Capítulo 3

Visão geral do inversor digital

Desde a década de 1980, uma das mudanças mais significativas na análise de espectro tem sido o uso de tecnologia digital para substituir conjuntos de instrumentos que antes eram exclusivamente analógicos. Com o advento dos ADCs de alto desempenho, os novos analisadores de espectro são capazes de digitalizar o sinal de entrada muito mais rápido do que os instrumentos criados apenas alguns anos antes. As melhorias mais dramáticas ocorreram na seção IF dos analisadores de espectro. O Digital IF 1 produziu melhorias drásticas na velocidade, precisão e capacidade de medir sinais complexos, graças ao uso de tecnologias avançadas de processamento de sinais digitais.

Filtros digitais
A implementação digital parcial de circuitos IF ocorre nos analisadores Agilent da série ESA-E. Embora bandas de resolução de 1 kHz e mais amplas geralmente possam ser alcançadas com filtros LC analógicos tradicionais e filtros no chip, as bandas de resolução mais estreitas (1 Hz a 300 Hz) são realizadas digitalmente. Como mostrado na Fig. 3-1, o sinal analógico linear é convertido para 8,5 kHz IF e então passado através de um filtro passa-faixa com largura de apenas 1 kHz. Este sinal IF é amplificado, então amostrado em 11,3 kHz e digitalizado.

Figura 3-1. Implementação digital de filtros de resolução de 1, 2, 10, 30, 100 e 300 Hz em dispositivos da série ESA-E

Já em estado digitalizado, o sinal passa pelo algoritmo de transformada rápida de Fourier. Para converter um sinal válido, o analisador deve estar em um estado de configuração fixa (sem varredura). Ou seja, a conversão deve ser realizada no sinal no domínio do tempo. É por isso que os analisadores da série ESA-E usam incrementos de 900 Hz em vez de varredura contínua no modo passa-banda digital. Este ajuste de passo pode ser observado no display, que é atualizado em incrementos de 900 Hz enquanto o processamento digital é realizado.
Como veremos em breve, outros analisadores de espectro – como a série PSA – usam um FI totalmente digital e todos os seus filtros de resolução são digitais. Uma vantagem chave do processamento digital fornecido por estes analisadores é a seletividade de banda de aproximadamente 4:1. Essa seletividade está disponível nos filtros mais estreitos – aqueles que precisamos para separar os sinais mais próximos.

No Capítulo 2, realizamos cálculos de seletividade para dois sinais separados por 4 kHz usando um filtro analógico de 3 kHz. Vamos repetir este cálculo para o caso da filtragem digital. Um bom modelo de seletividade de filtro digital seria um modelo quase gaussiano:

Onde H(Δ f) – nível de corte do filtro, dB;
Δ f – desafinação de frequência do centro, Hz;

α – parâmetro de controle de seletividade. Para um filtro gaussiano ideal α=2. Os filtros de varredura usados ​​nos analisadores Agilent são baseados em um modelo quase gaussiano com α=2,12, que fornece uma seletividade de 4,1:1.

Substituindo os valores do nosso exemplo nesta equação, obtemos:

No deslocamento de 4 kHz, o filtro digital de 3 kHz caiu para -24,1 dB, em comparação com o filtro analógico, que mostrou apenas -14,8 dB. Devido à sua seletividade superior, um filtro digital pode distinguir entre sinais muito mais próximos.

Inversor totalmente digital
Os analisadores de espectro da série PSA da Agilent são os primeiros a combinar diversas tecnologias digitais para criar um pacote IF totalmente digital. Um inversor puramente digital oferece uma série de benefícios para o usuário. Uma combinação de análise FFT para faixas estreitas e análise de varredura para faixas largas otimiza a varredura para medições mais rápidas. Arquitetonicamente, o ADC aproximou-se da porta de entrada, possibilitado por melhorias nos conversores analógico-digitais e outros equipamentos digitais. Vamos começar observando o diagrama de blocos do analisador IF totalmente digital da série PSA, mostrado na Figura 1. 3-2.

Figura 3-2. Diagrama de blocos de um inversor totalmente digital nos dispositivos da série PSA

Aqui, todas as 160 bandas de resolução são implementadas digitalmente. Embora também existam circuitos analógicos antes do ADC, começando com vários estágios de conversão descendente e terminando com um par de pré-filtros unipolares (um filtro LC e um filtro no chip). O pré-filtro ajuda a evitar a entrada de distorção de terceira ordem no circuito downstream, assim como em uma implementação IF analógica. Além disso, permite expandir a faixa dinâmica alternando automaticamente as faixas de medição. O sinal da saída do pré-filtro unipolar é enviado ao detector de comutação automática e ao filtro de suavização.
Tal como acontece com qualquer arquitetura IF baseada em FFT, é necessário um filtro anti-aliasing para eliminar aliases (a contribuição de sinais fora de banda para a amostra de dados ADC). Este filtro é multipolar e, portanto, possui um atraso de grupo significativo. Mesmo uma explosão de RF com aumento muito acentuado transportada para o IF experimentará um atraso de mais de três clocks ADC (30 MHz) ao passar pelo filtro anti-aliasing. O atraso dá tempo para reconhecer um sinal grande de entrada antes de sobrecarregar o ADC. O circuito lógico que controla o detector de faixa automática reduzirá o ganho na frente do ADC antes que o sinal chegue, evitando assim o corte do pulso. Se o envelope do sinal permanecer baixo por um longo período de tempo, o circuito de autoajuste aumentará o ganho, reduzindo o ruído efetivo na entrada. O ganho digital após o ADC também é alterado para corresponder ao ganho analógico antes do ADC. O resultado é um ADC de ponto flutuante com uma faixa dinâmica muito ampla quando o autoajuste é ativado no modo de varredura.

Figura 3-3. O auto-tuning mantém o ruído ADC próximo da portadora e abaixo do ruído do oscilador local ou permite a resposta do filtro

Na Fig. A Figura 3-3 mostra o comportamento de varredura do analisador da Série PSA. Um pré-filtro unipolar permite maior ganho enquanto o analisador é sintonizado longe da frequência portadora. À medida que você se aproxima da portadora, o ganho diminui e o ruído de quantização do ADC aumenta. O nível de ruído dependerá do nível do sinal e do seu deslocamento de frequência da portadora, portanto aparecerá como ruído de fase escalonado. Mas o ruído de fase é diferente deste ruído de autoajuste. O ruído de fase em analisadores de espectro não pode ser evitado. No entanto, reduzir a largura do pré-filtro ajuda a reduzir o ruído de sintonia automática na maioria dos deslocamentos de frequência da portadora. Como a largura de banda de pré-filtragem é aproximadamente 2,5 vezes a largura de banda de resolução, a redução da largura de banda de resolução reduz o ruído de ajuste automático.

