Aplicaţii

Lenze Antriebstechnik 1

Alegerea convertizoarelor de frecvenţă şi accesoriilor lor

1. Alegerea convertizoarelor de frecvenţă pentru o aplicaţie dată

1.1. Aplicaţii monomotor

Date necesare pentru alegerea convertizorului static de frecvenţă (CSF) corespunzător:

• caracteristicile motorului, în special: VN, IN, fN, cosφ, nN

Atenţie la tipul motorului (sincron, asincron, cu reluctanţă variabilă, etc.)• caracteristicile acţionării, în special:

∗ domeniul de reglaj al turaţiei∗ regimul de funcţionare (Si)∗ timpii de accelerare şi decelerare∗ cuplurile de accelerare şi decelerare (= MGEN, la funcţionarea în 4 cadrane)∗ cuplul de pornire∗ caracteristici speciale (de ex. capacitatea macaralei - în astfel de aplicaţii)

În general, invertoarele pot fi supraîncărcate cu Imax = 150% IN pentru un timp de 60 s.Această capacitate de suprasarcină de scurtă durată poate fi utilizată pentru procedurile deaccelerare / decelerare. Funcţiile de protecţie ale invertoarelor moderne împiedică posibiladefectare a acestora datorită unei suprasarcini îndelungate. Pentru determinarea cuplului maxim obtenabil, se utilizează curbele motorului (vezi nota deaplicaţii „87 Hz - un punct de funcţionare atractiv pentru motoreductoarele acţionate deconvertizoare de frecvenţă Lenze 8210 / 8200vector” – partea a 2-a). În mod uzual, curba#4 poate fi luată ca referinţă (motor cu ventilaţie proprie, funcţionând în regim S3, cu ED =10%, tA ≤ 60 s, Imax(invertor) = 150%IN). Pentru obţinerea unui cuplu maxim superior, sepoate supradimensiona invertorul - în anumite limite - dar sarcina de vârf trebuie să rămânăsub cuplul critic MK al motorului. Aceasta este foarte important în special la motoarele mici(<~1.1kW) şi pentru motoarele cu peste 4 poli (6 sau 8 poli), la care raportul MK/MN estemai redus. În cazul convertizoarelor de frecvenţă cu reglare vectorială – seria Lenze 9300EV, se potobţine cupluri superioare, de până la 170% MN, de la n = 0, fără supradimensionareainvertorului (curba limită #5). Echipamentul suplimentar (faţă de versiunea fără controlul înbuclă închisă a turaţiei) constă în montarea pe motor a unui encoder (traductor incremental)pentru sesizarea turaţiei cuplat la invertor. Un alt avantaj al reglării vectoriale în buclăînchisă în comparaţie cu supradimensionarea invertorului este stabilitatea inerentă aacţionării la cuplul critic şi precizia de reglare a turaţiei care acum este independentă dealunecarea motorului fiind dată numai de traductor. Determinarea frecvenţei de bază şi a frecvenţei maxime pentru o aplicaţie dată se poateface optim numai prin alegerea motorului şi a raportului reductorului, convertizorulneinfluenţând alegerea (vezi tabelul din nota de aplicaţii sus-menţionată).

Aplicaţii

Lenze Antriebstechnik 2

Atunci când acţionarea lucrează şi în regim de frânare (cuplu de frânare) este necesar unsistem de acţionare capabil să funcţioneze în 4 cadrane. În aceste aplicaţii invertorul va ficuplat obligatoriu, pe circuitul de curent continuu, la un chopper de frânare cu rezistenţa defrânare aferentă. 1.2. Aplicaţii multimotor (acţionări de grup) Reguli de bază ce trebuie respectate atunci când un invertor alimentează mai multemotoare: • Invertorul trebuie dimensionat pentru suma curenţilor prin toate motoarele conectate în

paralel.• Restricţie asupra lungimii cablurilor de alimentare a motoarelor: suma lungimii cablurilor

de alimentare a motoarelor trabuie să fie mai mică decât lungimea maximă specificată înmanualul invertorului divizată cu rădăcina pătrată a numărului de motoare conectate înparalel (vezi în continuare, “Precizări pentru convertizoare cu cabluri de motor lungi” şiNota de aplicaţii LENZE 24/97).

• Sistemul trebuie să conţină şi un filtru de tensiune pe ieşirea invertorului. Nu suntnecesare filtre individuale pe fiecare motor.

