Mundo em Movimento 2005

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1 Jornadas Técnicas Novas perspectivas Drive Technology Mundo em 2005

2 - O queé? Equipamentode Potência Emissões Conduzidas Emissões Irradiadas Emissões e Imunidade

3 CompatibilidadeEletromagnética Tensões de ruído em cabos e terminais(bornes) Radiação Eletromagnética Faixa de Freqüência Faixa de 5 a 10MHz Acima de 5MHz Fonte de Ruído Chaveamentos dos IGBT s dos conversores com tempo de aproximadamente 1 μs Controle e regulação com uso de microprocessadores Meio Físico Cabos de potência e cabos de sinal Espaço livre ( ar ) Medidas corretivas Filtros de RFI, cabos blindados para o motor, cabos blindados para sinal. Equipamento montado em painel metálico (Gaiola de Faraday) e cabos blindados.

4 Emissão de rádio-interferência O inversor de freqüência como fonte de RFI: Z N U C P C P M 3~ Z N Line filter Frequency converter Shielded motor cable M 3 ~ I S I S Z E Z E U Is A corrente parasita Is e a queda de tensão nas impedâncias Zn e Zs podem perturbar outros equipamentos t t A colocação de um filtro supressor de RFI, aliado àligação do motor ao inversor por cabos blindados cria uma rota definida para a rádiointerferência, controlando sua influência em equipamentos externos

5 Instalação de cabos blindados

6 Instalação de cabos não blindados

7 Recepção de rádio-interferência O inversor de freqüência como receptor de RFI: Noise source C k Signal cable Is Unit Board Zi Noise source C k Shielded signal cable Is Filter Unit Board Zi Se o ruído flui por um módulo que contém componentes eletrônicos sensíveis ( p. ex. microprocessadores) estes poderão ter seu funcionamento afetado. Utilizando cabos blindados aterrados em ambas as extremidades cria-se uma rota para a terra, por onde o ruído iráfluir

8 Interferência Eletromagnética em Drives Nível de ruído medido em um modelo MASTERDRIVES 11kW, 400V - rede aterrada; - sem filtro RFI; - com supressor básico(o capacitor de filtro interno); - sem cabos blindados. Valores acima dos limites da Classe A1( rede industrial) e também da Classe B1(redes domésticas)

9 Interferência Eletromagnética em Drives Nível de ruído medido em um modelo MASTERDRIVES 11kW, 400V -rede aterrada; - com filtro RFI; - com supressor básico(capacitor de filtro interno); - sem cabos blindados. Valores ainda acima dos limites da Classe B1(redes domésticas)

10 Interferência Eletromagnética em Drives Nível de ruído medido em um modelo MASTERDRIVES 11kW, 400V - rede aterrada; - com filtro RFI; - com supressor básico(o capacitor de filtro interno); - com cabos blindados. Valores dentro dos limites da Classe B1(redes domésticas). O benefício do filtro RFI e dos cabos blindados é bem nítido. Geralmente não são aplicados por motivo de custo.

11 Instalação correta dos Inversores Ambiente doméstico: Indústrias conectadas a um transformador secundário em baixa tensão, comum a vários consumidores. 1. Aplicar cabos Blindados entre motor e inversor 2. Aplicar filtro RFI, classe B1 Normas aplicáveis; EM ( norma básica,emissão de ruído Parte 1: área residencial, comercial e pequenas companhias) EM (, norma para produtos, incluindo métodos de testes para acionamentos eletrônicos de velocidade variável)

12 Instalação correta dos Inversores Ambiente Industrial Indústrias conectadas a um transformador em média tensão ou alta tensão. Nenhum outro consumidor ou rede pública conectada a esse secundário. 1. Aparelhos devem apresentar alta imunidade a ruídos, de acordo com os níveis especificados na norma EN , classe A1. 2. Aplicar filtro RFI, classe A1 3. A aplicação de filtro não garante a instalação. Ver ainda Conceitos de Zoneamento Recomendações Gerais: Acionamentos Individuais: desnecessário o uso de filtros e cabos blindados, se não houver outros equipamentos sensíveis na área Vários Acionamentos: aplicar filtro classe A1, se houver muita distribuição de cabos e com possibilidade de interferência mútua.

