Instala��o v2

Copyright © 2008 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.

Considerações sobre Instalações de Inversores de Frequência

Raymond Schmitz

Fevereiro 2008

2 Copyright © 2008 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.

Considerações sobre Instalação de Inversores

Supervisor Eletricistas

?

Transientes na linha

Harmônicas

Aterramento

Modo Comum&

Acoplamento Capacitívo

Onda Refletida

A proteção adequada e uma boa prática, contribuem com sucesso para garantir uma boa instalação.

Diga-me de novo porque eu estou usandoinversores?

Zé dos Anzóis ltdaZé dos Anzóis ltda


Ruído é Bruxaria ou Magia Negra ?


Sistema com Inversor

Transformador Inversor Motor

M




Onda refletida

M




Ruído de modo comum

M



Correntes harmônicas de rede

M



Paraguay, Argentina, Brazilian Highlands

Amazon Basin, Brazilian Highlands

Mexico (Gulf of California)

Florida, Louisiana, Miss. & Alabama Columbia Congo Basin

Laos, Thailand, & Vietnam

Malaysia & Singapore

Iran

The NASA Isokeraunic Map


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


Utilização de IGBT - Vantagens

• Frequência de chaveamento mais alta– Motor opera mais silencioso– Menor aquecimento do motor– Melhor controle dinâmico

• Redução do tamanho do inversor– Alta impedância de entrada– Menos potência para gatilhamento– Redução de tamanho.


IGBT vs. Bipolar

1336 @ 60HZ NO LOADSWITCHING FREQUENCY1.26KHZ

1336 PLUS @ 60HZNO LOAD SWITCHINGFREQUENCY 8KHZ

7.5HP MOTOR

Bi-Polar

IGBT


Considerações sobre instalação de inversores de frequência

• Reatores de entrada.• Ruído de Modo Comum (EMI/EMC/RFI)• Comprimento de Cabo (onda refletida e corrente Capacitiva)• Aterramento e Layout de Painel• Harmônicas


E Somente para Relembrar!


Inversores de Frequência



Parte de Potência

Parte de Comando

Ajustes de Programação

Entrada

440 V

60 Hz

SaídaM

Tensão/Freqüência

Variável



Diagrama de Blocos Típico de um Inversor


Reatores de Entrada

Quando Usar ?-Impedância da Rede < 1%;-Capacidade de C.C. da Rede >> Cap. de C.C. do Inversor;-Rede com chaveamentos freqüentes de capacitores para correção do FP;-Rede “Suja” com picos altos e estreitos de Tensão;-Redes com afundamentos de Tensão freqüentes e superiores à 200Vac;-Desbalanceamento de fases

O que ele faz ?-Reduz o conteúdo Harmônico devolvido para a Rede;-Melhora o Fator de Potência Total;-Aumenta a vida útil do Drive principalmente em Redes Sujas;-Readapta a Capacidade de Curto-Circuito;-Limita picos de corrente.


Problemas com desbalanceamento de fases

• Possíveis causas de desbalanceamento de Fase?– Respostas:

• Cargas monofasicas• Acoplamento entre cabos

• Com corrigir?– Respostas:

• Balancear as cargas• Instalar reator• Instalar transformador de isolação

– Efeitos: • Vide próximo slide


Inversor de Frequência

ACMOTOR

DCBUS

+

-

B1

C1

E1

B3

C3

E3

B5

C5

E5

B6

C6

E6

B4

C4

E4

B2

C2

E2

FILTERCAPACITOR

LINEREACTOR

BA

C

DIODE BRIDGE W/LC FILTER INVERTER SECTION

AC Circuit


Balanced Voltage 3% Unbalanced Voltage

11 Amp peak

52 Amp peak

Efeito do desbalanceamento de fase


Se o transformador for 10 vezes maior que os KVA do inversor, o inversor poderá ver uma alta corrente em caso de queda de tensão

805A

55A

Input ProtectionEfeito do reator na entrada do inversor: exemplo


Sistema não aterrado(BREAKS COMMON MODE NOISE CURRENT PATH)SOME CAPACITIVE COUPLING PRIMARYI-SECONDARY LEFT

Sitema com resistor de aterramento

(DAMPENS COMMON MODE NOISE CURRENT PATH)AT DETRIMENT TO HRG UNIT SENSING

Sistema aterrado(COMPLETES COMMON MODE NOISE CURRENT PATH)METALLIC COUPLING NEUTRAL TO SECONDARY LINES

XO

Earth Ground Potential

XO

XO



Rng

Exemplos de sistemas de distribuição


Cuidado com sistemas não aterrados ou aterrados via resistor


PowerFlex 700 Frames 0-6

Commonmode inductor

SMPS

SMPSCM/DM filter "L"

