Filtro de RFI/EMI para un sistema de accionamiento de motores de frecuencia variable.

Filtro de RFI/EMI para un sistema de accionamiento de motores de frecuencia variable,

que incluye un variador de frecuencia (12) y un motor (14), comprendiendo el filtro:

una bobina de choque de modo común (38);

una pluralidad de elementos conductores de alimentación (26, 28, 30) que interconectan dicho motor con dicho variador de frecuencia y que pasan a través de dicha bobina de choque;

un apantallamiento de tierra (40);

un conductor de retorno de modo común (90) que comprende una pluralidad de elementos conductores de retorno (90a, 90b, 90c), estando cada uno de ellos interconectado entre dicho variador de frecuencia y dicho motor y dispuesto dentro de dicho apantallamiento y pasando a través de dicha bobina de choque para devolver una parte de la corriente de modo común con el fin de anular una parte de la corriente de saturación que experimenta dicha bobina de choque para aumentar la parte de la corriente de modo común transportada por dicho conductor de retorno y disminuir la parte transportada por dicho apantallamiento para reducir la RFI/EMI a la que contribuye dicho apantallamiento; y

comprendiendo dicho apantallamiento de tierra (40) una pluralidad de dispositivos de apantallamiento (40a, 40b, 40c, 40d), rodeando cada uno de entre la pluralidad de dispositivos de apantallamiento un elemento correspondiente de dichos elementos conductores de alimentación (26, 28, 30) y dichos elementos conductores de retorno (90a, 90b, 90c), estando conectado cada uno de entre dichos dispositivos de apantallamiento (40a, 40b, 40c, 40d) a dicha tierra del motor y a dicha tierra del variador de frecuencia.

Filtro de RFI/EMI para un sistema de accionamiento de motores de frecuencia variable.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un filtro de RFI/EMI para un sistema de accionamiento de motores de frecuencia variable.

Antecedentes de la invención

Los inversores de los variadores de frecuencia (VFD) producen formas de onda de alto voltaje moduladas por anchura de impulsos (PWM) que discurren sobre elementos conductores de alimentación para controlar motores de frecuencia variable con el fin de controlar el par, la velocidad, la posición, etcétera. La frecuencia eléctrica del motor se modula a una velocidad mucho mayor usando técnicas de modulación de anchura de impulsos. Para una frecuencia eléctrica típica de entre y 6 Hz, el inversor típico modula la forma de onda de voltaje de salida a entre 5 y 5 veces la frecuencia de salida, o en el intervalo de entre 3 kHz y 3 kHz. Esta frecuencia de modulación se conoce con diferentes nombres, aunque muchas fuentes hacen referencia a la misma como frecuencia "portadora". Históricamente, esta frecuencia portadora presenta una dV/dt muy alta, o contenido de frecuencia de flancos, mucho mayor que la frecuencia eléctrica del motor o la frecuencia portadora del inversor. Si esta tasa de flancos se reduce, entonces el inversor disipará más energía desperdiciada en forma de un aumento de temperatura con lo que habitualmente la tasa de flancos es lo más alta que pueda tolerarse con el fin de mantener la energía desperdiciada en un nivel mínimo.

Desafortunadamente, las tasas de flancos altas en la forma de onda portadora producen niveles perjudiciales, dañinos, o, dicho de otra manera, Inaceptables, de Interferencia Electro-Magnética, o EMI. En ocasiones, a esto se le hace referencia también como Interferencia de Radiofrecuencia, o RFI, cuando la tasa de flancos produce perturbaciones en la banda de frecuencia ocupada por bandas de radiofrecuencia comerciales, militares, o privadas.

