Filtros e acessórios VFD para aplicações em elevadores

Uma revisão dos métodos para mitigar a distorção harmônica em sistemas de elevadores.

Por Eric Danner e KEB America

Noções básicas de VFD

Atualmente, os inversores de frequência (VFDs) de seis pulsos são comumente utilizados em elevadores de tração devido à sua confiabilidade, qualidade de viagem superior, eficiência energética e custo-benefício. Os VFDs modernos são projetados com três seções principais: os retificadores de entrada, os capacitores do barramento CC e os transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) de saída. O estágio de retificação de entrada recebe a corrente alternada (CA) trifásica da rede elétrica e a retifica em corrente contínua (CC). Os retificadores de entrada de um VFD permitem que a corrente passe em apenas uma direção, criando o barramento CC. O barramento CC consiste na corrente CC retificada armazenada em um grande banco de capacitores.

A tensão no barramento CC é aproximadamente 1.41 vezes a tensão da rede CA. O estágio retificador de entrada é passivo, o que significa que, se houver ondulação na rede principal, o barramento CC refletirá diretamente essas perturbações de tensão. Os capacitores no barramento CC ajudam a filtrar essa ondulação e atuam como reserva para alimentar o motor. O terceiro estágio de um inversor de frequência moderno são os IGBTs de saída. Os IGBTs de saída ligam e desligam em frequências muito altas (tipicamente de 8 a 16 kHz para aplicações em elevadores), controlando a tensão do barramento CC para o motor. Os IGBTs de saída só podem estar ligados ou desligados. A modulação da tensão do barramento CC pelo inversor de frequência em frequências e magnitudes controladas é chamada de Modulação por Largura de Pulso (PWM) e permite que o inversor de frequência forneça energia CC em uma onda senoidal de tensão CA trifásica emulada, que controla a velocidade e o torque do motor. Os IGBTs de saída são bidirecionais, o que significa que a corrente pode fluir em ambas as direções a partir do barramento CC. A corrente pode fluir para o motor sob carga ou retornar ao barramento CC enquanto o motor está em estado de regeneração. A modulação por largura de pulso (PWM) é o princípio que permite o uso de inversores de frequência (VFDs) em elevadores.

Os inversores de frequência geram ruído.

Embora a modulação por largura de pulso (PWM) permita que os elevadores alcancem qualidade de viagem superior, alta eficiência e facilidade de comissionamento, o projeto inerentemente gera distorção harmônica. A distorção harmônica é causada pelos retificadores de seis pulsos dos inversores de frequência (VFDs) ao enviar corrente para o motor. Isso ocorre porque o VFD que alimenta o motor do elevador possui uma carga não linear. A impedância e o consumo de corrente de cargas não lineares variam durante seu ciclo elétrico CA. Exemplos de cargas não lineares incluem VFDs de elevadores, computadores, lâmpadas LED e televisores.

Esses dispositivos diferem das cargas lineares, que possuem impedância estável e consomem uma corrente quase senoidal perfeita da sua fonte de tensão. Exemplos de cargas lineares incluem resistores, indutores, capacitores ou um motor de indução CA operando em regime permanente a partir da rede elétrica CA. O estágio retificador de entrada de carga não linear de um inversor de frequência consome corrente não senoidal da fonte de alimentação. Esse consumo irregular de corrente resulta em harmônicos da frequência fundamental (por exemplo, 50 ou 60 Hz), que atuam sobre as impedâncias do sistema dentro da rede elétrica de um edifício. Um inversor de frequência de seis pulsos consome harmônicos de corrente na quinta, sétima, décima primeira, décima terceira ordem, etc.

Cada corrente harmônica possui uma frequência específica. n vezes a frequência da rede elétrica e tem uma magnitude que depende da carga. Por exemplo, o primeiro harmônico, também conhecido como frequência fundamental, terá uma frequência de 60 Hz; o segundo harmônico terá uma frequência de 120 Hz; o terceiro, 180 Hz; etc.

Os harmônicos mais significativos em aplicações de elevadores ocorrem na quinta e sétima ordens. À medida que a ordem dos harmônicos aumenta, sua magnitude diminui. Harmônicos de corrente mais altos resultam em um maior consumo de corrente eficaz (RMS) do sistema elétrico. Quando um sistema consome uma quantidade significativa de harmônicos de corrente em relação à fonte de alimentação, ocorre distorção de tensão na rede elétrica. Essa distorção, quando suficientemente significativa, pode causar mau funcionamento de outros equipamentos no mesmo sistema elétrico e aumentar o aquecimento dos componentes elétricos, levando a falhas prematuras.