• CSF poate proteja la suprasarcină întregul grup de motoare (prin Imax şi limitarea de i2t)Pentru a preveni supraîncărcarea individuală a motoarelor, fiecare motor în parte trebuieprotejat independent, de ex. prin utilizarea releelor termice ajustate la 1.1INmotor. În acestcaz este importantă utilizarea senzorilor de temperatură PTC din înfăşurările motorului.

• Setarea parametrilor CSF este valabilă pentru tot ansamblul de motoare. Aceastaînseamnă că cel puţin valorile pentru VBoost şi compensarea alunecării trebuie să fieaproximativ egale pentru fiecare motor. Această condiţie poate fi îndeplinită numai dacămotoarele au puteri sensibil egale.

Date tipice pentru motoare asincrone cu 4 poli (din Catalogul Lenze AC MOTORS):

Tip motor DxRA …-..

PN[kW]

nN[rpm]

IN [A] Y/∆∆∆∆

cosφφφφ ηηηη MN[Nm]

MK[Nm]

MA[Nm]

J[kg.cm2]

071-12 0.25 1410 .85/1.5 .69 .64 1.7 3.7 3.3 8 071-22 0.37 1398 1.15/2 .70 .65 2.5 4.9 4.1 10 080-12 0.55 1400 1.7/2.9 .66 .70 3.8 8.0 7.6 15 080-22 0.75 1410 2.3/4 .67 .71 5.1 10.6 10.4 18 090-12 1.1 1420 2.7/4.7 .77 .76 7.4 17.5 13.4 26 090-32 1.5 1415 3.6/6.2 .77 .78 10.1 22.1 17.5 34 100-22 2.2 1425 4.8/8.3 .80 .82 14.7 37.8 35.0 57 100-32 3.0 1415 6.6/11.4 .81 .82 20.1 48.5 46.5 65 112-12 4.0 1435 8.3/14.3 .82 .85 26.6 73.4 66.5 118 132-12 5.5 1450 11/19.1 .84 .86 36.2 103 72.5 290 132-22 7.5 1450 14.6/25.4 .85 .87 49.4 140 107 350 160-12 11 1460 21/36.5 .85 .89 71.9 204 150 610 160-22 15 1460 27.8/48.4 .87 .90 98.1 288 214 750 180-12 18.5 1470 32.8/57.8 .90 .905 120.2 313 260 1350 180-22 22 1456 38.8/67.4 .90 .91 144.3 360 330 1550

Notă: x = E autoventilat, x = F motoventilat; alunecarea s = (nN –n0) / n0 * 100%, cu n0 = turaţia desincronism (1500 rpm la motoarele cu 4 poli); fN = 50Hz, UN3~ = 400/230V Y/∆

Aplicaţii

Lenze Antriebstechnik 3

Parametrii se setează pentru funcţionarea pe gabaritul maxim de motor corespunzătorputerii nominale. De aceea, parametrii nu sunt ajustaţi şi pentru motoarele în gabaritinferior. Tensiunea de compensare va fi prea mică pentru a compensa căderea internă detensiune, deci motoarele vor fi subexcitate. Ca rezultat, cuplul va scădea rapid la turaţiireduse, ceea ce va limita gama de reglare. Şi o compensare insuficientă a alunecăriidetermină limitarea domeniului de reglare a turaţiei. Condiţiile în care motoarele din grup pot fi cuplate/decuplate în funcţionare: • La momentul cuplării, trebuie să mai fie în funcţiune un număr de motoare care să

absoarbă cel puţin 1/3 din puterea nominală a CSF - pentru a constitui o sarcină debază (minimală). Este cu atât mai bine cu cât momentul de inerţie al sarcinii minime estemai ridicat. Explicaţia este următoarea: la momentul cuplării unui motor, motorul(motoarele) constituind sarcina de bază, susţin frecvenţa de ieşire a invertorului, lucrufavorabil accelerării motorului nou cuplat.

• Motorul care trebuie cuplat trebuie să aibă puterea nominală mai mică de ~1/4 dinputerea nominală a invertorului.

• În momentul cuplării, CSF nu trebuie să funcţioneze la o frecvenţă mai mare decât ceade bază, presetată; în caz contrar, motorul care trebuie cuplat va încerca să accelerezeîn condiţii de reducere de câmp, deci cu un cuplu de pornire redus.