La RFI/EMI es el resultado de un generador de voltaje parásito constituido por la capacidad parásita entre el transistor de potencia y el disipador térmico en el VFD, por ejemplo. Existe también, por ejemplo, una carga parásita formada por el dieléctrico aislante del hilo metálico y la jaula del motor (tierra de motor). En uno de los planteamientos con respecto a este problema se usa una bobina de choque de modo común o con compensación de corriente para acoplar magnéticamente los dos o más devanados de fase en los elementos conductores de alimentación entre el VFD y el motor. Si las corrientes en los devanados de fase están equilibradas y se anulan, la bobina de choque no ofrece ninguna impedancia. Sin embargo, si se produce una corriente parásita, desequilibrando esa anulación, la bobina de choque presenta una impedancia y suprime por lo menos una parte del flujo de corriente parásita en los trayectos galvánicos primarios o de fuga entre el motor y el VFD, tal como a través del bastidor del chasis de un vehículo o un suelo de hormigón, lo cual da origen a la RFI/EMI. Uno de los planteamientos para este problema es rodear los elementos conductores de alimentación con un apantallamiento metálico, tal como un trenzado de cobre estañado, un conducto eléctrico firme de acero o aluminio, o algún otro método de apantallamiento eléctrico. Mientras este apantallamiento no conduzca ninguna corriente, no producirá ningún campo eléctrico o magnético. Esta necesidad de no tener ninguna corriente en el apantallamiento se cumple raramente o no se cumple nunca por motivos físicos, y por lo tanto los ingenieros se centran en simplemente reducir las corrientes a un nivel aceptable.

No obstante, el propio apantallamiento es un buen conductor de la corriente parásita y se convierte en un radiador de la ¡ndeseada RFI/EMI. Esto es así en parte debido a que la estructura del apantallamiento tiene en general una gran área superficial y es un buen conductor de frecuencias más altas. Una de las soluciones a este problema nuevo consistía en añadir un apantallamiento interno secundario en torno a los elementos conductores de alimentación pero por dentro del apantallamiento primario. El apantallamiento secundario interno conduce una parte de la corriente parásita y la RFI/EMI resultante queda apantallada por el apantallamiento primario de salida, aunque el apantallamiento primario exterior sigue actuando como radiador de la parte restante de la RFI/EMI no deseada. Adlclonalmente, los apantallamientos son caros y un segundo apantallamiento hace que aumenten significativamente los costes.

Más recientemente, una mejora en el material de núcleo para la bobina de choque, material amorfo nanocrlstallno, ha provocado que la supresión de la corriente parásita resulte más crítica. Por ejemplo, ese material viene en diferentes formas. Uno de los productores, Hitachi Metals, produce dos formas. Una forma, 3KM, presenta una alta permeabilidad de 7K Gauss/Oersted (CGS) aunque un nivel de saturación inferior, y otra de las formas, 3KL, presenta una permeabilidad inferior de 55K Gauss/Oersted aunque un nivel de saturación superior. Esto hace que la corriente parásita sea un problema adicional.

Aunque resultaría deseable usar el material 3KM, permeabilidad de 7K Gauss/Oersted, no hay mucho margen de seguridad en el nivel de saturación y bien podría producirse una condición de desequilibrio situando a la bobina de choque en saturación y convirtiéndola en inservible como bobina de choque de modo común. El uso del otro

material, 3KL, del 55K Gauss/Oersted de permeabilidad, redunda en la seguridad de un nivel de saturación mayor aunque la permeabilidad es inferior a la del material 3KM y tiene un mayor coste.

Algunas publicaciones han afirmado que pueden reducir una corriente de modo común sin el uso de ninguna bobina de choque de modo común. Por ejemplo, la publicación japonesa n.° 25/267873 da a conocer el uso de un cable de alimentación que incluye un hilo de tierra 12 dentro de un hilo apantallado 14. La patente europea n.° EP 1.85.649 A2 da a conocer el uso de una bobina de línea de alimentación y de línea de tierra 3 para suprimir la corriente de modo común.

Sumario de la invención

Es por lo tanto un objetivo de la presente invención proporcionar un filtro mejorado de RFI/EMI para un sistema de motor con variador de frecuencia.

Es otro objetivo de la presente invención proporcionar un filtro mejorado de RFI/EMI para un sistema de motor con variador de frecuencia, tal que permita el uso de núcleos de bobinas de choque de modo común de mayor permeabilidad aunque menor nivel de saturación.

Es otro objetivo de la presente invención proporcionar un filtro mejorado de RFI/EMI para un sistema de motor con variador de frecuencia tal que sea de menor tamaño, de menor peso y con un coste inferior.

Es otro objetivo de la presente invención proporcionar un filtro mejorado de RFI/EMI para un sistema de motor con variador de frecuencia tal que reduzca emisiones de RFI/EMI de trayectos no deseables, por ejemplo, apantallamientos de cables, suelos de hormigón, chasis de vehículos.