IC de processamento de sinal personalizado
Voltemos ao diagrama de blocos do inversor digital (Figura 3-2). Depois que o ganho do ADC for definido para corresponder ao ganho analógico e ajustado pelo ganho digital, o IC personalizado inicia o processamento da amostra. Primeiro, as amostras IF de 30 MHz são divididas em pares I e Q em meios passos (15 milhões de pares por segundo). Os pares I e Q recebem então um reforço de alta frequência por um filtro digital de estágio único cujo ganho e fase são aproximadamente opostos aos de um pré-filtro analógico unipolar. Em seguida, os pares I e Q são filtrados por um filtro passa-baixa com resposta de fase linear e resposta de frequência gaussiana quase ideal. Os filtros gaussianos sempre foram os mais adequados para análise de varredura de frequência devido ao compromisso ideal entre o comportamento no domínio da frequência (fator de forma) e no domínio do tempo (resposta de varredura rápida). Com a largura de banda do sinal reduzida, os pares I e Q agora podem ser dizimados e enviados ao processador para processamento ou desmodulação FFT. Embora a FFT possa ser implementada para um segmento de extensão de até 10 MHz da banda do filtro anti-aliasing, mesmo em uma extensão mais estreita de 1 kHz, com uma largura de banda de resolução estreita de 1 Hz, a FFT exigiria 20 milhões de pontos de dados. O uso da dizimação de dados para intervalos mais estreitos reduz significativamente o número de pontos de dados necessários para a FFT, o que acelera significativamente os cálculos.
Para análise de varredura de frequência, os pares I e Q filtrados são convertidos em pares de amplitude e fase. Na análise de varredura tradicional, o sinal de amplitude é filtrado pela faixa de vídeo e amostrado pelo circuito detector do display. A escolha do modo de exibição “logarítmico/linear” e da escala “dB/unidades” é feita no processador, de modo que o resultado seja exibido em qualquer uma das escalas sem medições repetidas.

Capacidades adicionais de processamento de vídeo
Normalmente, um filtro passa-banda de vídeo suaviza o logaritmo da amplitude do sinal, mas possui muitos recursos adicionais. Ele pode converter a amplitude do registro em envelope de tensão antes da filtragem e converter novamente antes da detecção do display, para leituras consistentes.
A filtragem de amplitude na escala de tensão de linha é desejável para observar os envelopes de sinais de rádio pulsados ​​em amplitude de frequência zero. Um sinal de amplitude logarítmica também pode ser convertido em potência (amplitude quadrada) antes da filtragem e depois novamente. A filtragem de potência permite que o analisador forneça a mesma resposta média a sinais com características semelhantes a ruído (sinais de comunicação digital) e a sinais de onda contínua com a mesma tensão RMS. Hoje em dia, é cada vez mais necessário medir a potência total num canal ou em toda a gama de frequências. Com tais medições, um ponto no display pode mostrar a potência média durante o tempo que o oscilador local passa por este ponto. O filtro de largura de banda de vídeo pode ser configurado para coletar dados para realizar a média em escala logarítmica, de tensão ou de potência.

Contagem de frequência
Os analisadores de espectro de varredura de frequência geralmente possuem um contador de frequência. Ele conta o número de cruzamentos de zero no sinal IF e ajusta essa contagem para valores conhecidos de desafinação do oscilador local no resto do circuito de conversão. Se a contagem durar 1 segundo, você poderá obter uma resolução de frequência de 1 Hz.
Graças à síntese do oscilador local digital e à largura de banda de resolução totalmente digital, a precisão de frequência inerente dos analisadores da série PSA é bastante alta (0,1% do intervalo). Além disso, o PSA possui um contador de frequência que rastreia não apenas cruzamentos de zero, mas também mudanças de fase. Assim, ele pode resolver frequências de dezenas de milihertz em 0,1 segundos. Com este projeto, a capacidade de resolver variações de frequência não é mais limitada pelo analisador de espectro, mas sim pelo ruído do sinal que está sendo examinado.