Fig. 1.1 Curentul de pornire al unui motor asincron cu 4 poli, la cuplarea directă lamagistrala de alimentare din invertor.

Cablarea între invertor şi motoare trebuie implementată cu aproximativ acceleaşi lungimi decablu, deoarece, dacă sunt mari diferenţe de lungime, vor apare căderi diferite de tensiunela borne. Motorul cu cablul de lungime maximă va primi cea mai redusă tensiune şi carezultat, el va dezvolta cel mai mic cuplu.

Aplicaţii

Lenze Antriebstechnik 4

Fig. 1.2 Căderea de tensiune pe cablul de alimentare al motorului, ∆V, pentru olungime de 100m, dependentă de curent şi secţiune.

Precizări pentru CSF cu cabluri de motor lungi Un efect de loc de neglijat apare atunci când cablul ecranat de alimentare al motorului estemai lung de 200 m. Problema se pune atât datorită capacităţilor parazite între faze şiecranul cablului, cât şi mai ales datorită capacităţilor parazite dintre faze. Curenţii adiţionalicapacitivi pot încărca CSF chiar până la nivelul curentului nominal. Efectul se simte mai ales la puteri relativ mici (până în cca. 5.5kW); la puteri mai mari,încărcarea în curent datorată capacităţilor parazite este mai redusă procentual. Dependenţacapacităţilor parazite de secţiunea cablului nu este liniară. De exemplu, o creştere de 10 oria secţiunii produce numai o dublare a capacităţilor. Frecvenţe de comutaţie mai mari decât cele setate de fabricant (pentru CSF Lenze: 8 kHzla seria 82xx şi 4 kHz la 86xx), produc atât scăderea curentului de ieşire maxim cât şicreşterea curenţilor reactivi. Dacă se utilizează cabluri de motor neecranate, datorită radiaţiei electromagnetice nedorite,se recomandă utilizarea filtrelor sau combinaţiilor de filtre. Prin utilizarea inductanţelor de ieşire, a filtrelor de motor sau filtrelor sinusoidale (detensiune sinusoidală) se poate obţine reducerea curenţilor reactivi datoraţi cablurilor lungide până la 200 m (300 m), în funcţie de puterea CSF. Aceste echipamente trebuie însăinstalate în apropierea CSF (o lungime de cablu de max. 3 m).

Aplicaţii

Lenze Antriebstechnik 5

Lungimile maxime ale cablurilor de motor în funcţie de puterea CSF (UA = 3 x 400/460V):

Puterea nominală Suma maximă a lungimilor cablului de motor ecranat [m] a CSF [kW] fără filtre cu bobină de motor 1) cu filtru sinusoidal

0.75 15 25 50 1.5 25 50 100 2.2 50 75 150

3.0 - 11 50 100 200 15 75 125 200 22 100 150 200 30 125 175 250 45 150 200 300

55 - 90 200 nelivrabil nelivrabil 1) inductanţă de ieşire sau filtru de motor la fCH = 4kHz (inductanţă = soluţie ieftină)

Calculul lungimii echivalente a cablurilor de motor la acţionările de grup Atunci când un invertor alimentează un grup de motoare legate în paralel, lungimeaechivalentă lech se calculează din următoarea formulă:

lech = Σ li * √n unde: li = lungimea cablului i (i = 1 ... n) n = numărul motoarelor conectate în paralel Exemplu: La un CSF sunt conectate 4 motoare, având următoarele lungimi de cablu: 5, 10, 15, 20m => lech = (5 + 10 + 15 + 20) * √4 = 50 * 2 = 100m 2. Accesorii pentru convertizoare de frecvenţă 2.1. Efecte secundare produse de CSF Redresorul de intrare, necomandat, al CSF cu circuit intermediar de tensiune continuă,absoarbe curent din reţeaua de alimentare numai în intervalele de timp în care valoareainstantanee a tensiunii sinusoidale depăşeşte tensiunea continuă de pe circuitulintermediar. Ca rezultat, curentul absorbit din reţea va avea un factor de formă ridicat(vârfuri scurte şi cu amplitudine mare). Valoarea eficace este ridicată datorită conţinutuluimare de armonici. La alimentarea trifazată predomină armonicile 5, 7, 11 şi 13. Aceastăformă de undă:• produce distorsionarea tensiunii reţelei de alimentare, ceea ce poate afecta alţi

consumatori conectaţi la aceeaşi reţea.• poate stimula apariţia osclilaţiilor şi supratensiunilor cu energie mare în circuitele de

compensare a factorului de putere, în anumite condiţii critice:∗ cel puţin 10 - 20% din instalaţiile de forţă sunt formate din redresoare controlate

