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:
- 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.
- 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.
- 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:
- Contra
masa que se presenta normalmente en el interior de las ranuras, entres
los conductores y masa.
- Entre
espiras que es función de la rapidez de crecimiento de cada pulso del
tren de pulsos del inversor.
- 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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