CM caps

fe rrite beadon ga te leads

DM caps

Tach iso lated & C M

C M on C O M

removable PE

std gnd PE

• IGBT Ristime•50 ns IGBT risetime >> increased to 200 ns reduces motor failures & noise-• fu = (1 / trise) lower peak CM current noise• reduces first turn and first coil motor failure• same energy efficiency as 50ns drive• longer cable runs before 2x voltage appears•dc isolated Tach supply with HF CM inductors


Corrente (Ruído) de Modo Comum(EMI)


Problemas com ruídos de modo comum

Interferências com equipamentos sensiveis– PLC’s, DCS’s– Redes de comunicação – Sensores, Encoders– Radio AM – Sinais de 0-10 volt ou 4 -20 ma.


Acontece a cada chaveamento dos IGBT’s

Tensão de Saída VL-Lvs. Corrente de Fuga IL-G


Fluxo da Corrente (Ruído) de Modo Comum (EMI)

Inversor

Common Mode

Current Path

PE

TerraPotencial #3Potencial #1

Motor

Potencial #2

XO

R U

V

W

S

T

PE

Ilg Motor

Ilg

Ilg

Ilg

Ilg

IlgC lg-c

C lg-m

A

B

C

Vdc bus

(-)

(+)

Logica

Terra (True Earth,TE)

Interface Electronics0-10V, comunicação, 4-20 ma,sensor, interface, etc..

Potencial # 4

Tach

Transformador de entrada

Vng


Como Capturar e Retornar o Ruído para a fonte


Cabos Motor Shieldado com Isolação de PVC

Inversor

Common Mode Current Path

PE

EARTH GROUND Potential 4

Potential #3Potential #1

Motor

Additional Motor PEGND wire

Potential #2

XO

R U

V

W

S

T

PE

PE

Motor

Ilg

Ilg

Ilg

Ilg

Ilg

Ilg

C lg-m

A

B

C

Vdc bus

(-)

(+)

Cabo Shieldado com Isolação dePVC

PVC

Transformador

A melhor prática para reduzir o ruído (a malha é uma baixa impedância para a corrente de modo comum)


Cabos Shieldados, Núcleos (Toroídes) e capacitores de Modo Comum

AC Drive

Common Mode Current Path

PE

Aterramento Potencial 4

Potencial#3Potencial#1

Motor

Motor PEGND wire

Potencial#2

XO

R U

V

W

S

T

PE

PE

Ilg

Motor

Ilg

Ilg

IlgC lg-c

C lg-m

A

B

C

Vdc bus

(-)

(+)

Capacitores deModo comum

Núcleos deModo comum


O que os Toroídes Fazem ???


70 nSTensãoDe

Saída

Vu-v

Oscilação de 6MHz CorrenteModo comum

Ilg

Aumenta o tempo de subida de 1.5 us para 5 us

Diminua a oscilação de 200 kHz para 63 kHz

Corrente IlgCom núcleo

De modo comum

Ipeak

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


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 PLCi.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


Como evitar Interferência e reduzir Ruídos


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.


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


Boas Práticas de Layout e de aterramento


Aterramento impróprio para gabinete com inversores e equipamentos sensíveiss

Barra Cobre PE

PLC

PE

Drive 4

PE

Drive 3

PE

Drive 1

PE

Drive 2

Pla

ca d

e M

onta

gem

AlimentaçãoM1, M2, M3, PE

WVU

Eletroduto

para Sistema de Terra

Corrente de RuídoCaminho de Retorno

PE

SaídaL1, L2, L3

SR T

Eletroduto

54 Copyright © 2008 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.PÁGINA:38

Barra de Cobre PE

PLC

PE

Drive 4

PE

Drive 3

PE

Drive 1

PE

Drive 2

Pla

ca d

e M

onta

gem

SR TU V W

PE PE

Corrente Modo Comumna malha

no

Fio

Ver

de

Cor

ren

te M

odo

Com

um

PE opcional ligado à malha

Eletroduto de SaídaLigado ao Gabinete

Todos os InversoresEletroduto de Entrada

L1, L2, L3, GND

Aterramento recomendável para gabinete com inversores e equipamentos sensíveis


Prática de Instalação - velha recomendação

INVERSOR

LOGIC

ENROLAM. MOTOR

ATERRAMENTO PE

PE

CARCAÇAMOTOR

FIO VERDE

E

CPARASITA

LIGADO TERRA PE

SLOTC

POTENCIAL #1

POTENCIAL #3

POTENCIAL #2

POTENCIAL #4

HASTE TERRA TERRA VERDADEIRO / TE

LINTERFACE

LINTERFACE

ABC

INTERFACE- PLC - SAÍDA ANALOG. - RIO - etc.

