Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos

miércoles, 10 de julio de 2019

Influencia de los armónicos en cables de potencia

Los cables por los que circula corriente alterna se ven sometidos, a causa del campo magnético creado por la propia corriente a una disminución de su capacidad de transportar corriente debido a que esta tiende a circular por la periferia del conductor. Este fenómeno se conoce con el nombre de efecto pelicular o efecto “skin”. Si este conductor está cerca de otros conductores la corriente tiende a circular por una zona de la periferia, es el llamado efecto proximidad.

Ver post: El efecto Pelicular (skin) y de Proximidad en conductores eléctricos, en el siguiente link: https://imseingenieria.blogspot.com/2016/12/el-efecto-pelicular-skin-y-de.html

Estos dos efectos llevan a un aumento de la resistencia efectiva del cable y a una disminución de la sección efectiva del mismo. La importancia de estos fenómenos es baja a frecuencias pequeñas pero aumenta a medida que la frecuencia es más elevada. Este aumento de la resistencia con la frecuencia se suma al aumento de la reactancia lo que hace que las caídas de tensión sean proporcionalmente mayores cuanto más elevado es el orden de los armónicos. De aquí se desprende que el incremento de resistencia que ofrece un conductor al paso de la corriente alterna y, por consiguiente, su calentamiento, es proporcional al cuadrado de la frecuencia de dicha corriente.

Este incremento del calentamiento en los conductores representa un riesgo de incendio en lugares no previsibles de la instalación donde, circunstancialmente, se encuentran puntos en los que la disipación del calor generado en los cables no sea todo lo eficaz que sería deseable.

Todo esto se traduce, en el mejor de los casos, en un elevado consumo de energía eléctrica y un mayor riesgo de averías, lo que incrementa notablemente el costo del funcionamiento general de la instalación debido a los armónicos y por supuesto, su mantenimiento.

Por tanto, una precaución elemental será no mostrarse excesivamente conservadores en el dimensionado de la sección de los conductores, en particular la sección del neutro, y cuando en una instalación se prevea la posibilidad de la presencia de una elevada tasa de distorsión armónica, o una vez terminada la instalación, las mediciones efectuadas sobre ésta la pongan en evidencia, verificar si no sería más rentable la utilización de filtros activos o pasivos en los elementos generadores de estos armónicos o en los puntos de concentración de los mismos que neutralizaran los armónicos generados y en consecuencia las pérdidas.

Calentamiento de los cables

Aunque, en general, las secciones de los cables se suelen proyectar y construir con cierta generosidad, puede darse el caso de encontrar instalaciones en las que existan elementos de protección de intensidad superior a la que puede soportar el cable en el modo de instalación definido.

Como sabemos, debe de existir una relación entre la intensidad de servicio requerida por el receptor, la de funcionamiento del dispositivo de protección y la máxima intensidad permanente que puede transportar la canalización que alimenta dicho receptor, de tal manera que el citado dispositivo de protección (fusible o interruptor automático) actúe protegiendo la canalización contra cualquier sobrecarga.

Esta situación no suele presentarse en instalaciones nuevas, pero puede presentarse en instalaciones antiguas en las que se ha aumentado la potencia y naturaleza de los receptores, y se han modificado los interruptores automáticos porque disparaban intempestivamente, pero sin cambiar la sección de los cables, sin considerar la mayor potencia instalada y la eventual presencia de armónicos generados por equipos modernos con componentes electrónicos.

Un caso parecido se presenta cuando, como consecuencia de posteriores ampliaciones, se ha ido conectando receptores monofásicos en alguna de las fases, sin tener en cuenta el mantenimiento de un adecuado equilibrio de cargas, dando lugar a sobrecargas excesivas en el neutro, lo que también puede provocar disparos intempestivos de las protecciones y un excesivo calentamiento de los cables.

Sección de los conductores

Uno de los efectos más importantes de las corrientes armónicas es el incremento del valor de la corriente que puede circular en una instalación trifásica.

EJEMPLO:

Intensidad del armónico fundamental: 225 A

Intensidad del tercer armónico: 183 A 81,3%

Intensidad del quinto armónico: 152 A 67,6%

Intensidad del séptimo armónico: 118 A 52,4%

La corriente Ieff que circula por cada conductor de fase será la suma geométrica de cada armónico:

Esto es, 1,55 veces la intensidad fundamental

La corriente que circula por el neutro es igual a la suma aritmética (por estar en fase los armónicos homopolares) de las intensidades de los armónicos de tercer orden que circulan por cada fase, es decir:

3 x 183 = 549 A

Esto es, 2,44 veces la intensidad fundamental

Una intensidad de servicio de 225 A sin armónicos, implica tres conductores activos (instalación al aire) de 70 mm² con neutro de 35 mm² del tipo AFUMEX 1000 (RZ1-R).

