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domingo, 7 de julio de 2019

Influencia de los armónicos en motores




En la actualidad es ya una tendencia irreversible el accionamiento de máquinas con controles de velocidad mediante el uso de motores asíncrónos de jaula, alimentados por inversores de frecuencia, que producen tensiones y corrientes con un alto contenido armónico.

La red alimenta al variador de velocidad, este alimenta al motor, por lo que el motor es alimentado con una tensión que tiene cierta distorsión y el variador absorbe de la red una corriente también con cierta deformación.

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. etc.

Seguidamente analizamos los efectos causados por los armónicos en motores y a continuación las soluciones propuestas.

1.- Efectos causados por los armónicos en motores

1.1.- Aumento de las pérdidas

Se sabe que la tensión aplicada a un motor produce un campo magnético en el núcleo que produce pérdidas en el hierro del circuito magnético, siendo las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas una parte de las pérdidas en el hierro debidas al flujo magnético variable.

Es importante recordar que las pérdidas por histéresis son proporcionales a la frecuencia, mientras que las pérdidas por corrientes parásitas son proporcionales al cuadrado de la frecuencia.

En consecuencia la presencia de armónicos de tensión de frecuencia superior que la fundamental, produce pérdidas adicionales en el núcleo de los motores, incrementando su temperatura y las de los arrollamientos alojados en el núcleo.

En estas condiciones las pérdidas pueden alcanzar valores significativamente más altos que las calculadas si el motor está alimentado con una tensión sinusoidal, mayores pérdidas superficiales en el estator y el rotor, y pérdidas por pulsación en los dientes.

Las pérdidas en los devanados resultan de mayor preocupación que las pérdidas en el hierro.

El efecto total de los armónicos es una reducción en el rendimiento y la vida de la máquina.

Típicamente el calentamiento por armónicos reduce la eficiencia en un 90 a 95% de la que se observaría con una onda sinusoidal pura.

1.2.- Aumento de la temperatura

El contenido de armónicos incrementa la temperatura en el motor. La figura 1 muestra el incremento de temperatura en el motor de inducción monofásico y en el trifásico en función del factor armónico. Se observa que los motores monofásicos son más sensibles que los trifásicos.



Figura 1: Aumento de temperatura adicional (o pérdidas) en función del factor armónico


La magnitud del calentamiento del rotor puede ser tolerada dependiendo del tipo de rotor implicado. La maquinaria con rotor devanado posee más posibilidades de verse seriamente afectada que las máquinas con rotor tipo jaula de ardilla.

Los armónicos de menor orden tienen efectos mayores que los de orden alto. Se ha demostrado que, para una distorsión del 5% de tensión, el segundo armónico tiene un efecto mayor en el incremento de temperatura que el quinto armónico con este mismo valor y para una distorsión del 10% de tensión, los armónicos de secuencia negativa tienen efectos mayores que los armónicos de secuencia positiva. Además, los armónicos menores al quinto tienen efectos mayores en el incremento de la temperatura para una misma distorsión.

1.3.- Pérdida de vida útil

La susceptibilidad de los motores a la distorsión de tensión, depende del tamaño y diseño del motor. La figura 2 muestra cómo los subarmónicos tienen efecto dramático en el envejecimiento térmico en un motor de 100 hp. No hay una curva universal de pérdida de capacidad para los motores, ya que el tamaño y el diseño afectan su pérdida de capacidad ante la distorsión armónica y desbalance. A medida que aumenta la distorsión, se incrementa la pérdida de vida útil en el motor.




Figura 2: Pérdida de vida útil del motor de 100 hp



La figura 2 muestra que con n = 0,1 p (donde n significa de secuencia negativa y p de secuencia
positiva), de magnitud 25%, se causa el mismo envejecimiento térmico que un 6% del quinto
armónico (figura 3). Ambos causan 18% de pérdida de vida útil.


Figura 3: Pérdida de vida útil de varios motores +
1% desbalance

1.4.- Pérdida de Potencia

La figura 4 muestra la pérdida de potencia para diferentes tamaños de motores, con aislamiento clase B, considerando que sólo existe el segundo armónico. Los motores de menor tamaño son más sensibles que los de mayor tamaño: a mayor distorsión, mayor es la pérdida de Potencia.

La pérdida de potencia se calcula según la fórmula:

Dónde:

Pp es la pérdida de potencia del motor
Psns es la potencia de salida del motor cuando se alimenta con una fuente no sinusoidal
Pss es la potencia de salida del motor cuando se alimenta con una fuente sinusoidal,
Psns / Pss es el factor de pérdida de potencia.


