Existe mucha información sobre las virtudes de los convertidores de frecuencia como sistemas eficaces para ahorrar energía, pero en cambio, pocas veces estas publicaciones revelan los problemas que en su funcionamiento causan estos componentes en la instalación, en esta serie de 3 debates pretendo resaltar algunos aspectos importantes que repercuten negativamente en las cargas que alimentan estos equipos.
Un inversor funciona según el principio de conmutación
entre distintos niveles de tensión de CC. La tensión de salida no presenta por
ello la forma de una onda sinusoidal de CA, sino una configuración de impulsos
rectangulares de alta frecuencia cuya envolvente trata de parecerse a la onda
sinusoidal con la mayor precisión posible.
Como resultado, la potencia transmitida al motor tiene una
fracción grande de componentes de alta frecuencia.
Los motores convencionales están diseñados para utilizarse
con ondas sinusoidales puras de la red, así que los componentes de alta
frecuencia no son convertidos eficientemente en energía mecánica. La energía de
alta frecuencia no utilizable se convierte en calor, que acorta la vida del
motor. Adicionalmente, la forma de onda producida por el variador puede
producir picos de voltaje que descomponen el aislamiento del motor.
Se pueden utilizar filtros para uniformizar la salida
absorbiendo los armónicos que causan problemas, pero ello supone a la vez un
incremento de costes y una causa de perdidas añadida. Para abordar los efectos
de estos armónicos, o bien se diseñan motores que soporten las sobrecargas
añadidas (lo que excluye la utilización de muchos motores de los catálogos
usuales) o no pueden emplearse convertidores en todas las aplicaciones
existentes.
Por ejemplo:
- No se recomiendan los motores de anillos para aplicaciones con convertidor.
- Bajo determinadas condiciones críticas, la aplicación de un convertidor de frecuencia puede requerir un diseño de rotor especial.
- El par queda reducido debido al calentamiento extra de los armónicos y a una disminución de la refrigeración, de acuerdo con la gama de frecuencias.
Por lo tanto, los fabricantes mejoran la disponibilidad mediante sistemas complejos que incluyen el propio convertidor más los componentes que reducen sus perturbaciones, tales como: refrigeración más efectiva, filtrado de la potencia de salida del convertidor, diseños especiales del rotor, etc.
REFRIGERACIÓN MÁS EFECTIVA
El flujo de aire y la capacidad de refrigeración dependen
de la velocidad del ventilador. Se consigue una refrigeración más
efectiva montando un ventilador de refrigeración separado con velocidad
constante, el cual es especialmente beneficioso a bajas velocidades. Si se
selecciona la velocidad del motor del ventilador y el diseño del ventilador
para obtener un efecto de refrigeración mayor que el del motor estándar a
velocidad nominal, se conseguirá un efecto de refrigeración mejorado en toda la
gama de velocidad.
En casos muy extremos, también deben refrigerarse los
rodamientos y los escudos.
FILTROS
Filtrar la tensión de salida del convertidor reduce el
contenido armónico de la tensión y de la intensidad del motor y, por lo tanto,
causa menos pérdidas adicionales en el motor. Esto minimiza la necesidad de
reducir la potencia de salida. Es necesario tener en cuenta toda la potencia
del accionamiento y la gama de velocidad cuando se dimensione los filtros
(reactancias adicionales). Los filtros también reducen el ruido
electromagnético, los problemas de pico de tensión y de compatibilidad
electromagnética. Sin embargo, también limitan el par máximo del motor.
DISEÑO ESPECIAL DEL ROTOR
Un motor con una jaula de rotor y barras de rotor diseñadas
específicamente para el accionamiento por convertidor tiene un buen rendimiento
en el accionamiento del convertidor pero no tan bueno en la aplicación con la
red normal.
CAUSAS QUE PUEDEN LLEVAR EL AISLAMIENTO DEL MOTOR A LA
RUPTURA
La salida de un convertidor de frecuencia comprende pulsos
de aproximadamente 1,35 veces la tensión de red equivalente con tiempos de
conmutación de la tensión del orden de 0.1 μs y aún menores, sometiendo de este
modo a altos gradientes de potencial a los arrollamientos. Tal es el caso en
todos los convertidores de frecuencia que emplean tecnología moderna de
inversores IGBT.
La tensión de los pulsos puede ser casi el doble en los
terminales del motor, en función de las propiedades de atenuación y reflexión
del cable a motor y los terminales, estos fenómenos provocan una carga
adicional en el aislamiento del motor, rodamientos y cables de salida
hacia el motor.
EL GRADIENTE DE POTENCIAL
Debido al rápido crecimiento del pulso de tensión (dV/dt)
impuesto por el inversor al motor, las primeras espiras de la primera bobina de
una fase dada se encuentran sometidas a un alto valor de tensión, y
consecuentemente se produce un desgaste acelerado del aislamiento.
Los esfuerzos que el aislamiento sufre pueden ser
comparados con los producidos por ondas progresivas de descargas atmosféricas,
con la diferencia fundamental que en este caso no se trata de un fenómeno
eventual sino que se producen en forma continua debido a la alta frecuencia de
pulsación.
Los usuarios y consultores tienden a subestimar este tipo
de fenómenos y por ello omiten en sus especificaciones las medidas correctivas
adecuadas. Aunque permite obtener ahorros a corto plazo evitando el coste
adicional de dispositivos suplementarios y opciones de protección, a largo
plazo este diseño inadecuado conduce a la avería del motor o a la interrupción
imprevista de las aplicaciones. En aplicaciones críticas como una planta de
abastecimiento de agua o una central eléctrica, este nivel de riesgo resulta
inaceptable.