Los valores de las corrientes armónicas del ejemplo obligan a utilizar secciones de:

150 mm² para los conductores de fase (I = 385 A)
300 mm² para el conductor neutro ( I = 615 A)

Sobredimensionado de los cables

Por todo lo indicado, la circulación de corrientes armónicas puede exigir un sobredimensionamiento de los cables, además del sobredimensionamiento requerido por la mayor intensidad global que recorre el cable hay que tener en cuenta el aumento de la resistencia óhmica debido a las pérdidas por corrientes de Foucault ocasionadas por la variación del flujo magnético, lo que provoca la circulación de una corriente adicional cuya intensidad es proporcional a la frecuencia de las corrientes armónicas.

No se ha citado el problema añadido de las pérdidas en las armaduras metálicas de hierro de los cables dotados de esta protección mecánica, estudiadas con detalle en la norma UNE 21.144. Por tanto, como primera medida de precaución general, es aconsejable adoptar la sección inmediatamente superior a la que se deduce de la simple inspección de las tablas de carga a partir de la intensidad calculada en base a la potencia requerida por los receptores alimentados por la canalización estudiada.

En el post: Influencia de los armónicos en motores, disponible en el link: https://imseingenieria.blogspot.com/2019/07/influencia-de-los-armonicos-en-motores.html se analizaron los efectos causados por los armónicos en motores y las repercusiones de su alimentación con convertidores de frecuencia que emplean tecnología con inversores IGBT, seguidamente analizamos las repercusiones que tiene el cable que alimenta al motor.

Dada la alta velocidad y frecuencia de conmutación de los transistores IGBT, el cable entre variador y motor puede propiciar dos problemas. En el extremo del cable conectado a los bornes del motor, se generan sobretensiones por cada conmutación de los transistores que pueden alcanzar valores que atentan contra el aislamiento de los bobinados del motor. También, se generan fugas a tierra que aumentan la corriente a la salida del motor que pueden alcanzar valores tan altos que pudieran ser confundidos con corrientes de cortocircuito. Cuanto más largo y capacitivo es el cable utilizado, estos fenómenos son más importantes.

Para reducir sus efectos, se recomienda utilizar filtros de salida.

Figura 1: Esquema básico de un variador de frecuencia conectado a un motor

La longitud del cable puede suponer un problema

En los motores conectados a variadores de velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable Speed Drive), la combinación de transistores de conmutación rápida y cables de motor largos puede provocar una sobretensión temporal en la conexión de los terminales del motor. En casos extremos, los picos de sobretensiones pueden envejecer prematuramente el aislamiento del bobinado del motor, provocando el fallo total del motor.

Figura 2: El impacto de los cables del motor de gran longitud puede manifestarse

en situaciones de sobreintensidad y sobretensión

Consecuencias de las condiciones de sobretensión y sobreintensidad

Efectos sobre el variador de velocidad (VSD):

El principal riesgo de la sobrecorriente en un VSD es un fallo de cortocircuito. El pico de corriente capacitiva también puede provocar que aumente la temperatura del transistor de potencia, y esta temperatura por encima de lo normal puede reducir la vida útil del VSD.

Efectos en el cuadro eléctrico:

Las perturbaciones provocadas por los cables largos y por las interacciones del motor crean una corriente de circulación de alta frecuencia con la tierra que pueden perjudicar a los aparatos conectados a la misma red. Las corrientes de alta frecuencia también generan emisiones radioeléctricas que pueden perjudicar a los dispositivos electrónicos que se encuentren cerca del recorrido del cable del motor.

Efectos sobre el motor:

La sobretensión en el terminal del motor puede producirse entre dos bobinados del motor. Dependiendo de la clase de aislamiento del bobinado, pueden producirse descargas parciales y el envejecimiento del aislamiento, lo que hará que el motor acabe por fallar.

Efectos secundarios de los cables largos de motor:

En las aplicaciones estándar, la sobretensión se produce cuando el cable del motor supera los 32 pies (10 metros) de longitud. Cuanto más largo es el cable del motor, mayor será la sobretensión, un efecto que se amplifica con un cable apantallado. El cálculo correcto de la longitud de los cables ayuda a proteger el VSD frente a cualquier disparo inesperado.

