Ventajas e inconvenientes de las soluciones adoptadas para reducir armónicos en variadores de velocidad

Variador de velocidad Altivar 61 para gamas de potencias 

entre 0,75 y 800 kW (Schneider Electric)

¿Cómo se producen los armónicos en un variador de velocidad?

Si tomamos como ejemplo un rectificador monofásico como el de la figura 1, donde se representa el esquema de la primera etapa del equipo, observamos un puente rectificador y una batería de condensadores.

Una vez cargados los condensadores, la corriente absorbida de la red será la necesaria para mantenerlos cargados.

El consumo será el del motor y el del propio equipo. Será irregular y no senoidal.

Figura 1: Perturbaciones de tensión y corriente en un rectificador monofásico

La corriente total de distorsión armónica (THDI) comparada con la fundamental, sería:

Figura 2: Espectro armónico de un variador trifásico con inductancia CC

Armónicos de corriente

Cuanto más alta es la distorsión mayor es la corriente absorbida ya que la corriente de línea efectiva (RMS) depende de la THD:

El factor de potencia también depende de la THD

El cos ϕ de un variador es cercano a 1 pero el factor de potencia empeora debido a la THD.

Armónicos de tensión

La corriente distorsionada genera distorsión en la tensión, los armónicos de tensión son proporcionales a las corrientes armónicas.

Para cada índice armónico se aplica la ley de Ohm

Cuanto mayor es la impedancia de la alimentación mayores son los armónicos en tensión (THDu).

Principales problemas generados por los Armónicos

● En la red de alimentación:

• Incremento de la Corriente RMS → Sobrecarga del transformador, cableado, componentes, ... 
• Distorsión de la alimentación general → Perturbaciones en equipos sensibles 
• Frecuencias armónicas → Riesgo de resonancia con las baterías de condensadores

● En el Variador de Velocidad:

• Mayor corriente RMS y rizado → Sobrecarga del puente rectificador y de los condensadores del variador.

Normativa aplicable

● IEC/EN 61800-3

• Normativa Internacional para variadores de velocidad. Hace referencia a la IEC 61000-3-2 , informe técnico IEC 61000- 3-4 y IEC 61000-3-12

● IEEE 519

• Prácticas recomendadas y requerimientos para el control de los armónicos en sistemas de potencia eléctrica
• Guía de utilización.

IEC/EN61800-3 para HHP (I > 75A)

Aunque la norma no plantea requerimientos específicos para equipos HHP (High Horse Power), se recomienda medidas para mitigar los efectos ocasionados por los armónicos.

Requerimientos THDi según la norma IEC

IEEE 519

• IEEE 519 Prácticas recomendadas y requerimientos para el control de los armónicos en Sistemas Eléctricos de Potencia
• La Norma no da límites para equipos individuales pero si para clientes individuales.
• La filosofía es limitar la inyección armónica para clientes individuales para no causar distorsión en la tensión inaceptable.

(1) incluye hospitales y aeropuertos

(2) Sistemas dedicados exclusivamente a convertidores de frecuencia

Clasificación de sistemas de BT y límites de distorsión

Donde:

ISC = Máxima corriente de cortocircuito en el punto de conexión común (PCC). IL = Máxima corriente de la instalación (fundamental) en el PCC.

Límites de distorsión en corriente IEEE519 -1992

Soluciones para reducir los armónicos en variadores de velocidad

Las soluciones adoptadas para reducir los armónicos generados por los variadores de velocidad son las siguientes:

• Inductancias CA o CC (THDI<48%)
• Transformador de aislamiento (alimentación dedicada)
• Alimentación 12, ó 18 pulsos (THDI<5-10%)
• Filtros pasivos (THDI<5-16%)
• Filtros activos (THDI<5%)
• Equipos regenerativos (THDI<5%)

Inductancias CA ó CC

• Solución a nivel de Variador
• En términos de armónicos, el resultado es aparentemente equivalente. 
• La inductancia en el bus CC es sensiblemente más pequeña y la caída de tensión es menor.
• Una inductancia CA protege el puente rectificador de entrada del variador.

Ventajas:

• Es la solución más eficiente por coste (0-20% del coste del variador)
• Reduce la Irms de línea próxima al nivel de la I motor
• Reduce la THDI alrededor del 50- 30% lo que es suficiente para la mayoría de los casos
• Las inductancias de línea protegen la entrada del variador, limitan los picos de tensión y la corriente de cortocircuito.
• Bajo riesgo de resonancia con otros filtros

Inconvenientes:

• Voluminosas y pesadas
• Diseñadas para carga nominal para obtener una impedancia efectiva. Poco efectiva a baja carga y condiciones de sobrecarga.
• La caída de tensión puede afectar en caso de condiciones de alimentación bajas. Peores prestaciones de par a bajas revoluciones.

Filtros Pasivos:

Son utilizados cuando la inductancia no es suficiente y se desea una THDI baja 16%, 13%, 10%, 8%, 5%.

Ventajas:

• Protege la entrada del variador, limita los picos de tensión y la corriente de cortocircuito. 
• Baja caída de tensión
• Alta eficiencia 99% 
• Fiable
• Buena CEM

Inconvenientes:

• Voluminoso y pesado
• Caro (50-80% del variador)
• Diseñado para para obtener una impedancia efectiva. Poco efectivo a baja carga y condiciones de sobrecarga.
• Riesgo de resonancia con otros filtros o batería de condensadores

Alimentación 12 ó 18 pulsos:

• Doble rectificador (12p): Desfase de 30° reducción hasta el índice H7
• Triple rectificador (18p): Desfase de 20º, reducción hasta el H13

Alimentación 12 ó 18 pulsos

Ventajas:

• Elimina hasta h7,(12p), ó H13 (18p) 
• Reduce la THDi hasta 10-15% (12p), 5-3% (18p)
• 12p + L, 18p cumplen con la IEEE 519 
• Supresión de tensiones de línea transitorias 
• Buena CEM
• Eficiente independiente de la carga

Inconvenientes:

• Muy voluminoso y pesado
• Caro (100% del coste del VV) 
• Necesidad 2 o 3 rectificadores
• Necesidad de un transformador específico 
• Interesante para HHP (High Horse Power) (>200kW)

Filtros Activos

• La solución más eficiente es el filtrado activo
• Su coste está justificado cuando se requiere THDi < 5%
• Principalmente existen 2 tipos :
• Rectificador “Active front end” 
• Filtro activo antiarmónico

Filtros Activos: Equipo regenerativo

• Puente rectificador activo (IGBT) en vez de diodos.
• El rectificador es controlado para absorber una corriente senoidal (THDI <5%)
• Reversible cuando el VV actúa como generador

Ventajas:

• Casi una alimentación sinusoidal (THD<5%)
• Reversible, permite la devolución de energía a la red
• Puede integrarse en el variador

Inconvenientes:

• Muy caro si no se necesita regeneración (150% del coste del variador)
• Mala CEM (el chopeado genera perturbación)
• Fiabilidad (IGBT, más componentes)

Resumen:

REFERENCIA:

Jornada Técnica: “Criterios de instalación de variadores de velocidad HPP”, Schneider Electric (Junio del 2008)

POST EN PDF EN LA SIGUIENTE URL:

http://www.mediafire.com/download/h0xnzbc24l1dy6z/Ventajas_e_inconvenientes_de_las_soluciones_adoptadas_para_reducir_arm%C3%B3nicos_en_variadores_de_velocidad.pdf

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