SEMINARIO TÉCNICO – 2ª PARTE – EMC y THD POWER ELECTRONICS I+D

SEMINARIO TÉCNICO – 2ª PARTE – EMC y THD POWER ELECTRONICS I+D
20 Febrero2011

01 Compatibilidad Electromagnética (EMC)
Índice 01 Compatibilidad Electromagnética (EMC) 02 Distorsión Armónica Total (THD) 2

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Índice
> INTRODUCCIÓN > RUIDO CONDUCIDO > ENTRADA - Filtro de entrada RFI- EMC > SALIDA - Ferritas Modo Común - Filtro dV/dt - Senoidal / Filtro LC > COMPETENCIA > NORMAS Y REGULACIONES > Directiva EMC 2004/108/CE > IEC/EN > IEEE

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Introducción
EMI Emisión Electromagnética EMS Susceptibilidad Electromagnética CLASE DE AMBIENTE Espectro de frecuencia Valor de amplitud Nivel de Inmunidad del equipo Nivel de Inmunidad Mínimo MARGEN DE COMPATIBILIDAD Nivel de Emisión Máximo Nivel de Emisión del equipo

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Introducción
EMI Emisión Electromagnética EMS Susceptibilidad Electromagnética Radiofrecuencia Conducidas Radiadas Sobretensiones Transitorios rápidos Descargas Electrostáticas THD Huecos e interrupciones Baja frecuencia F Z> 150 kHz THD Flicker Media Frecuencia 150 kHz< f < 30MHz Conducidas Alta Frecuencia f < 30MHz Radiadas IEEE IEC EMC 2004/108/CE

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Radiadas y Conducidas
El ruido eléctrico se produce por el puente inversor. Se debe a la interrupción de la señal de corriente cuando los tiristores conmutan su estado (de ON a OFF y vice versa). Por esta razón, el ruido eléctrico es una señal de corriente de alta frecuencia que se acopla a la corriente que circula del equipo al motor y que puede además ser emitida. Es necesario actuar con dos tipos de emisiones: RADIADAS CONDUCIDAS

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Radiadas
El ruido eléctrico RADIADO puede atenuarse de las siguientes maneras: Utilizando conducciones metálicas. Utilizando cables apantallados. Utilizando el propio armario metálico del variador. NOT NEEDED

01. ECOMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Índice
> INTRODUCCIÓN > RUIDO CONDUCIDO > ENTRADA - Filtro de entrada RFI- EMC > SALIDA - Ferritas de Modo Común - Filtro dV/dt - Senoidal / Filtro LC > COMPETENCIA > NORMAS Y REGULACIONES > Directiva OMC 2004/108/CE > IEC/EN > IEEE

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Conducidas | Entrada
Ruido acoplado a la SEÑAL DE ENTRADA del variador Se recomienda el uso de Filtros RFI de entrada (Emisión Radiofrecuencia) también llamados Filtros EMC (Compatibilidad Electromagnética). La normativa que controla la elección de estos filtros es UNE-EN /A11:2002. Ver detalles en el Anexo I.

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Conducidas | Salida
Ruido acoplado en la CORRIENTE QUE CIRCULA HACIA EL MOTOR - SALIDA Las Ferritas de Modo Común de la Salida, en el caso de que el ruido acoplado sea de modo común, la señal de ruido está acoplada a las capacidades existentes entre las fases y tierra, y también entre el devanado del motor y tierra. Este ruido es el responsable de dañar los cojinetes. Filtros dV/dt de salida, en caso de que el ruido acoplado sea diferencial, la señal de ruido está acoplada a las capacidades existentes entre las fases. Este ruido produce defectos de aislamiento y además incrementa el factor dV/dt. Estos filtros puden ser: Inductancia de Salida (Bobinas en serie a la salida, una por fase) Toroides de Polvo de Hierro, en todas las fases de salida. Filtros Senoidales / LC, eliminan el problema transformando la señal interrumpida en una senoidal reduciendo el ruido.