La invención es el resultado de entender que se puede obtener un filtro de RFI/EMI más eficaz para un sistema de accionamiento de motores de frecuencia variable, con un conductor de retorno de modo común que interconecta la tierra del motor y la tierra de su variador de frecuencia, y dispuesto dentro del apantallamiento del elemento conductor de alimentación y pasando a través de la bobina de choque de modo común con el fin de devolver una parte de la corriente de modo común para anular una parte de la corriente de saturación experimentada por la bobina de choque de manera que se incremente la parte de la corriente de modo común transportada por el conductor de retorno y se reduzca la parte transportada por el apantallamiento para reducir la RFI/EMI a la que contribuye el apantallamiento y que permita además el uso de núcleos más pequeños, más ligeros, con una permeabilidad superior, tales como aquellos que usan material de núcleo amorfo nanocristalino.

No obstante, en otras formas de realización, no es necesario que la invención en cuestión alcance todos estos objetivos y las reivindicaciones del presente documento no deben limitarse a estructuras o métodos con capacidad de alcanzar estos objetivos.

Estos objetivos se logran por medio de las características de la reivindicación 1. Las reivindicaciones dependientes exponen formas de realización ventajosas de la invención.

Esta invención presenta un filtro de RFI/EMI para un sistema de accionamiento de motores de frecuencia variable que incluye un variador de frecuencia, una bobina de choque de modo común, un motor, un cable que incluye una pluralidad... [Seguir leyendo]

1. Filtro de RFI/EMI para un sistema de accionamiento de motores de frecuencia variable, que incluye un variador de frecuencia (12) y un motor (14), comprendiendo el filtro:

una bobina de choque de modo común (38);

una pluralidad de elementos conductores de alimentación (26, 28, 3) que interconectan dicho motor con dicho variador de frecuencia y que pasan a través de dicha bobina de choque;

un apantallamiento de tierra (4);

un conductor de retorno de modo común (9) que comprende una pluralidad de elementos conductores de retorno (9a, 9b, 9c), estando cada uno de ellos ¡nterconectado entre dicho variador de frecuencia y dicho motor y dispuesto dentro de dicho apantallamiento y pasando a través de dicha bobina de choque para devolver una parte de la corriente de modo común con el fin de anular una parte de la corriente de saturación que experimenta dicha bobina de choque para aumentar la parte de la corriente de modo común transportada por dicho conductor de retorno y disminuir la parte transportada por dicho apantallamiento para reducir la RFI/EMI a la que contribuye dicho apantallamiento; y

comprendiendo dicho apantallamiento de tierra (4) una pluralidad de dispositivos de apantallamiento (4a, 4b, 4c, 4d), rodeando cada uno de entre la pluralidad de dispositivos de apantallamiento un elemento correspondiente de dichos elementos conductores de alimentación (26, 28, 3) y dichos elementos conductores de retorno (9a, 9b, 9c), estando conectado cada uno de entre dichos dispositivos de apantallamiento (4a, 4b, 4c, 4d) a dicha tierra del motor y a dicha tierra del variador de frecuencia.

2. Filtro de RFI/EMI según la reivindicación 1, en el que dicho variador de frecuencia (12) tiene tres fases de salida.

3. Filtro de RFI/EMI según la reivindicación 1, en el que dicho variador de frecuencia (12) tiene un neutro y una única fase de salida.

4. Filtro de RFI/EMI según la reivindicación 1, en el que dicho variador de frecuencia (12) tiene un neutro y dos fases de salida.

5. Filtro de RFIJEMI según la reivindicación 1, en el que dicho variador de frecuencia (12) tiene un neutro y tres fases de salida.

6. Filtro de RFIJEMI según la reivindicación 1, en el que dicha bobina de choque de modo común (38) incluye un material de alta permeabilidad.

7. Filtro de RFIJEMI según la reivindicación 6, en el que dicho material de alta permeabilidad tiene una permeabilidad mayor que 25. Gauss/Oersted.

8. Filtro de RFI/EMI según la reivindicación 6, en el que dicha bobina de choque de modo común (38) Incluye un material amorfo nanocrlstallno.

9. Filtro de RFI/EMI según la reivindicación 1, en el que dicho motor (14) es un motor polifásico.

1. Filtro de RFI/EMI según la reivindicación 1, en el que dicho cable (32) Incluye dos elementos conductores.

11. Filtro de RFI/EMI según la reivindicación 1, en el que dicho cable (32) incluye tres elementos conductores.

12. Filtro de RFI/EMI según la reivindicación 1, en el que dicho apantallamiento (4) incluye un material conductor

tejido.