SEMINARIO TÉCNICO – 2ª PARTE – EMC y THD POWER ELECTRONICS I+D
20 Febrero2011
01 Compatibilidad Electromagnética (EMC)
02 Distorsión Armónica Total (THD)
Índice
01 Compatibilidad Electromagnética (EMC)
02 Distorsión Armónica Total (THD)
Índice
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Índice
> RUIDO CONDUCIDO
> ENTRADA - Filtro de entrada RFI- EMC
> SALIDA - Ferritas Modo Común
- Filtro dV/dt - Senoidal / Filtro LC
> INTRODUCCIÓN
> NORMAS Y REGULACIONES
> Directiva EMC 2004/108/CE > IEC/EN 61800-3 > IEEE 519-1992
> COMPETENCIA
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Introducción
EMCCompatibilidad Electromagnética
EMIEmisión Electromagnética
EMSSusceptibilidad Electromagnética
Nivel de Emisión Máximo
Nivel de Inmunidad Mínimo
Nivel de Inmunidad del equipo
Nivel de Emisión del equipo
MARGEN DE COMPATIBILIDAD
CLAS
E DE
AM
BIEN
TE
Espectro de frecuencia
Valo
r de
ampl
itud
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Introducción
EMCCompatibilidad Electromagnética
Baja frecuenciaF Z> 150 kHz
THD Flicker
EMIEmisión Electromagnética
EMSSusceptibilidad Electromagnética
MediaFrecuencia
150 kHz< f < 30MHz
Conducidas
AltaFrecuencia
f < 30MHz
Radiadas
Radiofrecuencia Conducidas Radiadas
Sobretensiones Transitorios rápidos Descargas Electrostáticas THD Huecos e interrupciones
IEC61800-3 EMC 2004/108/CEIEEE 519-1992
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Radiadas y Conducidas
Es necesario actuar con dos tipos de emisiones:
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.
RADIADAS
CONDUCIDAS
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. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Radiadas
01. ECOMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Índice
> RUIDO CONDUCIDO
> ENTRADA - Filtro de entrada RFI- EMC
> SALIDA - Ferritas de Modo Común
- Filtro dV/dt - Senoidal / Filtro LC
> INTRODUCCIÓN
> NORMAS Y REGULACIONES
> Directiva OMC 2004/108/CE > IEC/EN 61800-3 > IEEE 519-1992
> COMPETENCIA
Ruido acoplado a la SEÑAL DE ENTRADA del variador
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Conducidas | Entrada
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 61800-3/A11:2002. Ver detalles en el Anexo I.
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 Senoidales / LC, eliminan el problema transformando la señal interrumpida en una senoidal reduciendo el ruido.
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.
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) OMC | Conducidas | Salida
Si se amplifica la forma de onda, es posible observar que el ángulo no es exactamente de 90º:
Variador dV/dt Pérdidas132kW 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 Pérdidas132kW 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
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Conducidas | Salida | dV/dt
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Conducidas | Salida| Filtro dV/dt
Filtro SD700 dV/dt | Toroides de polvo de hierro
Power Electronics para variadores de 690V integra el sistema CLAMP.
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC | Conducidas | Salida | dV/dt
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.
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| Conducidas | Salida | Filtro Senoidal / LC
L
C
Convierte la señal interrumpida en una señal senoidal
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Índice
> RUIDO CONDUCIDO
> ENTRADA - Filtro de entrada RFI- EMC
> SALIDA - Ferritas Modo Común
- Filtro dV/dt - Senoidal / Filtro LC
> INTRODUCCIÓN
> NORMAS Y REGULACIONES
> Directiva OMC 2004/108/CE > IEC/EN 61800-3 > IEEE 519-1992
> COMPETENCIA
Para distancias mayores de cable se deben utilizar más filtros. Ver las siguientes páginas.
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| Competencia
PROVEEDOR A
DRIVE
PROVEEDOR A
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| Competencia
PROVEEDOR A
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| Competencia
Para longitudes de cable mayores, se deben utilizar bobinas de choke adicionales a la salida. Para más detalles, vea la siguiente página.
PROVEEDOR B
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| Competencia
PROVEEDOR B
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| Competencia
PROVEEDOR C
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| Competencia
Chokes de entrada (según normativa) Filtro dV/dt de salida (según normativa) Control electrónico del dV/dt de los IGBT
Alimentación 400Vac (-20% a +10%)
Tallas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Apantallado (m) 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150
No apantallado (m) 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300
Construcción mecánica Diseño de PCB’s
Alimentación 550Vac a 690Vac (-20% a +10%)
Tallas 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Apantallado (m) 100 100 100 100 100 100 100 100 100
No apantallado (m) 200 200 200 200 200 200 200 200 200
» Para longitudes de cable mayores contacte con Power Electronics
SERIE SD700
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| SD700
Límite de tensión de pico admisible curvas en terminales de motores CA:
Effect of the motor range increase10m
20m30m
50m100m
Rise time of the voltage pulse (µs)0.1 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.20.40.30.2
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
Examples of the test results, using reinforced copper wires at 415V rated voltage.
