Perturbaciones de armónicos en los variadores de velocidad y soluciones para evitar sus efectos

Hoy te traemos un tema muy interesante, a juzgar por el éxito que ha tenido nuestro webinar gratuito Armónicos: problemática y soluciones, celebrado el pasado marzo.

Muchos clientes de Grupo Elektra que pudieron asistir nos han hecho llegar su satisfacción por haber ampliado sus conocimientos en este campo. La verdad es que profundizar en esta materia, los problemas de las corrientes armónicas, es muy útil para todos aquellos profesionales que acostumbran a utilizar en sus proyectos variadores o convertidores de frecuencia VFD.

Controlando lo mejor posible la frecuencia de la forma de onda del variador de frecuencia se logra optimizar el consumo, y se evita la pérdida de energía, aunque puede ocasionar problemas en las instalaciones. Ayudar a ser más eficientes a nuestros clientes es uno de nuestros objetivos diarios, por eso hemos decidido compartir este artículo técnico sobre el tema, cuyo autor es nuestro compañero Quim Soler.

Con este contenido pretendemos asentar los conocimientos adquiridos por las personas que asistieron al webinar, y también contribuir a mejorar la formación y el servicio de quienes no pudieron disfrutar del mismo.

1.- Variadores de frecuencia

• Esquema de funcionamiento de un variador de frecuencia:
  • Los variadores de frecuencia están compuestos de una parte de rectificación (rectificador de 6 pulsos), de un bus de continua formado por un condensador para mantener la tensión y opcionalmente de una inductancia de línea, y un inversor trifásico

• Calcula y ajusta continuamente la V y f, proporcionando la potencia (velocidad y par) que necesita el motor
• Tensión de salida suministrada al motor (U-V-W): Modulación de Ancho de Pulso (PWM)
  • Mantiene la relación V/F constante
  • El motor recibe “V/f” proporcional a sus valores nominales, consiguiendo que desarrolle su trabajo aún a velocidades menores que lo normal y sin pérdida de par
  • Funcionamiento
    • Amplitud Vd = barra de voltaje DC (tensión bus continua)
    • El motor recibe esta forma onda de voltaje y consume corriente (Iu,Iv.Iw) casi sinusoidales
    • El promedio del voltaje eficaz Vuv depende el ancho de los pulsos
    • Frecuencia efectiva vista por el motor es 1/T
    • La velocidad de conmutación de los IGBT es 1/t → frecuencia portadora/conmutación
      • La frecuencia portadora de los IGBT se encuentra entre 2 y 16 kHz.
      • Una portadora con alta frecuencia reduce el ruido acústico del motor, pero disminuye su rendimiento y la longitud permitida del cable hacia el motor. Por otra parte, los IGBT generan mayor calor
      • Normalmente regulada a 4 kHz

2.- Perturbaciones y problemáticas alrededor de un Variador de Frecuencia

• En los variadores de frecuencia aparecen tres tipos de problemáticas:
• Distorsión armónica: armónicos de corriente en la línea de alimentación, producidos por el puente rectificador
• Emisiones alta frecuencia (ruido eléctrico): conmutación de los IGBT en el puente inversor
• Perturbaciones en la salida
  • PWM: dv/dt (variación rápida de la tensión en muy poco tiempo)
  • Picos/transitorios de tensión

2.1.- Armónicos generados por el rectificador de 6 pulsos

Existen dos posibles configuraciones de los variadores, ligadas a la existencia o no de inductancia en el bus de continua:

• Sin inductancia en el bus de continua:
  • En este caso, las corrientes consumidas tienen alta presencia de armónicos, pudiendo ser su THDI(%) superior al 100%
  • Típicamente la corriente consumida (entrada) i (color blanco) tiene la siguiente forma de onda

• Está compuesta de una componente activa ia (verde), que es la corriente sinusoidal a 50 Hz en fase con la tensión, la única implicada en transferencia real de potencia de la red a la carga
• Y de un componente “armónica” ib (roja), compuesta de los armónicos de corriente 5º-7º-11º-13º-17º-19º-23º-25º (frecuencias superiores despreciables)

• Con inductancia en el bus de continua

• La inductancia Ldc en el bus de continua, atenúa las componentes armónicas, reduciendo la THDI (%) hasta valores alrededor del 40%
• Típicamente la corriente consumida (entrada) i (color blanco) tiene la siguiente forma de onda

• Con un espectro de armónicos parecido a:

En cualquiera de los dos casos, las corrientes consumidas tienen alta presencia de corrientes armónicas.

