11 - Inversor De Frequencia

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Considerações sobre Instalação de Inversores CEFET - MT 2006 Prof. Edilson A. da Silva Automação e Controle 1 Considerações sobre Instalação de Inversores de frequência 2 Considerações sobre Instalação de Inversores Transientes na linha Zé Traíra ltda Diga-me de novo porque eu estou usando inversores? Modo Comum & Acoplamento Capacitívo ? A proteção adequada e uma boa prática, contribuem com sucesso para garantir uma boa instalação. Supervisor Eletricistas Harmônicas Onda Refletida Aterramento Prof. Edilson A. da Silva 3 IMPORTANTE !!!!!! • As informações contidas nesta apresentação são genéricas • Não existe uma solução universal para todos os casos e para tudos os problemas • O usuário sempre deverá usar bom senso e analizar a aplicação. • O usuário sempre deverá consultar o Manual de instruções do Produto antes de instala-lo Prof. Edilson A. da Silva 4 CONSIDERAÇÕES SOBRE INSTALAÇÃO DE INVERSORES DE FREQUÊNCIA „ Reatores de entrada. „ Ruído de Modo Comum (EMI/EMC/RFI) „ Comprimento de Cabo ( onda refletida e corrente Capacitivo) „ ATERRAMENTO E LAYOUT DE PAINEL „ Harmônicas Prof. Edilson A. da Silva 5 E Somente para Relembrar ! 6 Inversores de Frequência Prof. Edilson A. da Silva 7 Inversores de Frequência Prof. Edilson A. da Silva 8 Inversores de Frequência Prof. Edilson A. da Silva 9 Inversores de Frequência Entrada 220 V 60 Hz Parte de Potência Parte de Comando Saída M Tensão/Freqüência Variável Ajustes de Programação Prof. Edilson A. da Silva 10 Inversores de Frequência Diagrama de Blocos Típico de um Inversor Prof. Edilson A. da Silva 11 Quando Usar um Reator de Entrada • • • • 1.Quando a impedância da rede <1% 2.Quando a capacidade de curto circuito da rede > que a capacidade de curto do Inversor. 3. A Rede tem chaveamentos frequentes de capacitores para corrigir o fator de Potência . • 4.Rede “ Suja” com picos altos e estreitos de tensão. • 5.Rede com afundamentos de tensão frequentes e superior a 200V Prof. Edilson A. da Silva 12 O Que o Reator de entrada Faz ? • Reduz o conteúdo harmônico devolvido para Rede. • Melhora o Fator de Potência Total • Aumenta a vida util do equipamento principalmente em Redes sujas. • Adapta a capacidade de Curto circuito Prof. Edilson A. da Silva 13 Vantagens do uso de IGBT • Altas frequências de chaveamento (Carrier) : – – – • • Menor ruído no Motor Menor aquecimento do Motor Melhor controle Redução do tamanho fisico do inversor Entrada de Alta Impedância – – Reduz consumo de energia do inversor Reduz o tamanho da placa de controle Prof. Edilson A. da Silva 14 Corrente (Ruído) de Modo Comum (EMI) 15 Tensão de Saída VL-L vs. Corrente de Fuga IL-G Acontece a cada chaveamento dos IGBT’s Prof. Edilson A. da Silva 16 Fluxo da Corrente ( Ruído )de Modo Comum (EMI) Transformador de entrada A B XO Ilg Ilg PE C Inversor R U (+) Vdc bus S T Motor Tach W C lg-m Logica Ilg Terra Motor V (-) Ilg Common Mode Current Path Ilg PE C lg-c Vng Potencial #1 Potencial #2 Ilg Potencial #3 Interface Electronics 0-10V, comunicação, 4-20 ma,sensor, interface, ,etc Potencial # 4 Terra (True Earth ,TE) Prof. Edilson A. da Silva 17 Condição Existente: dv/dt “Ruído” CABO POTÊNCIA 3 FASES TRIANGULAR L LINK CABO SEM SHIELD C MOD FASE A C MOD ISG1 CHASSIS TODA AS