13 Aplicação de Cabos Blindados sem Filtro RFI Motor Atente para: Os cabos de entrada também são blindados Não tem filtro de RFI Hásempre um caminho de baixa impedância para as correntes parasitas

14 Aplicação de Cabos Blindados com Filtro RFI Atente para: Os cabos de entrada não são blindados Tem filtro de RFI Hásempre um caminho de baixa impedância para as correntes parasitas

15 -Instalação correta de Drives 1. Todas as partes metálicas do armário devem estar eletricamente conectadas com a maior área de contato 2. Cabos de sinal e de potência devem estar espacialmente separados ( >20cm ). Se possível, utilizar placas de separação. 3. Contatores, solenóides e outros dispositivos eletromagnéticos devem ser instalados com dispositivos supressores, como: snubbers(rc s ), diodos, varistores 4. Cabos não blindados de um mesmo circuito devem ser trançados 5. Cabos desnecessários ou compridos demais devem ser evitados 6. Conectar todos os condutores reserva e aterrá-los em ambas extremidades 7. EMI reduzido se todos os cabos são aterrados ao terra do painel

16 -Instalação correta de Drives 8. Cabos do sistema de realimentação devem ser blindados 9. Cabos de sinal digital devem ser aterrados nas duas extremidades 10. Cabos de sinal analógico devem ser aterrados em apenas uma extremidade a não ser que a malha de terra seja boa Calha de cabos Barramento de blindagem não pode ser usada como neutro Conectado a estrutura do armário nas duas extremidades com a maior área de contato possível Aterrado também do lado da instalação (Ex. no gerador de pulsos) Barra de sustentação dos cabos Conexão de blindagem correspondentes as situações 1, 2, 3 e 4. Blindagem de cabos de entrada no armário

17 -Instalação correta de Drives 11. Cabos de sinal sempre em um mesmo nível e de um mesmo lado 12. Se utilizada uma fonte auxiliar 24Vcc para o Drive, esta deve ser de aplicação exclusiva ao inversor local 13. Drivese equipamentos de automação não devem ser conectados diretamente em uma mesma fonte 14. Para atender as normas EN55011 nível A1 ou B1, énecessário o uso de filtro de rádio interferência 15. Sempre conecte o filtro de RFI o mais próximo possível da fonte de ruído. Nunca misture cabos de entrada e de saída 16. Todos os motores acionados por inversores devem ser alimentados com cabos blindados, aterrados nas duas extremidades 17. Um reator de linha deve ser instalado entre o filtro RFI e o Drive

18 -Instalação correta de Drives 18. Os cabos do motor devem estar separados dos cabos da rede 19. O malha de blindagem deve ser contínua e não pode ser interrompida eletricamente 20. Para atender a norma EN55011 nível B1, todos os cabos externos devem ser blindados,exceto os cabos de alimentação da rede Comunicação de dados (Ex. PROFIBUS-DP) Realimentação (Ex. Encoder) Sinais analógicos Terminais Conectar a estrutura do armário nas duas extremidades com a maior superfície de contato possível Blindagens no armário Blindagem tambem do lado da instalação (Ex.. no encoder)

19 Cabo Terra Proteção Seçãotransversal do cabo, condutorfase Garantir que a queda de tensão durante a falta (curtocircuito) seja inferior àtensão de toque admissível para proteção humana (<50Vca ou 120Vcc, de acordo com a EM50178 seção , IEC364 e IEC543) Garantir que a corrente circulante no momento da falta (curto-circuito) não atinja o limite de temperatura admissível pela proteção do cabo. Seçãomínimado cabode proteção ( EN e EN ) Até 16mm2 De 16 a 35mm2 Acimade 35mm2 Mesmaseçãodo cabode fase 16mm2 Seçãomínimaigual àmetade do cabode fase Segundo a EN No caso de conversores com controle vetorial, a corrente de curto fica limitada àcorrente máxima do conversor. Por isso, sempre érecomendado que o cabo terra tenha sempre a mesma bitola do cabo da fase. Para cabos normais de 4 condutores, onde o cabo de proteção tem a metade da bitola, recomenda-se o aterramento do conversor e do motor direto ao eletrodo de terra.