2.2.- Emisiones de altas frecuencias (EMI)

• Armónicos: 150 Hz a 2,5 kHz (armónicos 3º a 50º)
  • No producen perturbaciones de CEM/EMI
• Conmutación de los IGBT: altas frecuencias (4 kHz a 16 kHz)
  • Producen ruido conducido: hasta 30 MHz
  • Las emisiones conducidas de alta frecuencia (150 kHz a 30 MHz) están reguladas

2.3.- Perturbaciones en la salida de los variadores

• Variación rápida de la tensión en nanosegundos: dV/dt

• Por ejemplo, provocan la circulación de corrientes a través de las capacidades parásitas (grandes longitudes de cables)

• Picos de tensión: la modulación de ancho de pulso no es una tensión lineal, sino que tiene flancos
  • Estos flancos de tensión distorsionan la onda de corriente que alimenta el motor, perjudicando su vida útil

3.- Armónicos en la entrada de los variadores

• El problema de las corrientes armónicas que consumen los variadores, es cómo pueden llegar a afectar al resto de la instalación
• La fuente de alimentación transforma estas corrientes armónicas en tensiones armónicas por medio de su impedancia Z(Ls) interna, provocando la distorsión de la forma de onda de tensión (en el Punto de Conexión Común)
• Esta tensión armónica conducida por la red es la que genera perturbaciones en otros receptores

• Los armónicos de tensión se deben a la caída de tensión que producen los armónicos de corriente sobre las impedancias de la red de distribución
  • Nivel de emisión de los receptores: a mayor emisión, mayor distorsión, debido a la caída de tensión producida por las corrientes armónicas en la red
  • Impedancia de red: a mayor impedancia, mayor caída de tensión para el mismo valor de emisión en los receptores
• Para “limitar” esta emisión y la compatibilidad, existen varias normas de referencia, ligadas al conjunto de normas de la CEI61000 (Calidad Eléctrica y compatibilidad CEM)
  • Inmunidad: CEI/EN 61000-2
    • CEI/EN 61000-2-2: Entorno. Compatibilidad en redes suministro BT
    • CEI/EN 61000-2-4: Entorno. Compatibilidad en instalaciones industriales (clase 1-2-3)
  • Emisión: CEI/EN 61000-3
    • Parte 3-2: Límites para cargas monofásicas y trifásicas I≤16A, conectadas a redes públicas
    • Parte 3-4: Límites emisiones para equipos I>16A, conectadas a redes públicas
    • Parte 3-12: equipos conectados a redes públicas con I>16 A y I<75A
    • Limitan emisión armónicos
• También se usa como norma de referencia
  • IEEE-519 (Institute of Electrical and Electronics Engineers): Prácticas y requisitos recomendados para el control de armónicos en sistemas de energía eléctrica

Las normativas CEI hacen referencia a equipos conectados a la red pública de distribución. En instalaciones privadas, es decisión del usuario la eliminación/filtrado de corrientes armónicas, para evitar problemas en el resto de la instalación (THDU(%)<5%) , y para ello pueden usarse los criterios de dichas normas.

Como criterio general es altamente improbable que los variadores comercializados cumplan con los límites de dichas normas, con lo cual se considera imprescindible una solución de atenuación y/o filtrado.

4.- Problemática a la salida de los variadores

• Excesivo dV/dt: saltos de tensión en relación al tiempo
  • Alta frecuencia de conmutación. Los nuevos IGBT se miden hasta 12kV/ms
    • Normalmente los motores aceptan hasta 1000V/ms
  • Longitudes cable motor cortas (cerca de 20 m)
    • Estos tiempos de subida -debido a la pequeña impedancia de la línea- actúan plenamente sobre el aislamiento de los devanados del motor. Dependiendo de la estructura de las bobinas del motor, los cables que llevan la tensión total se sitúan inmediatamente en paralelo y uno al lado del otro. Dado que incluso los cables muy cortos colocados en paralelo tienen una acción de capacidad, los saltos de potencial permanentes dan como resultado pérdidas por inversión de polos a través del aislamiento del devanado
    • Ahora bien, si el aislamiento de esmalte es impuro incluso en un grado muy pequeño, esto da lugar a puntos calientes y, por lo tanto, tarde o temprano, a la destrucción del aislamiento del devanado
    • Afecta a la vida útil del motor, en particular cuando un motor viejo se alimenta con un variador

