Tutorial sobre variadores de frecuencia variable (4ª PARTE)

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Armónicos

La distorsión de armónicos de voltaje y corriente se producen en sistemas eléctricos por carga no lineal tales como VFDs, soldadores, rectificadores, suministro de energía ininterrumpible, hornos de arco eléctrico, etc. Los armónicos causan distorsión en la forma de onda eléctrica que puede propagarse a través del sistema de potencia completo incluso en el exterior de la planta.

La fuente de distorsión de armónicos en los VFDs son los dispositivos de conmutación de potencia de estado sólido usados para generar las frecuencias de alimentación variables.

Estos efectos, conocidos como “corrientes de armónicos de línea”, son múltiplos de la corriente de alimentación fundamental de 50-60 Hz. Por ejemplo, una frecuencia de 180 Hz es llamada el tercer armónico. Estas corrientes generan distorsiones de voltaje de armónicos que a menudo exceden los niveles aceptables.

Los microprocesadores, máquinas controladas numéricamente, y controladores de procesos todos dependen de señales de control exactas. La presencia de los armónicos puede causar que estos dispositivos funcionen mal. Los armónicos pueden también causar interferencias con computadores y operación inapropiada de los equipos electrónicos. Pueden también causar fallos en los condensadores y fusibles.

Los motores funcionan a temperaturas más elevadas en presencia de corrientes de armónicos. Los motores consumen más energía cuando tienen que superar el par de contracorriente creado por los armónicos.

Esto puede originar fallo prematuro del material de aislamiento y una reducción en la vida de servicio. El motor también caerá en eficiencia, total, experimentará tensiones en sus devanados y experimentará pulsaciones del par.

Si se sospecha un problema con los armónicos, debe ser confirmado antes de tomar cualquier acción correctiva. Un ensayo bastante simple consiste en ver la forma de onda del sistema de potencia con un osciloscopio. Una distorsión de la forma de onda significativa es una indicación de la presencia de armónicos. Los analizadores de armónicos de potencia pueden usarse para medir la magnitud de los armónicos individuales.

Hay una gran variedad de formas como los usuarios pueden resolver estos problemas, después de asegurar que se cumplen los códigos eléctricos adecuados.

• Alimentación separada. Idealmente, las cargas producen armónicos, y cargas sensibles, serán suministradas de alimentadores y transformadores independientes.
• Transformadores de aislamiento y reactores en línea. Los transformadores de aislamiento y los reactores se usan frecuentemente para proteger el variador y la línea AC de la distorsión.
• Filtros: Los filtros de armónicos pueden usarse para reducir la amplitud de una o más corrientes de frecuencia fija para prevenirlas de entrar en el resto del sistema.
• Longitud del cable: La longitud del cable debe ser tan corta como sea posible, unos 15 metros o menos.

Si las cargas no lineales exceden el 20 % de la carga de planta total, se considerará realizar un estudio de armónicos y minimizarán el impacto de los armónicos a través del uso de los transformadores de aislamiento a los reactores de línea.

Especificando variadores para armónicos

Desde el punto de vista de aplicaciones prácticas, cumplir los requerimientos de armónicos para variadores significa que tenemos menos del 5 % de distorsión de armónicos totales de la corriente en los terminales del variador en la carga nominal. A demanda de baja potencia con cargas de par variable, la distorsión de armónicos total (THD) puede ser puede ser superior al 5 % medido por un analizador de armónicos, pero la magnitud de la corriente de armónicos será menos que aquellos producidos a plena carga.

Consideraciones de motores

Los sistemas de aislamiento del devanado se clasifican por su temperatura o capacidades térmicas. Los ensayos usados para probar propiedades térmicas para los sistemas de bajo voltaje no producen tensiones al aislamiento eléctrico más allá de los 600 voltios.

La aplicación de un PWM VFD puede causar transitorios de voltaje bien por encima del voltaje nominal del motor que puede llevar a fallos del sistema de aislamiento en muy cortos periodos de tiempo.

La tensión de voltaje máxima en el sistema de aislamiento (Vm) puede ser significativamente más alta que el voltaje nominal del motor y tienen elevaciones de voltaje extremadamente rápidas.

Debido a las reflexiones múltiples o efectos de resonancia, la frecuencia puede incrementarse debido a las interacciones de la frecuencia de conmutación PWM y forma de onda, la longitud del cable de alimentación al motor, y la inductancia del motor.

Una reflexión de voltaje de hasta dos veces el voltaje aplicado puede ocurrir durante las ondas y llegar a ser problemático con longitudes de onda e 15 m o más. Este fenómeno se conoce también como “ringing effect”.

Un “ringing efecto” crea tensiones de voltaje muy altas en las primeras vueltas del devanado del motor y puede originar cortocircuitos y fallos a tierra.

Este problema puede minimizarse usando apropiado filtrado y motores con aislamiento mejorado.

Muchos VFDs proporcionan al usuario la capacidad de ajustar la frecuencia de conmutación.

Los fallos de aislamiento se producen especialmente en las frecuencias de conmutación más altas. Sin embargo, las frecuencias demasiado bajas pueden causar un ruido audible de los motores que puede ser no deseable en algunas aplicaciones tales como HVAC.

Los factores a considerar incluyen:

• Reducir el recorrido de los cables donde sea posible.
• Usar reactores de filtro de salida del inversor (la impedancia 1 – 3 % es típica).
• Usar una frecuencia de conmutación más baja.
• Mantener el diseño del devanado original cuando se rebobina el motor ya que reduciendo los giros se incrementan los niveles de voltaje entre espiras.

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