CORRENTES I G DEVEM RETORNAR AQUI OU AQUI CSG MOTOR GND ISG GROUND WIRE I SG2 I G RETORNO PROBLEMA: RUÍDO NO SISTEMA DE TERRA DO CLIENTE * CAMIINHO DE RETORNO ATRAVÉS DE CAPACITÂNCIA PARASITÁRIA (i.e.. CAMINHOS DESCONHECIDOS) * I terra PODE ENCONTRAR ESTES CAMINHOS ATRAVÉS CNC, PLC, E TERRA DE COMPUTADORES * CORRENTE CONDUZIDA PARA TERRA : CLIENTE COM PROBLEMA DE RUÍDO EMI Prof. Edilson A. da Silva 18 Cabos motor em Eletroduto é bom mas…. Inversor Transformador A R B XO Ilg I lg PE C Ilg Common Mode Aterramento Potencial 4 eletroduto U (+) S Ilg V Vdc bus W T (-) I lg s t r a p Motor C lg-m PE Motor PE GND wire PE Current Path Motor Ilg Potencial #1 Contato Acidental Potencial #2 I lg Potencial #3 E uma Boa prática para reduzir a corrente de ruído comum mas um contato do Eletroduto com a Terra pode poluir a malha de Terra Prof. Edilson A. da Silva 19 Específicar 3 Fios em eletroduto é uma boa prática mas pode não ajudar CARCAÇA INVERSOR MOTOR ELETRODUTO ENROLAMENTO MOTOR C MODULE PE LOGIC X CONTATO ACIDENTAL DO X ELETRODUTO SOME HF ATERRAMENTO PE ("POLUI" A MALHA DE TERRA PARA TODOS OS USUÁRIOS) Prof. Edilson A. da Silva 20 Cabos de entrada e Cabos Motor Shieldados com Isolação de PVC Transformador Cabos Shieldados InversorCabos Shieldados A R U Ilg XO B S I lg C V C lg-m T W PE HRG or SOLID GND Motor PVC PVC PE PE Aterramento Potencial 4 Motor I lg Ilg Common Mode Current Path Potencial #1 Additional Motor PE GND wire Potencial #2 Potencial #3 Sem Dúvida a melhor Solução e a mais Cara $$$$$$$$$$$$$$$$$$$ Prof. Edilson A. da Silva 21 Como Capturar e Retornar o Ruído para a fonte 22 Cabos Motor Shieldado com Isolação de PVC Transformador Inversor A R B XO Ilg I lg PE Cabo Shieldado com Isolação dePVC C Ilg U (+) S V Vdc bus Motor W T PVC C lg-m (-) I lg PE I lg PE Common Mode Current Path EARTH GROUND Potential 4 Motor Ilg Potential #1 Additional Motor PE GND wire Potential #2 Potential #3 A melhor prática para reduzir o ruído ( a malha é uma baixa impedância para a corrente de modo comum) Prof. Edilson A. da Silva 23 Cabos Shieldados, Núcleos (Toroídes) e capacitores de Modo Comum A eNúcleos de Modo comum AC Drive R U Vdc bus (+) B XO S I lg V C lg-m (-) C Capacitores de Modo comum PE PE Ilg Ilg Common Mode Current Path Aterramento Potencial 4 Motor W T PE Motor Potencial#1 Potencial#2 Motor PE GND wire C lg-c I lg Potencial#3 Prof. Edilson A. da Silva 24 Como Capturar e retornar o ruído para fonte CAPACITORES MODO COMUM ATENUAÇÃO RUÍDO C/ COMMON MODE CHOKE L LINK + MALHA CAPTURA RUÍDO RETORNANDO P/ DRIVE LEM + MOTOR + LEM L LINK GND CHASSIS Prof. Edilson A. da Silva 25 O que os Toroídes Fazem ??? 26 Tensão De Saída Vu-v 70 nS Ipeak Oscilação de 6MHz Corrente Modo comum Ilg Corrente Ilg Com núcleo De modo comum Aumenta o tempo de subida de 1.5 us para 5 us Diminua a oscilação de 200 kHz para 63 kHz Reduz para 1/3 o Pico O Núcleo de modo Comum suaviza a taxa de subida e reduz a amplituda da corrente de Rúido de modo comum Prof. Edilson A. da Silva 27 O que os Toroídes Fazem?? • Núcleo Modo Comum Reduz a Corrente de Alta Frequência para Terra • Reduz a Diferença de Potêncial de Terra para Altas Frequências • Reduz Erros de Comunicação PLC i.e.. Corrente 20 Amp Pico com 100 nano segundos Rise Time é reduzido para 5-10 Amp com 5 micro segundos Rise Time. .Reduz