Compatibilità elettromagnetica quando si utilizzano convertitori di frequenza

Compatibilità elettromagnetica (EMC) È la capacità delle apparecchiature elettriche o elettroniche di funzionare normalmente in presenza di campi elettromagnetici. Allo stesso tempo, l'apparecchiatura non deve interferire con il funzionamento di altre apparecchiature o sistemi nelle vicinanze.

La direttiva EMC della Commissione internazionale per l'energia (IEC) stabilisce i requisiti di immunità e di emissione per le apparecchiature elettriche utilizzate nello Spazio economico europeo. Lo standard EMC EN 61800-3 copre i requisiti per i convertitori di frequenza.

Il convertitore di frequenza assorbe corrente dalla sorgente solo durante i periodi in cui il valore istantaneo dell'onda sinusoidale della sorgente di alimentazione è superiore alla tensione del collegamento CC, vale a dire nella regione della tensione di picco della sorgente. Di conseguenza, la corrente non scorre in modo continuo, ma intermittente, con valori di picco molto elevati.

Questo tipo di forma d'onda di corrente comprende, oltre alle componenti di frequenza fondamentali, una proporzione più o meno elevata di componenti armoniche (armoniche di alimentazione).

Nei convertitori di frequenza trifase, sono costituiti principalmente da 5a, 7a, 11a e 13a armonica. Queste correnti provocano una distorsione della forma d'onda della tensione di alimentazione, che influisce su altre utenze elettriche nella stessa rete.

Inoltre, le correnti alternate causano fluttuazioni circuiti di rifasamento in alcune condizioni critiche che possono portare a sovratensione.

Le condizioni sono critiche quando:

• almeno il 10-20% della potenza dell'impianto è formato dall'inverter e dal raddrizzatore non controllato del convertitore di frequenza;

• il circuito di compensazione funziona senza interruzioni;

• lo stadio di compensazione più basso crea un circuito risonante insieme al trasformatore di alimentazione e una frequenza di risonanza vicina a 5 o 7 armoniche di 50 Hz, cioè circa 250 o 350 Hz.

Come risultato della commutazione molto rapida dei transistor dell'inverter a modulazione di larghezza di impulso si osservano effetti acustici che impattano negativamente sulla rete elettrica e sul motore elettrico.

La rapida commutazione degli interruttori a transistor dell'inverter provoca un segnale di interferenza a banda larga che colpisce l'ambiente attraverso i cavi del motore. Le continue variazioni di induttanza causate dagli intervalli di tensione di controllo PWM e DTC determinano lievi variazioni nella lunghezza dei fogli del nucleo del motore (magnetostrizione), con conseguente rumore modulato caratteristico nella pila del nucleo dello statore del motore.

La tensione di uscita del convertitore di frequenza è ad alta frequenza treno di impulsi rettangolare con polarità e durata diverse con la stessa ampiezza.La pendenza del fronte dell'impulso di tensione è determinata dalla velocità di commutazione degli interruttori di potenza dell'inverter ed è diversa quando si utilizzano diversi dispositivi a semiconduttore (ad esempio: per Transistor IGBT cioè 0,05 — 0,1 μs).

Il passaggio di un segnale impulsivo con un fronte ripido provoca processi ondulatori nel cavo e porta a sovratensioni nei morsetti del motore.

La lunghezza del cavo motore dipende dalla lunghezza dell'onda ad alta frequenza (fronte di impulso) che si propaga attraverso di esso.Critico è una lunghezza del cavo pari alla metà della lunghezza d'onda alla quale gli impulsi di tensione vengono applicati agli avvolgimenti del motore a induzione, che sono vicino in grandezza al doppio della tensione del collegamento CC.

Negli azionamenti elettrici per la classe di tensione 0,4 kV, la sovratensione può raggiungere i 1000 V. Questo problema è chiamato problemi di cavi lunghi.

Schema a blocchi di un convertitore di frequenza con filtri di ingresso e uscita

Per soddisfare i requisiti degli standard EMC, nei convertitori di frequenza vengono utilizzati induttanze di linea e filtri EMC.