Outras vantagens de uma unidade totalmente digital
Já cobrimos vários recursos da série PSA: filtragem de log/tensão/potência, amostragem de frequência de alta resolução, comutação de escala de memória log/linear, fatores de forma superiores, modo de detector de média de ponto de exibição, 160 bandas de resolução diferentes e , é claro, varredura de frequência ou modo de processamento FFT. Ao analisar um espectro, a filtragem com filtros de resolução introduz um erro nas medições de amplitude e fase, que são funções da taxa de varredura. Para um certo nível fixo de tais erros, os filtros de resolução IF de fase linear digital puro permitem taxas de varredura de frequência mais altas do que os filtros analógicos. A implementação digital também fornece compensação conhecida para dados de frequência e amplitude, permitindo velocidades de varredura duas vezes mais rápidas que os analisadores mais antigos e proporcionando excelente desempenho mesmo em velocidades de varredura quádruplas.
O ganho logarítmico implementado digitalmente é altamente preciso. Os erros típicos característicos do analisador como um todo são muito menores do que os erros de medição com os quais o fabricante avalia a confiabilidade do logaritmo. No mixer de entrada do analisador, o valor de confiança do log é especificado em ±0,07 dB para qualquer nível até -20 dBm. A faixa de ganho logarítmico em níveis baixos não limita a fidelidade do logaritmo, como aconteceria com um FI analógico; o alcance é limitado apenas pelo ruído de cerca de -155 dBm no mixer de entrada. Devido à compressão de tom único em circuitos subsequentes com potências mais altas, a fidelidade diminui para ±0,13 dB para níveis de sinal de até -10 dBm no mixer de entrada. Em comparação, um amplificador log analógico normalmente tem tolerâncias da ordem de ± 1 dB.
Outras precisões relacionadas ao FI também experimentaram melhorias. O pré-filtro de FI é analógico e deve ser sintonizado como qualquer filtro analógico, portanto está sujeito a erros de sintonia. Mas ainda é melhor que outros filtros analógicos. Embora exija apenas um único estágio, ele pode ser muito mais estável do que os filtros de 4 e 5 estágios encontrados em analisadores de FI analógicos. Como resultado, as diferenças de ganho entre os filtros habilitados podem ser mantidas dentro de ±0,03 dB, o que é dez vezes melhor do que para projetos puramente analógicos.
A precisão da largura de banda IF é determinada pelas limitações das configurações na parte digital do filtro e pela incerteza de calibração no pré-filtro analógico. Novamente, o pré-filtro é muito estável, introduzindo apenas 20% do erro que estaria presente em uma implementação analógica de uma largura de banda de resolução composta por cinco desses estágios. Como resultado, a maioria das bandas de resolução cabem dentro de 2% de sua largura declarada, em oposição a 10-20% para analisadores de FI analógicos.
O aspecto mais importante da precisão da largura de banda é minimizar o erro na potência do canal e medições semelhantes. A largura de banda de ruído dos filtros de resolução é ainda melhor do que a tolerância de 2% nos processos de configuração, e os marcadores de ruído e as medições de potência do canal são corrigidos para ±0,5%. Assim, os erros de largura de banda contribuem apenas com ±0,022 dB para as medições de densidade de amplitude de ruído e potência do canal. Finalmente, sem nenhum estágio de ganho analógico dependente do nível de referência, não há nenhum erro de “ganho IF”. A soma de todas essas melhorias é que um FI digital puro proporciona uma melhoria significativa na precisão da análise espectral. Também é possível alterar as configurações do analisador sem qualquer impacto significativo na precisão da medição. Falaremos mais sobre isso no próximo capítulo.

1 A rigor, uma vez digitalizado um sinal, ele não está mais na frequência intermediária, ou FI. A partir deste ponto, o sinal é representado por valores digitais. No entanto, usamos o termo “FI digital” para descrever os processos digitais que substituem a seção de FI analógica dos analisadores de espectro tradicionais.)

Na indústria, parte significativa do consumo de energia elétrica é contabilizada por unidades de ventilação, bombeamento e compressores, transportadores e mecanismos de elevação e acionamentos elétricos de instalações tecnológicas e máquinas-ferramentas. Esses mecanismos são mais frequentemente acionados por motores assíncronos CA. Para controlar os modos de operação dos motores assíncronos, inclusive para reduzir seu consumo de energia, os maiores fabricantes mundiais de equipamentos elétricos oferecem dispositivos especializados - conversores de frequência. Sem dúvida, os conversores de frequência (também chamados de conversores de frequência, inversores ou, abreviadamente, inversores) são dispositivos extremamente úteis que podem facilitar significativamente a partida e a operação de motores assíncronos. Mas, em alguns casos, os conversores de frequência também podem ter um impacto negativo no motor elétrico conectado.

Devido às características de projeto do conversor de frequência, sua tensão e corrente de saída apresentam um formato distorcido e não senoidal com um grande número de componentes harmônicos (interferência). O retificador não controlado do conversor de frequência consome corrente não linear, poluindo a rede de alimentação com harmônicos mais elevados (5º, 7º, 11º harmônicos, etc.). O inversor PWM do conversor de frequência gera uma ampla faixa de harmônicos mais elevados com frequência de 150 kHz-30 MHz. Alimentar os enrolamentos do motor com uma corrente não senoidal distorcida leva a consequências negativas como ruptura térmica e elétrica do isolamento dos enrolamentos do motor, um aumento na taxa de envelhecimento do isolamento, um aumento no nível de ruído acústico de um motor em funcionamento e erosão do rolamento. Além disso, os conversores de frequência podem ser uma poderosa fonte de ruído na rede de fornecimento de energia elétrica, afetando negativamente outros equipamentos elétricos conectados a essa rede. Para reduzir o impacto negativo das distorções harmônicas geradas pelo inversor durante a operação na rede elétrica, no motor elétrico e no próprio conversor de frequência, são utilizados diversos filtros.

Os filtros usados ​​em conjunto com conversores de frequência podem ser divididos em entrada e saída. Os filtros de entrada são usados ​​para suprimir a influência negativa do retificador e do inversor PWM, os filtros de saída são projetados para combater a interferência criada pelo inversor PWM e fontes externas de ruído. Os filtros de entrada incluem bobinas de rede e filtros EMI (filtros de RF), os filtros de saída incluem filtros dU/dt, bobinas de motor, filtros senoidais, filtros de interferência de modo comum de alta frequência.

Indutores de rede

A bobina de linha é um buffer bidirecional entre a rede de alimentação e o conversor de frequência e protege a rede de harmônicos mais elevados de 5ª, 7ª, 11ª ordem com frequência de 250 Hz, 350 Hz, 550 Hz, etc. Além disso, as indutâncias de linha permitem proteger o conversor de frequência contra aumentos de tensão de alimentação e picos de corrente durante processos transitórios na rede de alimentação e na carga do inversor, especialmente durante um salto brusco na tensão de linha, que ocorre, por exemplo, quando motores assíncronos potentes são desligados. As bobinas de rede com uma queda de tensão especificada na resistência do enrolamento de cerca de 2% do valor nominal da tensão da rede elétrica são destinadas ao uso com conversores de frequência que não regeneram a energia liberada quando o motor está freando de volta ao sistema de alimentação. As bobinas com uma queda de tensão especificada nos enrolamentos de cerca de 4% são projetadas para operar combinações de conversores e autotransformadores com a função de regenerar a energia de frenagem do motor no sistema de alimentação.

• se houver interferência significativa de outros equipamentos da rede de alimentação;
• quando a assimetria da tensão de alimentação entre fases for superior a 1,8% da tensão nominal;
• ao conectar o conversor de frequência a uma rede de alimentação com impedância muito baixa (por exemplo, ao alimentar o inversor a partir de um transformador próximo, cuja potência é mais de 6 a 10 vezes maior que a potência do inversor);
• ao conectar um grande número de conversores de frequência a uma linha de alimentação;
• quando alimentado por uma rede à qual outros elementos não lineares estão conectados, criando distorções significativas;
• se houver capacitores (compensadores de potência reativa) no circuito de alimentação das baterias que aumentem o fator de potência da rede.

