LO QUE HAY QUE SABER DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA E INVERSORES FOTOVOLTAICOS "LO BUENO" Y LO "NO BUENO"

 

     Uno de los avances actuales más importante en la tecnología eléctrica son los VF (variadores de frecuencia) para la regulación de velocidad de los motores eléctricos, más los inversores fotovoltaicos para energía renovable. Hoy no se concibe un sistema productivo sin el uso de variadores de frecuencia, pues aportan beneficios que hasta hace poco tiempo no eran posibles de obtener. A la misma vez los inversores fotovoltaicos aportan beneficios que antes no podían obtenerse por la inexistencia de ésta tecnología que ha sido desarrolada con la base de los variadores de frecuencia, su fuente de ingresos es el sol, que es una energía gratuita. Los dos productos variador de frecuencia e inversor fotovoltaico utilizan la misma tecnología para producir el voltaje de AC (corriente alterna) que es usado para la alimentación eléctrica en todos los casos, dicha tecnología se denomina PWM (Pulse Width Modulation) o modulación por ancho de pulso del voltaje de CC (corriente continua), pues los dos productos, variador e inversor funcionan del mismo modo, la diferencia es que el inversor trabaja solo a una frecuencia fija de 50 Hz porque va conectado en paralelo con la red eléctrica, y el variador trabaja a las frecuencias que necesite cada motor en particular según la aplicación. El inversor fotovoltaico recibe su energía de las placas fotovoltaicas, dicha energía es de polaridad fija, o sea CC o corriente continua, similar al voltaje de la batería de un automóvil, su polaridad no cambia nunca, por su parte los variadores de frecuencia utilizan igualmente un voltaje de polaridad fija o CC corriente continua, que proviene de un rectificador de corriente continua que carga un grupo de condensadores internos del variador, igualmente con polaridad fija.

      El funcionamiento para convertir la corriente continua que utilizan los variadores e inversores en ondas de corriente senoidal de CA (corriente alterna) "utilizable" pues casi todos los aparatos eléctricos y motores funcionan con corriente alterna, se realiza mediante un tren de pulsos de ancho variable de conexiones y desconexión efectuados a alta velocidad, que producen escalones de intensidad de corriente en los receptores eléctricos (motores), similar a una onda de corriente senoidal, pero sin llegar a ser completamente senoidal. La forma de onda del voltaje nunca es senoidal, sino cuadrada, siendo éste el principal problema de los VF e inversores, que causa todas las anomalías a motores y demas receptores eléctricos.

      El uso de los VF aporta varias ventajas sobre los sistemas tradicionales usados anteriormente para ajustar la velocidad de las máquinas, como cajas reductoras con engranajes para obtener la desmultiplicación de revoluciones, ajuste de válvulas para regulación de caudales, sistemas de poleas con correas para obtener la velocidad de giro de ejes, y otros mecanismos de regulación de velocidad. Cuando los motores que accionan estos sistemas trabajan con factor de carga reducida su rendimiento energético es bajo, Estos sistemas mecánicos de accionamiento han quedado obsoletos frente a las prestaciones de los actuales variadores de frecuencia, que aportan además de la regulación de la velocidad de giro de los motores, los siguientes beneficios:

 

VENTAJAS DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA

      1- El rendimiento eléctrico de un motor accionado mediante VF es superior a cualquier velocidad de giro, lo que supone un ahorro energético en comparación con el accionamiento tradicional sin VF, pues para obtener los N/m de fuerza mecánica que se necesitan en el eje del motor, el VF solo consume de la red eléctrica la energía que devuelve ese par.

      2- Por parte del VF gran parte de la energía que se consume es energía activa (W/h) para obtener el par del motor, no siendo necesario el empleo de la misma cantidad de condensadores para la corrección del factor de potencia que para los motores que son accionados sin VF, con objeto de compensar el consumo de energía reactiva en la instalación, pues los VF consumen poca energía reactiva. Por su parte el motor si consume energía reactiva, la cual es producida mayoritariamente por los condensadores internos del propio VF, por lo que la red electrica tiene que aportar menos energía reactiva en comparación con los sistemas de accionamiento tradicional de motores.

      3- Las cajas reductoras de velocidad, poleas des multiplicadoras de revoluciones, y otros sistemas similares usados para reducir o elevar la velocidad del proceso de producción, en ocasiones son eliminadas por completo, o sus tamaños son más pequeños y por lo tanto más económicos en comparación con los sistemas que no usan VF. También se reducen de este modo el número de averías mecánicas.

      4- Los volúmenes y pesos de las máquinas que usan VF son inferiores que las que no los usan, reduciendo de esta forma los costes de fabricación de la maquinaria.

     5- La velocidad de giro es ajustada de forma muy precisa cuando el accionamiento dispone de VF, además, los variadores de velocidad permiten el retorno de la velocidad resultante del motor, que puede ser corregida por el VF si ésta es mayor o menor, la corrección es efectuada por el variador de forma automática mediante sus entradas auxiliares de consignas.  

   

      No todo son beneficios y ventajas con el uso de los VF, y su funcionamiento no es completamente benigno, resultando que en ocasiones los problemas y gastos ocasionados por su funcionamiento superan a los ahorros o los beneficios que se obtienen por su empleo, sobre todo cuando los VF son instalados sin los materiales eléctricos complementarios, que en casi todas las ocasiones son imprescindibles, esto se hace para ahorrarse montar dichos materiales o por desconocimiento de los problema que origina no montarlos. Se citan más adelante los principales problemas que causan los VF durante su funcionamiento.

      Los inversores fotovoltaicos tampoco están exentos de generar problemas eléctricos, las anomalías que producen están directamente relacionadas con los armónicos de AF (Alta Frecuencia) de las ondas del tipo PWM (Pulse Width Modulation) éstos funcionan "modulando impulsos de voltaje en ancho de tiempo a frecuencias de miles de Hercios" que utilizan para producir una forma de onda cuadrada "no senoidal" que es acoplada a la red de suministro eléctrico que tiene una forma de onda senoidal, o sea distinta. Básicamente se trata de una "distorsión eléctrica" que produce interferencias en un espectro de frecuencias de banda muy ancha, típicamente desde muy baja frecuencia hasta centenares de miles de Hercios, e incluso varios MHz, generando anomalías de funcionamiento en todos los aparatos eléctricos y electrónicos del entorno, comunicaciones de todo tipo, y problemas de EMI (Interferencias Electro Magnéticas) radiadas y conducidas por las masas metálicas, por los conductores de las puestas a tierra, y por los conductores eléctricos de la instalación, siendo las baterías de condensadores para la compensación de energía reactiva su principal "víctima". La explicación del problema es porque el consumo de los condensadores es directamente proporcional a la frecuencia que los alimenta, de ahí que la suma cuadrática de los voltajes con formas de ondas armónicas generadas por los inversores fotovoltaicos produce mayor consumo del condensador y por lo tanto mayor calentamiento que el nominal, acabando con la vida del condensador en muy poco tiempo. A continuación en el siguiente enlace de abajo podemos ver un video donde se registran los armónicos producidos por un inversor fotovoltaico en la banda de alta frecuencia, en dicha banda de AF los analizadores de redes eléctricas para comprobar la calidad de la red, no alcanzan a medir estas frecuencias tan altas para recoger dichas anomalías, lo cual quiere decir que los analizadores de redes eléctricos para registrar armónicos y calidad de suministro en la red eléctrica, los mismos son sordos y ciegos a estas perturbaciones porque están fuera de su alcance, En efecto, un analizador de redes eléctricas alcanza hasta el armónico 60 de la red de suministro que es de 50 Hz, con ello el alcance de un analizador es de 50 X 60 = 3 KHz, en el mejor de los casos los analizadores más avanzados alcanzan 30 KHz. Desafortunadamente cualquier aparato que genera ondas PWM como los inversores fotovoltaicos o los variadores de frecuencia, los mismos generan armónicos hasta el rango de MHz, por ello es imposible advertir estos problemas con analizadores de redes, e igualmente difícil encontrar soluciones.