                Líneas discontinuas: motor enfriado radialmente y protegido contra goteo
                Líneas continuas: motor enfriado axialmente y totalmente cerrado.

Figura 4 Pérdida de potencia debido a distorsión de tensión armónica.


1.5.- Efectos en el Ruido acústico

Las fuentes de ruido acústico pueden dividirse en cuatro categorías: magnético, mecánico, aerodinámico y electrónico (figura 5).



 Figura 5: Clasificación de las fuentes de ruido en motores eléctricos

En sistemas industriales, los armónicos más importantes son el quinto, el séptimo y el undécimo. Generalmente, las fuerzas electromotrices de estos armónicos son suficientemente altas como para provocar ruidos considerables.

1.6.- Efectos sobre el par

El par en los motores de corriente alterna se produce como interacción del campo magnético en el entrehierro y las corrientes inducidas en el rotor.

Cuando el motor se alimenta con tensiones y corrientes no sinusoidales, el campo magnético en el entrehierro y las corrientes en el rotor contienen componentes de frecuencia armónicas.

Los armónicos pueden ser de secuencia positiva, negativa y de secuencia cero. Los armónicos de secuencia positiva (1, 4, 7, 10, 13, etc.) producen campos magnéticos y corrientes que giran en el mismo sentido de la fundamental. Los armónicos de secuencia negativa (2, 5, 8, 11, 14, etc.) desarrollan campos magnéticos y corrientes que giran en sentido opuesto a la fundamental. Los armónicos de secuencia cero (3, 9, 15, 21, etc.) no desarrollan un par útil, pero producen pérdidas adicionales en la máquina.

La interacción de los campos magnéticos de secuencia positiva y negativa producen oscilaciones torsionales en el eje del motor (ejemplo: bombas y compresores), provocando vibraciones y pares pulsantes que pueden afectar la calidad del producto donde las cargas de los motores son sensibles a estas variaciones.

En casos en los que se acopla una inercia significativa a la flecha del rotor, como en los grupos motor-generador, los armónicos eléctricos pueden excitar una resonancia mecánica. Las oscilaciones mecánicas producidas pueden causar fatiga de la flecha y envejecimiento acelerado de la flecha y de sus partes mecánicas conectadas.

1.7.- Factor de potencia y rendimiento

La figura 6 muestra la variación del factor de potencia en función de la distorsión armónica individual. Se observa que a mayor distorsión de tensión, más bajo es el factor de potencia, y que los armónicos de bajo orden tienen efecto mayor que los de alto orden para un valor dado de distorsión armónica. Los armónicos de secuencia negativa de menor orden (menor al quinto) tienen efecto mayor en el decrecimiento del factor de potencia que los de secuencia positiva y de secuencia cero.


Figura 6: Factor de potencia en función de la distorsión armónica


 La figura 7 muestra la variación del rendimiento en función de la distorsión armónica individual; el comportamiento es similar al factor de potencia.


Figura 7 Rendimiento en función de la distorsión armónica

1.8.- Efectos 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, estos pulsos de corriente circulan a través de los rodamientos y su descarga repetida puede desgastar de forma gradual los anillos guía de los rodamientos. 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 rodamiento 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 rodamientos. 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 rodamientos del motor interrumpe la ruta de la corriente de los rodamientos.

2.- Causas que pueden llevar el aislamiento 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 con 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. En algunos casos para preservar la vida útil de los motores, es necesaria la utilización de sistemas aislantes más complejos y costosos.

2.1.- Influencia del gradiente de potencial

Debido al rápido crecimiento del pulso de tensión (dV/dt) impuesto por el conversor 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 fenómenos aleatorios o eventuales sino que se producen en forma continua debido a la alta frecuencia de pulsación.

Los gradientes de potencial pueden ser agrupados en tres tipos diferentes:
  1. Contra masa que se presenta normalmente en el interior de las ranuras, entres los conductores y masa.
  2. Entre espiras que es función de la rapidez de crecimiento de cada pulso del tren de pulsos del inversor.
  3. Entre fases que depende de la diferencia de potencial entre conductores adyacentes de cada fase.
2.2.- 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.

2.3.- Descargas parciales

Se originan por la ruptura de la rigidez dieléctrica del aire contenido en espacios vacíos dentro del sistema aislante sólido de un motor, con formación de ozono y óxido nítrico.