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THDi vs. TDD

A distorção harmônica pode ser medida e é denominada Distorção Harmônica Total (THDi). A THDi é a razão instantânea entre o valor RMS dos harmônicos, incluindo a distorção, e o valor RMS da frequência fundamental, expressa em porcentagem. Como a THDi é uma medição instantânea, ela varia de acordo com os diferentes cenários de carga do elevador, tornando-a mais relevante para os fabricantes de componentes ao dimensionar os equipamentos para um nível de corrente nominal.

Para aplicações em elevadores, a Distorção Total da Demanda (TDD) pode representar com maior precisão a distorção elétrica em um sistema. A TDD é a distorção harmônica total da corrente em valores RMS, em porcentagem da corrente de demanda máxima (demanda de 15 ou 30 minutos). Como a TDD é uma média temporal, ela oferece uma descrição mais precisa das harmônicas de corrente que afetam um sistema de elevador.

A norma IEEE 519-2022 do Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) estabelece o limite de distorção harmônica total (THD) de 8.0% para sistemas de energia em edifícios no ponto de acoplamento comum (PCC). O PCC é o ponto de encontro entre os sistemas elétricos das concessionárias e dos consumidores. Para instaladores de elevadores, o PCC é frequentemente considerado o disjuntor principal do controlador do elevador, já que a energia do edifício geralmente não é acessível a eles. A teoria é que, se o disjuntor antes do controlador atender à norma IEEE 519-2022, o sistema de elevadores não poderá comprometer a conformidade do restante do sistema elétrico do edifício. Caso essas normas não sejam atendidas conforme especificado, as instalações geralmente estão sujeitas a penalidades ou restrições de conexão impostas pelas concessionárias.

Fator de potência

Outra métrica a ser considerada na aplicação em elevadores é o fator de potência. O fator de potência representa a relação entre a potência utilizada para trabalho útil (potência ativa) na frequência fundamental e a potência elétrica total transferida. Um fator de potência de 1.00 é desejável e indica que toda a potência transferida está sendo consumida pela carga. Quando harmônicos significativos afetam o sistema, o fator de potência pode se deteriorar rapidamente. Quando o fator de potência é muito baixo em um sistema, é necessário superdimensionar os componentes elétricos para acomodar a potência reativa ou harmônica não útil.

Estrangulador de linha de 3% ou 5%

Um indutor ou reator de linha de 3% ou 5% costuma ser a primeira e mais econômica maneira de reduzir a distorção harmônica total (THDi) de um inversor de frequência. O indutor de linha é instalado na entrada do inversor e é recomendado para todas as aplicações de inversores de frequência. Um indutor de linha passivo pode reduzir a THDi de aproximadamente 80% para cerca de 40%. Essa redução na THDi pode prevenir falhas de tensão indesejadas e danos prematuros aos capacitores do barramento CC do inversor. O uso de um reator de linha pode dobrar a vida útil do capacitor do barramento CC no inversor. Se um transformador de isolamento for utilizado, o reator de linha não é necessário.

Filtros Harmônicos

Os filtros harmônicos são uma excelente maneira de reduzir ainda mais a distorção harmônica em um sistema elétrico. Eles são comumente usados ​​em aplicações onde eletrônicos sensíveis compartilham o mesmo sistema de energia, como hospitais, aeroportos ou data centers. O design passivo dos filtros harmônicos não requer eletrônica separada para controle e pode atingir uma THDi de 8% quando dimensionado adequadamente, colocando o sistema em conformidade com as diretrizes da norma IEEE 519-2022. Seu design alcança esse resultado utilizando indutores e capacitores calculados que permitem a passagem da corrente na frequência fundamental, mas bloqueiam a corrente em ordens harmônicas superiores. Os enrolamentos do núcleo dentro do filtro harmônico são feitos de lâminas de aço de alta qualidade e projetados especificamente para a aplicação.

Os filtros são projetados para classes de tensão de 230 V e 480 V e otimizados para a frequência fundamental de 50 Hz ou 60 Hz para aplicações na Europa e na América do Norte. Como a corrente pode passar em ambas as direções pelo filtro harmônico, ele também pode ser usado com inversores de frequência regenerativos.