      Las fuentes de alimentación conmutada utilizan el sistema de PWM para obtener pequeños voltajes de CC, de 12 V, 24 V, 48 V, etc, se usan de forma mayoritaria para alimentar pequeñas cargas eléctricas, tienen la ventaja de ser más pequeñas y de precio muy económico frente a las fuentes de alimentación lineales, las conmutadas generan anomalías de la alimentación del orden de 200-300 mV de rizado o ruido de alta frecuencia acoplado a la alimentación de su salida de CC, éstos pequeños voltajes se utilizan para alimentar PLCs, ordenadores, y circuitos electrónicos de todas las clases, en comparación con una fuente de alimentación lineales, éstas últimas tienen unas distorsiones típicas menor que 1 mV, de ahí que los sistemas críticos deban ser alimentados por fuentes del tipo lineal y no por fuentes conmutadas del tipo PWM. Otro fallo de las fuentes de alimentación conmutadas es que no existe ningún aislamiento entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida, por lo cual un defecto en la fuente "coloca" el voltaje elevado de la entrada, en la salida, destruyendo los circuitos electrónicos que son alimentados por estas fuentes, este caso no se presenta en las fuentes lineales que si disponen de aislamiento entre entrada y salida proporcionado por un transformador. Otro defecto que suele suceder con las fuentes de alimentación conmutada es que cuando funcionan en entornos fuertemente contaminados de armónicos producidos por variadores de frecuencia de gran potencia, en dichas fuentes puede producirse un error en el ancho de los pulsos PWM a causa del acoplamiento de los armónicos de corriente de gran potencia que son inducidos en los cableados a la salida de las fuentes conmutadas, en estos casos se producen averías intermitentes en los circuitos electrónicos que son alimentados por las fuentes. Estos tipos de averías es muy difícil de localizar, pues las fuentes de alimentación conmutada vuelven a la normalidad cuando cesa o cambia la magnitud del fenómeno que causa la anomalía.

      Los aparatos de alimentación ininterrumpida a base de baterías (SAI), o (UPS), tienen los mismos problemas de origen que los inversores fotovoltaicos, variadores de frecuencia y fuentes de alimentación conmutada, que es a causa de los armónicos producidos por la modulación del ancho de tiempo del voltaje que entregan a la carga dichos aparatos, a base de pulsos PWM de alta frecuencia, en el rango de centenares de KHz, que acoplan EMI conducidas en forma de ruido eléctrico a la red, a la vez que generan ondas electromagnéticas radiadas en las inmediaciones, ocasionando malfuncionamiento de los circuitos sensibles, y averías.

      En el video siguiente podemos ver en el primer tercio del tiempo, un número elevado de armónicos presentes durante el funcionamiento de un convertidor fotovoltaico, a continuación se desconecta el convertidor y desaparecen los armónicos de alta frecuencia quedando solo el ruido de fondo, posteriormente se conecta de nuevo el convertidor fotovoltaico y podemos apreciar de nuevo el incremento de los armónicos.

Ver video de los armónicos producidos por un inversor fotovoltaico en este enlace /inversor_fvt

      No todo es negativo, frente a estos problemas nuestra empresa está acostumbrada a tratar con este tipo de anomalías y podemos ofrecer siempre una solución satisfactoria y definitiva.

 

DESVENTAJAS DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA

      Todos los circuitos electrónicos de potencia que utilizan el sistema de modulación del voltaje PWM para alimentar las cargas eléctricas, producen en mayor o menor medida los mismos problemas de distorsión en la alimentación y generan armónicos de baja y alta frecuencia y sobretensiones. Seguidamente se describen los principales problemas que causan los variadores de frecuencia.

      A- La tecnología que se emplea en la fabricación de los VF, en ocasiones no se encuentra al mismo nivel de conocimientos de los técnicos que los montan, o del personal de mantenimiento, por tanto, el montaje, las reparaciones o programación son efectuadas por personal cualificado, en otras ocasiones se opta por montar un VF nuevo en lugar de reparar el VF averiado, si el coste de una unidad nueva lo justifica, porque los plazos para reparación son largos, o por falta de repuestos, y por falta de personal cualificado para realizar las reparaciones del variador. Estos costes adicionales y el coste de la parada de la producción casi nunca están previstos a la hora de instalar un variador de frecuencia. Por estas razones nosotros aconsejamos que se instalen variadores robustos de buena calidad con todos los elementos necesarios para funcionar con garantía frente a las solicitaciones del motor, exigencias de temperatura, y fortaleza frente a las posibles anomalías de la red eléctrica. Si tenemos en cuenta todo lo anterior, las paradas por averías del variador y pérdidas de producción serán mínimas. 

      B- Los VF tienen un precio más elevado en comparación con los sistemas de accionamientos tradicionales de motores, bien sea a contactores, o con arrancadores suaves.

      C- Los volúmenes necesarios para su alojamiento ocupan mayor espacio que los sistemas de accionamiento tradicional y necesitan ventilación forzada y separación adicional entre distintos VF ubicados en el mismo armario, produciendo temperaturas elevadas en la sala, que en ocasiones debe ser refrigerada con aparatos de aire acondicionado, ocasionando costes adicionales e instalaciones no previstas.

      D- Los motores eléctricos son fabricados para funcionar con voltajes de AC (corriente alterna) con formas de onda senoidal, en las cuales el voltaje asciende y desciende de forma progresiva alcanzando un voltaje de PK-PK (pico a pico) máximo de U*V2+0,5*(U*V2) = 846 V PK-PK esto es para una tensión de 400 V RMS durante solo un solo instante por cada periodo de red, esto sucede para un motor que funcione conectado a una red eléctrica de 400 VAC a 50 Hz. La vida estimada de un motor eléctrico funcionando en condiciones normales es de veinte años o más, efectuando un mantenimiento correcto, y si la operación del motor es adecuada para la potencia del mismo, su temperatura y ventilación son normales en la ubicación, y normalidad de suministro eléctrico. Los motores eléctricos que son accionados por los VF no alcanzan la misma longevidad que los motores que no usan VF por diferentes causas, como tensión en el devanado mucho mayor, o sea, al motor que es accionado por un VF le llega un voltaje no menor que el de PK-PK de U*V2+U*V2 = 1.131 V, incluso mayor que éste voltaje cada vez que los transistores del variador conmutan la carga del motor, o sea, cuando el voltaje positivo o negativo del BUS de CC (Corriente Continua) del variador, es conectado o desconectado por los transistores de VF, siendo en éstas transiciones del voltaje donde se producen las oscilaciones de sobretensión, el voltaje típico de pico a pico incluyendo las sobretensiones de las conmutaciones de los transistores ronda 1250 V o más. Cuantas más transiciones, mayor número de sobretensiones y mayor desgaste de los transistores de potencia, que depende de su (frecuencia PWM), a la vez que disminuyen las propiedades dieléctricas del motor que es accionado por el VF, fundamentalmente porque el aislamiento del motor es sometido de forma continuada a picos de sobre voltaje elevado, para el cual su aislamiento no fue concebido. Por ejemplo, para una frecuencia de conmutación PWM de 4 KHz se producen 240.000 conmutaciones de la carga (motor) por minuto, esto sucede durante todo el tiempo de funcionamiento del motor, en total, para la suma de las conmutaciones de la carga para las tres fases del motor, tendremos 720.000 conmutaciones por minuto, por 2 transitorios, uno para conectar la carga y otro para desconectar la carga, con ello suman 1.440.000 sobretensiones por minuto de funcionamiento del motor accionado mediante el VF. Este es el apartado más importante, donde se producen los mayores daños al motor y sus rodamientos, y a los componentes del variador de frecuencia sometidos a las sobretensiones, como los aislantes de los bornes de conexión, aislantes generales, transistores de potencia, aislamientos de los cableados, y tarjetas electrónicas, generando además otros fenómenos dañinos para los aislamientos de los transistores del VF, y para los dieléctricos de los devanados del motor, sus rodamientos, y el entorno donde funciona el VF, se trata de tensiones radiadas al aire (EMI) y conducidas por las masas metálicas de toda la instalación eléctrica de naturaleza AF (Alta Frecuencia), que en la mayor parte de los casos transmiten elevada carga de interferencias radiadas al aire en un espectro de frecuencias muy ancho, dichas interferencias igualmente son conducidas por todas las masas metálicas. La energía de AF es acoplada al eje de los motores de forma capacitiva, destruyendo de forma acelerada los rodamientos del motor por electro erosión de las pistas de rodadura, afecta igualmente a los rodamientos de las maquinas acopladas al eje de los motores, como veremos despues.

      En la siguiente imagen podemos ver la onda de una red eléctrica de 400 V a 50 Hz sin ninguna distorsión, Esto es lo que debería llegar a un motor eléctrico fabricado para funcionar con corriente alterna.

 

      Para que los transistores de un variador de frecuencia puedan realizar este número de conexiones y desconexiones a velocidades elevadas, en el rango de frecuencias de KHz, los tiempos para desconectar y conectar los voltajes que alimentan al motor, deben ser lo más breves posible, del orden de 0,25 µS hasta 0,6 µS como máximo. De lo contrario, si un transistor emplea más tiempo del necesario para conectar o desconectar la alimentación en una fase que alimenta al motor, posiblemente se producirá un cortocircuito con la polaridad diferente que conecta el otro transistor cuando este último sea direccionado por el circuito de control para alimentar la misma fase del motor. Cada fase del motor es alimentada por una pareja de transistores que estan conectados a polaridad diferente, es decir, uno de los dos transistores esta conectado a polaridad positiva y el otro a polaridad negativa, de forma que durante el tiempo que dura el semiperiodo positivo, éste es alimentado "solo" por el transistor que esta conectado al polo positivo del bus de corriente continua del variador, el otro semiperiodo es alimentado "solo" por el transistor que esta conectado al polo negativo. El tiempo de subida o de bajada de la tensión a la salida de un transistor cuando éste conmuta de estado (conexión o desconexión) es la característica fundamental que define las prestaciones del mismo.