L1

L2

L3

PE


Como minimizar os ruídos


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).

Terra único ponto/Layout do Painel

BARRA PE

Aterramento do PLCVer Recomendaçòes na Publicação 1770-4.1

TE-ZERO VOLTBARRA POTENTIAL (Isolado do painel)

PLC

Motor

Motor

LogicPE

1336 Plus

1305

PE

Logic

Normalmente aterradono ponto de

terra mais proximo

Neutro

Terra Equipamentos


Comprimento de Cabos

Corrente CapacitivaOnda Refletida


Cabos também requerem atenção.

• Acoplamento Capacitivo

• Corrente carga do cabo


Acoplamento Capacitivo

• 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


MOTOR WINDINGS

MOTOR FRAME

MOTOR WINDINGS

MOTOR FRAME

CONDUIT

INCIDENTAL CONTACT OF CONDUIT TOBUILDING STEEL

X

X

CMODULE

DRIVE FRAME

LOGIC CMODULE

LOGIC

CMODULE

CMODULE

PE

DRIVE FRAME

Corrente Fuga Cabo


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.


Onda Refletida


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


Fenômeno Onda Refletida

• Aparecimento com os inversores IGBT • Pode causar picos de tensão no Motor• Poderá causar falha de isolação


Típica Tensão Vpp de saída PWM no Motor

0

-1

+1

+2


Analogia


Possivel efeito da onda refletida


Qual será a amplitude da reflexão?

• A velocidade de reflexão(Depende da capacitância & indutância do cabo)

• 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)


Onde está o maior risco?

• Quanto menor o Inversor/Motor Maior é o risco• Motores com melhor / maior isolação permitem maior

comprimento de cabo.• Motores, pequenos, de baixo custo, tem tipicamente:

– Pouca isolação - Bolhas são prováveis– Sem papel isolante– Tem alta impedância (Ex: 5Hp =2000Ohms, 500 Hp = 400Ohms)


Especificando motores em função da tensão de alimentação

• Motores: Classe de isolação para 0.1 us risetime:Motores: Classe de isolação para 0.1 us risetime:– Categoria 1000 VpkCategoria 1000 Vpk: Motores sem isolação entre fases e sem isolaç: Motores sem isolação entre fases e sem isolação ão

nas rainurasnas rainuras – Categoria 1200 VpkCategoria 1200 Vpk: Motores com isolaç: Motores com isolação entre fasesão entre fases– Categoria 1488 VpkCategoria 1488 Vpk: Escolha preferida para 440/480V : Escolha preferida para 440/480V – NEMA MG1 Part 31.40.4.2, 1998 “Insulation can withstand voltage NEMA MG1 Part 31.40.4.2, 1998 “Insulation can withstand voltage

spikes of up to 3.1 times motor rated voltage” ie especifica motores com spikes of up to 3.1 times motor rated voltage” ie especifica motores com isolação de 1488 VPK para aplicações em 440/480Visolação de 1488 VPK para aplicações em 440/480V

– 1600 Vpk Category1600 Vpk Category: Motores Rockwell para aplicações em 480V: Motores Rockwell para aplicações em 480V– 1850 Vpk Category1850 Vpk Category: Motores Rockwell para aplicações em 600V: Motores Rockwell para aplicações em 600V– 2000 Vpk Category2000 Vpk Category: Motores Rockwell para aplicações em 690V: Motores Rockwell para aplicações em 690V


Exemplos

• Segue abaixo dados da isolação dos motores de 440V acionados pro inversor de frequência:– Tensão de pico <=1430V– dV/dt <=5200V/microsegundo– Rise time >= 0.1microsegundo– Tempo entre pulsos >= 6 microsegundos


O que você pode fazer sobre isso?