20 Bom Aterramento dos Cabos de Controle Malha de blindagem solidamente aterrada no chassis * Aterramento dos cabos de sinais digital (ambas extremidades) e analógico (em uma das extremidades).

21 Separação e Zoneamento

22 Separação e Zoneamento A Zona A éa conexão do painel elétrico àrede, incluindo o filtro. Aqui a emissão de interferências deveráser inferior a determinados valores limite. A Zona B contém o reator de rede e as fontes de interferências: conversor de freqüência, módulo de frenagem, contator. Na Zona C estão montados o trafode comando e os receptores: sistema de comando e a eletrônica dos sensores. A Zona D forma a interface dos cabos de sinal e de comando paraa periferia. Aqui exige-se um determinado nível de imunidade contra interferências. A Zona E abrange o motor trifásico e os cabos do motor.

23 Separação e Zoneamento As zonas deverão ser fisicamente separadas, para se alcançar um desacoplamento eletromagnético. A distância mínima deveráser de 20 cm. A separação via chapas aterradas é a melhor solução. Em nenhuma hipótese poderão ser passados cabos de diferentes zonas juntos nas mesmas canaletas! Nos pontos de conexão entre as zonas deverão ser eventualmente previstos filtros. Dentro de uma mesma zona poderão ser utilizados cabos de sinal nãoblindados. Todos os cabos de rede (p.ex., RS 485, RS 232) e cabos de sinalque destinam-se para fora do painel, deverão ser blindados.

24 Separação e Zoneamento Separe a potência, o controle, a entrada de potência, etc., em diferentes zonas. Certifique-se de que cabos de diferentes zonas estão roteados em dutos separados. Utilize blindagem entre as diferentes Zonas. Certifique-se de que os cabos se cruzam em ângulos retos a fim de minimizar acoplamentos. Instalação Pobre em : toda a fiação misturada.

25 : O que não fazer para evitá-la O filtro apresenta baixo desempenho devido ao aterramento pobre e porque os cabos estão passados, permitindo acoplamento, ao seu redor. Não existe Zoneamento. Os fios estão cruzados, livres do compartimento metálico e amarrados uns aos outros, reforçando a possibilidade de irradiação de EMI.

26 Supressão de Bobinas Use Supressores em todos os contatores/relés, etc., -Varistores; -Diodos, -Circuitos RC.

27 Emprego de filtro contra rádio-interferência 100mm à 300mm L 1 L 2 L 3 P E Inversor checar a isolação do cabo e conectar a blindagem às partes metálicas cabo blindado filtro L 1 L 2 L P 3 E cabo de rede terminais de aterramento cabo do motor* cabo de comando * indicações: a blindagem deve ser conectada ao motor

28 : Resumindo Planeje a instalação tendo em mente a. Separe a blindagem dos diferentes componentes em compartimentos diferentes. Considere a utilização de gabinetes com grade de proteção embutida. Separe os cabos do Motor dos cabos de sinal. Aterre terminações dos cabos analógicos e digitais blindados. Separe-os se necessário. Conexão equipotencial para correntes de alta freqüência. Cabos de conexão chatos, espessos e encordoados (cordoalhas). Lembre-se: Prevenir émelhor - e mais barato -que remediar.

29 Compatibilidade Eletromagnética A Compatibilidade Eletromagnética pode ser assegurada por: Bom Projeto: Layout cuidadoso dos componentes. Chaveamento e oscilações controlados. Proteções nas entradas. Bom aterramento e utilização de superfícies aterradas. Boa instalação: Aterramento sólido e eficaz. Separação de cabos de potência e de sinais. Supressores em contatores, relés. Uso de filtros externos. Filtros RFI internos. Uso de cabos blindados. Um bom projeto éresponsabilidade da Siemens; a boa instalação éresponsabilidade de quem instala.