      En esta imagen podemos apreciar las formas de onda reales de la tensión (color amarillo) y de la corriente (color azul) de una fase, a la salida de un variador de frecuencia que alimenta a un motor de 315 KW de potencia. Los círculos en color rojo muestran sobre corrientes producidas por cortocircuitos en un transistor que opera en otra fase distinta. Como se puede ver, las velocidades de ascenso y descenso para conmutar las tensiones son extremadamente rápidas, con tiempos de 304,7 ns (nano segundos) correspondiente al "Rise Time" tiempo de subida del voltaje, empleado por el transistor de potencia de esta fase para alcanzar la tensión máxima, y 305,5 ns para el "Fall Time" tiempo de bajada del voltaje empleado por el transistor de potencia para desconectar la tensión. La extrema velocidad de conmutación de la tensión que llega al motor que alimenta este variador representa un estrés dieléctrico muy severo para los aislamientos del motor. Los fabricantes de motores eléctricos no diseñan los sus motores para funcionar con este tipo de ondas, por esta causa los motores eléctricos que son accionados mediante VFs nunca alcanzan el tiempo de vida esperado por los aislamientos, o por los rodamientos. A nuestro juicio, este tipo de alimentación supone un "caos" para el devanado eléctrico de los motores, por tratarse de formas de ondas de tensión e intensidad generadas por los VFs completamente distorsionadas para las cuales los motores no estan diseñados, por ello nuestra empresa ha investigado y experimentado durante años para desarrollar los resonadores vectoriales que sirven para solucionar de forma definitiva los problemas en la alimentación de los motores que son accionados mediante los VFs. Para ampliar esta información puede visitar en nuestra página web el apartado Resonadores Vectoriales del menú I+D Analizadores, o pinchar en este enlace, /resonador-vectorial-2.

 

 

         En la siguiente imagen se muestra el (Tiempo de Subida) empleado por un transistor (bajo ensayo) de un VF para conectar el voltaje positivo a una fase del motor. Obsérvese la zona en color gris, correspondiente a la ventana de tiempo empleada para este ensayo, formada por dos trapecios separados, por el espacio de dicha ventana debe ascende el voltaje durante todas las conexiones que realiza el mismo transistor (traza de color amarillo) para pasar desde 0 voltios (estado OFF), hasta 570 voltios (estado ON). Este fenómeno de retraso es debido a la capacidad intrínseca presente en la puerta de disparo (G) del transistor, dicha capacidad deberá ser cargada por el circuito de control durante el tiempo que dura cada pulso de conexión, para que el transistor pueda conmutar al estado ON. El tiempo que dura una desconexión debe ser igual al de conexión e incluso más rápido por los mismos motivos. Podemos apreciar en la imagen, que el "Tiempo de Subida" empleado por el transistor para pasar de 0 V a 570 V es de 535,1 ns (nano segundos), siendo dicho tiempo característico de los transistores de potencia de cualquier VF. 

 

        

         En la imagen inferior aparece el registro de un caso real de un motor estándar de baja tensión de 400 KW fabricado para funcionar a 400/660 VAC 50 Hz, donde se muestra de forma gráfica lo explicado anteriormente. La secuencia PWM (parte superior del gráfico) corresponde a una frecuencia de salida del variador de frecuencia, de 50 Hz. Como podemos apreciar en el zoom en la parte inferior del registro, en las transiciones de conexión del transistor que opera la polaridad positiva de la fase registrada, suceden sobretensiones de 239 voltios, este transitorio de sobre voltaje que aparece durante la conexión es sumado al voltaje nominal en estado de ON (conectado) que es de 532 voltios, resultando una suma de 771 voltios durante el tiempo que dura el evento. Es necesario explicar que el voltaje total que llega a ésta fase del motor es el "doble", pues en el polo negativo que es conectado por otro de los transistores también se producen sobretensiones de polaridad opuesta, con lo cual el voltaje en bornes del motor es de 771 X 2 = 1.542 voltios. Como se puede comprender, los motores de "baja tensión estándar" fabricados para funcionar a tensiones de 400/660 VAC, no disponen de aislamiento suficiente para funcionar a ésta tensión. Por ésta causa la vida del aislamiento del motor se ve reducida sustancialmente al funcionar con tensiones que "doblan" y en ocasiones triplican, el voltaje nominal del aislamiento de los motores. Para agravar la situación, la forma de la onda eléctrica que suministra un VF es un tren de pulsos de alta frecuencia con formas de onda cuadrada llamado PWM, que no se parece en nada a una onda de voltaje senoidal. La intensidad de corriente pulsante que producen las ondas PWM cuadradas sobre los devanados eléctricos de un motor se parece a escalones que forman algo senoidal, sin llegar a ser senoidal, aunque precisamos que la intensidad de corriente que circula por los devanados de los motores no es la responsable de perforar los aislamientos de los motores accionados por VF, sino la tensión, que no se parece en nada a una onda senoidal.

          

 

      En la mayoría de casos de falla o avería del motor eléctrico o del variador de frecuencia que no son por envejecimiento, se suele culpar de las averías tempranas al equipo que no se ha averiado, o sea, al motor, o al variador de frecuencia, cuando en realidad es un defecto de diseño en origen por parte del que concibe el montaje del VF sin las garantías suficientes para que los aparatos eléctricos no fallen. Esto sucede básicamente al ahorrarse instalar componentes eléctricos esenciales, que sin éstos la duración de motor y variador será irremediablemente menor que la mitad de la vida útil esperada de los mismos, fundamentalmente por no haber sido instalados dichos componentes, Estos son, contactor de aislamiento, filtro EMI en la entrada contra la corriente de alta frecuencia, inductancia de línea para reducir los armónicos de corriente que produce el variador, fusibles ultra rápidos como protección de los semiconductores de potencia del variador son imprescindibles, filtrado en la salida del variador hacia el motor para reducir las sobretensiones de conmutación producidas por los transistores del variador, cable balanceado hacia el motor, blindaje del cable motor en clase D con 99 % de apantallamiento, conexiones y puestas a tierra de protección separadas de las de la red eléctrica, etc. Sorprendentemente cundo suceden las averías de los VF o de los motores accionados por éstos se ofrece un repertorio de excusas y pretextos de toda clase para justificar la ausencia de estos materiales, sobre todo en el caso de los fabricantes de maquinaria que buscan el máximo rendimiento económico, evitando instalar componentes que no intervienen directamente en el movimiento del motor. Al respecto hemos oído excusas vagas ofrecidas por los técnicos de las fábricas de maquinaria como que, "si el fabricante no los ha instalado es porque no le hará falta a la máquina", cuando lo lógico cuando se producen las averías hubiese sido averiguar el origen de las averías y poner la solución, la realidad es que el dueño de la máquina será el que tendrá que sufragar el coste de las modificaciones y reparaciones, causadas por la inexistencia de los componentes imprescindible para que los variadores y los motores funcionen con normalidad, sin los cuales afectara a la vida útil del motor, del variador, y al resto de la instalación. Si no se ponen las soluciones a dichos problemas, las mismas anomalías y averías sucederán de forma intermitente cada cierto tiempo, causando los mismos gastos, paradas, y pérdidas de producción.       

      E- El tren de ondas que llegan al devanado de un motor accionado por VF son ondas de alta frecuencia con una forma de onda de voltaje cuadrada (PWM), estas ondas tienen un frente de subida y de bajada muy abrupto, típicamente del orden de 0,25 micro segundos 0,00000025 Seg. para alcanzar 1250 V DC, ello supone un estrés dieléctrico extremadamente elevado para los aislamientos del devanado del motor, que ve reducidas sus propiedades aislantes mucho antes de lo previsto. En comparación con los motores que no son accionados por VF donde la onda de tensión senoidal tarda 5 mili segundos a la frecuencia de 50 Hz para alcanzar su máximo de 400 V AC, esto es, 0,005 Sg / 0,00000025 Sg = 20.000 veces más lenta, lo cual no produce ningún estrés al dieléctrico al motor cuando el mismo trabaja con su tensión a su frecuencia nominal, que en resumen es lo que el fabricante del motor ha previsto y calculado por diseño. Al respecto de lo anterior, existen ejecuciones de fabricación de motores especialmente diseñados para funcionar con variadores de frecuencia, los cuales disponen de aislamientos de 1800 V montados con rodamientos aislantes a base de bolas o rodillos de nitruro de silicio en ambos extremos del eje motor, y ventilación forzada, pero dichos motores tienen un coste de 2-3 veces el de un motor normal con aislamiento de 660 V. Los fabricantes de maquinaria no incorporan los motores especiales para trabajar con VF simplemente por economía de fabricación, con el tiempo las consecuencias de dicho ahorro lo paga siempre el cliente que compra la máquina.