Otro efecto secundario es la degradación de los cojinetes del motor, causada por la tensión que genera el inversor del VSD y que inyecta corriente de alta frecuencia en los cojinetes del motor.

Figura 3: Cuanto mayor sea la longitud de los cables entre el variador y el motor mayor será el pico de tensión en el terminal del motor.

Cuatro medidas preventivas

Pasadas por alto a menudo en la planificación del diseño, estas medidas pueden ayudar a evitar la sobretensión y los efectos relacionados.

· 1. Para obtener unos resultados más fiables, 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 la “superposición” de una situación de reflexión de tensión.

Figura 4: Impacto del software en la prevención de una situación de doble transición.

· 2. Instaladas en un equipo accionado por motor para limitar la corriente de arranque, las reactancias de salida se oponen a los cambios rápidos de intensidad, reduciendo el dV/dt (tiempo de aumento de la tensión en la salida del accionamiento) y el pico de tensión. El resultado depende del tipo de cable y de la longitud. Sin embargo, esta opción requiere de una cuidadosa selección del dispositivo, ya que las reactancias pueden extender la duración de la sobreintensidad cuando la señal electrónica exceda su objetivo.

· 3. Un filtro de salida dV/dt es la solución más rentable para garantizar la protección del motor y reducir el impacto de la sobreintensidad en el VSD. Este filtro minimiza el efecto de las sobretensiones y de la fuga capacitiva entre fases y de fases a tierra, y funciona con la mayoría de los motores y con cualquier cable.

· 4. Un filtro senoidal diferencial (un tipo especial de filtro de paso bajo) suprime el efecto de sobretensión y reduce las perturbaciones de compatibilidad electromagnética (CEM). Si se asocia a un filtro común, este filtro también suprime las corrientes en los cojinetes y reduce las perturbaciones CEM conducidas hasta la alimentación. Ofrece la solución más robusta para evitar problemas de conexión entre el VSD y el motor y resulta rentable con cables de motor largos (sin apantallado).

Figura 5: Diagrama del modo de funcionamiento de un filtro senoidal

Entre las buenas prácticas para la protección de los VSD y de los motores se incluye:

Especificar un motor diseñado para aplicaciones con variación de velocidad
Especificar VSD que integren la supresión de software con superposición de la reflexión de la tensión
Minimizar la distancia entre el motor y el VSD
Usar cables no apantallados, si es posible; con cables apantallados, se calcula como si la longitud fuese el doble.
Reducir la frecuencia de conmutación del VSD

Siguiendo estos pasos, un cable de 984 pies (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.

Nota: Cuando se calculen longitudes de cables con el propósito de garantizar la protección frente a situaciones de sobretensión, 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.

La selección de las medidas preventivas adecuadas depende de las características del motor y de la longitud del cable.

Figura 6: Límites de longitud de cables para diferentes tipos de motor

FUENTES:

Ángel Alberto Pérez Miguel, Nicolás Bravo de Medina, Manuel LLorente Antón: "La amenaza de los armónicos y sus soluciones"
Norma UNE 21144-1-2:1997: Cables eléctricos. Cálculo de la intensidad admisible. Parte 1: Ecuaciones de intensidad admisible (factor de carga 100%) y cálculo de pérdidas. Sección 2: Factores de pérdidas por corrientes de Foulcault en las cubiertas en el caso de dos circuitos en capas.
Schneider Electric: Un enfoque mejorado para la conexión de variadores de velocidad y motores eléctricos (Heu Vang, Marco Chiari)

POSTS RELACIONADOS:

Influencia de los armónicos en motores

https://imseingenieria.blogspot.com/2019/07/influencia-de-los-armonicos-en-motores.html

Efectos de las perturbaciones de tensión en la alimentación de motores

https://imseingenieria.blogspot.com/2015/11/efectos-de-las-perturbaciones-de.html

Influencia de los condensadores en redes con armónicos

http://imseingenieria.blogspot.com/2015/07/influencia-de-los-condensadores-en.html

Influencia de los armónicos en Transformadores

https://imseingenieria.blogspot.com/2019/06/influencia-de-los-armonicos-en.html

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:

P_p es la pérdida de potencia del motor

P_sns es la potencia de salida del motor cuando se alimenta con una fuente no sinusoidal

P_ss es la potencia de salida del motor cuando se alimenta con una fuente sinusoidal,

P_sns/ P_ss 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.