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Conducidas | Salida
Es posible observar que la forma de onda a la salida del variador es la siguiente: Resultado de la acción del puente inversor. Mostrar Película

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC)
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Conducidas | Salida | dV/dt Si se amplifica la forma de onda, es posible observar que el ángulo no es exactamente de 90º: Variador dV/dt Pérdidas 132kW 800V/µs 1380W 132kW 4000V/µs 1100W

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Conducidas | Salida | dV/dt Incrementando la rampa dV/dt es posible reducir las pérdidas del variador, lo que permite a los variadores disipar menos potencia y por tanto pueden ser más pequeños. Variador dV/dt Pérdidas 132kW 800V/µs 1380W 132kW 4000V/µs 1100W La principal desventaja de este método es la aparición de bruscos sobreimpulsos a la salida del variador que serán mayores en la entrada del motor. Es posible comprobar esto en la medida realizada utilizando un equipo de la competencia: » Medición real equipo competencia de 200A en carga

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Conducidas | Salida | dV/dt Para corregir este problema, Power Electronics 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 ELECTRONICS

Power Electronics para variadores de 690V integra el sistema CLAMP.
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Conducidas | Salida | dV/dt Power Electronics para variadores de 690V integra el sistema CLAMP. Este circuito reduce el pico de tensión de conmutación de los IGBT’s, debido a la inductancia causada por el cable de salida y el motor. Este sistema evita los daños en los IGBT’s y el motor, y reduce el calentamiento del filtro dv/dt.

Convierte la señal interrumpida en una señal senoidal
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| Conducidas | Salida | Filtro Senoidal / LC L C Convierte la señal interrumpida en una señal senoidal

> INTRODUCCIÓN > RUIDO CONDUCIDO > ENTRADA - Filtro de entrada RFI- EMC > SALIDA - Ferritas Modo Común - Filtro dV/dt - Senoidal / Filtro LC > COMPETENCIA > NORMAS Y REGULACIONES > Directiva OMC 2004/108/CE > IEC/EN > IEEE

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| Competencia
PROVEEDOR A Para distancias mayores de cable se deben utilizar más filtros. Ver las siguientes páginas.

PROVEEDOR A DRIVE

PROVEEDOR A

PROVEEDOR B Para longitudes de cable mayores, se deben utilizar bobinas de choke adicionales a la salida. Para más detalles, vea la siguiente página.

PROVEEDOR B

PROVEEDOR C

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| SD700
SERIE SD700 Chokes de entrada (según normativa) Filtro dV/dt de salida (según normativa) Control electrónico del dV/dt de los IGBT Construcción mecánica Diseño de PCB’s Alimentación 400Vac (-20% a +10%) Tallas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Apantallado (m) 150 No apantallado (m) 300 Alimentación 550Vac a 690Vac (-20% a +10%) Tallas 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Apantallado (m) 100 No apantallado (m) 200 » Para longitudes de cable mayores contacte con Power Electronics

Límite de tensión de pico admisible curvas en terminales de motores CA:

Uno de los tests realizados en el SD700.

> INTRODUCCIÓN > RUIDO CONDUCIDO > ENTRADA - Filtro de entrada RFI- EMC > SALIDA - Ferritas Modo Común - Filtro dV/dt - Senoidal / Filtro LC > COMPETIDORES > NORMAS Y REGULACIONES > Directiva OMC 2004/108/CE > IEC/EN > IEEE

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Normas y Regulaciones
La certificación CE para Variadores de Velocidad requiere el cumplimiento de la directiva: EMC 2004/108/CE IEC Conforme IEC

Criterio de Clasificación
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Normas y Regulaciones | IEC /A11 Criterio de Clasificación Límite de Aplicación Primer entorno Distribución no restringida C1 Distribución Restringida C2 Segundo entorno Corriente de entrada  100A C3 Corriente de entrada > 100A C4 ¿DONDE? Primer Entorno: Incluye uso doméstico o residencial. Incluye también, lugares conectados directamente, sin transformadores intermedios, a una red de distribución de baja tensión que alimente edificios de uso doméstico (cines, teatros, centros comerciales, hospitales,…). Segundo Entorno: (Llamado también industrial). Incluye todos los lugares que no se conectan directamente a una red de distribución de baja tensión que alimente edificios de uso doméstico (fábricas e instalaciones que incorporen un transformador de media a baja tensión).

