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.
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.
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)
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