      F- La formación de ondas de voltajes con forma cuadrada por parte del VF crea picos de voltajes elevados en las transiciones de conmutación de los voltajes PWM, esto supone que la adopción de accionamiento mediante VF para un motor antiguo o con cierto tiempo de uso, puede producir la perforación dieléctrica de los aislamientos de sus devanados eléctricos del motor en muy poco tiempo.

      G- Las corrientes de alta frecuencia generadas por el VF se acoplan al eje del motor de forma capacitiva e inductiva, creando la circulación de éstas corrientes de alta frecuencia por los rodamientos del eje del motor, reduciendo drásticamente la vida de los mismos por efecto de la electro erosión que producen los arcos voltaicos sobre las bolas o rodillos de éstos. Dependiendo de la magnitud de dichas corrientes, un hecho constatado por nuestra empresa es, que la vida de los rodamientos de un motor nuevo puede llegar a consumirse por completo en menos de una semana si el motor no dispone de alguno de los rodamientos aislado. Incluso si dispone de uno de los dos rodamientos aislado, el voltaje nominal "comúnmente" empleado para el aislamiento del rodamiento es de 500 voltios en ejecuciones normales. Las tensiones PWM tienen una magnitud de 1250 voltios, y por lo tanto el aislamiento del rodamiento es poco efectivo a dicho voltaje, eso si, dura algo más que un rodamiento normal sin aislamiento. Existen rodamientos aislados en ejecuciones especiales de 1000 voltios, son más caros pero igualmente son ineficaces frente a las tensiones PWM que tienen una magnitud más elevada que el aislamiento del rodamiento. Siendo otro hecho constatado por nuestra empresa en multitud de ocasiones, que los rodamientos aislados no solucionan el problema de las corrientes que circulan por los rodamientos. Nuestra empresa tiene amplia experiencia en estas cuestiones y puede ofrecer soluciones definitivas y duraderas de forma personalizada.

      En la imagen siguiente se muestra la captura de la forma de onda de corriente de un arco voltaico sucedido en el rodamiento delantero de un motor eléctrico de 182 KW accionado mediante un VF. La corriente que atraviesa el rodamiento produce electro erosión que reduce sustancialmente la vida de los rodamientos derritiendo los caminos de rodadura de éstos. Este registro ha sido realizado con la ayuda del sensor de alta frecuencia E.L.M.-300-S, que Montajes Alhama S.L.U. diseña expresamente para la captura de este tipo de fenómenos. Para ampliar esta información puede visitar el apartado Sensor EDM Picado de Rodamientos del menú I+D Analizadores, en nuestra página web, o pinchar en este enlace, /analizador-edm-4.

 

 

      H- La instalación de un VF conlleva necesariamente la incorporación de otros componentes eléctricos que son complementarios de éste para su buen funcionamiento, y el del motor, que en la mayoría de ocasiones no se instalan, suponiendo un ahorro para el instalador, o fabricante de las maquinas, pero perjudica de forma severa al entorno donde funciona el variador, generando anomalías eléctricas que antes no existían como armónicos de corriente en el lado de red, amplificación de los armónicos existentes, tensiones anormalmente elevadas el bornes del motor, radiación electromagnética que perjudica a sistemas de medida sensibles y a las comunicaciones, funcionamiento errático de sensores de medida, presencia de tensiones de frecuencias armónicas en el conductor de tierra que producen disparos fortuitos de los relés de protección diferencial, consumos adicionales del motor accionado que generan más calentamiento, mayor desgaste de los rodamientos de los motores y por lo tanto averías tempranas en rodamientos de los mismos, etc. En la mayoría de ocasiones, la incorporación de un variador de frecuencia en un armario existente donde anteriormente había un accionamiento a contactores, significa que, si además del VF debemos instalar los aparatos eléctricos complementarios para su funcionamiento, es posible que dichos aparatos no quepan en el mismo armario y se prefiera instalar solo el VF porque lo que se pretende es variar la velocidad del motor, esto es un error, como hemos explicado antes, sin los componentes eléctricos complementarios el funcionamiento del VF generara de inmediato anomalías en la instalación eléctrica que antes no existían. La mejor solución en estos casos es montar el VF en un armario nuevo en el cual quepan todos los aparatos y el variador, pero puede que no tengamos espacio suficiente para montar dicho armario y además el coste de instalación se incrementa al doble del coste del variador, por lo cual en la mayoría de casos solo se monta el variador, siendo un error, pues no se proteje al resto de la instalación de las consecuencias que producen el funcionamiento del variador.    

      I- Como ya se explicado en el apartado anterior H, los VFs necesitan componentes eléctricos asociados que son imprescindibles para su correcto funcionamiento y protección como, fusibles ultrarrápidos calibrados para la potencia del variador. Filtro de "RFI" (Interferencias Electro Magnéticas) conducidas de clase "D" con una atenuación de (-12dB/Octava), la presencia de este componente es obligatoria por normativa, para que las tensiones de RF (Radio Frecuencia) no penetren en la red de nuestra instalación por la acometida eléctrica que llega al VF, en la practica la eficacia de los filtros instalados es de clase "A" con una atenuación de -3dB/Octava, que no son los adecuados y solo sirven para "cubrir expediente", esto sucede por la dificultad que presenta el replanteo de las medidas con las mismas impedancias de entrada y salida que las del filtro, la falta de conocimientos que exsiste para comprobar la atenuación de los mismos, y por la escasez de instrumentación adecuada para realizar dichas mediciones. Filtro contra las corrientes armónicas de BF (Baja Frecuencia), el rectificador trifásico del VF genera la aparición de armónicos impares, en especial el 5º armónico que es el de mayor potencia, el armónico de orden 3º no se produce en rectificadores trifásicos, los demás armónicos impares 7º, 9º, 11º, 13º, 15º, etc., éstos disponen de menor potencia que decae cuanto mayor es el número de orden del armónico, pero no por ello son menos importantes debido a su elevada frecuencia. Los armónicos que generan los VFs introducen distorsiones en las formas de onda de tensión (THDV) y de corriente (THDI) de la red eléctrica de nuestra instalación.  Para reducir "parcialmente" la potencia de los armónicos se debe instalar un componente esencial que consiste en un filtro o inductancia contra las corrientes armónicas, la instalación de este componente es obligatoria por normativa, pero en la mayoría de máquinas que tienen VFs para accionar los motores, resulta que la eficacia de dicho filtro es de tan solo -3 dB/Octava de atenuación en el mejor de los casos, lo cual significa una reducción de potencia armónica de 50 %, por lo que, dicho filtro es instalado igualmente para "cubrir expediente" en la máquina. Para garantizar que el contenido de armónicos no perjudica a nuestra instalación, junto con los VFs se deben instalar filtros con una eficacia de atenuación de al menos -15 dB/Octava como mínimo, lo cual significa una reducción de potencia armónica de 31,65 veces, osea, 3,16 % en (THDI), estos filtros tienen un precio más elevado pero están plenamente justificados en el caso, de que en nuestra instalación existan numerosos VFs. Sin ningún filtro la onda de corriente puede alcanzar distorsiones de hasta el 250 % o más en (THDI), que afectaría al consumo de energía eléctrica, al funcionamiento de todos los aparatos eléctricos y electrónicos de la instalación ocasionando  mal funcionamiento, a los transformadores de potencia de los CT (Centros de Transformación), y en mayor medida a las baterías de condensadores para compensación de energía reactiva. La esperanza de vida de una batería de condensadores es inversamente proporcional al producto (THDI) + (THDV) de nuestra instalación, por lo tanto, una distorsión elevada provocada por los armónicos en las ondas de tensión y de corriente provocara la destrucción de los condensadores de la batería en muy poco tiempo. En caso de producirse una avería por cortocircuito en el VF o en el motor, la corriente de defecto alcanzaría una magnitud extremadamente elevada en un tiempo muy corto que puede ocasionar que se fundan los fusibles de protección, si estos son del tipo ultrarrápidos aR, o gR, antes de que se produzcan desperfectos en el VF. Si los fusibles son del tipo normal aM, gG, etc., la elevada corriente de defecto que se produce de forma casi instantánea podría destruir los componentes del VF antes de que se fundan los fusibles. Gracias a la constante de tiempo "LR" de amortiguación para los armónicos que produce el filtro de armónicos, se introduce un retardo que favorece la fusión de los fusibles antes de que una corriente de defecto produzca desperfectos en el VF.  