• Picos y sobretensiones:
  • Sobre-impulsos de voltaje y los picos de voltaje pueden tener valores altos de dv/dt, pero también son un problema en sí mismos
  • Debido a la estructura del cableado el motor actúa como un condensador (circuito equivalente)
    • El efecto aumenta con la longitud del cable
  • Pueden llegar a perforar los aislamientos de las bobinas de los motores

• Pérdidas adicionales en el motor
  • Armónicos en la corriente de salida, provocados por estos picos de tensión. La corriente de salida no es senoidal perfecta

• Pérdidas magnéticas adicionales: reducción de la vida del motor por aumento de la temperatura

5.- Soluciones para evitar las problemáticas

Se plantean las soluciones para cada una de las tres problemáticas comentadas:

• 5.1.- Armónicos en la entrada
  • Inductancias de línea
  • Filtros pasivos de entrada
  • Filtros activos
• 5.2.- Perturbaciones a la salida del variador
  • Inductancias de carga/motor
  • Filtros dv/dt
  • Filtros sinusoidales de salida
• 5.3.- Perturbaciones alta frecuencia
  • Filtros CEM

5.1.- Armónicos en la entrada

5.1.1.- Inductancias de línea

• Filtrado de armónicos, sobre todo los de alta frecuencia (11º,13º)
  • La solución más optimizada coste/efectividad
• Evita sobretensiones en los convertidores de frecuencia
  • Transitorios provocados por los convertidores
  • Mal atribuidos a los armónicos (se instalan soluciones más costosas)
  • Instalación sencilla:
    • No depende de ningún parámetro de la instalación
    • Se seleccionan acorde a la potencia del motor al cual suministra el convertidor
    • Una por motor

• Incorporación de inductancias de choque (filtros L) a los rectificadores
  • Si se equipan los rectificadores con filtros de choque, la corriente de entrada será una onda semicuadrada
  • La gran mayoría de variadores de velocidad no los incorporan, por lo que la producción de armónicos es elevada
  • Si no se instalan en el bus de continua, se deben añadir en la parte alterna
  • Estas bobinas deben representar una caída de tensión entre el 3% y el 5% de la representada por la carga
  • Bobinas en la parte de alterna Lac

• Reducción de las corrientes armónicas hasta cerca del 30%/40%
• Recomendaciones
  • Alimentación con perturbaciones procedentes de otros equipos
  • Alimentación con tensión desbalanceada >1,8%
  • Instalación de un gran número de convertidores de frecuencia en la misma alimentación
  • Reducción de las sobrecargas en las baterías de condensadores (si las hubiera)
  • Drive alimentado por una fuente con baja impedancia: vecindad con un transformador 10 veces más potente que la nominal del drive
  • Reducción leve de las corrientes armónicas
    • Solución de compromiso coste/eficiencia

5.1.2.- Filtros pasivos de entrada

• Están construidos por inductancias y condensadores (LCL)
  • Inductancia entrada Li, inductancia de salida Lo (cuando no está en el bus de cc del variador, normalmente presente en variadores de gran potencia) en serie
  • Rama LC en paralelo
    • Provoca un camino de baja impedancia para determinadas frecuencias (p.e para 5º armónico)

• Diseño de los filtros: los filtros pasivos se diseñan para el filtrado de cada uno de los armónicos a filtrar. En los variadores (rectificador de 6 pulsos) el espectro de armónicos es conocido, con lo cual se pueden diseñar de forma “estandarizada” para filtrar la corriente armónica ib, con prestaciones cercanas al filtro armónico ideal
• Esta corriente armónica va ligada a la potencia del motor, con lo cual, los criterios de selección son sencillos:
  • Tensión/frecuencia de funcionamiento
  • Potencia del motor
• Las corrientes armónicas se reducen hasta conseguir
  • THDI (%) entre 3,5%-5% (filtros de altas prestaciones)
  • THDI (%) entre 10-15% , para filtros “económicos”
• Instalación directa a la entrada de la carga no lineal (o grupos)

