Artículo técnico: Problemas con los armónicos generados por los variadores de velocidad

Nuestro compañero Quim Soler, responsable del área de Componentes Industriales de Grupo Elektra, nos regala un magnífico artículo técnico sobre variadores de velocidad, donde te cuenta los problemas más habituales que generan, así como sus posibles soluciones.

Una excelente información práctica para sacarle el mayor partido posible a este tipo de soluciones. Recuerda que para acertar en tus proyectos puedes utilizar el configurador de variadores de velocidad de nuestra web de clientes.

1. Preguntas frecuentes

• ¿Instalas variadores de velocidad en tus cuadros eléctricos?
  • ¿Hay muchos variadores o son éstos de potencias elevadas?
• ¿Sabes qué son los armónicos y los problemas que producen en las instalaciones?
• ¿Eres consciente qué los variadores de velocidad son grandes generadores de corrientes armónicas?
  • ¿Has tenido problemas de calidad de onda en tus equipos o han afectado tus equipos a la instalación?
• ¿Conoces las normativas de emisión de armónicos?
  • Los armónicos que se pueden generar en los distintos equipos están limitados por normas
• ¿Eres consciente que cuando se instalan variadores de velocidad se necesitan soluciones de filtros de armónicos para poder cumplir con estas normativas?
  • Imprescindible en los equipos eléctricos (cuadro de control) de máquinas y/o procesos industriales
• ¿Quieres evitar problemas a tus equipos y a tus clientes?
  • ¿Y que no te exijan modificar tu cuadro eléctrico?

Si quieres conocer un poco más sobre esta problemática, este documento te servirá de ayuda.

2. Composición de los variadores de velocidad

Los variadores de velocidad constan de una primera etapa que es un rectificador CA/CC, normalmente constituido por un puente de 6 diodos. Se genera un bus de cc que carga un condensador. Este bus puede llevar una inductancia, que alisa la forma de onda de la tensión en cc (disminuyendo algo la presencia de armónicos). Desde el bus de cc, se alimenta el inversor a través del cual regulamos la forma de onda de tensión (PWM) que alimenta el motor, variando su amplitud y frecuencia.

3. Corriente

Un variador de velocidad, alimentado por una tensión sinusoidal de 50 Hz, tiene estas formas de onda (color rojo en los gráficos adjuntos), en función de los elementos que incorpore.

• Debidas al funcionamiento del puente rectificador de diodos
• Y como se observa, con forma de onda claramente no sinusoidal

4. Armónicos

• Cualquier forma de onda se puede (por ejemplo, la onda negra del gráfico adjunto, o la roja vista anteriormente) descomponer en la suma de formas de onda sinusoidales de frecuencias superiores
• Estas formas de onda son los armónicos:
  • Los armónicos se caracterizan por su frecuencia y su amplitud: el llamado espectro armónicos
  • En electricidad, frecuencia múltiplo de 50 Hz:
    • Fundamental:               1º (50Hz)
    • Armónicos orden par:   2º (100Hz), 4º (200Hz),..
    • Armónicos impares:     3º (150Hz), 5º (250 Hz),…

5. Armónicos en un variador de velocidad

• A parte del espectro de armónicos, la presencia de armónicos de corriente en el consumo de un variador puede valorarse por el:
  • Peso de las corrientes armónicas en relación a la onda fundamental àtasa total de distorsión armónica THD(I)%

• La corriente consumida por los variadores de velocidad tiene gran presencia de armónicos (rango 5º, 7º ,11º ,13º, 17º…)  y THD(I)% muy elevadas. Su amplitud varía en función de la potencia y los equipos que incorpora el variador (por ejemplo, inductancia en el bus de continua, o inductancia en la entrada del rectificador,..)
  • Ejemplo de armónicos generados por un variador ATV320, en el que se ve que las tasas de distorsión armónica de corriente superan el 140%

6. ¿Qué está regulado/normalizado en relación a las perturbaciones de más de 50 Hz?