Vantagens de usar bobinas de rede:

• Proteja o conversor de frequência contra surtos de tensão pulsada na rede;
• Proteja o conversor de frequência contra desequilíbrios de fase na tensão de alimentação;
• Reduzir a taxa de aumento das correntes de curto-circuito nos circuitos de saída do conversor de frequência;
• Aumenta a vida útil do capacitor no barramento CC do inversor.

Filtros EMI

Em relação à rede de alimentação, o variador de frequência (inversor + motor) é uma carga variável. Combinado com a indutância dos cabos de alimentação, isto resulta em flutuações de alta frequência na corrente e tensão da linha e, consequentemente, na radiação eletromagnética (EMR) dos cabos de alimentação, o que pode afetar adversamente a operação de outros dispositivos eletrônicos. Filtros de radiação eletromagnética são necessários para garantir a compatibilidade eletromagnética na instalação do conversor em locais críticos ao nível de interferência da rede de alimentação.

Design e escopo dos filtros dU/dt

O filtro dU/dt é um filtro passa-baixa em forma de L que consiste em bobinas e capacitores. As classificações de indutância dos indutores e capacitores são selecionadas de forma a garantir a supressão de frequências acima da frequência de chaveamento das chaves de potência do inversor. O valor da indutância do enrolamento do filtro dU/dt está na faixa de várias dezenas a várias centenas de μH, a capacitância dos capacitores do filtro dU/dt está geralmente na faixa de várias dezenas de nF. Usando um filtro dU/dt, é possível reduzir a tensão de pico e a relação de pulso dU/dt nos terminais do motor para aproximadamente 500 V/µs, protegendo assim o enrolamento do motor contra falhas elétricas.

• Acionamento controlado por frequência com frenagem regenerativa frequente;
• Inversor com motor não projetado para operar com conversor de frequência e que não atenda aos requisitos da IEC 600034-25;
• Acionamento com motor antigo (classe de isolamento baixo), ou com motor de uso geral que não atenda aos requisitos da IEC 600034-17;
• Drive com cabo de motor curto (menos de 15 metros);
• Inversor de frequência cujo motor está instalado em ambiente agressivo ou opera em altas temperaturas;

Como o filtro dU/dt tem valores de indutância e capacitância relativamente baixos, a onda de tensão nos enrolamentos do motor ainda tem a forma de pulsos retangulares bipolares em vez de uma onda senoidal. Mas a corrente que flui pelos enrolamentos do motor já tem a forma de uma senóide quase regular. Os filtros dU/dt podem ser usados ​​em frequências de chaveamento abaixo do valor nominal, mas deve-se evitar usá-los em frequências de chaveamento acima do valor nominal, pois isso causará superaquecimento do filtro. Os filtros dU/dt são às vezes chamados de bobinas de motor. A maioria das bobinas de motor são projetadas sem capacitores e os enrolamentos da bobina têm uma indutância mais alta.

Projeto e escopo de filtros senoidais

O projeto dos filtros senoidais (filtros senoidais) é semelhante ao projeto dos filtros dU/dt com a única diferença de que possuem bobinas e capacitores de valores superiores instalados, formando um filtro LC com frequência de ressonância inferior a 50% da frequência de comutação (a frequência portadora do inversor PWM). Isso garante suavização e supressão mais eficazes de altas frequências e um formato senoidal das tensões e correntes de fase do motor. Os valores de indutância de um filtro de onda senoidal variam de centenas de μH a dezenas de mH, e a capacitância dos capacitores de filtro de onda senoidal varia de unidades de μF a centenas de μF. Portanto, as dimensões dos filtros senoidais são grandes e comparáveis ​​às dimensões do conversor de frequência ao qual este filtro está conectado.

Ao utilizar filtros senoidais, não há necessidade de utilizar motores especiais com isolamento reforçado certificados para operação com conversores de frequência. O ruído acústico do motor e as correntes nos rolamentos do motor também são reduzidos. O aquecimento dos enrolamentos do motor causado pela presença de correntes de alta frequência é reduzido. Os filtros de onda senoidal permitem o uso de cabos de motor mais longos em aplicações onde o motor está instalado longe do conversor de frequência. Ao mesmo tempo, o filtro senoidal elimina as reflexões de pulso no cabo do motor, reduzindo assim as perdas no próprio conversor de frequência.

• Quando for necessário eliminar ruídos acústicos do motor durante a comutação;
• Ao dar partida em motores antigos com isolamento desgastado;
• Em caso de operação com frenagem regenerativa frequente e com motores que não atendam aos requisitos da norma IEC 60034-17;
• Quando o motor for instalado em ambiente agressivo ou operar em altas temperaturas;
• Ao conectar motores com cabos blindados ou não blindados com comprimento de 150 a 300 metros. A utilização de cabos de motor com comprimento superior a 300 metros depende da aplicação específica.
• Se necessário, aumente o intervalo de manutenção do motor;
• Ao aumentar a tensão passo a passo ou em outros casos onde o conversor de frequência é alimentado por um transformador;
• Com motores de uso geral usando 690 V.

Filtros de onda senoidal podem ser usados ​​em frequências de chaveamento acima do valor nominal, mas não podem ser usados ​​em frequências de chaveamento abaixo do valor nominal (para um determinado modelo de filtro) em mais de 20%. Portanto, nas configurações do conversor de frequência, deve-se limitar a frequência de comutação mínima possível de acordo com os dados do passaporte do filtro. Além disso, ao utilizar filtro senoidal, não é recomendado aumentar a frequência da tensão de saída do inversor acima de 70 Hz. Em alguns casos, é necessário inserir os valores de capacitância e indutância do filtro senoidal no inversor.

Durante a operação, um filtro senoidal pode liberar uma grande quantidade de energia térmica (de dezenas de W a vários kW), por isso é recomendável instalá-los em locais bem ventilados. Além disso, a operação de um filtro senoidal pode ser acompanhada pela presença de ruído acústico. Na carga nominal do inversor ocorrerá uma queda de tensão de cerca de 30 V no filtro senoidal. Isso deve ser levado em consideração na escolha de um motor elétrico. A queda de tensão pode ser parcialmente compensada reduzindo o ponto de enfraquecimento de campo nas configurações do conversor de frequência, e até este ponto a tensão correta será fornecida ao motor, mas na velocidade nominal a tensão será reduzida.