IEC 60034-25 Curve B(without filters for motors
up to 690V AC)
NEMA MG1 Pt31 in grids of 600V
IEC 60034-25 Curve A(without filters for motors up to 500V AC)
IEC 60034-17
NEMA MG1 Pt31 in grids of 400V
2.15kV
1.86kV
1.56kV
1.35kV
1.24kV
Pea
k vo
ltage
(kV
)
VFITCC0035AI
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| SD700
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| SD700
Uno de los tests realizados en el SD700.
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| SD700
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) OMC| SD700
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Índice
> RUIDO CONDUCIDO
> ENTRADA - Filtro de entrada RFI- EMC
> SALIDA - Ferritas Modo Común
- Filtro dV/dt - Senoidal / Filtro LC
> INTRODUCCIÓN
> NORMAS Y REGULACIONES
> Directiva OMC 2004/108/CE > IEC/EN 61800-3 > IEEE 519-1992
> COMPETIDORES
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Normas y Regulaciones
IEC61800-3
La certificación CE para Variadores de Velocidad requiere el
cumplimiento de la directiva:
EMC 2004/108/CE
Conforme IEC61800-3
¿DONDE?
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
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).
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Normas y Regulaciones | 61800-3
IEC61800-3/A11
¿DONDE?
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
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.
IEC61800-3/A11
01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Normas y Regulaciones | 61800-3
EMC PLANI < 100A I > 100A
RA
DIA
DA
S01. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC)
Normas y Regulaciones | 61800-3
CO
ND
UC
IDA
S
C1 C2 C4C3
1er Entorno 2º Entorno
Valor de pico Valor medio
01 Compatibilidad Electromagnética (EMC)
02 Distorsión Armónica Total (THD)
Índice
> Principios básicos> Medidas> Efectos> Normas y Regulaciones> Soluciones
- Filtros Pasivos - FREEMAQ - Filtros Activos - Variadores Multipulsos> Competencia
DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Índice
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
Transformación de Fourier
Valor THDi
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Medidas
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).
1
2
2
I
I
THID hh
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Medidas
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).
2
2
1
hh
U
THDVU
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Medidas
> Principios básicos> Medidas> Efectos> Normas y Regulaciones> Soluciones
- Filtros Pasivos - FREEMAQ - Filtros Activos - Variadores Multipulsos> Competencia
DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Índice
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 Efectos
> Principios básicos> Medidas> Efectos> Normas y Regulaciones> Soluciones
- Filtros Pasivos - FREEMAQ - Filtros Activos - Variadores Multipulsos> Competencia
DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Índice
La legislación aplicable a los variadores está descrita en la norma internacional IEC61800-3. En esta normativa genérica se incluyen otras normas sobre armónicos como IEC61000-2-4 (Clase 3: THD=10%) o IEC61000-2-2 (THD=8%)
Descripción literal sacada de norma IEC61800-3:
“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 IEC61000-2-2 (clase 3: THD=10%) o IEC61000-2-4 (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
NORMAS DESCRIPCIÓN
IEC61000-2-4 La norma establece los niveles de compatibilidad electromagnética para perturbaciones conducidas de baja frecuencia en las instalaciones industriales.
IEC61000-2-2 La norma establece los niveles de compatibilidad electromagnética para perturbaciones de baja frecuencia en las redes de suministro público de baja tensión.
IEC61000-2-12 La norma establece los niveles de compatibilidad electromagnética para perturbaciones de baja frecuencia en las redes de suministro público de media tensión.
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Normas y Regulaciones
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 IEC61000-2-2 y IEC61000-2-12.
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Normas y Regulaciones | IEC61000-2-4
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 (%)
Orden del armónico
(h)
Tensión del armónico
(%)
Orden del armónico
(h)Tensión del armónico (%)
5 6 3 5 2 2
7 5 9 1,5 4 1
11 3,5 15 0,4 6 0,5
13 3 21 0,3 8 0,5
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.
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Normas y Regulaciones | IEC61000-2-2
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:
a) Los limites a establecer para las emisiones de perturbaciones (en nuestro caso de estudio, armónicos) en las redes de distribución pública de energía.
b) 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:
c) Las instalaciones privadas en las que los equipos se conectan directamente o a través de transformadores.
d) Las subestaciones que alimentan las redes de distribución publica en baja tensión.
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Normas y Regulaciones | IEC61000-2-12
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(%)
Orden del Armónico
(h)
Tensión del Armónico
(%)
Orden del Armónico
(h)Tensión del Armónico (%)
5 6 3 5 2 2
7 5 9 1,5 4 1
11 3,5 15 0,4 6 0,5
13 3 21 0,3 8 0,5
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.