interferência com equipamentos sensiveis : Balanças ,Sensores , Relés eletronicos , Encoders,etc Prof. Edilson A. da Silva 28 Como evitar Interferência e reduzir Ruídos 29 Filosofia de redução de interferência e Ruído 1. Boas Práticas de Aterramento – Eliminar loops de terra ( Ponto Comum) – Layout do Painel 2. Atenuar ruído da fonte (inversor) – Escolher inversores com toroídes ou adicionar toróides (Common mode choke) na saída do inversor . – Adicionar toróides (Common mode choke) no Cabo coaxial. -Tentar trabalhar com a frequência de chaveamento a mais baixa possivel. Prof. Edilson A. da Silva 30 Filosofia de redução de Interferência e Ruído 3. Cabos longe de equipamentos sensitivos 4. Capturar e retornar o ruído para fonte Usar 4 condutores em cabos “shieldados” (requerido para norma CE) – Usar 4 condutores em eletrodutos – Tentar encurtar a distancia ao maximo – (inversor) – Filtro RFI/EMI (requerido para norma CE) – Escolher inversores com capacitores de modo comum no Barramento CC Prof. Edilson A. da Silva 31 Soluções Técnicas * * * * * REDUZIR FREQUÊNCIA DE CHAVEAMENTO TORÓIDES CABO EM ELETRODUTO OU “SHIELDADO” & CABO DE ENTRADA C/ 4 FIOS FILTRO RFI +/- CAPACITORES DE MODO COMUM * REATOR DE LINHA NA SAÍDA DO INVERSOR CABOS 4 FIOS FILTRO RFI TORÓIDE REATOR SAÍDA ROCKWELL L1 DRIVE A B L2 PE L3 PE C PE / GND CABO “SHIELDADO” MOTOR ENROLAM. TERRA MALHA + DC - DC RIO / DH+ +/- CAPACITORES MODO COMUM NÚCLEO MODO COMUM HASTE TERRA CARCAÇA MOTOR PE P/ COMPUTADOR NO TERRA TE Prof. Edilson A. da Silva 32 Boas Práticas de Layout e de aterramento 33 Aterramento impróprio para gabinete com inversores e euipamentos sensíveiss Alimentação M1, M2, M3, PE Eletroduto U VW PE Saída L1, L2, L3 R S T Corrente de Ruído Caminho de Retorno Placa de Montagem Eletroduto PLC Drive 1 PE Drive 3 PE Drive 2 PE Drive 4 PE Barra Cobre PE para Sistema de Terra Prof. Edilson A. da Silva 34 Aterramento recomendável para gabinete com inversores e euipamentos sensíveiss Corrente Modo Comum na malha Eletroduto de Saída Ligado ao Gabinete PE PE U VW PLC Corrente Modo Comum no Fio Verde Placa de Montagem Drive 1 PE Drive 3 PE Todos os Inversores Eletroduto de Entrada L1, L2, L3, GND R S T Drive 2 PE Drive 4 PE Barra de Cobre PE PE opcional ligado à malha Prof. Edilson A. da Silva 35 Layout recomendado U VW RST A PE Dutos e cabos de PE Saída Placa de montagem ASD - 1 ASD - 2 A Transiente de Corrente De modo comum nos Dutos B PLC or Electronics Dutos e cabos de entradas PE PE ASD - 3 ASD - 4 B Transiente de corrente De modo comum no cabo PE PE PE PE Copper Bus Optional PE to Building Structure B Boa Prática de Layout permite que a corrente de Ruído flua entre os Prof. Edilson A. da rota de PLC dutos de Saída e de entrada ficando forá da Silva 36 Condutor de Fase sem Shield I lg Cl-s Emissor Cl-s Receptor Isinall Isinal Isinal Isinall Load Hi Lo Z I lg Potencial Terra TE #1 PotencialTerra TE #2 Prof. Edilson A. Interferência do Cabo de Potência sobre a cabo de Sinal da Silva 37 Prática de Instalação - velha recomendação CARCAÇA MOTOR INVERSOR L1 A B C L2 ENROLAM. E MOTOR L3 PE CSLOT LOGIC LINTERFACE PE CPARASITA FIO VERD E ATERRAMENTO PE LIGADO TERRA PE L INTERFACE POTENCIAL INTERFACE #1 - PLC POTENCIAL #2 POTENCIAL #3 - SAÍDA ANALOG. - etc. HASTE TERRA POTENCIAL #4 TERRA VERDADEIRO / TE Prof. Edilson