Indutâncias dU/dt, indutâncias de motor e filtros senoidais devem ser conectados à saída do conversor de frequência usando cabo blindado de menor comprimento possível. Comprimento máximo recomendado do cabo entre o conversor de frequência e o filtro de saída:

• 2 metros com potência de acionamento de até 7,5 kW;
• 5 a 10 metros com potência de acionamento de 7,5 a 90 kW;
• 10-15 metros com potência de acionamento acima de 90 kW.

Projeto e escopo de filtros de modo comum de alta frequência

O filtro de modo comum de alta frequência é um transformador diferencial com núcleo de ferrite, cujos “enrolamentos” são os fios de fase do cabo do motor. O filtro passa-alta reduz as correntes de modo comum de alta frequência associadas a descargas elétricas no mancal do motor e também reduz as emissões de alta frequência do cabo do motor, por exemplo, nos casos em que são utilizados cabos não blindados. Os anéis de ferrite do filtro de modo comum de alta frequência têm formato oval para facilitar a instalação. Todos os fios trifásicos do cabo do motor passam pelo furo do anel, conectados aos terminais de saída U, V e W do conversor de frequência. É importante passar todas as três fases do cabo do motor através do anel, caso contrário ele ficará saturado. É igualmente importante não passar o fio de aterramento de proteção PE, quaisquer outros fios de aterramento ou condutores neutros através do anel. Caso contrário, o anel perderá as suas propriedades. Em algumas aplicações pode ser necessário montar um pacote de vários anéis para evitar a sua saturação.

Os grânulos de ferrite podem ser instalados no cabo do motor nos terminais de saída do conversor de frequência (terminais U, V, W) ou na caixa de conexões do motor. A instalação de anéis de ferrite de um filtro de RF no lado do terminal do conversor de frequência reduz a carga nos rolamentos do motor e a interferência eletromagnética de alta frequência do cabo do motor. Quando instalado diretamente na caixa de junção do motor, o filtro de modo comum reduz apenas as cargas do rolamento e não afeta a EMI do cabo do motor. O número necessário de anéis depende de suas dimensões geométricas, do comprimento do cabo do motor e da tensão operacional do conversor de frequência.

Durante a operação normal, a temperatura dos anéis não excede 70 °C. Temperaturas do anel acima de 70 °C indicam saturação. Neste caso, anéis adicionais devem ser instalados. Se os anéis continuarem a entrar em saturação, o cabo do motor é muito longo, há muitos cabos paralelos ou está sendo usado um cabo de alta capacitância linear. Além disso, não utilize um cabo com núcleos em formato de setor como cabo de motor. Somente cabos com núcleos redondos devem ser usados. Se a temperatura ambiente estiver acima de 45 - 55 °C, a redução da capacidade do filtro torna-se bastante significativa.

Ao utilizar vários cabos paralelos, o comprimento total destes cabos deve ser levado em consideração na escolha do número de anéis de ferrite. Por exemplo, dois cabos de 50 m cada equivalem a um cabo de 100 m. Se forem utilizados muitos motores paralelos, um conjunto separado de anéis deverá ser instalado em cada motor. Os anéis de ferrite podem vibrar quando expostos a um campo magnético alternado. Esta vibração pode causar a deterioração do anel ou do material de isolamento do cabo devido à abrasão mecânica gradual. Portanto, os anéis de ferrite e o cabo devem ser firmemente fixados com abraçadeiras plásticas (braçadeiras).

Os conversores de frequência, como muitos outros conversores eletrônicos alimentados por uma rede de corrente alternada com frequência de 50 Hz, apenas em virtude de seu design distorcem a forma da corrente consumida: a corrente não depende linearmente da tensão, uma vez que o retificador no a entrada do dispositivo é, via de regra, comum, ou seja, incontrolável. O mesmo se aplica à corrente e tensão de saída do conversor de frequência - elas também diferem em sua forma distorcida e na presença de muitos harmônicos devido à operação do inversor PWM.

Como resultado, no processo de alimentação regular do estator do motor com uma corrente tão distorcida, seu isolamento envelhece mais rapidamente, os rolamentos se deterioram, o ruído do motor aumenta e a probabilidade de falhas térmicas e elétricas dos enrolamentos aumenta. E para a rede de alimentação, esse estado de coisas está sempre repleto de interferências que podem prejudicar outros equipamentos alimentados pela mesma rede.

Para eliminar os problemas descritos acima, filtros adicionais de entrada e saída são instalados em conversores de frequência e motores, o que protege a própria rede de alimentação e o motor alimentado por este conversor de frequência de fatores prejudiciais.

Os filtros de entrada são projetados para suprimir interferências geradas pelo retificador e inversor PWM do conversor de frequência, protegendo assim a rede, e os filtros de saída protegem o próprio motor das interferências geradas pelo inversor PWM do conversor de frequência. Os filtros de entrada são bobinas e filtros EMI, e os filtros de saída são filtros de modo comum, bobinas de motor, filtros senoidais e filtros dU/dt.

O indutor conectado entre a rede e o conversor de frequência serve como uma espécie de buffer. O indutor de rede evita que harmônicos mais altos (250, 350, 550 Hz e além) entrem na rede a partir do conversor de frequência, ao mesmo tempo que protege o próprio conversor contra surtos de tensão na rede, contra surtos de corrente durante processos transitórios no conversor de frequência, etc. .

A queda de tensão nesse indutor é de cerca de 2%, o que é ideal para a operação normal do indutor em combinação com um conversor de frequência sem a função de regenerar eletricidade quando o motor está freando.

Assim, as bobinas de rede são instaladas entre a rede e o conversor de frequência nas seguintes condições: na presença de interferência na rede (por motivos diversos); em caso de desequilíbrio de fase; quando alimentado por um transformador relativamente potente (até 10 vezes); se vários conversores de frequência forem alimentados por uma fonte; se os capacitores da instalação KRM estiverem conectados à rede.

O indutor de linha fornece:

proteção do conversor de frequência contra surtos de tensão de rede e desequilíbrio de fase;

proteção de circuitos contra altas correntes de curto-circuito no motor;

prolongando a vida útil do conversor de frequência.