Criterio de Clasificación
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Normas y Regulaciones | IEC /A11 Criterio de Clasificación Límite de Aplicación Primer entorno Distribución no restringida C1 Distribución restringida C2 Segundo entorno Corriente de entrada  100A C3 Corriente de entrada > 100A C4 ¿DONDE? Distribución no restringida: Modalidad de comercialización donde la alimentación del variador no depende del cliente o usuario según el EMC de la aplicación. Distribución restringida: Modalidad de comercialización donde el fabricante limita la alimentación del variador a sus clientes o usuarios los cuales, ya sea de forma independiente o conjunta, tienen competencias técnicas en los requerimiento del EMC de la aplicación.

01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Normas y Regulaciones | 1er Entorno 2º Entorno C4 C3 C1 C2 I < 100A I > 100A EMC PLAN CONDUCIDAS RADIADAS Valor de pico Valor medio

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Índice
> Principios básicos > Medidas > Efectos > Normas y Regulaciones > Soluciones - Filtros Pasivos - FREEMAQ - Filtros Activos - Variadores Multipulsos > Competencia

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Principios Básicos | ¿Qué es la distorsión armónica?
Ha sido demostrado que cada forma de onda periódica (cuadrada, triangular, …) se puede representar como la suma de varias ondas senoidales con diferentes frecuencias y fases. Todas estas ondas constituyen el espectro armónico de la onda.

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Principios básicos | ¿Qué es la distorsión armónica?
If g ► 50Hz or 60 Hz If5rd ► 5 · f g If7th ► 7 · f g I T = I1+ I5 …..+In

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Medidas
Transformación de Fourier Valor THDi

En aplicaciones con variadores son importantes tanto la distorsión armónica de tensión como la de corriente. La distorsión armónica de corriente y tensión tienen distintos efecto en el sistema y por tanto es importante separarlos. La distorsión armónica de corriente es causada por la parte del rectificador del variador, normalmente un diodo rectificador de 6 pulsos. Las corrientes armónicas se pueden describir como corrientes reactivas añadidas a la corriente activa. En consecuencia, la distorsión armónica de corriente incrementa la corriente nominal (RMS) y si esto no se tiene en consideración, el resultado puede ser el sobrecalentamiento de los componentes como el transformador o los cables. La suma de las distorsiones armónicas de corriente se describe comúnmente en porcentaje de la corriente fundamental, también conocida como distorsión armónica de corriente total (THDi).

La corriente armónica circula normalmente desde el generador de corriente armónica (el diodo rectificador) hacia la red eléctrica. La caída de tensión causada por las corrientes armónicas sobre la impedancia de entrada causa la distorsión armónica de tensión. Por ejemplo, la distorsión armónica de tensión es producto de la distorsión armónica de corriente y de la impedancia de entrada, donde una red con alta impedancia requiere una gran distorsión de tensión. La distorsión armónica de tensión puede interferir en equipos conectados a la misma línea tales como motores o equipos electrónicos y cuasarles fallos. La suma de las distorsiones armónicas de tensión se describe comúnmente en porcentaje de la tensión fundamental, también conocida como distorsión armónica de tensión total (THDV).

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Efectos
1) Sobrecarga y temperatura elevada de Red Eléctrica y Transformador. 2) Reducción de la eficiencia del motor, formas de onda no senoidales incrementan la pérdida de calor interno. 3) Efectos de resonancia en los bancos de condensadores , los sistemas de corrección del factor de potencia pueden no trabajan correctamente y generar resonancia. 4) Electrónica y ordenadores por debajo de su rendimiento. Los aparatos de bajo consumo o monofásicos pueden resultar afectados y no funcionar correctamente.

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Normas y Regulaciones
La legislación aplicable a los variadores está descrita en la norma internacional IEC En esta normativa genérica se incluyen otras normas sobre armónicos como IEC (Clase 3: THD=10%) o IEC (THD=8%) Descripción literal sacada de norma IEC : “los niveles de inmunidad utilizados para el diseño con respecto a la distorsión armónica total de tensión y a los órdenes de los armónicos individuales será como mínimo igual a los niveles de compatibilidad permanentes de la IEC (clase 3: THD=10%) o IEC (THD=8%), para situaciones de régimen. Para situaciones transitorias (duración inferior a 15 segundos), los niveles de inmunidad utilizados para el diseño serán como mínimo 1.5 veces los niveles de compatibilidad permanentes”.