şi fixe (cu diode), şi∗ circuitul de compensare funcţionează fără bobină de reţea (inductanţă), sau∗ etajele inferioare de compensare formează un circuit rezonant împreună cu

transformatorul de alimentare, cu o frecvenţă de rezonanţă apropiată dearmonica 5 sau 7 (250Hz sau 350Hz pentru reţeaua de 50Hz), şi

∗ consumatori mari sunt conectaţi la reţea în această situaţie.

Aplicaţii

Lenze Antriebstechnik 6

Supratensiunile între fazele reţelei de 400V pot atinge valori de vârf de ~1250V, tensiunipericuloase pentru aparatele conectate la reţea. Alt efect secundar apare ca rezultat al comutării foarte rapide a tranzistoarelor din invertor.Pe de o parte comutarea rapidă este neceesară pentru minimizarea pierderilor întranzistoare şi pentru a produce o formă de undă apropiată de sinusoidă. Pe de altă parte,tranziţiile rapide produc:• un spectru de interferenţă de bandă largă, care afectează mediul prin intermediul

cablului de motor (problemă de compatibilitate electromagnetică - EMC)• un zgomot tipic în pachetul de tole laminate ale statorului. Variaţia continuă a inducţiei

datorată integralelor de tensiune PWM produce, prin magnetostricţiune, o deformareoscilantă a lungimii tolelor, generând zgomot acustic.

Comutaţia rapidă a tranzistoarelor din invertor produce o undă progresivă în cablul demotor. Pentru o anumită combinaţie critică a timpului de deschidere a tranzistoarelor culungimea cablului, se pot produce reflexii generatoare de supratensiuni de până la cel puţindublul tensiunii circuitului intermediar. Pentru a reduce efectele secundare susmenţionate, pot fi utilizate filtrele de ieşire. 2.2 Inductanţe (bobine) de reţea Bobinele de reţea sunt folosite în principal pentru reducerea vârfurilor deci şi a armonicilorde curent absorbit de redresor. Se mai numesc şi bobine de şoc de comutaţie sauinductanţe (drossele) de reţea. În conformitate cu DIN VDE 0160, bobinele de reţea se proiectează pentru o tensiune descurtcircuit relativă VK = 4%. Utilizarea bobinelor de reţea este deosebit de importantă înspecial în sistemele de alimentare de capacitate ridicată (VK redusă). O reţea de alimentare poate fi considerată de capacitate ridicată atunci când:• transformatorul de alimentare are o capacitate de cel puţin 100 de ori mai mare decât

puterea nominală a convertizoarelor de frecvenţă (kVA), sau• punctul de alimentare al CSF este mai aproape de 100 m de transormatorul de

alimentare generală, având puterea de cel puţin 100 de ori mai mare decât putereanominală a CSF (kVA).

Fiecare CSF trebuie alimentat din propria bobină de reţea, astfel încât CSF să fie decuplateîntre ele. Trebuie evitată soluţia în care o singură bobină de reţea de curent marealimentează mai multe CSF. Bobinele de reţea contribuie şi la protecţia la supratensiuni a invertoarelor. Impedanţabobinei de şoc crează, împreună cu celelalte impedanţe din circuit, un divizor de tensiunepentru supratensiuni. Pe durata frontului crescător al supratensiunii, caracteristica delimitare de curent a unei inductanţe (nesaturate) ajută în funcţionare dispozitivele deprotecţie din CSF (varistoare, eclatoare cu descărcare în gaz, capacitoare). 2.3. Filtre de reţea Perturbaţiile electromagnetice (EMC) sunt produse de funcţionarea în regim de comutaţierapidă a tranzistoarelor de putere din invertor. Acestea se pot propaga, printre alte căi, şiprin cablurile de alimentare (interferenţă condusă).