• Los armónicos tienen frecuencias entre 50Hz (onda fundamental 1º) y 2,5 kHz (armónico 50º), y su emisión y compatibilidad frente a ellos está regulada:

• Hay normas que limitan la emisión de corrientes armónicas: serie de normas CEI EN 61000-3
• Normas de compatibilidad: que dan los límites de funcionamiento de equipos en instalaciones con tensiones armónicas (serie de normas CEI EN 61000-2)
• Normas internacionales de control de armónicos IEEE-519
• Normas de calidad de suministro eléctrico: UNE EN 50160
• Normativa específica para Power Drives Systems (variadores)

• Lo que está claro y comprobado es que los armónicos son un problema para las instalaciones y equipos eléctricos de máquinas. Por eso aparecen estas normativas, para regular los consumos de armónicos, y determinar la distorsión máxima de la onda de tensión para el correcto funcionamiento de los equipos

7. Principales problemas que generan las corrientes armónicas

Dentro de los principales problemas provocados por las corrientes armónicas, quizás el más importante es que deforman la onda de tensión:

• La fuente de alimentación transforma estas corrientes armónicas en tensiones armónicas por medio de su impedancia Z(Ls) interna
• Esta tensión armónica conducida por la red es la que genera perturbaciones en otros receptores
• Alimentar otros receptores con tensiones distorsionadas puede provocar el mal funcionamiento o destrucción de estos receptores
• Existen las normas de inmunidad que nos limitan los armónicos de tensión: determinan las tasas de distorsión armónica de tensión máximas para que los distintos equipos funcionen sin problemas
• A parte de producir problemas en la instalación, puede afectar al propio equipo de la máquina

Otros problemas que generan los armónicos:

• Aumento de la corriente eficaz que pasa por los cables:
  • Se calientan, y pueden ser origen de un fuego
  • Las corrientes de rango 3 y múltiples (generadas por cargas monofásicas) circulan por el neutroà atención al dimensionamiento del cable de neutro
• Al aumentar la corriente real eficaz, pueden dispararse protecciones magnetotérmicas (por su regulación)
• Las corrientes armónicas de más alta frecuencia, pueden circular a tierra por capacidades parásitas (por ejemplo, la de los cables) y provocar disparo de diferenciales:
  • Se recomienda el uso de diferenciales superinmunizados para evitar este problema
• Pueden perturbar señales de control o medida
• Saturan los transformadores de potencia y en los motores provocan calentamientos de los devanados
• Con la presencia de condensadores, aumentan las tensiones armónicas

8. Conclusiones

• Los cuadros de control y de máquinas y/o procesos que usen variadores de velocidad deben cumplir las distintas normas de emisión de armónicos, y prever los posibles problemas que puedan generar las corrientes armónicas de sus equipos.
  • Se deben limitar las posibles incidencias técnicas que producen,
  • Pueden aparecer problemas de “aceptación” (sobre todo en casos de exportación) una vez instalada la máquina.
  • Hay experiencias de fabricantes que han exportado sus máquinas, que al pasar pasa una inspección en la ubicación, les dicen que no cumplen con la normativa de armónicos

9. Soluciones para evitar los problemas de armónicos generados por los variadores de velocidad

• Para cumplir las normas de emisión es necesario el uso de filtros que atenúen o eliminen estas corrientes armónicas
• Una primera solución para disminuir los armónicos es el uso de inductancias de línea

Hay variadores que las llevan incorporadas (potencia elevada), y pueden estar en la parte de corriente alterna o en el bus de cc del variador.

• O se pueden añadir en la entrada del variador:
  • Reducen “algo” los armónicos en el lado de la red, hasta tasas THD(I)% entre 30%-40%
  • También ayudan a reducir las muescas de conmutación de tensión (“Notches”), que produce la conmutación de los tiristores del inversor

• Limitación de la corriente de arranque y protegen el variador de posibles perturbaciones provenientes de la red
• Los criterios de selección son muy sencillos: a partir de la tensión servicio y potencia del motor
• Es una solución económica, pero no disminuye de forma considerable las corrientes armónicas

La mejor solución, con relación óptima de prestaciones-precio, es el uso/instalación de filtros pasivos de armónicos:

• Permite reducir los armónicos consumidos hasta tasas (…THD(I)%…..) inferiores al 5%

• Permite cumplir las distintas normas de emisión de armónicos
• Selección sencilla, a partir de la potencia del motor, de 1,1 a 250 kW
• Instalación lo más cerca del variador

Los filtros pasivos son inductancias en serie y condensadores en paralelo que “capturan” las corrientes armónicas, consiguiendo ondas sinusoidales aguas arriba del filtro.

