Compatibilité électromagnétique lors de l'utilisation de convertisseurs de fréquence

Compatibilité électromagnétique (CEM) C'est la capacité d'un équipement électrique ou électronique à fonctionner normalement en présence de champs électromagnétiques. En même temps, l'équipement ne doit pas interférer avec le fonctionnement d'autres équipements ou systèmes à proximité.

La directive CEM de la Commission internationale de l'énergie (CEI) définit les exigences d'immunité et d'émission pour les équipements électriques utilisés dans l'Espace économique européen. La norme CEM EN 61800-3 couvre les exigences relatives aux convertisseurs de fréquence.

Le variateur de fréquence prélève du courant de la source uniquement pendant les périodes où la valeur instantanée de l'onde sinusoïdale de la source d'alimentation est supérieure à la tension du circuit intermédiaire, c'est-à-dire dans la région de tension de source de crête. De ce fait, le courant ne circule pas en continu, mais par intermittence, avec des valeurs crêtes très élevées.

Ce type de forme d'onde de courant comprend, outre les composantes de fréquence fondamentale, une proportion plus ou moins élevée de composantes harmoniques (harmoniques d'alimentation).

Dans les convertisseurs de fréquence triphasés, ils sont principalement constitués des 5e, 7e, 11e et 13e harmoniques. Ces courants provoquent une distorsion de la forme d'onde de la tension d'alimentation, ce qui affecte les autres consommateurs électriques du même réseau.

De plus, les courants alternatifs provoquent des fluctuations de circuits de correction du facteur de puissance dans certaines conditions critiques pouvant entraîner une surtension.

Les conditions sont critiques lorsque :

• au moins 10 à 20% de la puissance de l'installation est constituée par l'onduleur et le redresseur non contrôlé du convertisseur de fréquence ;

• le circuit de compensation fonctionne sans interruption ;

• l'étage de compensation le plus bas crée un circuit résonant avec le transformateur d'alimentation et une fréquence de résonance proche de 5 ou 7 harmoniques de 50 Hz, c'est-à-dire autour de 250 ou 350 Hz.

Du fait de la commutation très rapide des transistors inverseurs à modulation de largeur d'impulsion des effets acoustiques sont observés, qui ont un impact négatif sur le réseau électrique et le moteur électrique.

La commutation rapide des commutateurs à transistors de l'onduleur génère un signal d'interférence à large bande qui affecte l'environnement à travers les câbles du moteur. Les changements continus d'inductance provoqués par les intervalles de tension de commande PWM et DTC entraînent de légers changements dans la longueur des tôles du noyau du moteur (magnétostriction), ce qui entraîne un bruit modulé caractéristique dans l'empilement du noyau du stator du moteur.

La tension de sortie du convertisseur de fréquence est à haute fréquence train d'impulsions rectangulaire avec une polarité et une durée différentes avec la même amplitude.La pente du front de l'impulsion de tension est déterminée par la vitesse de commutation des interrupteurs de puissance de l'onduleur et est différente lors de l'utilisation de différents dispositifs à semi-conducteurs (par exemple : pour Transistors IGBT c'est-à-dire 0,05 - 0,1 μs).

Le passage d'un signal impulsionnel à front raide provoque des processus ondulatoires dans le câble et conduit à des surtensions aux bornes du moteur.

La longueur du câble moteur dépend de la longueur de l'onde haute fréquence (front d'impulsion) qui se propage à travers celui-ci. Une longueur de câble égale à la moitié de la longueur d'onde à laquelle les impulsions de tension sont appliquées aux enroulements du moteur à induction, qui sont proche en amplitude de deux fois la tension du circuit intermédiaire.

Dans les entraînements électriques pour la classe de tension 0,4 kV, la surtension peut atteindre 1000 V. Ce problème est appelé problèmes de câbles longs.

Schéma fonctionnel d'un variateur de fréquence avec filtres d'entrée et de sortie

Pour répondre aux exigences des normes CEM, des inductances de ligne et des filtres CEM sont utilisés dans les variateurs de fréquence.