• Comprar um inversor tipo “PowerFlex700”• 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


Problema de onda refletida

AC Drive

ACMotor

0 – 40 feet typical0 – 40 feet typical

1000 volt Motor

AC Drive

ACMotor

0 – 25 feet typical0 – 25 feet typical

1200 volt Motor


Solução para evitar problema de onda refletida

Motor Rockwell

1329 Inverter Duty Motor

1600 volt

AC Drive

ACMotor

Terminator1204-TFA11204-TFB2

@MotorPWM at 2K

Motor padrão com isolação em

1000 or 1200 volt

0 – 600 pés0 – 600 pés

AC Drive

ACMotor

0 – 600 pés ou mais 0 – 600 pés ou mais

O comprimento de cabos pode ser limitado em O comprimento de cabos pode ser limitado em função das corrente capacitiva / fuga função das corrente capacitiva / fuga

especialmente em inversores de baixa potência.especialmente em inversores de baixa potência.

É recomendado consultar o manual de instruções É recomendado consultar o manual de instruções antes de instalar o inversorantes de instalar o inversor



Motor tipo

1200 volt

O comprimento de cabos pode ser limitado em função das corrente O comprimento de cabos pode ser limitado em função das corrente capacitiva / fuga especialmente em inversores de baixa potência.capacitiva / fuga especialmente em inversores de baixa potência.É recomendado consultar o manual de instruções antes de instalar o É recomendado consultar o manual de instruções antes de instalar o inversorinversor

• Exemplo em 480 volt AC Drive

ACMotor

Reator Reator @ Drive@ Drive

Ate 300 pésAte 300 pés

Reator Allen-Bradley com Resistor ate 1250HPReator Allen-Bradley com Resistor ate 1250HP

Ate 600 pés Ate 600 pés


1321 RWR Output Filters

• The 1321 Reflected Wave Reduction (RWR) device is a Pulse Width Modulated (PWM) AC drive output filter

• Reduces the possibility of AC motor stator winding insulation failure due to induced corona or partial discharge damage from high transient peak Reflected Wave voltage spikes associated with long inverter-to-motor cable lengths

• The 1321-RWR filter is intended as an "at the drive" alternative to the patented Bulletin 1204 Terminator



AC Drive

ACMotor

Motores

1200 ou 1600 volt

Ate 600 pésAte 600 pés

1204-RWXX up to 17 Amp1204-RWXX up to 17 Amp

O comprimento de cabos pode ser limitado em função das corrente capacitiva / fuga O comprimento de cabos pode ser limitado em função das corrente capacitiva / fuga especialmente em inversores de baixa potência especialmente em inversores de baixa potência

É recomendado consultar o manual de instruções antes de instalar o inversorÉ recomendado consultar o manual de instruções antes de instalar o inversor

Fitros de terceiros Fitros de terceiros (MTE ou TCI ou (MTE ou TCI ou

Block)Block)

• Exemplo em 480 volt



AC Drive

ACMotor

Motores

1200 ou 1600 volt 1000+ feet1000+ feet

Sine Wave Sine Wave FilterFilter

O comprimento de cabos pode ser limitado em função das corrente capacitiva / fuga O comprimento de cabos pode ser limitado em função das corrente capacitiva / fuga especialmente em inversores de baixa potência especialmente em inversores de baixa potência

É recomendado consultar o manual de instruções antes de instalar o inversorÉ recomendado consultar o manual de instruções antes de instalar o inversor

Allen-Bradley, Allen-Bradley, MTE, Schafner, TCI MTE, Schafner, TCI

or Block)or Block)

• Exemplo em 480 volt


Vendor ModelOperating Frequency

PWM Frequency

Rated Voltage

Rated Current (A)

Temperature Rating (C°)

Enclosure Rating

Voltage Drop

Max Cable Length (m)

Efficiency (100% Load) THVD

Audible Noise

AgencyApproval

Rockwell Automation up to 400Hz 2 or 4kHz 480VAC 6 - 1200 50°

Open Nema 3R

10.63V(2.3%) 3,000 + 99.2% 10.9% 73.8dB UL

MTE Series A6 - 60Hz

max 90Hz 2 - 8kHz 440 - 600VAC 9 - 72050°40°

OpenNema 1

26.82V(5.9%) 4,500 98.9% 9.1% 80.1dB UL, cUL

TCI KMG 0 - 80Hz 2 - 4kHz480VAC600VAC

8 - 7508 - 600 40°

OpenNema 1/12

17.73V(3.9%) 4,500 99.60% 8.80% 82.1dB UL, cUL

SchaffnerFN5010

FN5010HV up to 70Hz 4 - 16kHz400VAC 690VAC 2.5 - 610 40° Open n/a

400 (shielded)300 (unshielded) n/a n/a n/a

Block SFB0 - 120Hz0 - 60Hz 3 - 8kHz 400 - 520VAC

4 - 150180 - 440 40°

Open Nema 1

25.21V(5.5%)

