La
longitud del cable puede crear sobretensiones transitorias debidas al
fenómeno de Onda reflejada en los terminales del motor.
La flexibilidad de control, la eficiencia energética y la reducción de costes de mantenimiento son algunos de los beneficios mejor documentados de los variadores de velocidad en entornos industriales.
Los avances en la tecnología de
componentes electrónicos de potencia han permitido un incremento en la
frecuencia de conmutación y la reducción de las pérdidas de energía. Los
transistores IGBT se emplean habitualmente en situaciones caracterizadas por
frecuencias de conmutación de hasta 16 kHz y frecuencias de salida del motor de
hasta 1 kHz.
Figura 1: Esquema
básico de un variador de frecuencia conectado a un motor
En la mayoría de situaciones, cuanto
mayor sea la frecuencia de conmutación menor será el rizado de la intensidad de
salida del motor. Para compensar las pérdidas, los IGBT realizan la conmutación
a gran velocidad (hasta 1 µs). La combinación entre esta alta velocidad de
conmutación y la utilización de cables de gran longitud entre el variador de
velocidad y el motor da lugar a uno de los principales problemas que surgen con
esta tecnología, el denominado fenómeno
de onda reflejada en el que se manifiestan elevados picos de sobretensión
(figura de cabecera), y por tanto, pueden provocar daños en el devanado del
motor.
La onda reflejada se considera similar a
lo que sucede en una línea de transmisión eléctrica, cuando se dan relaciones
diferentes entre las impedancias de la carga y la línea se pueden dar voltajes
reflejados hacia la carga.
Cuando la impedancia del motor y el cable son iguales, el acoplamiento es perfecto, y por tanto, el fenómeno no se presenta.
En aplicaciones estándar, se generarán
situaciones de sobretensión si el cable de motor excede los 10 metros de
longitud. Cuanto más largo sea el cable de motor, mayor será la sobretensión
generada (ver Figura 2). La utilización de cables apantallados amplificará este
efecto negativo, la longitud de los cables apantallados se considerará como el
doble de la longitud de los cables sin apantallar. Por ejemplo, un cable
apantallado de 100 metros de longitud real pasaría a considerarse como equivalente
a un cable estándar de 200 m de longitud a efectos de estos cálculos.
Figura 2: Cuanto mayor sea la longitud de los cables entre el variadory el motor mayores serán los picos de tensión en el terminal del motor.
Medidas preventivas
Para mitigar los efectos del fenómeno de
0nda reflejada se recomiendan las siguientes medidas preventivas:
1. Especificar
motores diseñados para aplicaciones con variación de velocidad, se recomiendan
motores normas IEC60034-25 clase B o NEMA 400 V.
2. Minimizar la
distancia entre el motor y el VSD (Variable Speed Drive).
3. Usar cables no
apantallados, si es posible; con cables apantallados, se calcula como si la
longitud del cable fuese el doble.
4. Algunos VSD cuentan
con una protección de software preconfigurada. Con este software, los VSD
integran un control del motor que evita la “doble transición”, y establece un
tiempo mínimo entre pulsos de tensión para evitar las situaciones de
reflexiones de tensión.
5. Uso de reactancias
de línea a la salida y entrada del variador, la combinación entre una
reactancia de motor y la capacitancia parásita del cable de motor reducirá los
valores de dV/dt y los picos de tensión. Este efecto dependerá del tipo y
longitud del cable. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que teóricamente las
reactancias podrían ampliar la duración de rebasamiento (cuando una señal
electrónica excede su objetivo) si se selecciona una reactancia de salida
inadecuada.
6. Los filtros de
salida dV/dt son la solución más rentable para garantizar la protección del
motor. 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.
7. Utilización de
un filtro senoidal (fig. 3). 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).
Figura 3: Diagrama del
modo de funcionamiento de un filtro senoidal
Siguiendo estos pasos, un cable de 300
metros o más corto funcionará sin necesidad de opciones adicionales. Para
aplicaciones que implican cables más largos, niveles de aislamiento del motor
desconocidos, o motores no estándar, un filtro de salida dV/dt o un filtro
senoidal son la mejor medida preventiva.
FUENTE:
Schneider Electric: Un enfoque mejorado
para la conexión de variadores de velocidad y motores eléctricos (Heu Vang y
Marco Chiari)
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