LA INFLUENCIA DE LA FRECUENCIA
Asociada a los efectos originados por el rápido crecimiento
de los pulsos está la frecuencia con que estos pulsos se producen.
Cuanto mayor es la frecuencia de pulsación del convertidor
más rápida es la degradación del sistema aislante.
Mediante resultados empíricos, se puede afirmar que por
debajo de 5 kHz el tiempo de vida es inversamente proporcional a la frecuencia,
para frecuencia que supera los 5 kHz el tiempo de vida resulta proporcional a
la inversa del cuadrado de la frecuencia.
EL SISTEMA DE AISLAMIENTO DEL MOTOR
Debido a los efectos adicionales originados por la
pulsación de los convertidores PWM, cuando alimentan motores eléctricos, el
sistema de aislamiento convencional, utilizado con buenos resultados cuando la
alimentación se realiza con fuentes sinusoidales convencionales de 50 ó 60 Hz,
puede no satisfacer las exigencias de este tipo de alimentación.
En este caso el sistema de aislamiento debe ser realizado
con materiales más resistentes a la degradación cuando están sometidos a
elevados campos eléctricos y el aislamiento entre espiras debidamente
impregnado con material sólido, para evitar la presencia de espacios con aire y
consecuentemente descargas parciales.
Otra forma de contrarrestar estos efectos es la utilización
de filtros du/dt, pero su instalación debido a condiciones técnico-económicas
está restringida para proyectos de grandes accionamientos.
En aplicaciones donde se utilizan motores pequeños o
medianos, en general los usuarios prefieren utilizar motores de fabricación en
serie, los cuales pueden ser alimentados tanto con fuentes sinusoidales o con
convertidores. En estos casos la eficiencia del sistema de impregnación es
fundamental para garantizar una suficiente vida útil de estos motores.
CORRIENTES PARÁSITAS EN LOS RODAMIENTOS
Los motores controlados por convertidores pueden presentar
fallos en los rodamientos apenas unos meses después de su puesta en marcha.
Los fallos pueden ser provocados por los pulsos de tensión
de rápido aumento (dV/dt) y altas frecuencias de conmutación de tensión
impuestas por el inversor al motor tal y como ya se ha explicado en la Parte
2/3, estos pulsos de corriente circulan a través de los cojinetes y su descarga
repetida puede desgastar de forma gradual los anillos guía de los cojinetes.
Como resultado, es posible que tenga que sustituirse el cojinete aunque no
lleve demasiado tiempo en servicio.
Dependiendo del tipo de motor, y de si el cojinete está
aislado o no, pueden producirse tres tipos distintos de bucles de intensidad en
el motor:
1. Un
bucle entre los estatores, los devanados y el eje del motor. En este caso la
corriente inductiva circula en torno al cojinete dos veces.
2. Un bucle debido a la capacitancia
entre el devanado y el eje del motor conectado a tierra por la carga. Este
fenómeno puede producirse cuando la puesta a tierra del bastidor no se ha
realizado correctamente. La intensidad capacitiva de pulsos circula hasta el
cojinete del lado del variador.
3. Un bucle debido a la capacitancia
entre el bastidor, el devanado del rotor, el bastidor y el cojinete En este
caso, el bastidor está conectado a tierra correctamente y la intensidad en el
cojinete es un porcentaje de la tensión de modo común. La presencia de
corriente en el cojinete se produce debido a una descarga electrostática
capacitiva.
Para evitar que se produzcan daños, es esencial
proporcionar vías de conexión a tierra adecuadas y permitir que las corrientes
de fuga vuelvan al bastidor del inversor sin tener que pasar a través de los
cojinetes. La magnitud de las corrientes puede reducirse empleando cables a
motor simétricos o filtrando la salida del inversor.
El correcto aislamiento de la construcción de los cojinetes
del motor interrumpe la ruta de la corriente de los cojinetes.
FILTRO
DE SALIDA DV/DT
Los filtros de salida dV/dt son la solución más rentable
para garantizar la protección del motor y reducir el impacto de las
sobreintensidades sobre los variadores de velocidad. Estos filtros reducen los
valores de dV/dt y minimizan así el efecto de las sobretensiones y capacitancias
de fuga entre fases y entre fase
y tierra. También proporcionan flexibilidad, ya que pueden emplearse con la
mayoría de motores y cualquier cable (independientemente de su tipo o longitud)
sin problemas. Se recomienda utilizar este método si se desconocen las
especificaciones de un motor particular.
FILTRO
SENOIDAL
El diseño específico de un filtro de paso bajo (un filtro
electrónico que deja pasar las señales de baja frecuencia y reduce la amplitud
de las señales cuya frecuencia supera el umbral de corte), denominado filtro
senoidal, permite desviar las intensidades de alta frecuencia. El resultado es
que la forma de onda de la tensión en el terminal del motor se convierte en
puramente senoidal. El filtro senoidal diferencial permite una completa supresión
del efecto de las sobretensiones, y reduce las interferencias de compatibilidad
electromagnética (CEM).
Si el filtro senoidal se asocia a un filtro de modo común,
es posible eliminar la presencia de corriente en los cojinetes del motor y
reducir la transmisión de perturbaciones CEM conducidas a la red eléctrica. La
combinación de estos dos tipos de filtro representa la solución más sólida para
evitar problemas con la conexión de variadores de velocidad y motores. Esta
solución también resulta muy rentable si se emplea un cable de motor de gran
longitud, ya que no requiere emplear cables apantallados.
Una solución adicional para interrumpir los bucles de las corrientes parásitas es instalando en el motor rodamientos aislados.
excelente tema
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