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Normas y Regulaciones
DESCRIPCIÓN IEC La norma establece los niveles de compatibilidad electromagnética para perturbaciones conducidas de baja frecuencia en las instalaciones industriales. IEC La norma establece los niveles de compatibilidad electromagnética para perturbaciones de baja frecuencia en las redes de suministro público de baja tensión. IEC La norma establece los niveles de compatibilidad electromagnética para perturbaciones de baja frecuencia en las redes de suministro público de media tensión.

ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENT CLASSES
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Normas y Regulaciones | IEC Esta norma se refiere a las perturbaciones conducidas en el rango de frecuencias de 0KHz a 9KHz. Fija valores numéricos de los niveles de compatibilidad para las redes de distribución de energía industriales y no publicas a tensiones nominales de hasta 35KV y frecuencias nominales de 50Hz o 60Hz. ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENT CLASSES CLASE 1 Esta clase se aplica a redes protegidas y tiene niveles de compatibilidad inferiores a la de las redes de distribución pública. Se relaciona con el uso de equipos muy sensibles a las perturbaciones de red, por ejemplo la instrumentación eléctrica de los laboratorios tecnológicos, ciertos equipos de automatización y de protección, algunos ordenadores, etc CLASE 2 Esta clase se aplica generalmente a los PCC y PCI en el entorno de redes industriales en general y a otras redes no públicas. Los niveles de compatibilidad son generalmente idénticos a los correspondientes a los de las redes públicas. Por tanto, los componentes (en nuestro caso variadores de velocidad) diseñados para su aplicación en las redes públicas pueden también utilizarse en esta clase de entorno industrial CLASE 3 Esta clase se aplica solo para los PCI de entornos industriales. Se debería de considerar esta clase cuando se presenta alguna de las condiciones siguientes: La mayor parte de la carga se alimenta a través de convertidores, Hay maquinas de soldar, Los grandes motores se arrancan frecuentemente, Las cargas varían rápidamente.

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Normas y Regulaciones | IEC61000-2-4
Niveles de compatibilidad para las tasas de distorsión armónicas totales CLASE 1 CLASE 2 CLASE 3 Tasa de distorsión armónica total (THD) 5% 8% 10% Nota: En algunos casos en que una parte de la red se dedica a cargas no lineales importantes, los niveles de compatibilidad de la clase 3 para esa parte de la red pueden valer 1,2 veces los valores arriba indicados. Entonces se deberían de tomar las precauciones necesarias en lo que concierne a los equipos que se conectan allí. Sin embargo en PCC (red pública) prevalecen los valores dados en las normas IEC y IEC

Esta norma se refiere a las perturbaciones conducidas en el rango de frecuencias de 0KHz a 9KHz, con una extensión hasta 148KHz para los sistemas de transmisión de señales en la red. Se dan los valores numéricos de los niveles de compatibilidad para las redes de distribución pública de corriente alterna en baja tensión, con una tensión nominal máxima de 420V monofásica. o 690V trifásica, y una frecuencia nominal de 50Hz o 60Hz. Niveles de compatibilidad para las tensiones armónicas individuales en las redes de baja tensión. Armónicos impares no múltiplos de 3 Armónicos impares múltiplos de 3 (nota) Armónicos pares Orden del armónico (h) Tensión del armónico (%) Tensión del armónico (%) 5 6 3 2 7 9 1,5 4 1 11 3,5 15 0,4 0,5 13 21 0,3 8 17 ≤ h ≤ 49 2,27 x (17/h)-0,27 21 ≤ h ≤ 45 0,2 10 ≤ h ≤ 50 0,25 x (10/h)+0,25 Nota: Los niveles dados por los armónicos de orden impar múltiplos de tres se aplican a los armónicos homopolares. Así en una red trifásica sin conductor de neutro con ausencia de carga conectada entre una fase y la tierra el valor de los armónicos de orden 3 y 9 pueden ser bastante inferior a los niveles de compatibilidad, dependiendo del desequilibrio de la red.

