Aspectos eléctricos de la aplicación de VFD a motores de CA

La Figura 3 muestra una unidad VFD de PWM típica.

Figura 3. Diagrama funcional de un VFD de PWM convencional.

En las unidades o aplicaciones más simples, la referencia de velocidad es simplemente un punto de ajuste. Sin embargo, para aplicaciones más complejas, la referencia de velocidad se entrega mediante un sistema de control de proceso, como un controlador lógico programable (PLC) o un tacómetro.

La aplicación de VFD a motores de inducción dará como resultado efectos que deben tenerse en cuenta para un funcionamiento satisfactorio. Aquí hay algunos ejemplos:

• La capacidad de un motor para limpiarse efectivamente disminuye a medida que disminuye su velocidad. Puede ser necesario sobredimensionar el motor o instalar un sistema de ventilación externo en caso de operación prolongada a bajas velocidades y bajo cargas pesadas.

• La operación a diferentes velocidades puede causar resonancias mecánicas en el equipo accionado. Será necesario identificar estas velocidades de resonancia y excluirlas del rango operativo del motor.

• Los variadores de frecuencia generan tensiones y corrientes armónicas que, en algunos casos, pueden provocar efectos no deseados en la red de distribución de electricidad y afectar el funcionamiento del equipo. Si se sospecha un problema de calidad de las olas, una persona calificada debe inspeccionar la red eléctrica. Para minimizar estos efectos, es posible que sea necesario instalar transformadores de aislamiento, estranguladores de línea o filtros. Para obtener más información, comuníquese con el representante de su compañía de servicios públicos local. Al comprar VFD, es bueno considerar la instalación de dispositivos de filtrado que minimicen la calidad de la onda en la red eléctrica. Se debe recurrir a un especialista calificado en el campo para evaluar y establecer la necesidad de tales dispositivos.

2.4.1.1 Fuente de alimentación de los variadores

Para operar de manera segura, eficiente y confiable, los convertidores de frecuencia requieren energía eléctrica adecuada.

Los variadores monofásicos funcionan con voltajes de suministro estándar de 120 y 240 voltios. Los voltajes estándar de los motores trifásicos son 200, 230, 460 y 575 voltios.

En principio, el voltaje de suministro nominal de la red de distribución es mayor que

el de la placa de identificación del variador, para tener en cuenta las caídas de voltaje entre el transformador de distribución y el punto de uso. En el Perú, la frecuencia nominal es de 60 Hz (hertz o ciclos por segundo).

2.4.1.2 Armónicos

La distorsión armónica del voltaje y la corriente en las redes eléctricas es causada por cargas no lineales como VFD, máquinas de soldar, rectificadores, fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), hornos de arco, etc. Los armónicos deforman la onda eléctrica y esta distorsión puede extenderse a toda la red eléctrica y posiblemente fuera de la planta.

En los VFD, la distorsión armónica se origina en los dispositivos de conmutación de corriente de semiconductores utilizados para producir frecuencias de potencia variables.

Estos efectos, llamados "corrientes de línea armónicas", tienen una frecuencia que es un múltiplo de la corriente de la fuente de alimentación fundamental a 60 Hz. Por ejemplo, una frecuencia de 180 Hz corresponde al tercer armónico. Estas corrientes causan distorsiones armónicas del voltaje que, la mayoría de las veces, exceden los niveles aceptables.

Figura 4. Amplitudes de armónicos.

Las amplitudes de los armónicos impares disminuyen con el aumento de su frecuencia, por lo que los armónicos de los rangos más bajos son los más importantes. Los sistemas VFD normalmente no generan armónicos pares.

Los armónicos existen mientras exista el equipo que los genera y su amplitud tiende a permanecer estable. Es probable que los armónicos sean amplificados considerablemente por los condensadores de corrección del factor de potencia. La inductancia de la red de suministro puede, para ciertas frecuencias armónicas, resonar con los condensadores y generar corrientes y voltajes de valores altos que pueden dañar el equipo.