Os filtros harmônicos são instalados na entrada do inversor de frequência (VFD) ou do regenerador, se equipado, e dimensionados de acordo com a corrente de entrada da aplicação. Muitos filtros harmônicos possuem capacidade de sobrecarga de corrente de 150% por 60 segundos, o que protege contra picos de tensão e cargas temporárias. O dimensionamento correto é crucial para sua eficácia, pois um filtro subdimensionado em relação à corrente da aplicação resultará em núcleos saturados. A saturação dos núcleos reduz a eficácia dos filtros harmônicos e provavelmente fará com que seu desempenho fique fora das especificações da norma IEEE 519-2022.

Ao dimensionar um filtro harmônico, é importante considerar a ventilação e o resfriamento. À medida que a corrente flui pelo filtro, o núcleo começa a aquecer. Se houver sobrecarga de corrente, o núcleo ficará saturado, aumentando sua resistência e reduzindo drasticamente seu desempenho. É fundamental que os filtros harmônicos tenham folgas de ventilação adequadas e fluxo de ar externo. Em filtros harmônicos de maior porte, ventiladores são incorporados ao projeto. Para aplicações com correntes mais elevadas, são oferecidas caixas NEMA 1, que proporcionam maior economia de custo e espaço, permitindo a instalação fora do painel de controle. Nessas aplicações, vários filtros harmônicos podem ser conectados em paralelo para suportar a corrente nominal.

Quando dimensionados adequadamente e com ventilação apropriada, os filtros harmônicos podem atingir um fator de potência de 0.99 a 1.00 e uma THDi de 8% na carga nominal. Os filtros harmônicos também protegem o inversor de frequência (VFD) e o regenerador contra distúrbios na rede elétrica ou transientes de tensão. Isso reduz a temperatura dos componentes elétricos internos do VFD e prolonga sua vida útil. Estudos mostram que a vida útil dos capacitores do barramento CC dentro de um VFD pode ser aumentada em 300% com o uso de um filtro harmônico. Quando utilizados com controladores cuja tensão requerida corresponde à da rede elétrica, um transformador de isolamento não é necessário, pois o desempenho harmônico do filtro supera em muito o dos transformadores de isolamento. Isso pode gerar economia de custos, já que o filtro harmônico é normalmente muito mais barato que o transformador de isolamento.

A Figura 6 mostra a tensão e a corrente da linha principal de um elevador sem o uso de um indutor de linha ou filtro de harmônicos. A corrente de entrada atinge picos de cinco a dez vezes o valor RMS, resultando em uma alta ondulação de corrente no barramento CC. Essa ondulação pode reduzir o torque do motor e ser prejudicial ao conforto da viagem.

A Figura 7 mostra a mesma linha principal com um filtro harmônico instalado. Com o filtro harmônico, a corrente no lado da linha torna-se senoidal e a amplitude da corrente de pico é reduzida para apenas 1.4 vezes o valor RMS. A tensão no barramento CC também é estabilizada, resultando em uma ondulação de corrente quase nula nos capacitores do barramento CC. A significativa redução da ondulação da corrente no barramento CC pode prolongar a vida útil dos capacitores em três vezes ou mais, resultando em torque e qualidade de condução mais previsíveis.

AIC

Os filtros harmônicos são uma solução econômica para adequar aplicações sensíveis de elevadores à norma IEEE 519-2022 e prolongar a vida útil dos componentes eletrônicos do sistema. No entanto, seu projeto passivo limita o desempenho de THDi aos componentes de hardware específicos do projeto. Caso seja necessário um desempenho harmônico ainda maior, pode-se utilizar a tecnologia de Conversores de Alimentação Ativos (AIC) ou Front-End Ativos (AFE).

O sistema AIC oferece o melhor desempenho harmônico e é composto por dois inversores de frequência (VFDs) conectados em série. O primeiro VFD sincroniza-se com a tensão da rede e retifica ativamente a tensão CA em CC. Este estágio de retificação ativa utiliza um filtro capacitivo indutivo para se conectar à rede CA. O resultado é uma corrente fluindo da rede em uma onda senoidal quase pura com baixa distorção harmônica; em muitos casos, pode ficar entre 3-5% THDi. O uso de dois conjuntos de IGTBs torna a tecnologia AIC inerentemente regenerativa. O fator de potência é regulado para um valor de 1.00 em todos os níveis de carga. Além disso, um filtro de interferência eletromagnética (EMI) de alta qualidade na entrada do sistema é necessário, pois o retificador ativo gera um alto nível de EMI de modo comum em relação ao terra. O segundo VFD funciona como um inversor de frequência e controla o motor, independentemente do estágio de entrada.