Para eliminar a radiação e garantir a compatibilidade eletromagnética com dispositivos sensíveis à radiação, um filtro EMI é exatamente o que é necessário.

O filtro de radiação eletromagnética trifásico é projetado para suprimir interferências na faixa de 150 kHz a 30 MHz usando o princípio da gaiola de Faraday. O filtro EMI é conectado o mais próximo possível da entrada do conversor de frequência para fornecer aos dispositivos adjacentes proteção confiável contra todas as interferências criadas pelo inversor PWM. Às vezes, um filtro EMI já está integrado ao conversor de frequência.

O chamado filtro dU/dt é um filtro passa-baixa trifásico em forma de L que consiste em cadeias de indutores e capacitores. Esse filtro também é chamado de indutor de motor e, muitas vezes, pode não ter nenhum capacitor e a indutância será significativa. Os parâmetros do filtro são tais que todas as interferências em frequências acima da frequência de comutação dos interruptores do inversor PWM do conversor de frequência são suprimidas.

Se o filtro contiver , então a capacidade de cada um deles estará na faixa de várias dezenas de nanofarads e até várias centenas de microhenries. Como resultado, este filtro reduz a tensão de pico e os pulsos nos terminais de um motor trifásico para 500 V/µs, o que evita quebras nos enrolamentos do estator.

Portanto, se o inversor sofrer frenagem regenerativa frequente, não for inicialmente projetado para operação com conversor de frequência, tiver uma classe de isolamento baixa ou cabo de motor curto, estiver instalado em um ambiente operacional hostil ou for usado em 690 volts, um dU/dt Recomenda-se a instalação de um filtro entre o conversor de frequência e o motor.

Embora a tensão fornecida ao motor pelo conversor de frequência possa estar na forma de pulsos de onda quadrada bipolar em vez de uma onda senoidal pura, o filtro dU/dt (com sua pequena capacitância e indutância) atua na corrente de tal maneira que isso acontece nos enrolamentos do motor quase exatamente. É importante entender que se utilizar um filtro dU/dt em frequência superior ao seu valor nominal, o filtro sofrerá superaquecimento, ou seja, causará perdas desnecessárias.

Um filtro senoidal é semelhante a um indutor de motor ou a um filtro dU/dt, a diferença, porém, é que as capacitâncias e indutâncias aqui possuem valores grandes, de modo que a frequência de corte é menor que a metade da frequência de chaveamento das chaves do inversor PWM. Dessa forma, consegue-se uma melhor suavização da interferência de alta frequência, e o formato da tensão nos enrolamentos do motor e o formato da corrente neles ficam muito mais próximos da senoidal ideal.

As capacitâncias dos capacitores em um filtro senoidal são medidas em dezenas e centenas de microfarads, e as indutâncias das bobinas são medidas em unidades e dezenas de milihenries. O filtro senoidal é, portanto, de tamanho grande em comparação com as dimensões de um conversor de frequência tradicional.

A utilização de filtro senoidal permite utilizar até mesmo um motor em conjunto com um conversor de frequência, que inicialmente (de acordo com a especificação) não foi projetado para funcionar com conversor de frequência devido ao mau isolamento. Neste caso, não haverá aumento de ruído, nem desgaste rápido dos rolamentos, nem superaquecimento dos enrolamentos com correntes de alta frequência.

É possível utilizar com segurança um cabo longo conectando o motor ao conversor de frequência quando eles estiverem distantes um do outro, eliminando assim reflexões de pulso no cabo, que podem levar a perdas na forma de calor no conversor de frequência.

o ruído deve ser reduzido; se o motor tiver isolamento deficiente;

experimenta frenagem regenerativa frequente;

trabalha em ambiente agressivo; conectado por um cabo com mais de 150 metros de comprimento;

deve funcionar por muito tempo sem manutenção;

à medida que o motor funciona, a tensão aumenta passo a passo;

A tensão nominal de operação do motor é de 690 volts.

Deve-se lembrar que um filtro senoidal não pode ser utilizado com frequência abaixo de seu valor nominal (o desvio descendente máximo permitido de frequência é de 20%), portanto, nas configurações do conversor de frequência, você deve primeiro definir um limite de frequência inferior. E frequências acima de 70 Hz devem ser utilizadas com muito cuidado, e nas configurações do conversor, se possível, pré-ajuste os valores de capacitância e indutância do filtro senoidal conectado.

Lembre-se de que o filtro em si pode ser barulhento e liberar uma quantidade perceptível de material, pois mesmo com carga nominal ele cai cerca de 30 volts, portanto o filtro deve ser instalado em condições de resfriamento adequadas.

Todas as bobinas e filtros devem ser conectados em série com o motor utilizando um cabo blindado de menor comprimento possível. Assim, para um motor de 7,5 kW, o comprimento máximo do cabo blindado não deve ultrapassar 2 metros.

Os filtros de modo comum são projetados para suprimir interferências de alta frequência. Este filtro é um transformador diferencial em um anel de ferrite (mais precisamente, em um oval), cujos enrolamentos são fios diretamente trifásicos que conectam o motor ao conversor de frequência.

Este filtro serve para reduzir as correntes de modo comum geradas por descargas nos mancais do motor. Como resultado, o filtro de modo comum reduz possíveis emissões eletromagnéticas do cabo do motor, especialmente se o cabo não estiver blindado. Os fios trifásicos passam pela janela central e o fio terra de proteção permanece do lado de fora.

O núcleo é fixado ao cabo com uma braçadeira para protegê-lo dos efeitos destrutivos da vibração na ferrite (durante o funcionamento do motor, o núcleo de ferrite vibra). É melhor instalar o filtro no cabo do lado do terminal do conversor de frequência. Se o núcleo aquecer até mais de 70°C durante a operação, isso indica saturação da ferrite, o que significa que é necessário adicionar mais núcleos ou encurtar o cabo. É melhor equipar vários cabos trifásicos paralelos, cada um com seu próprio núcleo.

Durante a operação do motor, muitas vezes surgem fenômenos indesejáveis, chamados de “harmônicos superiores”. Eles afetam negativamente as linhas de cabos e os equipamentos de alimentação e levam à operação instável do equipamento. Isto resulta no uso ineficiente de energia, no rápido envelhecimento do isolamento e na redução dos processos de transmissão e geração.

