VARIADORES DE VELOCIDAD Y FILTROS CLASIFICACIÓN Y APLICACIÓN.

VARIADORES DE VELOCIDAD Y FILTROS

CLASIFICACIÓN Y APLICACIÓN

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Variadores de Velocidad y FiltrosAMBITO DE APLICACIÓN

1. Variadores de Velocidad. Perturbaciones.

2. Variadores de Velocidad. Distorsión armónica

3. Variadores de Velocidad. Ruido eléctrico

4. Anexo I. Norma UNE-EN 61800-3/A11:2002

5. Anexo II. Resumen Filtros.

SUMARIO

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Variadores de VelocidadPERTURBACIONES1

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Las perturbaciones generadas por los Variadores de Velocidad pueden clasificarse del siguiente modo:

Variadores de VelocidadPERTURBACIONES

PERTURBACIONES GENERADAS POR LOS VARIADORES

1. Distorsión Armónica: Producida por el puente rectificadorrectificador.

2. Ruido Eléctrico: Producido por el puente inversorinversor.

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 filtrosfiltros.

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Variadores de VelocidadDISTORSIÓN ARMÓNICA2

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¿Qué son los armónicos?


DISTORSIÓN ARMÓNICA

Se puede demostrar que cualquier forma de onda (cuadrada, triangular, …) periódica puede ser representada como una serie de ondas senoidales de diferentesfrecuencias y fases. Todas ellas constituyen el espectro armónico de la onda.

» Contenido en armónicos de una onda cuadrada

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¿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.

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¿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.

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¿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.

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¿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.

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Sistema de rectificación de 12 pulsos



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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.

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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:

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Variadores de VelocidadRUIDO ELÉCTRICO3

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Variadores de VelocidadRUIDO ELÉCTRICO

RUIDO ELÉCTRICO

El ruido eléctrico está producido por el puente inversorpuente 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

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RUIDO ELÉCTRICO RADIADO

El ruido eléctrico RADIADORADIADO será atenuado teniendo en cuenta:

• 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

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RUIDO ELÉCTRICO CONDUCIDO

El ruido eléctrico CONDUCIDOCONDUCIDO puede ser atenuado de diferentes formas:

Empleo de Filtros de entrada RFIFiltros de entrada RFI (Radio Frequency Interferences) también llamados Filtros EMCFiltros EMC (Electro-Magnetic Compatibility).

La normativa que regula la elección de estos filtros es laUNE-EN 61800-3/A11:2002UNE-EN 61800-3/A11:2002. Ver detalle Anexo I.

• Ruido acoplado a la señal de entrada del variador.

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El ruido eléctrico CONDUCIDOCONDUCIDO puede ser atenuado de diferentes formas:

Empleo de Ferritas de Salida en Modo ComúnFerritas 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/dtFiltros 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 salidaInductancias de salida (bobinas de salida en serie, una por fase)• Toroides de Polvo de HierroToroides de Polvo de Hierro, en todas las fases de salida.

• Ruido acoplado en la corriente que circula hacia el motor.

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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

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Si ampliamos la forma de onda se podría observar que el ángulo no es exactamente 90º

Variador dV/dt Pérdidas132kW 800V/µs 1380W132kW 4000V/µs 1100W

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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 dV/dt Pérdidas132kW 800V/µs 1380W132kW 4000V/µs 1100W

La principal desventajadesventaja 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

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Para corregir este problema, Power Power ElectronicsElectronics trabaja con la resistencia de puerta de los IGBTs, garantizando que esos sobreimpulsos no superarán un determinado valor.

» 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 ELECTRONICSPOWER ELECTRONICS

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Como complemento a este diseño, los variadores de Power Electronics,Power Electronics, integran además los filtros dV/dtdV/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:

» Medición real equipo 200A en carga: POWER ELECTRONICSPOWER ELECTRONICS

Alimentación

Filtro dv/dtFiltro dv/dtFiltros RFIFiltros RFI

InductanciasInductancias

1er Nivel: Electrónica2º Nivel: Refrigeración3er Nivel: Filtros

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Finalmente, existe un tipo de filtro que hace frente al problema convirtiendo la señal troceada en una senoide: es el Filtro de Salida SenoidalFiltro 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:

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Anexo INorma UNE-EN 61800-3/A11:20024

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Anexo ICOMPATIBILIDAD 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 61800-3/A11:2002:UNE-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.

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NORMA UNE-EN 61800-3/A11:2002

Norma

Criterios de Clasificación Límite AplicablePrimer entorno Distribución no restringida Límite 1

Distribución restringida Límite 2

Segundo entorno Corriente de entrada 100A Límite 3Corriente de entrada > 100A Límite 4

Donde:

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).

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NORMA UNE-EN 61800-3/A11:2002

Norma

Criterios de Clasificación Límite AplicablePrimer entorno Distribución no restringida Límite 1

Distribución restringida Límite 2

Segundo entorno Corriente de entrada 100A Límite 3Corriente de entrada > 100A 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.

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Anexo IIResumen Filtros5

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Anexo IIRESUMEN FILTROS

TIPOS DE FILTROS

Resumiendo:

Distorsión Armónica

Filtro pasivo: Bobinas de Entrada (Inductancia de Choque)

Bobina en el Bus DCBobina Trifásica de Entrada

Filtros Activos

Ruido Eléctrico

Radiado

Conducido

Conducciones metálicas

Cables apantallados

Envolventes metálicas

Filtro EMC (o RFI) de Entrada. Para ruido acoplado en la señal de entradaFerritas de Salida en Modo Común. Para ruido acoplado en la señal hacia el motor.

Filtro de Salida dV/dt(ruido en modo diferencial)

Inductancias de Salida en serie(1 por fase)Toroides de Polvo de Hierro(1 por fase)

Filtro de Salida Senoidal (conjunto LC)

Gracias por su atención

PresentaciónVARIADORES DE VELOCIDAD Y FILTROSClasificación y Aplicación

RealizaciónPilar Navarro

OrganizaciónDepartamento de Marketing

www.power-electronics.com©2006 Power Electronics España , S.L.

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