      J- Las formas de onda de los voltajes y corrientes producidas a la salida de los VF hacia el motor son de alta frecuencia como hemos explicado antes, estos voltajes y corrientes se acoplan de forma capacitiva a las masas de las máquinas. La corriente de alta frecuencia acoplada a las masas es conducida por los conductores de protección de la puesta a tierra. La corriente de alta frecuencia que circula por la puesta a tierra, es interpretada en ocasiones por los relés diferenciales como defecto de un aislamiento, generando disparos fortuitos de los relés diferenciales de forma intermitente, sin que se trate de defectos. Estas anomalías causan diversos tipos de interpretación errónea por los profesionales, sin que se llegue a advertir por desconocimiento el verdadero origen del problema, el cual no es otro que el funcionamiento de los VF de la instalación, sin los dispositivos eléctricos complementarios, como filtro de armónicos a la entrada del VF en el lado de red, filtro de salida en el lado del motor, dispositivo de protección diferencial de clase "B", cable balanceado y apantallado en clase D para efectuar la conexión entre el VF y el motor, rodamientos aislados instalados en el motor que es accionado por el VF, en ocasiones dependiendo de su potencia para motores grandes hay que instalar rodamientos aislados en los dos lados del eje del motor especialmente cuando existen bombas hidráulicas acopladas directamente al eje del motor, armario con compatibilidad EMI/CEM para alojar el VF, sistema de puesta a tierra separado de la instalación de puesta a tierra de B.T., y filtros de AF en el transformador toroidal de los relés de protección diferenciales para evitar disparos erróneos del relé diferencial . Estos complementos suponen una inversión económica importante que debe ser evaluada siempre que se instala un nuevo VF, siendo estos complementos la solución a todos los problemas que generan los VF durante su funcionamiento, pues se eliminan los problemas en el origen. 

      K- Resonancias en baterías de condensadores. Los VF generan durante su funcionamiento la aparición de armónicos de la frecuencia de red, que antes no existían, y la amplificación de los armónicos presentes. En mayor medida las baterías de condensadores que no van provistas de filtros de armónicos, las mismas son afectadas de modo severo por las tensiones armónicas, ocasionando resonancias en los condensadores a las frecuencias de los armónicos que provocan consumos mayores de corriente, afectando a la vida de los condensadores, que se ve reducida sustancialmente, o incluso avería de los condensadores si la magnitud de la resonancia es elevada. En los condensadores y baterías de condensadores que tienen instalados filtros de armónicos se producen resonancias de menor magnitud que las que no llevan filtros, pero se absorbe energía activa extra de la red, que es convertida en calor por los filtros durante todo el tiempo de funcionamiento del condensador, dicha energía solo son perdidas que no producen trabajo alguno. Incluso si las baterías llevan filtro, la sintonía del mismo cambia con el tiempo a causa de la pérdida de capacidad del condensador con el tiempo, esto es normal, pero la frecuencia de sintonía del filtro (L+C) con condensador se eleva, acercándose dicha frecuencia de sintonía la de los armónicos. Los condensadores normales no servirán en caso de presencia elevada del contenido de armónicos, los filtros normales tampoco servirán porque deben soportar la corriente extra de los armónicos, para la cual no están diseñados y se quemarían en poco tiempo. Nuestra empresa tiene sobrada experiencia en este tipo de cuestiones y podemos calcular, diseñar, y fabricar baterías de condensadores especialmente concebidas para funcionar de forma permanente en presencia de armónicos de elevada magnitud sin ningún tipo de problema durante muchos años.

      L- Tensión elevada en los condensadores internos del circuito intermedio de CC del VF. Cuando se desacelera la inercia de una máquina que es acciona mediante un motor eléctrico equipado con un VF, la fuerza del campo magnético del motor es la que reduce la inercia de la máquina (fuerza contra electro motriz). En estas condiciones de funcionamiento el motor devuelve la energía mecánica de la maquina convertida en energía eléctrica, pasando a funcionar como un generador eléctrico que envía dicha energía hacia la fuente de la misma, o sea la energía devuelta por el motor retorna hacia el variador de frecuencia, que es acumulada en los condensadores internos del VF, elevando así la tensión presente en dichos condensadores. El ejemplo típico lo tenemos en un ascensor cuando éste viaja hacia abajo, o en una elevación de agua en un pozo cuando la electrobomba desacelera la elevación para evitar el golpe de ariete en las tuberías al parar, en resúmen esto sucede en multitud de ocasiones en las cuales el motor debe soportar la desaceleración de la inercia mecánica acumulada. Normalmente los VF disponen de una seguridad que dispara el accionamiento del VF cuando la tensión presente en los bornes de sus condensadores internos es demasiado elevada, si esta protección funciona correctamente el VF queda fuera de servicio para evitar que las tensiones regenerativas elevadas destruyan sus condensadores o perforen los aislamientos de los  transistores y rectificadores que emplea el VF para su funcionamiento. Este inconveniente se soluciona instalando un equipo electrónico de frenada que se conecta a los bornes de CC (corriente continua) del VF, el sistema de frenada está compuesto de una resistencia de la potencia adecuada y de un transistor que hace las veces de interruptor para conectar la resistencia a los condensadores del VF cuando la tensión alcance cierto valor que es inadmisible para los aislamientos de los condensadores del variador. Por lo general el equipo de frenada es un complemento extra que no es barato y se debe instalar siempre en todos los casos en los que se pretende desacelerar la inercia de la maquina con cierta celeridad, pues este fenomeno de sobre tensión no sucederá si la inercia de la maquina es desacelerada durante mucho tiempo. Resultando que en la mayoría de sistemas productivos los tiempos que el variador invierte para desacelerar la maquina o motor son tiempos cortos en algunas ocasiones y por lo tanto el VF debe tener instalado obligatoriamente un sistema de frenado electrónico, si no queremos que la protección dispare su funcionamiento, dando lugar a tiempos de inactividad de la máquina o incluso a avería tempranas del variador de frecuencia.

      M- La protección eléctrica de los VF debe contener "obligatoriamente" fusibles del tipo "ultrarrápidos" entre el conjunto de aparatos de protección. A diferencia de un interruptor, contactor, u otro elemento por el cual circula la corriente que llega al VF, éstos pueden soportar las corrientes de corto circuito que pueden producirse en el propio variador sin problema, por avería de alguno de sus semiconductores de potencia (IGBTs o rectificadores) que se encuentran en el interior del VF. Los semiconductores de potencia no soportan las corrientes de corto circuito producidas por averías del VF, por averías de la línea eléctrica al motor, o avería del motor. En régimen de cortocircuito las corrientes que se producen durante el tiempo que dura el mismo, algunos milisegundos, pueden alcanzar fácilmente intensidades de varios KA (kilo amperios) 1 KA = 1.000 amperios, las intensidades son mayores cuanto más cerca se producen de C.T. (centros de transformación). El tiempo típico que tarda una protección eléctrica normal como un interruptor automático, en interrumpir el circuito para despejar un cortocircuito, es de cincuenta mili segundos como mínimo, si el interruptor automático se encuentra en perfecto estado de funcionamiento y es nuevo, por su parte un fusible "normal" tarda un tiempo similar en producir el pre arco, (corriente de fusión) del cartucho fusible. Por el contrario, un cartucho fusible del tipo ultrarrápido logra despejar cortocircuitos de corriente de intensidades cuatro o cinco veces menores que para un cartucho normal, en tiempos de pocos milisegundos, típicamente diez mS para la misma corriente. Con este simple componente se libera a la instalación y a los semiconductores de potencia del VF de las corrientes que pueden destruirlos, resultando una protección muy eficaz de la cual todos los VF deben disponer. Si observamos los esquemas de protección propuestos por cualquier fabricante de VF, todos contemplan en sus esquemas fusibles ultrarrápidos entre los demás componentes de la protección. Los fusibles ultrarrápidos tienen un precio elevado, pero son esenciales como protección eléctrica de variadores, de los cuales no se puede prescindir. La desatención de este apartado suele producir multiples avería en cascada para un solo defecto.

      N- Elevar la frecuencia portadora PWM del variador con objeto de reducir el ruido acústico que produce el motor por su funcionamiento con VF, acarrea altas tasas de dt/dv (velocidad de crecimiento de la tensión), que pueden superar la zona SOA (área segura de operación) de los semiconductores de potencia, especificada por los fabricantes de componentes electrónicos, produciendo la llamada fatiga de los semiconductores, y la falla temprana de los mismos en un tiempo relativamente corto. Los componentes semiconductores grandes requieren frecuencias de conmutación PWM más bajas, cuanto mayor es el componente, así, por ejemplo, para motores de potencias mayores de 300 KW la frecuencia portadora no debe superar 3-4 KHz.

