¿Cuáles son las causas principales que generan averías en variadores de velocidad?

Son muchos los convertidores de frecuencia existentes en la actualidad, y el índice de crecimiento en los últimos años ha sido espectacular. No obstante, se observa que parte del mercado o usuarios finales no tienen una clara capacidad de diferenciación en función de su aplicación o uso.

A modo de ejemplo citaremos que en el momento de compra o solicitud de oferta, tan solo se refleja la potencia del variador o del motor a accionar, el voltaje y la aplicación, o creemos que con un control vectorial lo tenemos todo resuelto, pero ¿Qué ocurre con los armónicos?, ¿Tendremos problemas de RFI?, ¿La temperatura de trabajo es igual en España que en Alemania o Dinamarca?, ¿La longitud del cable es excesiva?, ¿Qué sucede con el polvo y la humedad?. Todas estas cuestiones deberán ser valoradas en función de una necesidad y de una realidad de la industria en general.

Por todo ello y para no perdernos en detalles complejos, vamos a clasificar los variadores en tres gamas o segmentos, y analizaremos de forma directa y clara cada una de ellas. Esta clasificación la hemos establecido en gama alta, media y baja.

Pero antes de entrar en el análisis de la clasificación es importante explicar varios conceptos vitales en la aplicación de cualquier variador de velocidad con independencia de la gama o clasificación a la que pertenezca.

COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EMC:

Este es un concepto asociado con cualquier aparato electrónico que mide la habilidad, por así decirlo, del equipo para no generar interferencias de radio frecuencia (RFI), y también el grado de inmunidad frente a las emisiones RFI producidas por otros equipos. Los variadores poseen interruptores (IGBT) que generan ruidos eléctricos de alta frecuencia que pueden interferir en el funcionamiento del resto de los equipos electrónicos a su alrededor, conducidas a través del cableado, o radiadas en el aire.

Por este motivo, desde el 1 de enero de 1.996 es de obligado cumplimiento incorporar filtros a la entrada.

Es una práctica habitual en España que muchos de los fabricantes de variadores dispongan de filtros como opción, y transmitan la responsabilidad al usuario final, si bien la incorporación de filtros es una obligación del fabricante, no una opción del usuario.

¿CÓMO AVERIGUAR SI LOS EQUIPOS INCORPORAN FILTROS O NO?

En principio tendremos que saber si los filtros se encuentran dentro o fuera del envolvente de los equipos. Si están dentro quiere decir que se suministran de serie, si se tiene que instalar en un envolvente adicional se trata de una opción. Ambas alternativas son válidas, pero el usuario final es el que debe exigir el cumplimiento de la norma.

La mayoría de los equipos que se comercializan en España disponen del etiquetado CE, pero esto no significa que cumplan normas de compatibilidad electromagnética.

PROBLEMÁTICA DE ARMÓNICOS EN SUMINISTROS INDUSTRIALES

Los variadores de velocidad, al igual que todo equipo que convierte la C.A. en C.C. mediante rectificadores (SAI, cargadores de baterías etc.), generan armónicos.

Algunos de estos armónicos pueden distorsionar la alimentación monofásica de ordenadores y otros dispositivos de bajo consumo, incrementar pérdidas en motores y otros dispositivos magnéticos y, a medida que aumenta la frecuencia, disminuir la impedancia de los condensadores para la corrección del factor de potencia, produciendo sobrecalentamiento en los mismos pudiendo llegar a destruirlos.

Para la reducción de dichos armónicos es muy importante que el variador incorpore Bobinas de choque a la entrada o en el bus de C.C.

Los armónicos que pueden ocasionar problemas en una instalación son los de voltaje, y a su vez estos dependerán de la impedancia del transformador y de los armónicos de corriente generados por los propios variadores. Los armónicos de corriente con variadores sin bobinas de choque pueden alcanzar el 86% de THD a plena carga (Distorsión Armónica Total) en corriente.

Con bobinas disminuye a valores comprendidos entre el 30% y el 40% de THD a plena carga. Estos valores dependerán de los valores de inductancia de las bobinas y de la capacidad que dispongamos en el bus de continua.

Imaginemos una instalación en la cual hay un transformador de 1000KVA con una impedancia de cortocircuito en la parte de media tensión (11KV) del 1,59% y donde la impedancia del transformador es del 4,75%, esto nos indica que despreciando la impedancia de los cables de suministro del transformador al variador la impedancia total será del 6,34%.