Como o AIC utiliza PWM com alta frequência portadora, as perdas de comutação são maiores em comparação com a comutação em bloco da unidade regenerativa. As perdas no circuito de ferro do filtro AIC também são maiores em comparação com as de filtros harmônicos de tamanho similar. Os sistemas AIC só podem ser conectados a um sistema elétrico trifásico balanceado em estrela com aterramento central; sistemas conectados em delta não são permitidos. Além disso, as tensões de fase devem estar dentro de uma tolerância de +/-5% entre si. Um transformador deve ser utilizado em edifícios com sistemas elétricos em delta mais antigos ou se as fases estiverem muito desequilibradas. Um AIC supera os requisitos da norma IEEE 519, mas o desempenho adicional tem um custo mais elevado.

Filtros EMI

Um filtro EMI é um dispositivo instalado antes da entrada do inversor de frequência. Os filtros EMI atenuam o efeito do ruído elétrico de alta frequência. Os filtros EMI visam o ruído elétrico de alta frequência (até 30 MHz), enquanto os filtros harmônicos tratam os harmônicos de potência em frequências muito mais baixas. Para a aplicação em elevadores, que utiliza altas frequências de comutação de IGBT de saída, de 8 kHz a 16 kHz, ocorre acúmulo de calor dentro dos IGBTs.

Quando essas altas frequências interagem com capacitâncias parasitas no sistema elétrico, ocorrem correntes parasitas. Essas correntes parasitas podem interferir na fonte de alimentação e em outros equipamentos no mesmo circuito, além de aumentar desnecessariamente a temperatura dos IGBTs dentro do inversor. Esse calor extra representa energia desperdiçada e causa desgaste prematuro do inversor. O uso de um filtro EMI pode reduzir essas correntes parasitas, aumentando a vida útil do inversor e protegendo outros componentes eletrônicos sensíveis dentro do sistema de energia conectado. O filtro EMI realiza isso drenando as correntes parasitas para o terra, em vez de conduzi-las de volta para a corrente de alimentação. Para que um filtro EMI funcione dessa maneira, é necessário adotar medidas adequadas de aterramento. O aterramento é muito importante e fornece um caminho de retorno para drenar o ruído de alta frequência. Em geral, deve-se criar um caminho de baixa impedância, que permita a drenagem do ruído EMI. Para um aterramento ideal, o mais curto possível é o ideal. Uma fita de aterramento trançada plana é a melhor opção, pois oferece uma grande área de superfície para conexões e reduz a impedância. Aplicações em elevadores sem o uso de um filtro EMI e aterramento adequado podem ser suscetíveis a falhas indesejadas no inversor e no controlador.

Filtros dV/dt

Na saída do inversor de frequência, também podem ocorrer ruídos e distorções elétricas. Um indutor dV/dt é um indutor passivo colocado entre a saída do inversor e o motor para mitigar esses problemas. Quando os inversores de frequência usam PWM, os IGBTs no inversor ligam e desligam muito rapidamente para controlar a velocidade e o torque do motor do elevador. Quando o IGBT está fechado, a tensão nos terminais de saída do inversor sobe para o nível do barramento CC do inversor. A variação de tensão não é instantânea, mas aumenta gradualmente até o nível do barramento CC ao longo de um determinado tempo (T)._ascensãoA taxa de aumento da tensão é chamada de tempo de subida dV/dt e é uma característica do projeto do IGBT.

Em aplicações com cabos de motor longos, as impedâncias nos cabos podem interagir com o controle PWM do inversor de frequência. As impedâncias dos cabos do motor são determinadas pelo comprimento dos cabos e pelo material de que são feitos. É praticamente impossível casar as impedâncias do motor e dos cabos. Quando as impedâncias entre os cabos e o motor não são compatíveis, os cabos atuam como uma linha de transmissão e propagam a tensão de saída do inversor para o motor. Essas reflexões de onda resultam em sobretensão no motor, além de enviar uma onda refletida de volta para o inversor. Se as ondas refletidas se somarem à forma de onda fundamental do inversor, a tensão fornecida ao motor pode aumentar drasticamente. Um indutor de dV/dt, colocado diretamente na saída do inversor, limita a taxa de variação da tensão (dV/dt) a um nível característico do projeto do filtro. O filtro também reduz as ondulações de corrente e as perdas no rotor do motor.

