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Armónicos
La distorsión de armónicos de voltaje y corriente se
producen en sistemas eléctricos por carga no lineal tales como VFDs, soldadores,
rectificadores, suministro de energía ininterrumpible, hornos de arco eléctrico,
etc. Los armónicos causan distorsión en la forma de onda eléctrica que puede
propagarse a través del sistema de potencia completo incluso en el exterior de
la planta.
La fuente de distorsión de armónicos en los VFDs son los dispositivos
de conmutación de potencia de estado sólido usados para generar las frecuencias
de alimentación variables.
Estos efectos, conocidos como “corrientes de armónicos de
línea”, son múltiplos de la corriente de alimentación fundamental de 50-60 Hz.
Por ejemplo, una frecuencia de 180 Hz es llamada el tercer armónico. Estas
corrientes generan distorsiones de voltaje de armónicos que a menudo exceden
los niveles aceptables.
Los microprocesadores, máquinas controladas numéricamente, y
controladores de procesos todos dependen de señales de control exactas. La
presencia de los armónicos puede causar que estos dispositivos funcionen mal.
Los armónicos pueden también causar interferencias con computadores y operación
inapropiada de los equipos electrónicos. Pueden también causar fallos en los
condensadores y fusibles.
Los motores funcionan a temperaturas más elevadas en
presencia de corrientes de armónicos. Los motores consumen más energía cuando
tienen que superar el par de contracorriente creado por los armónicos.
Esto puede originar fallo prematuro del material de
aislamiento y una reducción en la vida de servicio. El motor también caerá en
eficiencia, total, experimentará tensiones en sus devanados y experimentará
pulsaciones del par.
Si se sospecha un problema con los armónicos, debe ser
confirmado antes de tomar cualquier acción correctiva. Un ensayo bastante
simple consiste en ver la forma de onda del sistema de potencia con un
osciloscopio. Una distorsión de la forma de onda significativa es una indicación
de la presencia de armónicos. Los analizadores de armónicos de potencia pueden
usarse para medir la magnitud de los armónicos individuales.
Hay una gran variedad de formas como los usuarios pueden
resolver estos problemas, después de asegurar que se cumplen los códigos
eléctricos adecuados.
- Alimentación separada. Idealmente, las cargas producen armónicos, y cargas sensibles, serán suministradas de alimentadores y transformadores independientes.
- Transformadores de aislamiento y reactores en línea. Los transformadores de aislamiento y los reactores se usan frecuentemente para proteger el variador y la línea AC de la distorsión.
- Filtros: Los filtros de armónicos pueden usarse para reducir la amplitud de una o más corrientes de frecuencia fija para prevenirlas de entrar en el resto del sistema.
- Longitud del cable: La longitud del cable debe ser tan corta como sea posible, unos 15 metros o menos.
Si las cargas no lineales exceden el 20 % de la carga de
planta total, se considerará realizar un estudio de armónicos y minimizarán el
impacto de los armónicos a través del uso de los transformadores de aislamiento
a los reactores de línea.
Especificando variadores para armónicos
Desde el punto de vista de aplicaciones prácticas, cumplir
los requerimientos de armónicos para variadores significa que tenemos menos del
5 % de distorsión de armónicos totales de la corriente en los terminales del
variador en la carga nominal. A demanda de baja potencia con cargas de par
variable, la distorsión de armónicos total (THD) puede ser puede ser superior
al 5 % medido por un analizador de armónicos, pero la magnitud de la corriente
de armónicos será menos que aquellos producidos a plena carga.
Consideraciones de motores
Los sistemas de aislamiento del devanado se clasifican por
su temperatura o capacidades térmicas. Los ensayos usados para probar
propiedades térmicas para los sistemas de bajo voltaje no producen tensiones al
aislamiento eléctrico más allá de los 600 voltios.
La aplicación de un PWM VFD puede causar transitorios de
voltaje bien por encima del voltaje nominal del motor que puede llevar a fallos
del sistema de aislamiento en muy cortos periodos de tiempo.
La tensión de voltaje máxima en el sistema de aislamiento
(Vm) puede ser significativamente más alta que el voltaje nominal del motor y
tienen elevaciones de voltaje extremadamente rápidas.
Debido a las reflexiones múltiples o efectos de resonancia,
la frecuencia puede incrementarse debido a las interacciones de la frecuencia
de conmutación PWM y forma de onda, la longitud del cable de alimentación al
motor, y la inductancia del motor.
Una reflexión de voltaje de hasta dos veces el voltaje
aplicado puede ocurrir durante las ondas y llegar a ser problemático con
longitudes de onda e 15 m o más. Este fenómeno se conoce también como “ringing
effect”.
Un “ringing efecto” crea tensiones de voltaje muy altas en
las primeras vueltas del devanado del motor y puede originar cortocircuitos y
fallos a tierra.
Este problema puede minimizarse usando apropiado filtrado y
motores con aislamiento mejorado.
Muchos VFDs proporcionan al usuario la capacidad de ajustar
la frecuencia de conmutación.
Los fallos de aislamiento se producen especialmente en las
frecuencias de conmutación más altas. Sin embargo, las frecuencias demasiado
bajas pueden causar un ruido audible de los motores que puede ser no deseable
en algunas aplicaciones tales como HVAC.
Los factores a considerar incluyen:
- Reducir el recorrido de los cables donde sea posible.
- Usar reactores de filtro de salida del inversor (la impedancia 1 – 3 % es típica).
- Usar una frecuencia de conmutación más baja.
- Mantener el diseño del devanado original cuando se rebobina el motor ya que reduciendo los giros se incrementan los niveles de voltaje entre espiras.
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