Reducerea perturbațiilor într-un variator de viteză

Introducere generala :

Odata cu cresterea consumului de energie electrica si cresterea cererii de control si imbunatatire a eficacitatii energetice, electronica de putere a devenit in mod firesc indinspensabila cu privire la capacitatile de control asupra marimilor electrice precum si a randamentelor foarte bune ce se pot obtine. Convertoarele electronice de putere s-au raspandit treptat atat in aplicatiile casnice cat si cele industriale. O aplicatie in plina dezvoltare a electronicii de putere este alimentarea motoarelor electrice cu ajutorul variatoarelor de viteza, acestea permit un control precis a cuplului sau a vitezei.

Cea mai mare parte a convertizoarelor statice folosite intr-un variator de viteza pentru masini asincrone sunt alcatuite prin punerea in cascada a unui redresor necomandat si a unui invertor de tensiune comandat MLI. Inconvenientul acestei asocieri este generarea de perturbatii de joasa frecventa in reteaua electrica. In plus redresorul necomandat nu este reversibil facand astfel imposibila recuperarea energiei de franare. O solutie pentru ameliorarea performantelor acestor variatoare ar fi de a inlocui redresorul necomandat cu unul comandat MLI.

Prin cresterea constanta a frecventei convertoarelor electronice acestea induc in jurul lor o poluare electromagnetica. Aceasta poluare se traduce prin aparitia de perturbatii electromagnetice de inata frecventa (PEM) care se propaga atat prin cablurile de alimentare cat si in aer sub forma de unde electromagnetice si pot astfel sa altereze buna functionare a aparatelor electrice vecine. Compatibilitatea electromagnetica (CEM) este domeniul de studiu al interactiunilor ce pot aparea in diferitele dispozitive electrice. Se impune prin standarde, constrangeri din punct de vedere al poluarii electromagnetice generate de dispozitivele electrice (standarde de emisie) si capacitatea acestor aparate de a functiona in medii poluate (standarde de sensibilitate). Rigurozitatea standardelor este de asa natura, incat masurile necesare pentru a le indeplini reprezinta un puternic impact din punct de vedere al costurilor. Astfel solutia clasica de filtrare a perturbatiilor in variatoarele de viteza reprezinta pana la o treime din costul lor. Prin urmare este deosebit de important de a gasi noi metode de a elimina aceste perturbatii.

1. Contextul studiului :

1.1 Perturbatiile electomagnetice de inalta frecventa

Prin perturbatie electromagnetica se intelege orice fenomen electromagnetic susceptibil sa degradeze functionarea unui echipament.

Utilizarea din ce in ce mai raspandita a convertoarelor de putere genereaza in retea cantitati importante de armonici de inalta frecventa care se datoreaza frecventei rdicate de decupaj (de ordinul kilohertilor si chiar peste) a tensiunii si a curentului generate de dispozitivelor semiconductoare de putere.

Constrangerile industriale de reducere a zgomotului acustic, de limitare a volumului elementelor pasive de filtrare, precum si de reducere a pierderilor in vederea imbunatatirii randamentului duc la cresterea frecventei de comutatie. Acest lucru se traduce printr-o crestere importanta de armonici de inalta frecventa generate de converoarele statice care sunt surse de perturbatie.

1.1.1 Perturbatii conduse

Aceste perturbatii sunt marimi electrice masurabile direct la nivelul conductoarelor (tensiuni si curenti). Consideram ca perturbatii conduse curentii indezirabili de inalta frecventa care circula in dispozitiv, precum si supratensiunile ce pot aparea la bornele sarcinii. Acest curent poate fi descompus in doua componente, dupa cum se poate observa in figura 1.1, in cazul unui circuit monofazat avand ca sursa de perturbatie un convertor electronic de putere :

- Curentul de mod diferential (Imd) care este partea de curent care efectueaza o bucla intre reteaua electrica si sarcina. Este calea normala de circularea a curentului, dar componenta de inalta frecventa a acestuia este indezirabila.

- Curentul de mod comun (Imc) reprezinta partea de curent care circula in conductorul de impamantare. Aparitia curentului de mod comun se datoreaza capacitatilor parazite si a campurilor parazite electrice si magnetice.

Banda de frecventa, in cazul aparatelor casnice si industriale pentru perturbatiile conduse, reglementata de normele CEM este cuprinsa intre 150 kHz si 30 MHz.

Fig. 1.1 Curentii de mod comun (imc) si mod diferential (imd) dintr-un circuit electric

1.1.2 Perturbatii radiate

Aceste perturbatii reprezinta tulburarile de campuri magnetice si electrice generate de dispozitivul studiat. Banda de frecventa considerata de normele CEM pentru perturbatiile radiate este cuprinsa intre 30 MHz si 1Ghz.

1.1.3 Perturbatiile electromagnetice ale variatorului de viteza :

Obiectivul acestei lucrari este de a propune o strategie de comanda a unui convertor cu 6 brate (figura 1.2), constituit dintr-un Redresor MLI asociat cu un Invertor de tensiune MLI prin intermediul unui bus continuu capacitiv, avand ca scop reducerea perturbatiilor electromagnetice in sistem.

Perturbatiile electromagnetice care apar la nivelul variatorului de viteza se datoreaza in principal comutatiilor dispozitivelor semiconductoare pe care le consideram surse de perturbatie. Principalele probleme ale PEM sunt :

- Depasirea normelor CEM

- Degradarea prematura a masinilor electrice

- Riscul mare de strapungere al izolantului conductoarelor

Studiul tuturor perturbatiilor generate constitue o munca aprofundata, astfel ne-am concentrat atentia asupra perturbatiilor conduse.