      O- En un mercado cada vez más competitivo, marcado por unos precios más bajos, se prescinde de todo lo que supuestamente sobra, sin atender al apartado técnico, esto es un error, pues en el caso de los VFs ésta práctica conduce posteriormente a problemas que tienen un coste adicional no previsto por el comprador final de éstos productos, y a paradas y reparaciones no previstas y costosas con perdidas de producción.   

      P- Los cables conductores que transportan las corrientes PWM desde un VF hasta el motor, se comportan como si se tratase de una antena de gran longitud que radia de forma permanente energía RF (radio frecuencia) en un ancho de banda con amplio espectro de frecuencias, cuando funciona el motor. Para reducir al máximo esta energía se deben instalar cables balanceados de buena calidad con apantallamiento del 100%, instalar puestas a tierra separadas de la instalación de B.T., montar filtros a la salida del VF de eficacia igual o superior a 18 dB/octava, y conducir los cables hacia el motor por zonas separadas a las instalaciones comunes de los demás circuitos eléctricos. Todos estos detalles suponen costes económicos no contemplados en los presupuestos, que en la mayor parte de las ocasiones no se asumen, instalando los cables de forma incorrecta con materiales no compatibles con el funcionamiento de los VFs, esto conduce a la generación de perturbaciones electro magnéticas de toda índole que perjudican los sistemas de comunicación y de telemetría, entre otros muchos problemas de la misma naturaleza de radio frecuencia, que ahora no desarrollaremos porque esta información trata de bajas frecuencias y no de RF (Radio Frecuencia), además, todo ello aparece en los libros de radiotecnia.

     Q- La distorsión armónica de corriente THDI que produce el rectificador trifasico un VF en la red, es de alrededor del 40% si su instalación contiene una inductancia de filtro de línea. Si no existe inductancia de filtrado, la distorsión de corriente será superior y puede alcanzar el 250% o más en ausencia total de filtrado en el variador. 

 

 

     R- La vida esperada y las propiedades dieléctricas de los semiconductores, o sea, el aislamiento, de los transistores y rectificadores de potencia de los VFs se agotan con el tiempo de funcionamiento y el número de conexiones y desconexiones que realizan, que depende de la frecuencia PWM que producen los variadores y de las sobretensiones que éstas ocasionan en las conmutaciones, reduciendo de este modo la calidad del aislamiento y provocando mayores pérdidas de energía en los semiconductores y en el motor. Esto conduce a la necesidad de estocar semiconductores de potencia como módulos rectificadores, transistores, diodos, y tarjetas de control.

      Cuando se supera la zona “SOA” (Safe Operating Area) o área segura de operación, de un semiconductor de potencia, se puede producir un cortocircuito entre sus terminales de conexión, inutilizándolo y causando otras averías reflejas en cascada como consecuencia de las sobretensiones que se pruducen durante el cortocircuito. Cuando los variadores de frecuencia trabajan de forma ininterrumpida a plena potencia, con una temperatura no superior a cuarenta grados centígrados, se deben cambiar los semiconductores de potencia transcurridas 20.000 horas de funcionamiento como máximo, esto reduce la posibilidad de que se produzcan averías frecuentes en el circuito de potencia por agotamiento del aislamiento en los semiconductores.

      Dependiendo del entorno y de la atmosfera en la cual funcionan los variadores, el cómputo de tiempo de uso de los semiconductores de potencia de los variadores se deberá reducir en caso de atmosfera hostil. Si el suministro eléctrico contiene armónicos de BF (Baja Frecuencia), es decir, armónicos de la red, más armónicos de AF (Alta Frecuencia), el periodo de utilización de los semiconductores se deberá reducir aún más. En caso de sobretensiones de magnitud elevada, producidas de forma permanente por los transitorios de conmutación de los semiconductores de potencia "transistores del variador", la operación de los semiconductores se verá seriamente comprometida. La temperatura o el enfriamiento de los variadores, en determinados momentos puede ser insuficiente, por ejemplo, cuando el variador opera a plena carga con inadecuada ubicación, también puede fallar el circuito de refrigeración o el control de este. Los defectos causados por la temperatura elevada de funcionamiento del variador son acumulativos, aunque dichos defectos sean causados en un tiempo breve. Atendiendo a la suma de todas las condiciones de funcionamiento mencionadas, el periodo máximo de vida útil de un semiconductor de potencia funcionando de la forma más desfavorable puede acortarse drásticamente. En consecuencia, conviene sustituir los semiconductores de un variador antes de que se alcance el máximo envejecimiento de estos componentes, pues las averías de los mismos suelen acarrear más complicaciones en cascada, como averías en tarjetas de control, fusibles ultrarrápidos fundidos, o paradas de larga duración y pérdidas de producción a la espera de repuestos. Proveerse de tarjetas electrónicas de control y semiconductores de potencia para repuesto de los variadores de frecuencia no debe considerarse como un gasto, sino una inversión para garantizar la continuidad de servicio con el mínimo tiempo de mantenimiento. 

      S- Las tarjetas electrónicas de control de los variadores de frecuencia no tienen una duración infinita. Estas tarjetas contienen circuitos con componentes electrónicos muy sensibles a varios factores que reducen su vida útil dependiendo de la agresividad del ambiente donde funcionan. Los campos magnéticos de gran intensidad producidos por la cercanía de inductores de elevada corriente y los filtros EMI generan campos electromagnéticos de elevada magnitud en un ancho de banda que tiene un espectro de frecuencias muy amplio, que pueden perjudicar el funcionamiento de los circuitos electrónicos de control de los variadores, así mismo, las tensiones capacitivas que producen los pulsos PWM de los variadores de frecuencia generan ondas en el rango de frecuencia de AF que son acopladas a las masas de las máquinas, y pueden elevar peligrosamente el voltaje existente entre la puesta a tierra de la instalación eléctrica y las masas metálicas de las máquinas donde se encuentran los variadores, esto incrementa la posibilidad de producir voltajes transitorios de elevada magnitud que pueden averiar las tarjetas de control de los variadores. La calidad del suministro eléctrico de la red es fundamental, pues los circuitos de control de los variadores se alimentan de la misma tensión de red, una alimentación de red contaminada por armónicos o ruido de AF reducirá sustancialmente la vida de los circuitos de control electrónicos de los variadores. Para conocer la calidad del suministro de red se debe realizar un análisis de la red empleando analizadores de redes eléctricas con un ancho de banda mínimo de 10 MHz, los analizadores para medir la calidad del suministro de red con ancho de banda inferior no sirven para realizar estos análisis, por ejemplo, un inversor de una planta fotovoltaica o un variador de frecuencia, ambos generan armónicos de AF en un ancho de banda de varios cientos de KHz, e incluso de varios MHz, resultando que los analizadores de redes "normales" disponen en el mejor de los casos de un ancho de banda de algunos KHz, por lo tanto, se muestran "ciegos" en el espectro de frecuencias de HF o AF. Los pulsos de sobretensión de naturaleza inductiva como los generados por la conmutación de cargas de elevada potencia como motores o transformadores, y los pulsos de sobretensión de naturaleza capacitiva como los generados por la conmutación de cargas de condensadores para la regulación del coseno, generan transitorios de sobretensión que pueden alcanzar varios miles de voltios en tiempos muy cortos en el rango de micro segundos, los efectos de estas sobretensiones son acumulativos y van mermando con el tiempo las propiedades dieléctricas de los aislamientos de toda clase, incluido el aislamiento de las tarjetas electrónicas de control de los variadores de frecuencia, arrancadores suaves, PLCs, etc.

      Los circuitos electrónicos funcionan a tensiones fijas de bajo voltaje, el incremento momentáneo de dicha tensión por cualquier causa como una descarga electrostática o un pulso de sobretensión pueden destruir una tarjeta de control. Existen varios tipos de protecciones contra los transitorios de voltajes elevados para protección de las tensiones de alimentación de las tarjetas electrónicas, cada uno de dichos tipos de protección tiene ventajas e inconvenientes, el principal inconveniente es implantar estas protecciones en circuitos existentes. Los componentes de protección para circuitos electrónicos son una medida atenuante contra los defectos o alteraciones de la alimentación eléctrica, la verdadera solución consiste en asegurar la calidad de alimentación de la red eléctrica, eliminando las fuentes generadoras de anomalías que causan los defectos en la red.

 

 

          Los efectos nocivos de la baja calidad eléctrica en la red y el ambiente adverso en el cual trabajen los variadores de frecuencia quedan reflejados en la "ausencia" de averías en variadores de frecuencia iguales del mismo fabricante y mismo modelo, en los cuales no se ha producido ninguna avería en muchos años de funcionamiento en varias unidades idénticas instaladas en la misma fabrica donde la calidad de la alimentación eléctrica es "normal". Por el contrario, en las fábricas donde la calidad de la alimentación eléctrica es "deficiente", todos los variadores de frecuencia instalados sufren averías.  