200 (520V)400 (230V) 96.3% 12.4% 78.47dB UL, cUL

Vendor ModelOperating Frequency

PWM Frequency

Rated Voltage

Rated Current (A)

Temperature Rating (C°)

Enclosure Rating

Voltage Drop

Max Cable Length (m)

Efficiency (%)

Audible Noise

AgencyApproval

Rockwell Automation 1204-RWR2 0 - 400Hz 2 - 4kHz

380 - 575 VAC 9A 50° Nema 1 183 UL, cUL

Rockwell Automation 1204-RWC-17A 0 - 400Hz 2 - 6kHz

480VAC600VAC

17A @ 480V12A @ 600V 50° Nema 1 488

UL, cULCE

Rockwell Automation

1204-TFA11204-TFB2 0 - 400Hz

6kHz2kHz 380 - 600VAC

0.5 - 5HP2 - 800HP 40° Nema 4 183 UL, cUL

MTE Series A6 - 60Hz

max 120Hz 0.9 - 8kHz 600VAC 3 - 60050°40°

OpenNema 1 300 96.6% 75.43dB UL, cUL

TCIKLC

KLCUL 0 - 60Hz 2 - 8kHz 600VAC2 - 7502 - 600 40°

OpenNema 1 300 98.4% 74.1dB UL (KLCUL)

BlockMF230MF400

0 - 150Hz0 - 300Hz 4 - 16kHz

0 - 260VAC0 - 500VAC

4 - 9.54 - 50 40° Nema 1

100/50/25(4/8/16kHz) n/a

Notes:Efficiency, THVD and Audible Noise data taken on a 25HP, 480V drive/filter/motor system at 100% load 60Hz.Ambient auduble noise level of 64.8dB.

PowerFlex700 Vector Control Series B - Recommended Parameter Settings

53 Motor Cntl Sel Custom V/Hz any mode56 Compensation bit 0 = 0 default56 Compensation bit 3 = 0 default56 Compensation bit 7 = default default57 Flux Up Mode default default58 Flux Up Time default default

150 Drive OL Mode 1 1151 PWM Frequency see note see note506 Angl Stabilty Gain 0 default507 Volt Stblty Gain 0 to 10 default524 Modulation Mode 1 default69 Start/Acc Boost see note see note70 Run Boost see note see note71 Break Voltage see note see note72 Break Frequency see note see note

Bit 7 locks the PWM frequency when set (default) recommended for both filter types

Sinewave filters are limited to V/Hz control only, dV/dt filters can be used for all motor control modesTurn off "reflected wave" compensation when using a Sinewave filter, leave enable for dV/dt filters

Sinewave filters require a value of 10 or less, for dV/dt filters leave at default value

Turn off "transistor diagnostics" compensation when using a Sinewave filter, leave enable for dV/dt filters

Leave at "manual" setting. Leave at "0.00" seconds.

Refer to filter instructions for proper range of setting. Set to "Reduce Clim" to ensure pwm frequency remains constant.

Set to zero for Sinewave filters, may need to lower for dv/dt filters.

Sine Wave Filter Specifications Comparison

dV/dt Filter Specifications Comparison

SinewaveValue

dV/dtValue Description

ParameterNumber

ParameterName

per need

Sinewave filters require this to be set for "Space Vector only".A conservative setting is recommended to avoid nuisance Overcurrent faults.

per motorper need


Conclusões para evitar problemas com ruídos

• Separar cabos de potência e de sinal.• Manter distancia a mais curta possivel entre transformador, inversor e

motor• Usar cabos shieldados• Quarto cabo de aterramento• Baixar a frequência de chaveamento• Colocar supressores nas cargas indutivas (bobinas de freio, bobinas de

relés e contatores.)• No painel separar os equipamentos sensiveis dos equipamentos de

potência• Para sinais sensíveis utilizar isoladores ou cabo de fibra otíca• Adicionar reator toroídal ou comprar inversores com reator toroídal (Ex:

PowerfLex 700).


Literatura de Referência

• Reactors and Isolation Transformers: 1321-TD0011-EN-P (August 2005)

• Wiring and Grounding Practices for AC Drives: Drives-IN001D-EM-P (Oct 2005).


Harmônicas


De maneira facil e didática podemos dizer que...

A RSS da FFT deve atender

a THD e a TDD Recomendado pela IEEE no

PCC


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.