30 PWM Compatibilidade com o Motor Medida Reator de saída Filtro limitador de tensão (filtro dv/dt) Filtro Senoidal Efeito Compensa as Correntes Parasitas Capacitivas para cabos longos entre o conversor e o motor Reduz a taxa dv/dt nos terminais do motor e reduz o stress na isolação Limita o dv/dtnos terminais do motor a 500 V/us Limita os picos de tensão nos terminais do motor a ~1,76*UL Alimenta o motor com tensão e corrente praticamente senoidais

31 CoordenaçãoReatorde Saídax Cabo Considerações: -tensãonominal de saída -tipodo cabo(blindadoou não) -distância entreconversor e motor

32 Onda senoidal distorcida t Representação gráfica do conteúdo de harmônicos: Amplitude Componente fundamental t 100% Harmônico de ordem 3 t Ordem No. Harmônico de ordem 5 de ordem 7,9,11,... t Distorção relativa por harmônicos (Fator de distorção - D.F.): D. F. = ( U + U + U +...) 3 5 U %

33 Principaisfontes de Cargas Não Lineares Retificadores Controlados e não-controlados Eletroímãs Fontes Chaveadas Controladores de Tensão Partidas Suaves (Soft-Starters) Conversores de Corrente Contínua Conversores e Inversores de Freqüência Máquinas de solda Lâmpadas fluorescentes / fosforescentes Chaveamento de cargas resistivas Descargas atmosféricas

34 Gerados por Conversores de corrente: In = P*n +/-1 In= Harmônico de corrente de ordem n n = número inteiro consecutivo (n=1,2...) P = número de pulsos do conversor Conversores de 6 pulsos; In = 6*n +/-1, ou seja: I5, I7,I11, I13... Conversores de 12 pulsos: In = 12*n +/-1, ou seja: I11, I13... Conversores Monofásicos ou de 2 pulsos; In = 2 +/-1, ou seja: I3 ( Cuidado! Corrente de Seqüência Zero )

35 de Corrente Ordem Seqüência Pulsos I5 I7 12 pulsos Cuidados: Correntes de Seqüência 0 (múltiplo de 3) não aparecem nos conversores trifásicos de 6 e 12 pulsos. Transformadores com primário em triângulo retém as correntes de seqüência 0 e atua como filtro para a rede. Cuidado com o aquecimento do transformador! 11 - I11 I I13 I

36 Efeito dos Correntes de Seqüência Zero: Aquecimento dos cabos de neutro; Aquecimento do primário do transformador devido a corrente de circulação no triângulo; Correntes de Seqüência Positiva e Negativa: Produzem esforços adicionais no eixo de máquinas rotativas (motores e geradores); seqüência negativa produz contratorque no eixo da máquina; Produzem perdas adicionais no ferro e no cobre das máquinas. Banco de capacitores são afetados principalmente pela Quinta Harmônica

37 Cuidados: Quanto menor a ordem do harmônico, maior sua amplitude, maior a distorção. Exemplo: Sendo I1 a componente fundamental ( 60Hz) I5 ~ I1 / 5 I7 ~ I1 / 7 O nível de harmônicos em uma rede determina a qualidade desta rede. A potência representada pelas distorções não realiza trabalho. É requerida maior potência do sistema de geração para uma mesma potência ativa da carga.

38 Efeito de Ressonância Z= XL*XC/(XL-XC) Se XL ~ XC, Z tende a, ocorre sobre-tensão fr = freqüência de ressonância XL = 2 π fr L, fr = 1/(2 π LC ) XC = 1/2 π fr C Corrente de excitação Circuitooscilante ~ Conversor ou Fonte de XL -Reatância da rede ou do sistema XC-Reatância do Banco de Capacitores

39 NORMAS : IEEE 519 Recomenda as práticas e requisitos para o controle de harmônicos em sistemas elétricos de potência. TENSÃO Estabelece o nível máximo de distorção aceitável no PAC - PONTO DE ACOPLAMENTO COMUM. Níveis de distorção aceitáveis de THD (DISTORÇÃO HARMÔNICA TOTAL) para sistemas até69kv: <6%, sendo: ÍMPARES - 3,5 e 7 < 5% ; 9,11 e 13 < 3%; 15 a 25<2%, acima de 27<1% PARES -2,4 e 6<2%; acima de 8<1%

40 IEEE 519 Recomenda as práticas e requisitos para o controle de harmônicos em sistemas elétricos de potência. CORRENTE Depende do fator R (RELAÇÃO DE CURTO-CIRCUITO DA INSTALAÇÃO NO PAC ). R=I SC /I L, Onde: I SC =Máxima corrente de curto-circuito no PAC I L = Máxima demanda de corrente fundamental das cargas lineares e não lineares. ordem < R<20 4% 2% 1,5% 0,6%... R<50 7% 3,5% 2,5% 1%...