A. da Silva 38 Terra único ponto/Layout do Painel Neutro Terra Equipamentos Aterramento do PLC Ver Recomendaçòes na Publicação 1770-4.1 PLC TE-ZERO VOLT BARRA POTENTIAL (Isolado do painel) 1336 Plus 1305 Motor Logic Logic PE PE BARRA PE Motor Normalmente aterrado no ponto de terra mais proximo Figura 1: Os requerimentos para o terra varia dependendo do tipo de inversor implementado, inversores com terra verdadeiro (TE) devem obrigatoriamente ter uma barra de potencial 0V separado do barra de terra PE. Usuários agora tem duas escolhas, podem conectar os barramentos em um único ponto no gabinete da sala elétrica ou levar separadamente estas barras até a malha de terra ( interligando entre si com distância aproximada de 3 m).. Prof. Edilson A. da Silva 39 Tipos de cabos W PVC Outer Sheath B Filler R Red, White, and Black Conductors G Single Ground Conductor Armor Cable W G Filler R Red, White, and Black Conductors TRAY CABLE PVC Inner & Outer Sheath G B Three Ground Conductors G ARMOR CABLE Armor Cable W R Red, White, and Black Conductors Stranded Neutral B G Single Ground Conductor INTERLOCKED ARMOR CABLE R W PVC Outer Sheath W R Red, White, and Black Conductors B Filler EUROPEAN UTILITY B R TRAY W B TRAY Prof. Edilson A. da Silva 40 Comprimento de Cabos Corrente Capacitiva Onda Refletida 41 Cabos também requerem atenção. • Acoplamento Capacitivo • Corrente carga do cabo Prof. Edilson A. da Silva 42 Acoplamento Capacitívo • Problemas com a Corrente de Fuga dos Cabos – Requer uma quantidade fixa de corrente – Pode exceder a corrente de pequenos drives • Soluções Simples – Limitar o comprimento do cabo em pequenos inversores – Reduzir a frequência de chaveamento PWM dos inversores Prof. Edilson A. da Silva 43 Corrente Fuga Cabo DRIVE FRAME C MOTOR FRAME MODULE MOTOR WINDINGS LOGIC C MODULE CONDUIT DRIVE FRAME C MODULE MOTOR FRAME PE X INCIDENTAL CONTACT OF X CONDUIT TO BUILDING STEEL LOGIC C MODULE MOTOR WINDINGS Prof. Edilson A. da Silva 44 Corrente de Fuga • Este fenômeno existe em qualquer Inversor Inversores em 460 volt apresentam este fenômeno em maior intensidade do que inversores em 230 Volt. • Uma maneira de minimizar este efeito é trabalhar com frequência de chaveamento (PWM) a mais baixa possivel. • Outra técnica de minimizar o efeito é introduzir um reator de linha na saída do inversor. Prof. Edilson A. da Silva 45 Onda Refletida 46 Fenômeno Onda Refletida • Indentificada primeiramente em 1900 com as linhas de transmissão • Também conhecida como Onda Estacionária ou Efeito Linha de Transmissão • Bem documentada em comunicações digitais Prof. Edilson A. da Silva 47 Fenômeno Onda Refletida • Aparecimento com os inversores IGBT • Pode causar picos de tensão no Motor • Poderá causar falha de isolação Prof. Edilson A. da Silva 48 A Física • O cabo entre o Inversor e o Motor, representa uma substancial impedância para os pulso de tensão PWM da saída do Inversor.