Esta norma se refiere a las perturbaciones conducidas en el rango de frecuencias de 0KHZ a 9KHz, con una extensión hasta 148,5kHz para los sistemas de transmisión de señales en la red. Se dan los valores numéricos de los niveles de compatibilidad para las redes de distribución pública de corriente alterna en media tensión con una tensión nominal entre 1kV y 35kV y una frecuencia nominal de 50Hz o 60Hz. Los niveles de compatibilidad se especifican para las perturbaciones electromagnéticas de los tipos que se pueden esperar en las redes de distribución pública de media tensión, con el objeto de ayudar a definir: Los limites a establecer para las emisiones de perturbaciones (en nuestro caso de estudio, armónicos) en las redes de distribución pública de energía. Los limites de inmunidad a establecer por los comités de producto u otros para los equipos sometidos a las perturbaciones conducidas por las redes de distribución públicas. Los sistemas de media tensión cubiertos por esta norma son las redes de distribución pública que suministran tanto a: Las instalaciones privadas en las que los equipos se conectan directamente o a través de transformadores. Las subestaciones que alimentan las redes de distribución publica en baja tensión.

Niveles de compatibilidad para las tensiones armónicas individuales en las redes de media tensión. Armónicos impares no múltiplos de 3 Armónicos impares múltiplos de 3 (nota) Armónicos Pares Orden del Armónico (h) Tensión del Armónico(%) Tensión del Armónico (%) 5 6 3 2 7 9 1,5 4 1 11 3,5 15 0,4 0,5 13 21 0,3 8 17 ≤ h ≤ 49 2,27 x (17/h)-0,27 21 ≤ h ≤ 45 0,2 10 ≤ h ≤ 50 0,25 x (10/h)+0,25 Nota: Los niveles dados por los armónicos de orden impar múltiplos de tres se aplican a los armónicos homopolares. Así en una red trifásica sin conductor de neutro con ausencia de carga conectada entre una fase y la tierra el valor de los armónicos de orden 3 y 9 pueden ser bastante inferior a los niveles de compatibilidad, dependiendo del desequilibrio de la red.

Distorsión Armónica de Corriente Máxima Aplicaciones especiales
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Normas y Regulaciones | Resumen RESUMEN Debe de quedar claro que para cumplir las normas internacionales lo que tenemos que cumplir son las normas IEC , IEC o IEC dependiendo de donde estén conectados los equipos. Si se cumplen las citadas normas y los valores de THD en corriente están por encima de los especificados en el documento IEEE-519 tanto la instalación como los equipos estarán cumpliendo normativa aunque no sigan las recomendaciones de instalación del IEEE-519. Límites de distorsión e tensión de un sistema de baja tensión (THDv): Límites de distorsión de corriente en sistemas de distribución generales (THDi): Distorsión Armónica de Corriente Máxima Orden de cada armónico Isc/IL <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h TDD <20* 4.0 2.0 1.0 0.6 0.3 5.0 20<50 7.0 3.5 2.5 0.5 8.0 50<100 10.0 4.5 1.5 0.7 12.0 100<1000 5.5 15.0 >1000 6.0 1.4 20.0 Aplicaciones especiales Sistema general Sistema dedicado THD (tensión) 3% 5% 10% En aplicaciones especiales se incluyen hospitales y aeropuertos. Isc: Corriente máxima de cortocircuito en el PCC IL : Corriente máxima demandada por la carga en el PCC

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones
FILTROS PASIVOS Bobinas de entrada - Choke Pasivos 5º y 7º Filtro Notch ALTA IMPEDANCIA DE ENTRADA FILTRO NOTCH Low Harmonic FREEMAQ FILTROS ACTIVOS Puente Rectificador Controlado – Filtro Activo Variador AFE (Active Front End) VARIADOR MULTIPULSOS Variadores de baja tensión de 12, 18, 24 pulsos Variador de media tensión multipulsos

Filtro pasivo de bobinas de entrada – Choke
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Filtro pasivo Filtro pasivo de bobinas de entrada – Choke Estos filtros pasivos deben situarse en el puente rectificador de entrada, realizando una doble misión: Primero, proteger al variador de variaciones de tensión en la red. Por otro lado, filtrar los armónicos producidos, suavizando la onda senoidal de corriente. También pueden situarse en el bus DC..El variador no estará tan protegido como en la configuración anterior, pero es siempre una opción de bajo coste. SD700 Talla 3 SD700 Tallas 1 y 2