Se recomienda la instalación de un filtro de armónicos en cada variador (sobre todo los de potencia elevadas), de potencia igual que la potencia del motor.

Puede instalarse un filtro de mayor potencia con varios variadores funcionando simultáneamente, cuya potencia sea la suma de las potencias de los variadores/motores.

No confundir estos filtros con los filtros CEM que puedan llevar ya de serie algunos variadores (o también instalarse en la alimentación del variador):

• Estos filtros CEM, son filtros para altas frecuencias conducidas (entre 150 kHz y 30 MHz)
• No eliminan las corrientes armónicas

Grupo Elektra es distribuidor exclusivo en España del líder mundial de soluciones de filtrado de armónicos www.schaffner.com , con lo que puede dar soluciones para cualquier marca de variadores de velocidad.

Desde Grupo Elektra podemos darle soporte y asesoramiento en la verificación del cumplimiento de las distintas normas implicadas, realizando simulaciones en la fase de proyecto y proponiendo la mejor solución técnico comercial, de la mano de los productos del líder mundial en soluciones de filtrado SCHAFFNER.

• Los variadores de velocidad provocan otros tipos de perturbaciones:
  • Perturbaciones alta frecuencia, que afectan a la compatibilidad electromagnética (CEM)
    • Para evitar estas problemáticas son necesarios los FILTROS CEM, que no deben confundirse con los filtros antiarmónicos comentados hasta ahora
  • Perturbaciones a la salida del variador que pueden afectar y deteriorar los motores

10. Perturbaciones de alta frecuencia

• Como se ha comentado, no confundirlas con los armónicos (que tienen frecuencias de hasta 2,5 kHz). Estas perturbaciones tienen frecuencias de más 150 kHz
• Están generadas por las conmutaciones de alta frecuencia de la electrónica de potencia que forma parte del inversor del variador
• Y son las relacionadas con la Compatibilidad Electromagnética (CEM):
  • Estas señales de altas frecuencias pueden ser conducidas por los cables (hasta 30 MHz) y/o radiadas al entorno
  • Y perturbar señales de control (falsear datos)
• Estas perturbaciones de Alta Frecuencia están reguladas: tanto su emisión como la inmunidad frente a ellas
  • Hay distintas normas y directivas (Directiva CEM)
• Se definen por el espectro que emite el equipo (frecuencia en eje logarítmico, y amplitud en dB, en el eje Y)

• dBmV=20 x log (Vsalida/1mV)

• Para filtrar estas perturbaciones de alta frecuencia à son necesarios FILTROS CEM (o EMI), a veces nombrados como filtros de red
  • No confundir con los filtros antiarmónicos
• Hay variadores que los pueden llevar incorporados

• Y siempre existe la solución de instalar un filtro CEM en la alimentación del variador

11. Perturbaciones entre el variador y el motor

La forma de onda de tensión a la salida del variador no es senoidal (PWM).

Esta forma de onda de la tensión consigue que la corriente que consume el motor sea “prácticamente sinusoidal”.

Pero en función de la longitud del cable entre variador y motor, pueden aparecer problemas en los motores.

Problemas producidos por este tipo de Perturbaciones:

• dv/dt : variación rápida de tensión en nanosegundos
  • Circulación de corrientes a través de las capacidades parásitas (grandes longitudes cables)

• Picos de tensión:
  • Flancos de tensión à distorsión onda de corriente  à armónicos de corriente

• Existen equipos que atenúan estas perturbaciones, y consiguen alargar la vida de los motores:
  • Son los llamados:
    • Filtros dv/dt
    • Filtros sinusoidales