41 Equipamentos de Correção de Fator de Potência Máquinas de Solda Aquecedores RF etc. MICROMASTER Motor Grandes Drives e Sistemas Eletrônicos de Potência Descargas Atmosféricas, Falhas no Sistema de Potência instale aqui um Reator de Entrada e equipamento de Proteção contra Sobretensões

42 Efeito dos -Afetam a isolação de motores, transformadores e cabos -Geram maior aquecimento destes componentes -Afetam a operação de aparelhos eletrônicos funcionamento maluco -Os conversores sãofontesde harmônicos, mas também podem ter o funcionamento afetado devido a outras fontesde harmônicos Sistema de alimentação Soluções: -Instalação de reatores de linha; -instalação de transformadores isoladores; -remanejamento de cargas; -instalação de filtros -utilizaçãode conversores 12 pulsos -Utilizaçãode conversores AFE Trafode alimentação L1 L2 L3 M M M

43 Aplicação do Reatorde Linha (EN50178/VDE 0160) RSC=Sk/Sconv.

44 Exemplo: -barramentopoluidopor harmônicos; -cargas sensíveisno mesmobarramentode conversores: Micros, fontes eletrônicas, pequenos conversores.

45 Exemplo: -Distribuição dos conversores em transformadores de acordo com o THD (DISTORÇÃO HARMÔNICA TOTAL) máximo admissível pelos conversores: <10% ( conforme VDE 0839 e EN Transformadordedicadoparacargas sensíveis -Cargasmonofásicasalimentadaspor transformadorisoladorcom alimentação fase-fase no primário

46 Conexão de 12 Pulsos U V W Total no primário UUV Sistema 1 Y-Y UUV Sistema 2 Y-D (oudy)

47 Especificação de Conversores com Minimização dos Recomendação: utilizar conversores de 12 pulsos ou AFE, para potências acima de 400kW.

48 Conversores MASTERDRIVES AFE Retificador AFE Unidade inversora com IGBT s Supply connecting panel Main switch Fuses Main contactor Precharging contactor Line filter Basic equipment Option Precharge circuit Supply-side converter PMU parameterizing unit Painel de entrada com filtrode harmônicos (Clean Power Filter) OP1S userfriendly op. control panel Inverter Motor connecting panel

49 MASTERDRIVES AFE x 6 pulsos 9,0% 8,0% Nível de tensão harmônica 7,0% 6,0% 5,0% 4,0% 3,0% 2,0% AFE 6 pulsos 1,0% 0,0% Ordem dos harmônicos

50 MASTERDRIVES AFE x 6 pulsos e 12 pulsos Nível de tensão harmônica 6,0% 5,0% 4,0% 3,0% 2,0% AFE 12 pulsos 6 pulsos 1,0% 0,0% Ordem dos harmônicos

51 SIMOVERT MASTERDRIVES AFE Nível de harmônicos do conversor AFE 0,20% 0,18% Nível de harmônicos de tensão 0,16% 0,14% 0,12% 0,10% 0,08% 0,06% 0,04% 0,02% 0,00% Active Front End Ordem dos harmônicos

52 Sinamics Line Harmonics Filter LHF Line Harmonic Filter -Filtro de, ressonante série, para conversores de 6 pulsos Sinamics G130 e G150; -Desempenho equivalente ao de conversores de 12 Pulsos. Corrente na linha Filtro de de Linha (LHF) 6SL3000-0J... SINAMICS G130/G150 6SL Currente na entrada do conversor M

53 Sinamics Line Harmonics Filter Benefícios Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Absorver os harmônicos de corrente de baixa freqüência (Ordem 5 e 7) Operação em redes de 50 Hz ou 60 Hz Não requer transformador de duplo secundário Baixos níveis de harmônicos de corrente nos cabos de entrada da rede Conversor mais compacto que o equivalente na solução de 12 Pulsos, pois contém apenas 01 retificador de entrada. Refrigeração natural, sem ventilador Grau de Proteção IP21 O filtro não é uma opção do painel SINAMICS G150. Pode ser fornecido avulso e ser instalado pelo cliente