I filtri EMC riducono il rumore acustico emesso dal trasduttore e per la maggior parte dei tipi di trasduttori sono integrati in fabbrica nell'alloggiamento della sonda. Le reattanze di linea sono progettate per ridurre le correnti di spunto elevate e quindi le armoniche della corrente di linea e per migliorare la protezione contro le sovratensioni del convertitore di frequenza regolato.

La soluzione al problema del «cavo lungo» è la necessità di applicare soluzioni tecniche per limitare le sovratensioni e le correnti di spunto nei morsetti del motore elettrico. Questi includono l'installazione di induttanze di uscita, filtri, filtri sinusoidali.

Schema di collegamento del convertitore di frequenza

Le induttanze di uscita servono principalmente a limitare i picchi di corrente che si verificano nei cavi motore lunghi a causa del sovraccarico delle prese dei cavi e riducono leggermente l'aumento di tensione ai morsetti del motore, ma non riducono i picchi di tensione ai morsetti del motore.

Strozzatura lineare

I filtri proteggono l'isolamento del motore limitando l'innalzamento della tensione e riducendo i picchi di tensione ai morsetti del motore a valori non critici, mentre i filtri riducono i picchi di corrente che si verificano quando i vani cavi vengono periodicamente ricaricati.

Filtri EMC

I filtri sinusoidali forniscono una tensione quasi sinusoidale all'uscita del convertitore.

Inoltre, i filtri sinusoidali riducono la velocità di aumento della tensione ai morsetti del motore a un valore, rimuovono i picchi di tensione, riducono le perdite aggiuntive nel motore e riducono il rumore del motore.

Per cavi motore lunghi, i filtri sinusoidali riducono i picchi di corrente generati dalla ricarica periodica dei vani cavi.

Oltre ai suddetti metodi di limitazione delle sovratensioni nei terminali del motore elettrico, vanno segnalati due modi efficaci per risolvere il problema di un cavo lungo, che non richiedono grandi investimenti e possono essere eseguiti direttamente dall'utente:

1. Installazione di una serie LC — filtro all'uscita del convertitore di frequenza per ridurre la pendenza del fronte di salita degli impulsi di tensione di uscita dell'inverter;

2.Installazione di un filtro RC parallelo direttamente sui terminali del motore per adeguarsi all'impedenza d'onda del cavo.

Oltre ai suddetti metodi per garantire la compatibilità elettromagnetica, va segnalata la necessità di utilizzare cavi schermati per collegare il convertitore di frequenza e il motore elettrico. Per un'efficace soppressione delle interferenze irradiate ad alta frequenza, la conducibilità dello schermo dovrebbe essere almeno 1/10 della conduttività del conduttore di fase.

Uno dei parametri che permettono di valutare la conduttività dello schermo è la sua induttanza, che dovrebbe essere piccola e dipendere il meno possibile dalla frequenza. Questi requisiti possono essere facilmente soddisfatti utilizzando uno scudo (armatura) in rame o alluminio.

Le schermature del cavo che collega il convertitore di frequenza e il motore devono essere messe a terra su entrambe le estremità.Migliore e più stretta è la schermatura, minore è il livello di radiazione e l'entità della corrente nei cuscinetti del motore.

Schermatura del cavo motore per il convertitore di frequenza

Lo schermo è costituito da uno strato concentrico di fili di rame e da una striscia di rame a spirale.

Normalmente la schermatura del cavo di controllo è collegata a terra direttamente al convertitore di frequenza. L'altra estremità della schermatura è lasciata senza messa a terra o collegata a terra tramite un condensatore ad alta tensione ad alta frequenza di pochi nF.

Si consiglia di utilizzare un cavo a doppino intrecciato con due schermature per collegare i segnali analogici. L'uso di tale cavo è consigliato anche per il collegamento dei segnali provenienti da un sensore di velocità a impulsi. Per ogni segnale deve essere utilizzato un cavo con schermatura separata.

Per i segnali digitali a bassa tensione, si consiglia inoltre di utilizzare un cavo a doppino intrecciato con doppia schermatura, ma è possibile utilizzare più cavi a doppino intrecciato con una schermatura comune.

Cavo a doppino intrecciato con doppia schermatura (a) e cavo con più doppini intrecciati e una schermatura comune (b)