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Filtro Pasivo | 5º y 7º Filtro Notch
Zg L1 L2 C1 C2 1st 5th 7th Variación de la Impedancia de red (Zg) f5th f7th 1) Filtros LC designados para unos armónicos y una Impedancia de red ( Zg) específicos 2) Variación de Zg → Incremento THDi 3) Variación de Zg → Puede causar Resonancia 4) Válido para instalaciones originales, no compatible con nuevas cargas en la red 1st 5th 7th

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Low Harmonics FREEMAQ
Zg L3 C1 1st 5th 7th 1) Filtros LCL diseñados para la atenuación general de los armónicos, independientemente de la impedancia de red (Zg) 2) Variación de Zg → NO afecta al THDi . ZL1>> Zg 3) Fabricado con componentes eléctricos robustos in with robust electric components 4) Nunca causa resonancia

PUENTE RECTIFICADOR CONTROLADO
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Filtro Activo – Puente rectificador controlado -(AAF) Zg 1) Trabaja como una Fuente de corriente. 2) Filtro LCL en Paralelo. 3) Menor tamaño en las bobinas L1 y L2 , diseñadas para asignar la frecuencia de conmutación. 4) Semiconductores y software de control integrados – reduce su robustez C1 L1 L2 PUENTE RECTIFICADOR CONTROLADO

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Filtro Activo | Variador AFE (Active Front End)
Zg C1 1) Regenera la energía de frenado de los variadores de 4 cuadrantes. Incrementa la eficiencia total 2) Filtro LCL Serie 3) Menor tamaño de las bobinas L1 and L2, diseñadas para asignar la frecuencia de conmutación. 4) Semiconductores y software de control integrados - reduce su robustez

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Filtro Activo | Multipulsos
Los variadores de 12, 18, 24 pulsos tienen dos, tres o cuatro puentes rectificadores y la tensión de entrada de cada puente rectificador se desfasa una de otra 30º / 15º / 7,5º PULSOS THDi (%) 6 < 40 % 12 < 15 % 18 < 9 % 24 < 5% Para hacer esto, se necesitará utilizar un transformador especial con múltiples devanados secundarios.

ESQUEMA ELÉCTRICO 12 PULSOS
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Filtro Activo | Multipulsos ESQUEMA ELÉCTRICO 12 PULSOS

PUENTE RECTIFICADOR 12 PULSOS
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Filtro Activo | Multipulsos PUENTE RECTIFICADOR 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:

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Variación del THDi con carga
FILTRO CARGA 60% 75% 100% Pasivo 5º y 7º Filtro Notch 7% (*) 6%(*) ≤5%(*) Low Harmonic FREEMAQ ≈6.5% ≈5% ≤5% Filtro Activo ≈10% ≈8% Variador AFE (*): Dependiendo de la impedancia de la red (Zg). El filtro Notch se rediseña para los cambios en la carga de la red.

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Variación del rendimiento con carga
FILTRO CARGA 60% 75% 100% Pasivo 5º y 7º Filtro Notch ≥ 96.5 ≥ 97 ≥ 97.5 Low Harmonic FREEMAQ Filtro Activo Variador AFE ≥ 96

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT
El variador XMV660 tiene una disposición multi-celda con unidades conectadas en serie, alta tensión de entrada, alta tensión de salida. El variador se compone de un transformador, celdas de potencia y el sistema de control. La comunicación entre las celdas de potencia y el sistema de control se realiza con fibra óptica que evita los problemas de la variación entre alta y baja corriente, y de los campos magnéticos.

Estructura y principio de funcionamiento de las celdas de potencia
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT Estructura y principio de funcionamiento de las celdas de potencia Cada celda de potencia es una fuente de tensión AC-DC-AC y un transformador de baja tensión trifásico a la entrada y monofásico a la salida. La parte rectificadora de la celda de potencia funciona con un puente trifásico de diodos en modo “full wave” no controlable. Se utilizan condensadores electrolíticos para filtrar las ondas y almacenar la energía restante en el parte del medio, la parte de salida está formada por 4 IGBTs conectados en H. Los diodos no controlan la rectificación, el factor de potencia de las celdas es El condensador puede absorver el impacto de la tensión de alimentación. El variador podrá seguir funcionando en caso de tensión insuficiente o de un corte de suministro en un tiempo corto. 67