VAN

IA

Carga não Linear: Corrente e Tensão não são proporcionais.

VANIA


Exemplos de Cargas não Lineares

• Fluorecentes • Fontes Chaveadas• Fornos a Arco• Retificadores


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.


Harmônicas em um Retificador TípicoCorrente de Entrada

1a., 5a., 7a.

1a. + 5a. (-20%) + 7a. (-13%) + 11a. (9%) + 13a. (7%)

1a. + 5a. (-20%) + 7a. (-13%)

1a. + 5a. (-20%)


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.


Efeito das harmônicas em um Sistema de Potência

Problemas com harmônicas são raros mas podem incluir:• Sobreaquecimento de componentes (motores, Capacitores,

transformadores, 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.


Medindo as Harmônicas

Ponto de acoplamento comum (PCC)• Geralmente onde o usuario se liga com a concessionaria

PLANT ONE LINE DIAGRAM


Porque os inversores produzem harmônicas ?


Topologia de um inversor de frequência

C onverterA C to D C

InverterD C to A C

D CB us

F ilte r

A C D rive

AC

Moto

r Outp

ut

AC

Lin

e I

nput


Retificador de entrada

Cbusbus_cap

V0 := Vstart

D1 D2 D3

D5 D6D4

Lar

Lreactor

Lbr

Lreactor

Lcr

Lreactor

Load

I0 := -(load_cur)

I0 := load_cur

load_cur

Llink

Ldclink

75hp, 480V Converter

+

V

+

V

La

LsourceI0 := 0

Lb

I0 := -(load_cur)Lsource

Lc

I0 := load_curLsource

ET1

Va

ET2

Vb

ET3

Vc

VMan2

VMab

+

V VMac

+

VVMan1

Simplorer Student Version at www.ansoft.com

Va

Vb

Vc


Inversor sem reator no barramento CC

VMab.V = f...

La.I = f(t, b...

Cbus.V = f(...

VMac.V = f...

VMan.V [V]...

50.00m

50.00m

100.00m

100.00m

62.50m

62.50m

75.00m

75.00m

87.50m

87.50m

-800.0 -800.0

800.0

0 0

-666.7 -666.7

-333.3 -333.3

333.3 333.3

666.7



VMab.V = f...

La.I = f(t, b...

Cbus.V = f(...

VMac.V = f...

VMan.V [V]...

50.00m

50.00m

100.00m

100.00m

62.50m

62.50m

75.00m

75.00m

87.50m

87.50m

-800.0 -800.0

800.0

0 0

-666.7 -666.7

-333.3 -333.3

333.3 333.3

666.7



VMab.V = f...

La.I = f(t, b...

Cbus.V = f(...

VMac.V = f...

VMan.V [V]...

81.50m

81.50m

93.50m

93.50m

82.50m

82.50m

85.00m

85.00m

87.50m

87.50m

90.00m

90.00m

92.50m

92.50m

-100.0 -100.0

800.0

0 0

200.0 200.0

400.0 400.0

600.0 600.0

Vab Vac

Van

Vbus

Ia

400A/ms


Retificador de Entrada

Cbusbus_cap

V0 := Vstart

D1 D2 D3

D5 D6D4

Lar

Lreactor

Lbr

Lreactor

Lcr

Lreactor

Load

I0 := -(load_cur)

I0 := load_cur

load_cur

Llink

Ldclink

75hp, 480V Converter

+

V

+

V

La

LsourceI0 := 0

Lb

I0 := -(load_cur)Lsource

Lc

I0 := load_curLsource

ET1

Va

ET2

Vb

ET3

Vc

VMan2

VMab

+

V VMac

+

VVMan1


Inversor com reator no barramento CC

VMab.V = f...

La.I = f(t, b...

Cbus.V = f(...

VMac.V = f...

VMan.V [V]...

150.0m

150.0m

200.0m

200.0m

162.5m

162.5m

175.0m

175.0m

187.5m

187.5m

-800.0 -800.0

800.0

0 0

-666.7 -666.7

-333.3 -333.3

333.3 333.3

666.7


Inversor com reator no barramento CC

VMab.V = f...

La.I = f(t, b...

Cbus.V = f(...

VMac.V = f...

VMan.V [V]...

181.5m

181.5m

193.5m

193.5m

182.5m

182.5m

185.0m

185.0m

187.5m

187.5m

190.0m

190.0m

192.5m

192.5m

-100.0 -100.0

800.0

0 0

200.0 200.0

400.0 400.0

600.0 600.0

Vab Vac

Van

Vbus

Ia

80A/ms


Importante

Harmônicas de corrente

criam

Distorção de tensão


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)


Quais são os limites da IEEE 519-1992 ?