Para resolver este problema, é necessário cumprir os requisitos de compatibilidade eletromagnética (EMC), cuja implementação garantirá a resistência dos equipamentos técnicos às influências negativas. O artigo faz uma breve excursão ao campo da engenharia elétrica relacionada à filtragem dos sinais de entrada e saída de um conversor de frequência (FC) e à melhoria das características de desempenho dos motores.

O que é ruído eletromagnético?

Eles surgem literalmente de todas as antenas metálicas que coletam e irradiam ondas de energia desorientadoras. E os celulares, naturalmente, também induzem ondas magnetoelétricas, por isso, quando o avião decola/pousa, os comissários são solicitados a desligar o equipamento.

Os ruídos são divididos de acordo com o tipo de fonte de origem, espectro e características. Devido à presença de conexões de comutação, campos elétricos e magnéticos de diferentes fontes criam diferenças de potencial desnecessárias na linha do cabo, que se acumulam em ondas úteis.

A interferência que ocorre nos fios é chamada de antifase ou modo comum. Estes últimos (também chamados de assimétricos, longitudinais) são formados entre o cabo e o solo e afetam as propriedades isolantes do cabo.

As fontes de ruído mais comuns são equipamentos indutivos (contendo bobinas), como motores de indução (IM), relés, geradores, etc. O ruído pode “entrar em conflito” com alguns dispositivos, induzindo correntes elétricas em seus circuitos, causando falhas operacionais no processo.

Como o ruído está relacionado ao conversor de frequência?

Conversores para motores assíncronos com condições de operação que mudam dinamicamente, embora tenham muitas características positivas, apresentam uma série de desvantagens - seu uso leva a intensa interferência eletromagnética e interferência que se forma em dispositivos conectados a eles por meio de uma rede ou localizados próximos e expostos à radiação. Freqüentemente, o IM é colocado remotamente do inversor e conectado a ele com um fio estendido, o que cria condições ameaçadoras para falha do motor elétrico.

Certamente alguém já teve que lidar com impulsos do codificador do motor elétrico no controlador ou com um erro ao usar fios longos - todos esses problemas estão, de uma forma ou de outra, relacionados à compatibilidade de equipamentos eletrônicos.

Filtros conversores de frequência

Para melhorar a qualidade do controle e enfraquecer a influência negativa, é utilizado um dispositivo de filtro, que é um elemento com função não linear. A faixa de frequência além da qual a resposta começa a enfraquecer é definida. Do ponto de vista eletrônico, esse termo é usado com bastante frequência no processamento de sinais. Define as condições restritivas para pulsos de corrente. A principal função do gerador de frequência é gerar oscilações úteis e reduzir oscilações indesejadas ao nível especificado nas normas relevantes.

Existem dois tipos de dispositivos dependendo de sua localização no circuito, chamados de entrada e saída. "Entrada" e "saída" significam que os dispositivos de filtro estão conectados ao lado de entrada e saída do conversor. A diferença entre eles é determinada pela sua aplicação.

As entradas são usadas para reduzir o ruído na linha de alimentação do cabo. Eles também afetam dispositivos conectados à mesma rede. As saídas são destinadas à supressão de ruído para dispositivos localizados próximos ao inversor e utilizando o mesmo aterramento.

Finalidade dos filtros para um conversor de frequência

Durante a operação de um conversor de frequência - motor assíncrono, são criados harmônicos superiores indesejados que, juntamente com a indutância dos fios, levam ao enfraquecimento da imunidade a ruídos do sistema. Devido à geração de radiação, os equipamentos eletrônicos começam a funcionar mal. Os que funcionam ativamente garantem a compatibilidade eletromagnética. Alguns equipamentos estão sujeitos a requisitos maiores de imunidade a ruídos.

Filtros trifásicos para geradores de frequência permitem minimizar o grau de interferência conduzida em uma ampla faixa de frequência. Como resultado, o acionamento elétrico se adapta bem a uma única rede onde vários equipamentos estão envolvidos. Os filtros EMC devem ser colocados a uma distância bastante próxima das entradas/saídas de energia do conversor de frequência, devido à dependência do nível de interferência no comprimento e método de instalação do cabo de alimentação. Em alguns casos eles estão instalados.

Os filtros são necessários para:

• imunidade a ruídos;
• suavizar o espectro de amplitude para obter uma corrente elétrica pura;
• seleção de faixas de frequência e recuperação de dados.

Todos os modelos de conversores de frequência vetoriais são equipados com filtragem de rede. A presença de dispositivos de filtro fornece o nível de EMC necessário para a operação do sistema. O dispositivo integrado permite interferência e ruído mínimos em equipamentos eletrônicos e, portanto, atende aos requisitos de compatibilidade.

A ausência de uma função de filtragem em um conversor de frequência geralmente leva ao aquecimento cumulativo do transformador de alimentação, mudanças de pulso e distorção do formato da curva de alimentação, o que causa falha do equipamento.

Dispositivos absolutamente necessários para garantir o funcionamento estável de equipamentos eletrônicos complexos. Um buffer é montado entre o conversor de frequência e a rede de alimentação para proteger a linha contra harmônicos mais elevados. É capaz de conter essas oscilações de ondas, cuja frequência é superior a 550 Hz. Quando um sistema de motor de indução potente para, pode ocorrer um pico de tensão. Neste momento a proteção é acionada.

Recomenda-se instalar para suprimir harmônicos de alta frequência e corrigir o coeficiente do sistema. A importância da instalação é reduzir perdas nos estatores do motor elétrico e aquecimento indesejado da unidade.

As bobinas de rede têm vantagens. A indutância do dispositivo selecionada corretamente permite garantir:

• proteção do conversor de frequência contra picos de tensão e assimetria de fase;
• a taxa de crescimento da corrente de curto-circuito diminui;
• a vida útil dos capacitores aumenta.

Você pode pensar em um capacitor como um bloqueador. Portanto, dependendo do método de conexão do capacitor, ele pode atuar como:

• baixa frequência, se conectado em paralelo à fonte;
• alta frequência se conectado em série com a fonte.

Em circuitos práticos, pode ser necessário um resistor para limitar o fluxo de elétrons e obter o corte de frequência adequado.