          La calidad de la alimentación empeora con el número de accionamientos no lineales, o sea, los aparatos electrónicos como los VF y los arrancadores suaves usados para el accionamiento de motores, sobre todo los de gran potencia. También empeora con la instalación de plantas de generación eléctrica fotovoltaicas conectadas a nuestra instalación o conectadas en las cercanías, que generan armónicos dañinos de muy alta frecuencia. Las conmutaciones de cargas de elevada potencia como hemos explicado antes, producen transitorios de sobretensión de corta duración, pero muy perjudiciales para los aislamientos eléctricos, los daños que producen estos fenómenos son acumulativos. El desequilibrio de capacidad en los condensadores de las baterías para la compensación de energía reactiva amplifica la distorsión THDI de los armónicos de red. Todo ello contribuye al empeoramiento general de la calidad de la alimentación de red en nuestra instalación. En una sociedad en la cual "mandan" los precios más bajos, nadie quiere incrementar el coste de los productos o instalaciones eléctricas ofertados, instalando los complementos imprescindibles para que éstas anomalías no sucedan, y los titulares de las instalaciones no son informados de las consecuencias que ello acarrea por desconocimiento de los profesionales, o por simple ahorro de costes. La realidad es que "los problemas, gastos, y pérdidas de producción, que provocan la ausencia de los componentes imprescindibles" para evitar estas anomalías, tienen un coste muy superior al del supuesto ahorro. La estrategia a seguir en todos los casos de nueva instalación de accionamientos mediante VF o control de carga utilizando sistemas eléctronicos consiste en atender a al criterio técnico de profesionales responsables, en lugar de aceptar la oferta más económica.

          Para entender mejor hasta qué punto el THDI y las cargas no lineales perjudican al funcionamiento de las instalaciones y de los accionamientos eléctricos, a continuación en el grafico siguiente se muestra la desclasificación de potencia recomendada por la norma UNE 21.538 para transformadores secos y UNE 21.428 para transformadores sumergidos en aceite. Según esta norma el THDI (distorsión armónica total de intensidad), en el secundario del transformador debe ser inferior al 5%. Por ejemplo, según la norma, una proporción de cargas no lineales del 60 % conectadas a un transformador de distribución, el mismo, debe desclasificarse para una potencia del 50 %. Esto significa que el transformador se sobre calentara en exceso cuando la carga del mismo supere una proporción de potencia del 50 %.

          La causa principal que impera para concienciarse de que la desclasificación de potencia en un transformador que opera con una proporción elevada de cargas no lineales es totalmente necesaria, es porque las tensiones y corrientes armónicas solo pueden ser medidas con analizadores de redes vectoriales y la ayuda de filtros de paso de banda extremadamente estrecha, que son instrumentos de precio muy elevado empleados en trabajos de radiotecnia. Una pinza amperimétrica para medida de corriente no mide la corriente de los armónicos, un analizador de redes no mostrara las ondas de tensión y corriente de los armónicos, tan solo mostrara la distorsión producida por los armónicos, un osciloscopio tampoco mostrara las ondas de tensión o corriente de los armónicos. Un analizador de espectro mostrara la ganancia en dBm o dB de los vértices de los armónicos que no corresponde con tensiones y corrientes eficaces. El único síntoma que mostrará un transformador que opera con elevada proporción de carga no lineal será el calentamiento excesivo para una determinada carga, para la cual no se corresponde con la máxima potencia que puede suministrar el transformador. Por estas causas, en la mayoría de ocasiones no se presta la debida atención a la carga del transformador si la corriente que se mide con un amperímetro “supuestamente” no supera la corriente nominal del transformador. La realidad actual es que la proporción de cargas no lineales existentes en las industrias modernas que usan electricidad superan el 50% y va en aumento, esto acarrea un aumento de problemas y averías frecuentes en los transformadores, para los cuales no se les encuentra ninguna explicación.      

                                

 

      T- Necesidad de ventilación forzada. Los armarios eléctricos que contienen VFs necesitan ventilación forzada de aire del exterior para evacuar las calorías que generan los variadores durante su funcionamiento, o refrigeración del aire contenido en el interior del armario mediante equipos de aire acondicionado. La ausencia de medios de refrigeración en armarios que contienen VFs elevaría peligrosamente la temperatura de los semiconductores de potencia del variador hasta destruirlos. Si el VF no dispone de protección contra sobre temperatura o ésta se encuentra averiada y no funciona los semiconductores se averiaran igualmente, incluso cuando las protecciones contra temperatura elevada funcionen, el disparo de las de éstas se producirá después de haber alcanzado cierta temperatura "critica" a la cual el variador no puede funcionar, produciéndose posteriormente el disparo. En estos casos los semiconductores de potencia han estado funcionando a una temperatura anormalmente elevada hasta que se produce el disparo, ello acarrea cierta degradación de los semiconductores de potencia del VF y de las tarjetas de control, que es acumulativa, la repetición de éstas anomalias pueden suceder tambien por obstrucción o acumulación de suciedad de los radiadores que evacuan las calorias de los semiconductores del VF. La repetición de esta situación causará irremediablemente averías tempranas del VF. La solución para evitar estas situaciones consiste en comprobar periódicamente las protecciones contra sobre temperatura para garantizar la refrigeración del VF.

      Los motores eléctricos que son alimentados mediante VFs necesitan ventilación forzada, u otro tipo de refrigeración equivalente para mantener la temperatura del devanado eléctrico en valores adecuados. Esto es así porque en ocasiones la velocidad de giro del motor puede ser muy baja, o porque la cadencia de uso en una determinada aplicación no puede aportar suficiente enfriamiento, y por esta causa el ventilador del motor no sería suficiente para aportar el caudal necesario de aire para mantener el motor bien refrigerado, y en caso de funcionar a baja velocidad se calentaría en exceso. Debido a un posible defecto en la ventilación del motor por obstrucción o fallo de la refrigeración, la temperatura del motor también debe ser controlada por un dispositivo de protección contra calentamiento excesivo con el fin de evitar que el devanado eléctrico del motor se queme.    

      U- Los conductores eléctricos que transportan la energía eléctrica suministrada por un VF hacia el motor, que es de naturaleza de alta frecuencia, no tienen la misma impedancia que los devanados del motor al cual están conectados, por esta razón parte de la tensión desacoplada por las diferencias de impedancia, retorna hacia el VF después de llegar al motor, a este fenómeno se le denomina "ondas estacionarias" de retorno. Cada pulso de voltaje que el VF envía al motor, choca con el pulso que vuelve de retorno desde el motor, sumándose dichos voltajes, esto produce un nuevo pulso de mayor voltaje con dirección hacia el motor, y otro nuevo pulso de menor voltaje con dirección hacia el VF, este fenómeno eléctrico es completamente normal, lo que no es normal son sus consecuencias, que se denominan genéricamente "sobretensiones de conmutación". Si las impedancias del motor y de los conductores fuesen iguales dichas sobretensiones no sucederían, la realidad es que en la práctica suceden siempre. El lector interesado puede consultar el "Teorema de las líneas de transmisión" en los libros de radiotecnia para ampliar esta información, o de la adaptación de las impedancias de las antenas de radio, que viene a ser lo mismo que para el caso de los motores cuando son accionados mediante variadores de frecuencia.

      V- Como se ha explicado anteriormente, la naturaleza de la alimentación proporcionada por los VF a los motores durante su funcionamiento tanto en corriente como en tensión, es de alta frecuencia, y no de BF (Baja Frecuencia), los motores por diseño necesitan alimentación de baja frecuencia a 50 Hz o 60 Hz. Aunque los motores que son alimentados por los VF funcionan, lo hacen con tensiones a frecuencias de varios KHz (1 KHz = 1000 Hz), las ondas de corriente suben y bajan durante las transiciones de conmutación de los transistores del VF, y como resultado se produce una onda de intensidad en los devanados del motor que tiene apariencia senoidal, sin llegar a ser senoidal, generando gran cantidad de armónicos de intensidad que son acoplados de forma inductiva a todos los cableados cercanos y a las masas metálicas. Por su parte las ondas de tensión tienen todas ellas forma cuadrada de alta frecuencia en el rango de KHz y generan igualmente armónicos de tensión en rangos de frecuencias desde BF hasta AF que son acoplados de forma capacitiva a toda la instalación y a las masas metálicas produciendo toda clase de anomalías, principalmente sobretensiones y circulación de corrientes de AF por los rodamientos de los motores, destruyéndolos en poco tiempo.   