Application Maximum THD (%)Special Applications - hospitals and airports 3.0%General System 5.0%Dedicated System - exclusively converter load 10.0%

Harmonic Voltage LimitsLow-Voltage Systems

Table 10.2

Table 10.3

Current distortion Limits for General Distribution Systems (120V through 69,000V)

Isc/Iload <11 11<=h<17 17<=h<23 23<=h<35 35<=h TDD (%)<20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 20<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 12.0 100<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 Even harmonics are limited to 25% of the odd harmonic limits above

Isc=maximum short circuit current at PCCIload=maximum demand load current (fundamental frequency component) at PCC

Maximum Harmonic Current Distortion in Percent of Iload


Thou Shalt Not

Mess Up

Thy

Neighbor’s

Line Voltage

O objetivo da IEEE 519 (Primeiro Mandamento)


Atender a IEEE-519 no Inversor ???

É bom lembrar que a IEEE 519

é uma recomendação

para sistemas de distribuição

e não

para equipamentos


Variação das Harmônicas em função da carga


Efeito da corrente motor sobre I(THD) ?

I(THD) aumenta a medida que a carga diminue ;

I(fund) diminue a medida que a carga diminue ;

I(harm) diminue a medida que a carga diminue.

NOTA :

I(THD) = Iharm / Ifund

6-Pulse Buffered Drive Currents

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100% Load

% o

f F

ull L

oa

d F

un

d. C

urr

en

t

Iharm

Ifund

I(THD)


Efeito das Harmônicas no fator de potência


P.F. Total = Fator de Deslocamento (Displacement P.F.) x Fator de Distorção (Distortion P.F.)

• As concessionárias medem o Fator de Potência Total.• A maioria dos fabricantes de inversores falam somente

do fator de deslocamento (Displacement Power Factor).

E o Fator de Distorção, e o Fator de Deslocamento, são importantes ?

Fator de Potência


• Distortion Power Factor – É o não alinhamento da Tensão e Corrente devido a distorção das formas de Onda.

• Displacement Power Factor– Defasagem entre Tensão e Corrente na passagem por zero.

Ambos são importantes e igualmente afetam o fator de potência total !

2

1

1

1

THDI

IDF

rms

1cosIDF

O que são Fatores de Distorção e Deslocamento


Como minimizar as harmônicas


Relação entre Número de Pulsos do Retificador e as Harmônicas

• As Harmônicas características (h) em relação ao número de pulsos(n) de um retificador é dado por:– h= k n 1

• k qualque número inteiro• ex: - 6 pulsos injeta 61= 5a. e 7a., 121 = 11a. e 13a.


Relação entre Número de Pulsos do Retificador e as Harmônicas

• A amplitude (A) de uma dada harmônica é relacionada com o número de pulsos por:– A= 1/h

• quanto maior a ordem da harmônica, menor será sua amplitude• ex:. - 5a. harmônica 1/5=20%, 7a. harmônica 1/7=13%


• Através de um transformador alimentador com multiplos secundários.

• O deslocamento de fase dos secundários é obtido por:

– para um retificador de 12 pulsos, o deslocamento de fase deve ser 60/2=30 ° (por ex: enrolamentos em no secundário e Y no terciário)

– para um retificador de 18 pulsos, o deslocamento de fase entre enrolamentos do secundário serão de 20 °, 0 ° e -20° (por ex: configuração dos enrolamentos em delta ou estrela)

windingsondaryofnumbershiftphase

_sec__

60_

Como é atingido um maior número de pulsos?


Retificador de 6 pulsos 5a e 7a Harmônicas

Retificador



Rectificador de12 Pulsos


Retificador AFE (Active Front End)A

C L

ine I

nput

C onverte rA C to D C

InverterD C to A C

D CB us

F ilte r

R egenera tive A C D rive

AC

Moto

r Outp

ut


Valores Típicos de THD em função do número de pulsos do retificador de entrada


Técnicas de Redução de harmônicas

• Utilizar Reator no Barramento CC do Inversor;• Reator na Entrada do Inversor;• Filtros passivos ou ativos;• PWM na Entrada (Active Front End Drives);• Inversores com 12 ou 18 pulsos de retificação;• Aumentar carga lineares em relacão às não lineares na planta.