2. Filtros de radiação eletromagnética (EMR)

Você usa um coador de chá para fazer chá? É usado para prevenir “indesejados!” elementos de login em seu sistema. Existem muitos desses fenômenos indesejados em circuitos elétricos que ocorrem em frequências diferentes.

Um acionamento elétrico composto por um conversor de frequência e um motor elétrico é considerado uma carga variável. Esses dispositivos e a indutância dos fios provocam a geração de oscilações de tensão de alta frequência e, consequentemente, radiação eletromagnética dos cabos, o que afeta negativamente o funcionamento de outros dispositivos.

Este é um indutor com dois (ou mais) enrolamentos nos quais a corrente flui em direções opostas. A utilização deste dispositivo, composto por um indutor e um capacitor, apresenta diversas vantagens. É mais confiável e pode ser usado nas temperaturas operacionais mais baixas. Tudo isso permite aumentar a vida útil do motor elétrico. Baixa indutância e tamanho pequeno também são suas principais características.

Aplicar nos casos em que:

• Cabos de até 15 m de comprimento são esticados do conversor de frequência ao motor elétrico;
• existe a possibilidade de danos ao isolamento dos enrolamentos do motor devido a picos de tensão pulsantes;
• unidades antigas são usadas;
• em sistemas com frenagens frequentes;
• agressividade do meio ambiente.

Em frequências relativamente altas a queda de tensão é virtualmente zero e o capacitor se comporta como um circuito aberto. O filtro-prensa é feito em forma de divisor de tensão com resistor e capacitor. É essencialmente usado para reduzir a largura de banda, a instabilidade e corrigir a taxa de variação do Uout.

Em termos simples, estrangulamento normal vem da palavra “estrangulamento”. E ainda é usado hoje porque descreve com bastante precisão seu propósito. Pense em como um “punho” aperta um fio para evitar mudanças repentinas na corrente.

4. Filtros senoidais

A corrente alternada é uma onda, alguma combinação de seno e cosseno. Diferentes ondas senoidais têm frequências diferentes. Se você souber quais frequências estão presentes, que precisam ser transmitidas ou removidas, o resultado pode ser uma combinação de ondas “úteis”, ou seja, sem ruído. Isso ajuda a limpar o sinal atual até certo ponto. Um filtro de onda senoidal é uma combinação de elementos capacitivos e indutivos.

Uma das medidas para garantir a compatibilidade eletromagnética é a utilização de um aparelho sinusoidal, podendo ser necessário:

• com unidade de grupo com um conversor;
• ao operar com um mínimo de conexões de comutação com cabos (sem blindagem) do motor elétrico (por exemplo, conexão via método margarida ou fonte de alimentação aérea);
• para reduzir perdas em cabos longos.

O objetivo do dispositivo é evitar danos aos isoladores do enrolamento do motor elétrico. Devido à absorção quase completa de pulsos altos, a tensão de saída assume uma forma sinusoidal. A sua correta instalação é um aspecto importante para reduzir as interferências na rede e, portanto, as emissões. Isto permite o uso de fios longos e ajuda a reduzir os níveis de ruído. Baixa indutância também significa tamanho menor e preço mais baixo. Os dispositivos são projetados utilizando o método de filtração dU/dt com maior diferença no valor dos elementos.

5. Filtros de modo comum de alta frequência

Se uma onda senoidal de tensão distorcida se comporta como uma série de sinais harmônicos adicionados à frequência fundamental, então o circuito do filtro permite a passagem apenas da frequência fundamental, bloqueando harmônicos superiores desnecessários. O aparelho de filtragem de entrada é projetado para suprimir ruídos de alta frequência.

Os dispositivos diferem daqueles discutidos acima por um design mais complexo. A forma mais importante de reduzir o ruído é cumprir as regras de aterramento exigidas no quadro elétrico.

Como selecionar o filtro EMC de entrada e saída correto

Suas vantagens distintivas residem no alto coeficiente de absorção de ruído. EMC é usado em dispositivos com fontes de alimentação chaveadas. Vale a pena seguir os requisitos das instruções do circuito de controle específico de motores assíncronos. Existem princípios gerais que determinam a escolha correta.

Observe que o modelo selecionado deve atender a:

• parâmetros do conversor de frequência e rede de alimentação;
• o nível de redução de interferência até os limites exigidos;
• parâmetros de frequência de circuitos e instalações elétricas;
• características de funcionamento de equipamentos elétricos;
• possibilidades de instalação elétrica do modelo no sistema de controle, etc.

A maneira mais fácil de melhorar a qualidade da sua rede elétrica é agir na fase de projeto. O mais interessante é que, em caso de desvio injustificado das decisões de projeto, a culpa recai inteiramente sobre os eletricistas.

A decisão correta na escolha do tipo de conversor de frequência, aliada a equipamentos de filtragem adequados, evita a ocorrência da maioria dos problemas de funcionamento do acionamento.

A garantia de uma boa compatibilidade é obtida selecionando corretamente os parâmetros dos componentes. O uso incorreto de dispositivos pode aumentar o nível de interferência. Na realidade, os filtros de entrada e saída às vezes afetam um ao outro negativamente. Isto é especialmente verdadeiro quando o dispositivo de entrada está integrado ao conversor de frequência. A seleção de um dispositivo de filtro para um determinado conversor é feita de acordo com parâmetros técnicos e, de preferência, por recomendação competente de um especialista. A consulta profissional pode trazer-lhe benefícios significativos, uma vez que um equipamento caro é sempre combinado com um análogo barato e de alta qualidade. Ou não opera na faixa de frequência necessária.

Conclusão

A interferência eletromagnética afeta equipamentos principalmente em altas frequências. Isto significa que o correto funcionamento do sistema só será alcançado se forem seguidas as especificações de instalação elétrica e de fabricação, bem como os requisitos dos equipamentos de alta frequência (ex. blindagem, aterramento, filtragem).

Vale ressaltar que as medidas para aumentar a imunidade ao ruído são um conjunto de medidas. Usar filtros por si só não resolverá o problema. No entanto, esta é a forma mais eficaz de remover ou reduzir significativamente as interferências prejudiciais à compatibilidade eletromagnética normal dos equipamentos eletrónicos. Também não devemos esquecer que a adequação ou não de um determinado modelo para resolver um problema é determinada “no local” ou através de experiências e testes.