5.1.3.- Filtros activos

• Monitorización permanente de las cargas no lineales
• Suministra dinámicamente corriente controlada y precisa
  • De la misma amplitud
  • Inyectada en fase contraria
• Esto cancela las corrientes armónicas: se consiguen THDI < 5%
• Aplicación a una carga simple o a un grupo de cargas
• Compensa Energía Reactiva y corrige factor de potencia
• Selección
  • Dimensionamiento a partir de los parámetros sin filtro
  • A partir de la Ib (corriente armónica) → la corriente de compensación necesaria (normalmente no se conoce)
  • Se puede obtener:
    • Medición armónicos: Ib=√(I52 + I72 + I112 + …)
    • Fórmula
      • I : corriente rms de la línea
      • P: potencia en kW de la carga
      • Up-n = tensión fase-neutro

5.2.- Perturbaciones a la salida del variador

5.2.1.- Inductancias de carga / motor

• Reducción de la salida de tensión dv/dt del drive (de los IGBT)
• Reducción de la temperatura del motor
• Protección del aislamiento de las bobinas de motor (destrucción y envejecimiento)
• Aumento de vida motor
• Solución compacta y económica
• Solo válidas para longitudes cortas de cable
  • Longitud máxima en función de la frecuencia de conmutación y tensión
• Aplicaciones típicas: Servodrives
  • Robots
  • Manutención
• Selección en función de la potencia del motor
• Los fabricantes dan las longitudes máximas de cable (apantallado o no) entre el variador y el motor, para no necesitar instalar inductancia

5.2.2.- Filtros dv/dt

• Filtros pasa-bajos:
  • Consisten en inductancias y condensadores
• La amortiguación se realiza por las inductancias auto-amortiguadoras (usan las pérdidas de la inductancia o mediante resistencias de amortiguación)

• Beneficios: reduce dv/dt de los pulsos y los picos de tensión en los terminales del motor→ mayor tiempo de vida del motor
  • Según EN60034 se admiten 500 a 1000 V/ms

• Permite mayores longitudes de cable entre variador y motor

5.2.3.- Filtros sinusoidales de salida

• Filtros pasa-bajos modo diferencial
• Supresión de la frecuencia de conmutación desde el drive
• Suavización de la tensión de salida del drive para convertirse en sinusoidal
• Reduce estrés del aislamiento del motor y corrientes portantes
• Reducción del ruido de la conmutación proveniente del motor
• Prolongación vida del motor
• Permiten mayores longitudes de cable entre el variador y el motor

Los distintos fabricantes de variadores realizan las recomendaciones de usar cualquiera de estas tres últimas soluciones, en función de la longitud del cable del variador al motor.

Por ejemplo, Schneider Electric:

Y Siemens, para alguno de sus equipos:

5.3.- Perturbaciones alta frecuencia (EMI/CEM)

5.3.1.- Filtros CEM

• La norma EN61800-3, norma CEM para sistemas de accionamiento de potencia PDS habla de dos entornos de instalación en cuanto a los Power Drive Systems
  • Primer entorno:
    • Incluye las instalaciones domésticas, así como los establecimientos directamente conectados a través de un transformador intermedio a una red de alimentación de baja tensión que alimenta a los edificios empleados con fines domésticos
  • Segundo entorno:
    • Incluye todos los establecimientos que no son los que están directamente conectados a la red de alimentación de baja tensión que alimenta a los edificios empleados con fines domésticos

• La norma UNE-EN55011 (características de las perturbaciones radioeléctricas en los equipos industriales), establece los límites de emisión, definiendo:
  • Clase A: equipos para usar en segundo entorno
  • Clase B: equipos para usar en primer entorno
• Las emisiones conducidas de alta frecuencia se reducen/amortiguan mediante el uso de filtros RFI (conocidos por filtros CEM)
• Categoría de los dispositivos, en función del entorno en el que se instalan

• Los distintos fabricantes de variadores ofrecen productos que pueden llevar incorporados algún tipo de filtro CEM:
  • Como ejemplo, para los variadores Altivar Process de Schneider

• Para los filtros equipos que no llevan incorporados estos filtros, pueden instalarse filtros CEM adicionales

• Existen fabricantes especialistas en soluciones de filtrado CEM para variadores, con esquemas eléctricos típicos

• Se seleccionan en función de la tensión y corriente nominal
  • Y de las prestaciones de atenuación (estándar, altas, muy altas)

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Bibliografía:

• Documentación técnica y catálogos Schaffner
• Catálogos Schneider Electric y Siemens