Control sobre la tensión de Salida de la celda de potencia
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT Control sobre la tensión de Salida de la celda de potencia Durante el funcionamiento, hay 3 tipos posibles de tensión de salida. Si A+ y B- conducen, la tensión de salida de U a V es +Ud, Si conducen B+ y A-, la tensión de salida de U a V es –Ud, Si A+ y B+ o A- y B- conducen, la tensión de salida de U a V es 0V. Finalmente, se puede obtener la misma amplitud de onda PWM desde el terminal de salida U, V controlando la conmutación del IGBT A+、A-、B+、B-. 68

Principio de variaciones de frecuencia y tensión de la celda de potencia La frecuencia de la onda de tensión de salida de la celda de potencia se cambia alterando el periodo de ciclo entre tensión positiva y negativa de la onda PWM. El tamaño de la onda básica de la tensión de salida de la celda se cambia modificando el duty entre la tensión positiva y negativa de la onda PWM. Forma de onda salida PWM durante Frecuencia de Alta Conmutación Forma de onda de salida PWM durante Frecuencia de Baja Conmutación 69

Conexión de la salida de las celdas de potencia
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT Conexión de la salida de las celdas de potencia La salida de las celdas de potencia se conectan en serie en forma de “Y” , lo que asegura una tensión de salida alta. Cada celda de potencia es alimentada por 1/n de la tensión de fase, 100% de la corriente del motor y 1/3n del rendimiento de salida. Para variadores de 6KV, si se conectan 5 celdas en cada faseen serie, cada una tendrá una tensión de salida de 693V, con una tensión de fase de 3464V, con cable de tensión de 6000V. La tensión del bus DC es menor de 980V. Los IGBTs utilizados deberán resistir 1700V. 70

Q1 Q3 Q2 Q4 En cualquier momento, la tensión de salida que cada célula puede ofrecer es: Tensión= +600V en caso de que Q1 y Q4 estén en ON. Tensión= -600V en caso de que Q2 y Q3 estén en ON. Tensión= 0V en caso de que Q1 y Q3 estén en ON ó si Q2 y Q4 están en ON. 71

Generación de Señales Multi-nivel Detalle Nivel 1: La celda de potencia A2 tiene una tensión de salida de 600V y las celdas A1 y A3 de 0V. Por tanto,, la tensión es de +600V.

Generación de Señales Multi-nivel Detalle Nivel 2: Las celdas A1 y A3 tienen una tensión de salida de 600V y la celda A2 de 0V. Por lo tanto, la tensión es de +1200V. .

Generación de Señales Multi-nivel Detalle Nivel 3: Las tres celdas A1, A2 y A3 tienen una tensión de salida de 600V. Por tanto, la tensión es de +1800V. .

Mecanismo de producción de Multi-celdas y desfase PWM
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT Mecanismo de producción de Multi-celdas y desfase PWM Onda básica de tensión de las celdas de potencia en las mismas fases de salida con las misma amplitud y posición de fase. La onda de las celdas conectadas en serie se separa en un cierto ángulo eléctrico. El desfase de la señal triangular es 360° /n. CP1 CP2 CP3 CP1+CP2+CP3 75

Tensión de fase y tensión del cable de la salida desfasada Multi-celda
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT Tensión de fase y tensión del cable de la salida desfasada Multi-celda Forma de onda de la tensión de fase y la tensión dell cable (cogemos 3 grados como ejemplo). Para un sistema de grado n, hay 2n+1 celldas en la tensión de fase y 4n+1 celdas en la tensión del cable. Si la frecuencia de modulación de la celda es “f”, la frecuencia on/off equivalente de la tensión del cable de salida es 2nf. La frecuencia on/off de los IGBTs es menor (las pérdidas de conmutación serán también pequeñas), la frecuencia on/off equivalente de salida es muy alta. Como hay una filtración inductiva al motor, el contenido de armónicos de la corriente es muy bajo. 76

02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Competencia
PROVEEDOR A BOBINAS DC 38% de los variadores integrada 62% de los variadores opcional BOBINAS DE LÍNEA 100% de los variadores opción externa DRIVE OTHER SUPPLIER

PROVEEDOR B BOBINAS DC 100% de los variadores opción externa BOBINAS DE LÍNEA

PROVEEDOR C BOBINAS DC 100% de los variadores opción externa BOBINAS DE LÍNEA FILTER

SEMINARIO TÉCNICO – 2ª PARTE – EMC y THD POWER ELECTRONICS I+D

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