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Normas y Regulaciones | IEC61000-2-12
RESUMENDebe de quedar claro que para cumplir las normas internacionales lo que tenemos que cumplir son las normas IEC61000-2-2, IEC61000-2-4 o IEC61000-2-12 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.
Aplicaciones especiales
Sistema general
Sistema dedicado
THD (tensión) 3% 5% 10%
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 5.020<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0
50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0100<1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0
>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0
Isc: Corriente máxima de cortocircuito en el PCCIL : Corriente máxima demandada por la carga en el PCC
En aplicaciones especiales se incluyen hospitales y aeropuertos.
Límites de distorsión e tensión de un sistema de baja tensión (THDv):
Límites de distorsión de corriente en sistemas de distribución generales (THDi):
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Normas y Regulaciones | Resumen
> Principios básicos> Medidas> Efectos> Normas y Regulaciones> Soluciones
- Filtros Pasivos - FREEMAQ - Filtros Activos - Variadores Multipulsos> Competencia
DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Índice
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
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones
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.
SD700 Tallas 1 y 2SD700 Talla 3
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.
Filtro pasivo de bobinas de entrada – Choke
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Filtro pasivo
Zg
L1
C1
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
f5th f7th
1st 5th 7th
1st 5th 7th
Variación de la Impedancia de red (Zg)
L2
C2
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Filtro Pasivo | 5º y 7º Filtro Notch
VSD
Zg
L1
C1
L2
L3
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
1st 5th 7th
VSDVSD
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Low Harmonics FREEMAQ
VSD
ZgC1 L1
L2
PUENTE RECTIFICADOR CONTROLADO
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
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Filtro Activo – Puente rectificador controlado -(AAF)
VSD
Zg
L1
C1
L2
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 | Variador AFE (Active Front End)
VSD
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.
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Filtro Activo | Multipulsos
ESQUEMA ELÉCTRICO 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 | Filtro Activo | Multipulsos
(*): Dependiendo de la impedancia de la red (Zg). El filtro Notch se rediseña para los cambios en la carga de la red.
FILTROCARGA
60%CARGA
75%CARGA
100%
Pasivo 5º y 7ºFiltro Notch 7% (*) 6%(*) ≤5%(*)
Low Harmonic FREEMAQ ≈6.5% ≈5% ≤5%
Filtro Activo ≈10% ≈8% ≤5%
Variador AFE ≈10% ≈8% ≤5%
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Variación del THDi con carga
FILTROCARGA
60%CARGA
75%CARGA
100%
Pasivo 5º y 7ºFiltro Notch ≥ 96.5 ≥ 97 ≥ 97.5
Low Harmonic FREEMAQ ≥ 96.5 ≥ 97 ≥ 97
Filtro Activo ≥ 96.5 ≥ 97 ≥ 97
Variador AFE ≥ 96 ≥ 96.5 ≥ 97
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Variación del rendimiento con carga
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.
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT
FANS3
24 PULSES TRANSFORMER
GND
FAN FAN
3kV
3.3kV
RST
RST
RST
RST
RST
RST
RST
RST
RST
RST
RST
RST
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC: Power Cell
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 0.97. 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.
Estructura y principio de funcionamiento de las celdas de potencia
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT
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-.
Control sobre la tensión de Salida de la celda de potencia
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT
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
Principio de variaciones de frecuencia y tensión de la celda de potencia
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT
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.
Conexión de la salida de las celdas de potencia
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT
FANS3
24 PULSES TRANSFORMER
GND
FAN FAN
3kV
3.3kV
RST
RST
RST
RST
RST
RST
RST
RST
RST
RST
RST
RST
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC
PC: Power Cell
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.
Q1
Q2
Q3
Q4
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT
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
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT
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..
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT
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...
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT
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
Mecanismo de producción de Multi-celdas y desfase PWM
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT
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.
N
U
V
W
Tensión de fase y tensión del cable de la salida desfasada Multi-celda
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Soluciones | Multipulsos | MT
> Principios básicos> Medidas> Efectos> Normas y Regulaciones> Soluciones
- Filtros Pasivos - FREEMAQ - Filtros Activos - Variadores Multipulsos> Competencia
DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Índice
PROVEEDOR A
1. BOBINAS DC38% de los variadores integrada62% de los variadores opcional
2. BOBINAS DE LÍNEA100% de los variadores opción externa
DRIVE
OTHER SUPPLIER
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Competencia
PROVEEDOR B
1. BOBINAS DC100% de los variadores opción externa
2. BOBINAS DE LÍNEA100% de los variadores opción externa
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Competencia
FIL
TE
R
PROVEEDOR C
1. BOBINAS DC100% de los variadores opción externa
2. BOBINAS DE LÍNEA100% de los variadores opción externa
02 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL Competencia