru poate fi aplicat ca o retehnologizare sau specificat ca opțiune la noile motoare. Atenție, curentul trebuie să meargă undeva! Deci, în timp ce motorul va fi protejat, este important să se asigure că această abordare nu va crea probleme noi într-o altă parte a instalației.
2 − Filtru de mod comun folosit împreună cu un VSD (Variable Speed Drive). Pentru motoarele mai mari, cu o putere nominală mai mare de 350 kW (dimensiune cadru IEC 400 sau mai mare), un filtru de mod comun va reduce curenții de mod comun și, astfel, va reduce riscul de curenți în rulmenți. Filtrul de mod comun ar putea fi instalat intern ca parte a pachetului de motor și de acționare, sau ar putea fi montat pe cablul dintre VSD și motor. Filtrele de mod comun nu afectează în mod semnificativ faza tensiunilor principale de pe terminalele motorului.
3 − Legarea la pământ și cablarea ecranată a transformatorului, VSD, motorului și cuplajului la sarcină. Pentru toate instalațiile și în special motoarele cu o putere nominală a motorului de peste 30 kW, se recomandă legarea la pământ și conexiune prin cabluri cu ecranare PE (de protecție pământ) simetrică la nivelul întregului sistem, fiindcă se atenuează puternic tensiunile în arborele motorului și cadru. Aceasta reprezintă cea mai bună practică chiar și atunci când curenții în rulmenți nu sunt considerați o problemă. Ar trebui să fie, de asemenea, prima acțiune luată înainte de instalarea unui filtru de mod comun pe motoarele mai mari.