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miércoles, 24 de junio de 2015

Incidencias en los motores alimentados por convertidores de frecuencia.




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. 

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