Suponiendo que el variador instalado sea de 315KW, que el consumo por fase será de 494 A y que solamente está en funcionamiento el variador, el nivel de distorsión armónica en voltaje con bobinas de choque será del 4,6% y sin bobinas de choque podría alcanzar una distorsión en voltaje del 11,2%. Este nivel de distorsión armónica está fuera de normas, ya que las compañías eléctricas no permiten un nivel de voltaje en baja del 8% (información facilitada por Iberdrola).

También puede ocurrir que al instalar variadores de velocidad sin bobinas no tengamos problemas de armónicos de voltaje al principio, pero, conforme se vayan introduciendo más equipos en la misma instalación, comencemos a tener problemas con los condensadores de reactiva o con calentamientos excesivos de otros motores. 

En ese momento nos veremos obligados a instalar bobinas de choque en cada uno de los equipos o bien adoptar otro tipo de soluciones más costosas.

Otra de las grandes ventajas de instalar bobinas de choque en los variadores es para proteger los rectificadores frente a perturbaciones de red. ¿Cómo es posible que un rectificador de 1600V se destruya trabajando al 80% de la nominal y a una temperatura de trabajo inferior a 40ºC?, pregunta habitual ante una avería típica. La única explicación es que se ha producido una perturbación en la red con una tensión de pico superior a 1600V. Si las bobinas de choque están instaladas se reduce esta tensión de pico y evitamos la destrucción de los rectificadores

¿CUÁLES SON LAS CAUSAS PRINCIPALES QUE GENERAN AVERÍAS EN VARIADORES DE VELOCIDAD?

La mayoría de las averías producidas en variadores de velocidad ocurren en instalaciones donde existen condiciones ambientales desfavorables o variaciones bruscas de tensión. El polvo, la humedad, los ambientes corrosivos y las altas temperaturas son los peores enemigos de un variador de velocidad.

El polvo en sí no es conductor, pero con la humedad puede ocasionar disparos y daños en las tarjetas electrónicas.

Por ello es de vital importancia que el grado de protección de un variador de velocidad sea IP54 contra salpicaduras de agua y polvo.

En cuanto a la temperatura de trabajo, es conveniente que los equipos puedan trabajar a temperaturas de 50ºC a régimen nominal. Muchas veces por no tener esto previsto se precisan instalar equipos de aire acondicionado, con lo que se encarece el coste real del variador, y en la mayoría de los casos no es una buena solución.

Una vez se conocen estos tres aspectos sobre variadores de velocidad será más fácil distinguir entre las opciones del mercado, según la clasificación establecida anteriormente.

VARIADORES DE GAMA BAJA	VARIADORES DE GAMA MEDIA	VARIADORES DE GAMA ALTA
No incorporan filtros de RFI (EMC) ni bobinas de choque Grado de protección IP00 o IP21 Temperatura de trabajo 40ºC Display de segmentos (numérico). Dispone de menos de 4 entradas digitales y menos de 2 salidas digitales. No incorpora comunicación serie Se suelen instalar en aplicaciones sencillas, tales como cintas transportadoras y ventiladores donde la consigna se establece por teclado o potenciómetro.	Los filtros de RFI y las bobinas de choque son opcionales Grado de protección IP21 Temperatura de trabajo 40ºC Display alfanumérico Incorpora comunicación serie, pero dispone de pocos protocolos de comunicación. Está provisto de alimentación 24Vcc Dispone entre 4 y 7 entradas y 2 ó 3 salidas digitales PID interno Control escalar Algunos incorporan macros de aplicaciones	Equipado con filtros a la entrada. Bobinas de choque a la entrada y salida. Grado de protección IP54. Temperatura de trabajo 50ºC. Display alfanumérico extraíble con protección IP54. Mínimo de 7 entradas y 3 salidas digitales. Selección de control vectorial o control escalar. Frecuencia de conmutación 2 a 16Khz Suministro de par 250% a velocidad cero. PLC incorporado para desarrollar con el propio variador cualquier aplicación deseada, o configurar un variador a su medida, poder disponer de temporizadores, tantos PID como requiera la aplicación, puertas lógicas, contadores, generadores de pulsos, osciladores, funciones de transferencia, tablas, funciones aritméticas etc.

Estas clasificaciones no son exactas ni limitativas, pero nos puede ayudar de forma muy simple a tener una perspectiva del mercado y de las alternativas existentes. 

FUENTE BIBLIOGRÁFICA: 

Este Post es la transcripción de parte del interesante documento técnico de POWER ELECTRONIC denominado “Consideraciones para la selección del variador adecuado”