( Surge Impedance) • A impedância do cabo é proporcional ao comprimento • Z0= Indutância / unid. comprimento Capacitância / unid. comprimento • Se a impedância do cabo não está casada com a impedância do motor ... A Onda Refletida OCORRERÁ !! Prof. Edilson A. da Silva 49 Efeito Linha de Transmissão CABO INVERSOR FONTE BAIXA Z CAPACITIVO MOTOR ZCARGA (60Hz) >> Zo Zo ENTRE 50 - 200 OHMS PARA CABO 3 FASES Zo 1K - 2K OHMS - FASES SEPARADAS + R1 X1 X2 LINHA A CSG Xm R4 S LINHA B - Zo = L/C V= POR FASE MOTOR 1 L*C POSSIVEL 2x à 4x TENSÃO BARRAMENTO CC PROBLEM:A * CAPACIDADE DE ISOLAÇÃO MOTOR - AGORA A TENSÃO ATRAVÉS DA PRIMEIRA VOLTA DA BOBINA PODE SER > 1350 VOLTS, AO INVÉS DA TENSÃO TÍPICA ATRAVES DA LINHA DE 10-30 VOLTS * CAPACIDADE DE ISOLAÇÃO CABO - NECESSITA MAIOR FAIXA DE TENSÃO- VIDA UTIL * AUMENTO RUÍDO dv/dt NO MOTOR OSCILANDO NO RANGE DE 1 -3MHz Prof. Edilson A. da Silva 50 Típica Tensão Vpp de saída PWM no Motor +2 +1 0 -1 Prof. Edilson A. da Silva 51 Qual será a amplitude da reflexão? MAIS z A velocidade de reflexão (Depende da capacitância & indutância do cabo) z O tempo de subida do dispositvo de chaveamento, determina a distância do cabo na qual a amplitude da onda refletida alcançará a maior amplitude • A amplitude pode chegar a ser 2 - 3 vezes a tensão do barramento CC ( 675VCC X 2 = 1350 Volts típico ) Prof. Edilson A. da Silva 52 Onde está o maior risco? • Quanto menor o Inversor/Motor Maior é o risco • Motores, pequenos, de baixo custo, tem tipicamente: – Pouca isolação - Bolhas são prováveis – Sem papel isolante – Tem alta impedância ( Ex : 5Hp =2000Ohms , 500 Hp = 400Ohms) Prof. Edilson A. da Silva 53 O que você pode fazer sobre isso? • Manter o motor o mais proximo possível do inversor • Instalar um dispositívo de “proteção”do motor onde necessário • Especificar e comprar motores isolados 1200/1600Vpp Prof. Edilson A. da Silva 54 Proteção do Motor • Reator na Saída entre inversor & motor – Atenua a forma de onda (retarda o tempo de subida) – Reduz forças destrutivas para uma mesma amplitude -Permite cabos mais longos – Cria uma queda de tensão ¾ Pode causar redução de torque Prof. Edilson A. da Silva 55 O Terminador • • • • • • • Pequeno Sem queda de tensão Minima potência dissipada Trabalha a qualquer distância de cabo Mantem forma de onda da corrente 2 - 3 opções para todas as aplicações A solução mais efetiva Prof. Edilson A. da Silva 56 Solução Inverter Duty Motor Reliance Motor CA AC Drive 1204-RWR2 Reator @inversor ou Motor Comum Motor CA Prof. Edilson A. da Silva 57 Harmônicas 58 Tópicos • Harmônicas • • • • • definição efeito potêncial das harmônicas como resolver problemas com harmônicas IEEE 519-1992 técnicas de eliminação de harmônicas – número de pulsos – filtros – retificadores ativos • Fator de Potência • definição: fator de distorção e deslocamento Prof. Edilson A. da Silva 59 O que causa Harmônicas • Qualquer carga não linear. • Numa carga não Linear, a corrente não é proporcional na tensão aplicada. Carga Linear: Corrente e Tensão são proporcionais. Carga não Linear: Corrente e Tensão não são proporcionais. IA IA VAN VAN Prof. Edilson A. da Silva 60 Exemplos de Cargas não Lineares • • • • Fluorecentes Fontes Chaveadas. Fornos a Arco Retificadores Prof. Edilson A. da Silva 61 O que são Harmônicas ? • • • • • Harmônicas causam a distorção de uma forma de onda puramente senoidal. Harmônicas são correntes parasitarias que vão se somar na corrente fundamental. Harmônicas são multiplos inteiros da frequência fundamental de um sistema. – para um sistema em 50Hz , 5a. é 250Hz, 7a. é 350 Hz – para um sistema em 60Hz, 5a. é 300Hz, 7a. é 420 Hz Total Harmonic Distortion (THD) é a maneira de quantificar a distorção total de