También existen descargas parciales en la superficie de los aislantes denominadas descargas parciales de superficie.
La presencia de descargas parciales no significa un fallo inmediato del aislamiento.

Largas exposiciones de descargas parciales causan el deterioro de los materiales aislantes, donde el tiempo necesario para que se produzca un fallo (colapso del aislamiento) es función de las características del material aislante.

Cavidades con aire dentro del volumen de un material sólido o en las interfaces de superficies separadoras, constituyen una fuente de problemas importante para un sistema aislante, causando la degradación y posterior fallo del sistema aislante. La diferencia de la permisividad eléctrica del aire relativa a los materiales sólidos, facilita la formación de altos gradientes de potencial en los espacios de aire, que superando los valores límite provocan descargas parciales.

Adicionalmente puede ocurrir que debido a la presencia de impurezas un efecto de electrólisis con desplazamiento de cargas iónicas.

El tiempo de vida útil depende de la intensidad de las descargas parciales, de la tensión de inicio de las descargas, de los espesores de los materiales involucrados y de cada material en particular.

La parte recta de las cabezas de bobina que salen de las ranuras, presentan un punto delicado por donde pueden iniciarse las descargas parciales.

3.- Soluciones estructurales para paliar los efectos de los armónicos en motores

La solución a  estos problemas puede realizarse mediante modificaciones estructurales en el sistema de accionamiento o empleando filtrado externo. Las modificaciones estructurales pueden consistir en reforzar la alimentación, en emplear un accionamiento de 12 pulsos o más, en emplear un rectificador controlado o en mejorar el filtrado interno en el convertidor.

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 dimensionen 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.

También la rápida evolución tecnológica de la alimentación con variadores, debido a las mejoras en la forma de onda de salida de los inversores y reducción del contenido armónico, se ha logrado un aumento considerable del rendimiento de los motores, pero aparece un problema adicional relativo al sistema de aislamiento.

3.1.- Mejora del sistema de aislamiento en motores

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 dV/dt, pero su instalación debido a condiciones técnico-económicas está restringida para el proyecto 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.

3.2.- 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.

3.3.- 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.

3.4.-  Engrase de rodamientos

A velocidades muy bajas, el ventilador del motor pierde su capacidad de refrigeración. Si la temperatura de trabajo de los rodamientos del motor es  ≥ 80° C (se comprueba mediante la temperatura de superficie de los rodamientos de los escudos), deben utilizarse intervalos de engrase más cortos o grasa especial (grasa de presión extrema o engrase de altas temperaturas).

El intervalo de engrase debe dividirse a la mitad para cada aumento de 15° C en la temperatura del rodamiento por encima de + 70° C.

3.5.- Ruido electromagnético

Los componentes armónicos de la tensión del convertidor de frecuencia aumentan el nivel de ruido magnético del motor. La gama de frecuencia de estas ondas de fuerza magnética puede provocar resonancia estructural en el motor, especialmente en los de carcasa de acero.

El ruido magnético se puede reducir:
  • Aumentando la frecuencia de conmutación, ofreciendo armónicos de alto orden y amplitudes más bajas, menos sensibles al oído humano.
  • Filtrando los componentes armónicos en el filtro de salida del  convertidor o en reactancias adicionales.
  • Con silenciador de motor.
  • Con un sistema separado de refrigeración con un ruido de ventilador “blanco” que encubra el ruido magnético.
3.6.- 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.

3.7.- 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 rodamientos 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.




FUENTES:
  • Cummings, P. G. “Estimating the effect of systems harmonics on losses and temperature rise of squirrelcage motors”. En: IEEE, 32nd Petroleum and Chemical Ind. Conf. Houston, TX. Sept., 1985.
  • Fuchs, E. F. et al. “Aging of electrical appliances due to harmonics of the power systems voltage”. En: IEEE Trans. On Power Delivery. No. 3. July, 1986. pp. 301-07.
  • Emanuel, A. E. “Estimating the effects of harmonic voltage fluctuations on the temperature rise of aquirrelcage motors”. En: IEEE Trans. On Energy Conversion. Vol. 6. No. 1. March, 1991.
  • Sen, P. K y H. Landa. “Derating of induction motors due to waveform distortion”. En: IEEE Trans. Ind. Applicat. Vol. 26. No. 6. Nov./Dec., 1990.
  • Grajales, John; Ramírez, José; Cadavid, Diego: Efectos de los armónicos en los motores de inducción. Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia, núm. 31, junio, 2004.
  • Guía del Motor. ABB Motores.
  • Rodamientos SKF



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