2.4.1.3 Efectos de armónicos

Los microprocesadores, las máquinas controladas numéricamente y los sistemas de control de procesos solo pueden funcionar a partir de señales de control precisas. La existencia de armónicos puede causar anomalías en el funcionamiento de estos dispositivos.

Los armónicos también pueden causar interferencia con las computadoras y la operación incorrecta de los equipos electrónicos. También pueden causar la falla de condensadores y fusibles. En presencia de armónicos actuales, los motores funcionan a temperaturas más altas y, por lo tanto, consumen más energía porque tienen que compensar el "contra-par" creado por los armónicos impares.

Esto puede provocar la ruptura prematura de los materiales de aislamiento y una disminución de la vida útil. El motor también verá disminuir su eficiencia general y tendrá que soportar tensiones de tensión en sus devanados y pulsos de par.

2.4.1.4 Manejo de armónicos

Si se sospecha un problema armónico, debe confirmarse antes de intentar cualquier acción correctiva. Una prueba bastante simple es visualizar las formas de onda de la red eléctrica en un osciloscopio. Una distorsión notable de la forma de onda es una indicación de la presencia de armónicos. Los analizadores de armónicos de potencia miden la amplitud de los armónicos individuales. En general, es mejor confiar este trabajo a un experto especializado en calidad de alimentación.

Los usuarios tienen a su disposición varias soluciones para resolver estos problemas;

primero deben asegurarse de que la instalación cumpla con el código eléctrico aplicable y que el sistema de puesta a tierra cumpla con los estándares:

2.4.1.5 Fuente de alimentación separada

Idealmente, las cargas armónicas, así como las cargas sensibles, deberían ser alimentadas por arterias totalmente separadas y transformadores independientes.

2.4.1.6 Transformadores de aislamiento y reactores de línea

Para proteger el variador y también la línea de suministro de energía contra la distorsión, a menudo se utilizan transformadores de aislamiento y reactores de línea.

2.4.1.7 Filtros

Los filtros armónicos se utilizan para reducir la amplitud de una o más corrientes de frecuencia específicas para evitar que entren en el resto de la red. Los filtros pueden diseñarse a medida para adaptarse al entorno eléctrico.

2.4.1.8 Longitud del cable

La longitud de los cables debe ser lo más corta posible, es decir. menos de 15 m o 50 pies, siempre que sea posible.

Una buena práctica ampliamente aceptada es comprar un sistema de accionamiento completo que incluya reactores de línea, en lugar de comprar el accionamiento solo. Como regla general, una inductancia de línea con una impedancia de 3 a 5% evitará que los armónicos generados por un variador VFD interfieran con el equipo sensible suministrado por la red eléctrica.

Si las cargas no lineales superan el 20% de la carga total de la planta, sería aconsejable realizar un estudio de los armónicos y minimizar su posible impacto instalando, además de las inductancias de línea, transformadores de aislamiento.

2.4.1.9 Especificación del variador para armónicos

Las especificaciones de los variadores generalmente están marcadas de la siguiente

manera: "El equipo de acondicionamiento de energía no debe causar distorsión de voltaje o muescas de conmutación mayores que los límites recomendados por la Norma IEEE 519";

pero el significado no está necesariamente claro para una instalación en particular. Qué significa cumplir con el estándar IEEE 519 al instalar una unidad en un sistema de suministro de energía.

Desde un punto de vista práctico de las aplicaciones del variador, cumplir los requisitos de armónicos significan que los variadores deben tener en sus terminales de salida una distorsión armónica total de la corriente de menos del 5% para la carga nominal. Para las bajas potencias de accionamiento encontradas con las cargas de par variable, la tasa de distorsión armónica (THD) de la corriente medida por un analizador armónico puede ser mayor del 5%, pero la amplitud de la corriente armónica será menor que la producida a plena carga.