Les filtres CEM réduisent le bruit acoustique émis par le transducteur et, pour la plupart des types de transducteurs, sont intégrés en usine dans le boîtier de la sonde. Les selfs de ligne sont conçues pour réduire les courants d'appel élevés et donc les harmoniques du courant de ligne et pour améliorer la protection contre les surtensions du variateur de fréquence régulé.

La solution au problème des «câbles longs» est la nécessité d'appliquer des solutions techniques pour limiter les surtensions et les courants d'appel aux bornes du moteur électrique. Ceux-ci incluent l'installation de selfs de sortie, de filtres, de filtres sinusoïdaux.

Schéma de connexion du convertisseur de fréquence

Les inductances de sortie servent principalement à limiter les pics de courant qui se produisent dans les longs câbles moteur dus à la surcharge des prises de câble et à réduire légèrement l'élévation de tension aux bornes du moteur, mais elles ne réduisent pas les pics de tension aux bornes du moteur.

Starter linéaire

Les filtres protègent l'isolation du moteur en limitant la montée en tension et en réduisant les pics de tension aux bornes du moteur à des valeurs non critiques, tandis que les filtres réduisent les pics de courant qui se produisent lorsque les conteneurs de câbles sont périodiquement rechargés.

Filtres CEM

Les filtres sinusoïdaux fournissent une tension quasi sinusoïdale à la sortie du convertisseur.

De plus, les filtres sinusoïdaux réduisent le taux de montée de la tension aux bornes du moteur à une valeur, suppriment les pics de tension, réduisent les pertes supplémentaires dans le moteur et réduisent le bruit du moteur.

Pour les câbles moteurs longs, des filtres sinusoïdaux réduisent les pointes de courant générées par les recharges périodiques des gaines de câbles.

Outre les méthodes ci-dessus de limitation des surtensions aux bornes du moteur électrique, il convient de noter deux moyens efficaces pour résoudre le problème d'un câble long, qui ne nécessitent pas d'investissements importants et peuvent être réalisés directement par l'utilisateur:

1. Installation d'une série LC - filtre à la sortie du convertisseur de fréquence pour réduire la pente du front d'attaque des impulsions de tension de sortie de l'onduleur ;

2.Installation d'un filtre RC parallèle directement sur les bornes du moteur pour correspondre à l'impédance d'onde du câble.

En plus des méthodes ci-dessus pour assurer la compatibilité électromagnétique, il convient de noter la nécessité d'utiliser des câbles blindés pour connecter le convertisseur de fréquence et le moteur électrique. Pour une suppression efficace des interférences haute fréquence rayonnées, la conductivité de l'écran doit être d'au moins 1/10 de la conductivité du conducteur de phase.

L'un des paramètres permettant d'évaluer la conductivité de l'écran est son inductance, qui doit être faible et dépendre le moins possible de la fréquence. Ces exigences sont facilement satisfaites à l'aide d'un blindage en cuivre ou en aluminium (armure).

Les blindages du câble reliant le variateur de fréquence et le moteur doivent être mis à la terre aux deux extrémités.Plus le blindage est bon et serré, plus le niveau de rayonnement et l'intensité du courant dans les paliers du moteur sont faibles.

Blindage du câble moteur pour le convertisseur de fréquence

Le blindage est constitué d'une couche concentrique de fils de cuivre et d'une bande de cuivre enroulée.

Normalement, le blindage du câble de commande est mis à la terre directement sur le variateur de fréquence. L'autre extrémité du blindage est laissée sans terre ou reliée à la terre via un condensateur haute tension haute fréquence de quelques nF.

Il est recommandé d'utiliser un câble à paire torsadée avec deux blindages pour connecter les signaux analogiques. L'utilisation d'un tel câble est également recommandée pour connecter les signaux d'un capteur de vitesse à impulsions. Un câble avec un blindage séparé doit être utilisé pour chaque signal.

Pour les signaux numériques basse tension, il est également recommandé d'utiliser un câble à paire torsadée à double blindage, mais plusieurs câbles à paire torsadée avec un blindage commun peuvent être utilisés.

Câble à paire torsadée à double blindage (a) et câble à plusieurs paires torsadées et un blindage commun (b)