• Lembrete - O PowerFlex 700 vem padrão de fábrica com: - Filtro RFI;- Reator no Barramento DC;- Capacitores de Modo Comum;- Toroidal de Saída;- Algorítimo especial para permitir maiores distâncias entre

motor/inversor.


Filtro passivo

M

hp

M otorL oad

T rans former

xfmr% Z

P assive F ilte r

Drive

DC

A C

A C

DC

DC L inkC hoke

Ia = f( S,...

-25.00m

-25.00m

24.90m

24.90m

0

0

-20.00m

-20.00m

-10.00m

-10.00m

10.00m

10.00m

20.00m

20.00m

-150.0 -150.0

150.0

0 0

-100.0 -100.0

-50.0 -50.0

50.0 50.0

100.0 100.0

• Typical I(THD) of 4 to 7%


M

D rive

hp

M oto rL oad

T rans fo rm er

D C

A C

D C L inkC hokexfm r

% Z

A ctive F ilte r

A C

D C

A C

D C

Ifu n d Ifu n d + Ih a rm

Ih arm

Ia = f( S,...

-25.00m

-25.00m

24.90m

24.90m

0

0

-20.00m

-20.00m

-10.00m

-10.00m

10.00m

10.00m

20.00m

20.00m

-150.0 -150.0

150.0

0 0

-100.0 -100.0

-50.0 -50.0

50.0 50.0

100.0 100.0

Filtro ativo

Current from Transformer

• Typical I(THD) of 3 to 6%



Rectificador de12 Pulsos


Retificador AFE (Active Front End)A

C L

ine I

nput

C onverte rA C to D C

InverterD C to A C

D CB us

F ilte r

R egenera tive A C D rive

AC

Moto

r Outp

ut


Custos das técnicas de redução de harmônicas

$0

$10,000

$20,000

$30,000

$40,000

$50,000

$60,000

$70,000

$80,000

$90,0001

0 H

P

25

HP

50

HP

75

HP

10

0 H

P

15

0 H

P

20

0 H

P

25

0 H

P

30

0 H

P

40

0 H

P

50

0 H

P

80

0 H

P

Active Filter

Passive Filter

18-Pulse

Active Front-End


Aumentando as Cargas Lineares

Lembre-se, I(THD) = Iharm/Ifund


Exemplo IEEE519

• Recomendação: 5% de distorção Harmônica de Tensão• Transformador de 250KVA c/ 6% de Impedancia alimentando

um Inversor de 150HP

• Inversor sem Reator no Barramento CC: 6,55% de distorção harmônica (Acima do recomendado pela IEEE)

• Inversor com Reator no Barramento CC: 4,87% de distorção harmônica (Abaixo do recomendado pela IEEE)


Lembre –se o PowerFlex700 já vem com:

• Filtros RFI • Reator no Barramento CC• Capacitores de Modo comum• Reator/ toroídal de Modo comum• Novo firware para alcançar maiores distancias e proteger

melhor seu motor.


Conclusões

• 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 deverá usar e respeitar as boas práticas de instalação

• O usuário sempre deverá consultar o Manual de instruções do Produto antes de instalá-lo


Internet

Internet:• http://www.ab.com: Drives, Get support, Softwares

(Harmonics Calculator, Energy comparisons, etc....), na mesma pagina tem tambem: Technical infos, Technical articles, etc.....

• http://www.rockwellautomation.com

• http://www.rockwellautomation.com.br


Ferramentas para avaliar sua THD


• Identificar o PCC e aplicar a técnica mais apropriada (barata) ;• Adicionar reatores AC (ou reator CC se possível) para

inversores com retificadores de 6 pulsos ;• Considerar o uso de filtros ativos para sistemas com múltiplos

inversores ;• No caso de existir um número par de inversores de mesma

potência e com mesmo perfil de carga, adotar um arranjo “pseudo 12 pulsos” colocando metade da carga no secundário em estrela e a outra metade no secundário em triângulo ;

• Tentar separar os sistemas de alimentação para as cargas lineares e não-lineares e ter assim limites de THD de tensão diferentes (5% e 10%).

Como atender a IEEE519


Internet

• Internet :

• http://www.ab.com : Drives, Get Support, Softwares (Harmonic Calculator, Energy Comparison, etc...), na mesma página tem tambem : Informações Técnicas (Technical Inf), Artigos Técnicos (Technical Articles), etc...

• http://www.rockwellautomation.com

• http://www.rockwellautomation.com.br


Seguindo estas recomendações, você deverá atingir um THD aceitável para sua operação !

Muito obrigado!

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