uma forma de onda. Todos os retificadores (cargas não lineares) produzem correntes harmônicas que realimentam o sistema de potência. Prof. Edilson A. da Silva 62 Corrente entrada Corrente de Entrada + - Esta corrente pode ser expressa como sendo uma frequência fundamental somado a várias outras formas de onda senoidas com frequências maiores ( Serie de Fourier). „ Estes componentes com forma de onda periódica e com frequência multiplas da fundamental são definidas como harmônicas. Prof. Edilson A. „ da Silva 63 Formas de Onda de Corrente na Entrada Retificador SCR Retificador Diodo Estas correntes não são senoidais podendo ser expressas como uma somatória de componentes senoidais (harmônicas). Prof. Edilson A. da Silva 64 Harmônicas em um Retificador Típico Corrente de Entrada 1a., 5a., 7a. 1a. + 5a. (-20%) 1a. + 5a. (-20%) + 7a. (-13%) 1a. + 5a. (-20%) + 7a. (-13%) + 11a. (9%) + 13a. (7%) Prof. Edilson A. da Silva 65 Efeitos das Correntes Harmônicas • Correntes harmônicas fluindo em um sistema elétrico irão produzir distorções de tensão em vários pontos de interligação com outras cargas. • A distorção depende da: – impedâncias do sistema – amplitude das harmônicas injetadas no sistema. – Da relação cargas lineares e cargas não Lineares. Prof. Edilson A. da Silva 66 Efeito das harmônicas em um Sistema de Potência Problemas com harmônicas são raros mas podem incluir: • Sobreaquecimento de componentes ( motores , Capacitores,trnsformadores ,etc…) • Mau funcionamento de equipamentos • Interferências no sistema telefônico • Medições incorretas, mau funcionamento dos relés de proteção • Harmônicas causam correntes adicionais que não produz “trabalho” . – Os transformadores devem ser dimensionados para suportar estas correntes. Prof. Edilson A. da Silva 67 O que devemos fazer com as harmônicas? • Não é nem econômico nem desejável, eliminar todas as harmônicas • Guias práticos e análises são utilizados e/ou necessários para determinar se ocorrerão problemas criados pela introdução de harmônicas em um sistema • Normas e Recomendações: – IEEE-519 (nos EUA e América do Sul) – IEC-555 (Europa e algumas áreas na América do Sul) Prof. Edilson A. da Silva 68 Prof. Edilson A. da Silva 69 Medindo as Harmônicas Ponto de acoplamento comum (PCC) • Geralmente onde o usuario se liga com a concessionaria PLANT ONE LINE DIAGRAM Prof. Edilson A. da Silva 70 Recomendação do Limite de Harmônicos A recomendação do limite de Harmônicos é baseada nos: • Limites razoáveis de distorção de tensão no ponto PCC ( Point of Common Coupling ) – PCC é o ponto de interligação da concessionária com o cliente(PCA: ponto de acoplamento comum). • Distorção referênte à carga total da planta – ou seja, cada instalação pode ter limites diferentes de harmônicas Prof. Edilson A. da Silva 71 IEEE 519-1992: Limites de Distorção de Tensão Distorção Harmônica de Tensão no PCC em % 2.3-6.9 kV 6.9-138 kV >138 kV 1.0% THD 5.0% 2.5% 1.5% THD (Total Harmonic Distortion) é definido como a relação entre as componentes harmônicas e corrente ou tensão RMS da Fundamental 2 M ( ) h ∑ h=2 h=∞ THD % = M fundamenta l × 100 % Prof. Edilson A. da Silva Onde M é tensão ou corrente. 72 IEEE 519-1992: Limites Distorção Corrente Máxima Distorção Harmônica da Corrente % da Fundamental Harmônica Individual Ordem Ímpar ISC/I1L <11 11