54 Sinamics Line Harmonics Filter Benefícios Corrente de linha de um conversor com filtro i Valores típicos de Distorção de Corrente -THD : Retificador de 6-pulsos 40% Retificador de 12 pulsos > 10% Retificador de 6 pulsos com filtro < 10%

55 Sinamics Line Harmonics Filter Benefícios Níveis de de Corrente em Conversores

56 Sinamics Line Harmonics Filter Benefícios

57 Sinamics Line Harmonics Filter Benefícios

58 Exemplo: Painel com MICROMASTER Cuidados: -painéis para instalação abrigada ( IP20... IP43 ) -Seccionadoras fusíveis, acionamento na porta; -IHM com display alfanumérico na porta; -botão de emergência; -exaustor de ar montado no teto; -abertura para entrada de ar por baixo na porta;

59 Exemplo: Painel com MICROMASTER Cuidados: -seccionadoracom fusíveis combinados tipo 3NE1; -reator de comutação no piso do painel; -contatorde linha; -transformador de comando; -cabeamento linear ;

60 Exemplo: Painel com MICROMASTER Cuidados: -seccionadoracom fusíveis combinados tipo 3NE1; -contatorde linha; -transformador de comando; -cabeamento linear ; -separação dos cabos de comando e controle do conversor; -cruzamento de cabos de controle e de força em ângulo de 90 graus;

61 Exemplo: Painel com MICROMASTER Cuidados: -separação dos cabos de comando e controle do conversor; -cruzamento de cabos de controle e de força em ângulo de 90 graus;

62 Exemplo: Painel com MICROMASTER Cuidados: -exaustor de ar montado no teto; -iluminação do painel; -chave fim-de-curso na porta; -caminhamento dos cabos para a porta; -separaçãodos cabosde comando e de controledo conversor.

63 Exemplo: Painel com MICROMASTER Cuidados: -caminhamento dos cabos para a porta; - porta-desenhos ;

64 Exemplo: Painel com MICROMASTER Cuidados: -entrada de ar do painel; -possibilidade de colocação de manta de filtro; -aterramento da porta;

65 Exemplo: Painel com MICROMASTER Cuidados: -barra de aterramento; -cabos de terra do conversor; -possibilidade de melhoria: barra de aterramento independente para circuito de controle;

66 Exemplo: Painel com MICROMASTER Cuidados: - separação dos cabos de comando e controle do conversor; -cabos blindados no circuito de comando e controle;

67 Exemplo: Painel com MICROMASTER Cuidados: - borneirapara cabos externos; - tomada 220V/60Hz (PC); - barra de aterramento da blindagem de cabos;

68 Exemplo: Painel com MASTERDRIVES Cuidados: -amplificadores isoladores galvânicos para sinais de controle;

69 Exemplo: Painel com MASTERDRIVES Cuidados: -amplificadores isoladores galvânicos para sinais de controle; -borneirapara cabos externos; tomada 220V/60Hz ( PC); -barra de aterramento da blindagem de cabos; -reatores de entrada e de saída; -fusíveis (gr); -exaustor de ar na porta;

70 Exemplo: Painel com MASTERDRIVES Cuidados: -amplificadores isoladores galvânicos para sinais de controle; -borneirapara cabos externos; tomada 220V/60Hz ( PC); -barra de aterramento da blindagem de cabos; -reatores de entrada e de saída; -fusíveis ( são gr); -exaustor de ar no teto;

71 Exemplo: Painel com MASTERDRIVES Cuidados: -exaustor de ar no teto; -iluminação interna; -logo para funções de comando;

72 Exemplo: Painel com MASTERDRIVES Cuidados: -amplificadores isoladores galvânicos para sinais de controle; -borneirapara cabos externos; tomada 220V/60Hz ( PC); -barra de aterramento da blindagem de cabos; -reatores de entrada e de saída; -fusíveis ( são gr); -...

73 Exemplo: Painel com MASTERDRIVES