Aplicaţii

Lenze Antriebstechnik 7

Filtrele de reţea trebuie să atenueze interferenţele pe domeniul de frecvenţe cuprins între0.15 şi 30 MHz. Valorile limită sunt specificate în standardul EN 55011:

Clasa A: echipamente utilizabile în orice zonă, departe de zonele de locuinţe Clasa B: echipamente utilizabile în zonele de locuinţe Grupa 1: echipamente care generează numai energie electromagnetică de înaltăfrecvenţă, condusă, ca urmare a funcţionării acestora (ex. comutaţie PWM în CSF) Grupa 2: echipamente care generează energie electromagnetică de înaltă frecvenţă,deliberat, pentru tratamentul materialelor (ex. echipamente de microunde, încălzire prininducţie).

Fig. 1.3 Valorile limită pentru nivelele tensiunii de zgomot conform EN 55 011

În plus, regulamentele internaţionale privind compatibilitatea electromagnetică (EMC#89/336/EEC) stipulează faptul că producătorii de echipamente electronice trebuie să iamăsuri contra emisiilor parazite şi a interferenţelor şi să realizeze un nivel corespunzător deimunitate la perturbaţii electromagnetice pentru echipamente. În cazul CSF aceste măsuri sunt satisfăcute prin utilizarea filtrelor de reţea din seria EZN.

Fig. 1.4 Nivelul tensiunii de interferenţă la un convertizor de frecvenţă de 5.5kW, cu şifără filtru de reţea

Aplicaţii

Lenze Antriebstechnik 8

Efectele optime se obţin numai printr-o instalare corectă. De mare importanţă suntîmpământările şi distanţa dintre filtrul de reţea şi intrarea în CSF: • Filtrul de reţea trebuie instalat în apropierea bornelor de intrare ale CSF, astfel încât

cablul de legătură între ieşirea filtrului şi intrarea CSF să nu depăşască în lungime 50cm.Dacă, în cazuri excepţionale nu este posibilă instalarea în apropiere a filtrului şiconvertizorului, atunci cablul de legătură trebuie să fie ecranat şi legat la pământ laambele capete. Împământarea ecranului cablului trabuie efectuată pe suprafaţă cât maimare. De preferinţă, ecranul cablului se va conecta printr-o bridă metalică direct pe ozonă metalică a dulapului, bine dezizolată.

• împământarea pe o suprafaţă extinsă este necesară deoarece câmpul electromagnetic

de înaltă frecvenţă se propagă în special pe suprafaţă, datorită efectului pelicular, şi nuîn toată secţiunea conductorului. Împământarea cablului printr-un conductor (cf. DINVDE 0113) nu este eficientă la supresia interferenţelor.

• Compatibilitatea electromagnetică a unui echipament depinde de metoda şi de

acurateţea instalării. O atenţie deosebită se va acorda:

∗ filtrelor se vor utiliza numai filtre şi bobine de reţea corespunzătoare - Filtrele de reţea reduc perturbaţiile de înaltă frecvenţă - Bobinele de reţea reduc perturbaţiile de joasă frecvenţă∗ ecranărilor - se vor ecrana toate cablurile spre şi dinspre invertor - cablurile de semnal se vor trage separat de cele de forţă - se va evita utilizarea unui terminal (conector) comun pentru intrarea din reţea şiieşirea spre motor - se vor fixa cablurile cât mai aproape posibil de potenţialul de referinţă. Cablurileatârnate se comportă ca antene.∗ împământărilor - se vor împământa toate componentele metalice, electroconductive (controllere,filtre de reţea, bobine de reţea) utilizând cabluri corespunzătoare, la un punct central(Bara de împământare PE) - se va menţine secţiunea minimă prescrisă în reglementările de protecţie. PentruEMC este importantă suprafaţa de contact, nu secţiunea cablului.

Notă: aceste recomandări sunt extrase din Directivele Comunităţii Europene pentrucompatibilitatea electromagnetică a aparaturii de joasă tensiune.

Carcasele echipamentelor trebuie să facă contact pe o suprafaţă cât mai mare cu ramadulapului în care sunt montate. De aceea, carcasele invertorului şi filtrului de reţea trebuiefixate pe placa metalică de montare cu elemente de fixare metalice, nevopsite. Orice stratizolator de vopsea trebuie îndepărtat cu grijă din zonele de contact.

Filtrele de reţea conţin capacitoare care generează curenţi de scurgere la pământ. Pot fiatinse intensităţi de până la 200 mA, în funcţie de mărimea filtrului. Alţi curenţi scurgere lapământ sunt generaţi pe ieşirea invertorului (în special în cablul de motor). Este deciimposibil de a utiliza pentru protecţie întrerupătoare automate cu senzor de curent rezidual(diferenţiale).