A Figura 11 mostra uma aplicação de 480 V com um barramento CC em repouso de 675 V e cabos de motor de 7,62 m (25 pés) sem o uso de um indutor dV/dt. A tensão de pico recebida no motor é de 988 V. Se a distância entre o motor e o inversor de frequência for aumentada para 22,86 m (75 pés), como na Figura 12, a tensão máxima nos terminais do motor aumenta para quase 1,326 V.

Isso representa quase o dobro do valor do barramento CC do inversor de frequência! Esses picos de tensão repetidos podem causar danos significativos ao motor e até mesmo resultar em problemas de qualidade de condução se não forem corrigidos.

Os modernos motores de elevador CA trifásicos atuais são classificados para inversores e projetados para tensões de pico de pelo menos 1600 V; no entanto, os picos repetidos de dV/dt sobrecarregam significativamente os enrolamentos e o isolamento dentro do motor. Em aplicações de alta frequência de comutação, como elevadores operando com uma saída de 8 kHz a 16 kHz, esse desgaste ocorre muito mais rapidamente no motor. A Figura 13 mostra um "motor protegido" conectado com um indutor de dV/dt na mesma configuração de 480 V de antes. Com o indutor de dV/dt, a tensão de pico do inversor de frequência nos terminais do motor é reduzida para 951 V, uma redução de 40% na tensão do motor! Essa redução protege significativamente os enrolamentos do motor e pode melhorar o conforto da viagem.

Os filtros dV/dt são recomendados para todas as aplicações de inversores de frequência (VFDs) onde o motor está localizado a mais de 12 metros (40 pés) do inversor. O uso de um filtro dV/dt em distâncias menores é uma prática recomendada, mas opcional. Os filtros dV/dt podem ser usados ​​com motores de ímã permanente e de indução. A baixa indutância dos filtros não afeta a capacidade do VFD de medir a resistência, a indutância e o tempo morto do motor durante o aprendizado do modelo do motor ou da posição do encoder para motores de ímã permanente. Os filtros estão disponíveis para tensões de até 550 VCA e são dimensionados de acordo com a corrente da aplicação. Os filtros dV/dt são uma excelente maneira de prolongar a vida útil de um motor e geralmente custam uma fração do preço de um motor novo.

Anéis de ferrite

A maneira mais simples e econômica de reduzir o ruído elétrico entre um motor e um inversor de frequência é usar anéis de ferrite. Os anéis de ferrite são indutores passivos feitos de materiais magnéticos cerâmicos que ajudam a filtrar ruídos de alta frequência. Eles são comumente usados ​​em qualquer aplicação onde ocorra transferência de energia. No carregador do seu computador, os pequenos invólucros de plástico em ambas as extremidades da fonte de alimentação são anéis de ferrite.

Em aplicações de elevadores, a modulação por largura de pulso (PWM) do inversor de frequência (VFD) e as capacitâncias parasitas dos cabos e do próprio motor geram correntes elétricas indesejadas de alta frequência. A indutância dos anéis de ferrite aumenta a impedância entre a saída do VFD e o cabo, filtrando essas correntes de alta frequência. Os anéis de ferrite são posicionados na saída do VFD, com os cabos do motor passando por eles. O uso de anéis de ferrite pode ajudar a eliminar falhas indesejadas no VFD e no controlador do elevador, além de prevenir falhas prematuras nos rolamentos e enrolamentos do motor devido a correntes parasitas.

Conclusão – Comparação de Tecnologias

O mercado moderno de elevadores exige energia limpa e sem distorções. Existem muitos métodos para mitigar a distorção harmônica e prolongar a vida útil dos equipamentos nos sistemas elétricos e de elevadores. Indutores de linha, filtros harmônicos, tecnologia AIC, filtros EMI, indutores dV/dt e anéis de ferrite são opções com custos e desempenhos variados para atender aos requisitos de qualquer aplicação. Engenheiros e consultores devem ponderar os requisitos de custo versus desempenho do sistema para determinar o melhor equipamento para a aplicação. Navegar por esses requisitos de forma eficiente resultará em elevadores duráveis, seguros e de alto desempenho.