      W- Reformado de condensadores de variadores de frecuencia. Cuando un variador de frecuencia permanece largo tiempo sin funcionar, el "aislamiento" de sus condensadores electrolíticos de CC disminuye y debe ser recuperado realizando el proceso denominado "reformado" que consiste en suministrar al banco de condensadores del variador de frecuencia una tensión de CC de voltaje y corriente controlados de forma ascendente hasta alcanzar en los condensadores un voltaje equivalente al nominal de la red X √². El voltaje se suministra en escalones de tiempo/voltaje, el tiempo y el voltaje de cada escalón depende de cuánto tiempo ha estado sin funcionar el variador, normalmente se realiza la operación en cinco escalones, 20%, 40%, 60%, 80%, y 100%, después de alcanzar el voltaje nominal conviene realizar un escalón adicional de tiempo manteniendo el voltaje. Los tiempos para un variador que ha estado 1-2 años sin funcionar pueden ser de treinta minutos, para un tiempo de inactividad de 2-3 años convienen tiempos de escalones de sesenta minutos, para más de 3 años de inactividad se deben emplear tiempos en escalones de ciento veinte minutos o más. El motivo que justifica realizar el reformado es porque los condensadores electrolíticos de CC que tienen los variadores de frecuencia, pierden con el tiempo de inactividad su aislamiento de óxido de aluminio (AI₂O₃) que es un producto dieléctrico que fue añadido durante el proceso de fabricación a las placas internas de los condensadores. Si no se realiza la operación de reformado, los condensadores podrían averiarse de improviso durante el funcionamiento del variador, por debilidad de su aislamiento, ocasionando un corto circuito en el banco de condensadores. Para conocer si la operación de reformado de los condensadores se ha realizado con éxito, se alimentan los condensadores y mediremos la corriente de fugas total de los condensadores cuando el variador está inactivo, la intensidad de la corriente no ha de superar 200 mA en variadores pequeños, y 500 mA en aparatos grandes.

      X- El estudio armónico de consumos no lineales como los de variadores de frecuencia en una instalación, permite justificar matemáticamente los efectos indeseados que aparecen como por ejemplo: disparo de protecciones térmicas, disparo de interruptores automáticos, así como el calentamiento anormal de cables con corrientes menores que las nominales. En general estos efectos sucede en aquellos componentes que utilicen el efecto Joule para funcionar, en la practica para casi todos los receptores electricos y conductores, produciendo parpadeo de la iluminación, explosión por resonancia de condensadores de corrección de la energía reactiva, incremento de las vibraciones en motores y transformadores sin causa mecánica aparente, fallos en circuitos electrónicos sensibles. Los consumos combinados de corriente lineal y no lineal en la instalación pueden llegar a afectar al transformador de alimentación, distorsionando ampliamente la propia tensión del devanado, lo cual empeora la situación pues cualquier carga lineal alimentada con una tensión no lineal consumirá una corriente adicional no lineal.

      Y- Efecto Skin, las corrientes de frecuencias altas como las de los armónicos de BF (baja frecuencia) tienden a circular por la superficie de los conductores eléctricos disminuyendo su sección efectiva y provocando calentamientos no previstos, cuanto mayor es la frecuencia que circula por un conductor, menor es la sección efectiva de dicho conductor, generando mayor calentamiento del conductor, este fenómeno se agrava en caso de circulación de corrientes de naturaleza AF (alta frecuencia) por los conductores, como sucede con los armónicos de las ondas PWM que producen los variadores de frecuencia y los inversores fotovoltaicos. El estudio para buscar soluciones a los problemas que acarrean estos fenómenos se realiza con instrumentación para RF (radio frecuencia) como, analizador vectorial de redes para microondas, analizador de espectro de RF, receptor de EMI, sondas de corriente de RF, amplificadores diferenciales de RF, y osciloscopio para RF. Como es lógico también es preciso disponer de conocimientos y experiencia en el campo de la radiotecnia. Para compensar esta deficiencia se deben instalar secciones superiores a las calculadas para las acometidas a los motores, tanto mayores cuanto más elevada es la frecuencia PWM generada por el variador de frecuencia. 

 

 

      Z- Precarga de condensadores. Cuando se da marcha a un motor accionado por un variador de frecuencia se produce un retraso de tiempo para cargar el banco de condensadores de CC del variador, este retardo está condicionado por el voltaje que deben alcanzar los condensadores del variador que es igual a la tensión de red X √². No es posible realizar el arranque del motor de forma instantánea al dar tensión al variador porque en este caso los condensadores electrolíticos del variador deberían cargarse de forma casi instantánea en la conexión a la red, esto provocaría una corriente de carga extremadamente elevada que haría saltar la protección del variador. Lo mismo sucede cuando se para el motor y se intenta dar marcha inmediatamente, en este caso la tensión de los condensadores se descarga y debe ser cargada de forma instantánea, lo cual produce corrientes igualmente elevadas que pueden ocasionar el disparo de las protecciones o la destrucción de los condensadores. Para evitar el disparo de las protecciones la tensión de los condensadores es cargada con una rampa de tiempo en la cual el voltaje rectificado de CC se eleva de forma progresiva sin incrementos bruscos que produzcan disparo, esto se realiza de tres modos, (A) primeramente se realiza una precarga a través de una resistencia que limita la corriente de carga y cuando se alcanza un determinado voltaje en el banco de condensadores se puentea dicha resistencia por la cual ya no circula corriente, y la corriente principal circula por un contacto o por un semiconductor de potencia por ejemplo un transistor IGBT, (B) la precarga de los condensadores se realiza mediante tiristores que controlan el ángulo de conducción de la onda de AC para rectificar el voltaje de forma progresiva hasta que los tiristores cierran la totalidad de cada semi periodo eléctrico de cada fase, esto es de 0º hasta 180º. Este último modo de carga suele realizarse con un tiristor por cada fase de red, en total existen tres tiristores para el polo positivo, combinados con tres diodos sin controlar para rectificar el voltaje perteneciente al polo negativo, (C) en algunos variadores se emplean los dos modos explicados anteriormente, o sea, resistencia de precarga y puente rectificador mixto compuesto de tres módulos de tiristor diodo. Como se puede intuir, este tipo de funcionamiento de los variadores de frecuencia introduce retardos y maniobras extra de enclavamiento en el mecanismo de control, además de crear una complejidad añadida en el circuito de control.  

 

FUNCIONAMIENTO  DE LOS VF   

      En la siguiente imagen se muestra el esquema completo de un variador de frecuencia. Compuesto de la etapa de puente rectificador trifásico AC/CC de onda completa, formado por seis diodos para obtener la CC (corriente continua), generalmente esta etapa está formada por un puente rectificador trifásico de seis diodos en VFs de pequeño tamaño, o por seis tiristores controlados o semi controlados en los VFs de mayor tamaño, que regulan la tensión y la corriente de carga del banco de condensadores internos de CC, para modular la corriente de carga de los condensadores durante la conexión y evitar elevadas sobre corrientes de conexión, que pueden disparar las protecciones de sobre carga. Una tensión AC de 400 V RMS rectificada alcanza un voltaje en el polo positivo de U X √² = 566 V CC, en el polo negativo el voltajes es de -566 V CC. Banco de condensadores que incluye la inductancia de filtrado si ésta existe para reducir los armónicos de intensidad en el lado de red, con el transistor que modula la corriente de frenada en caso necesario, más la resistencia externa de freno, en el esquema esta resistencia se conecta externamente en los bornes del variador, dicha resistencia ha de ser calculada para que pueda absorber la energía sobrante generada en la etapa de deceleración del motor, generalmente el transistor de frenado opera a partir de 750 voltios de CC con el fin de que el voltaje regenerativo que se produce durante la etapa de frenada no supere la tensión máxima de los condensadores porque podría destruirlos por sobretensión, el control de la frenada se ajusta en los parámetros del VF, en otros casos el control de frenada se realiza mediante un circuito independiente del VF dedicado a la frenada, que también se debe ajustar. Por último, a la derecha del grafico se muestra el conjunto de transistores, los cuales producen las conexiones y desconexiones de la carga por ancho de pulso (PWM), la energía la toman los transistores en CC del banco de condensadores. Todos los semiconductores de potencia del variador, tiristores, y transistores, deben estar aislados de la unidad de control que los gobierna mediante transformadores de aislamiento de los impulsos de control en caso de los tiristores del rectificador, y por circuitos de aislamiento galvánico en el caso de los transistores, estos aislamientos de las señales de control impiden que un cortocircuito en uno de los semiconductores de potencia destruya de los circuitos de control, al alcanzar las tensiones elevadas de 550 voltios presente en el lado de los condensadores, no lleguen al control, y así evitar que las tarjetas electrónicas sean alcanzadas por  ésta tensión. 

 

 

      Ignorar los esquemas propuestos por los propios fabricantes de variadores de frecuencia con el objeto de ahorrar costes de instalación, eliminando componentes eléctricos esenciales que son complementarios para el buen funcionamiento del VF, conducirá en numerosas ocasiones a tener que resolver cada anomalía que produce el funcionamiento del VF sin dichos componentes, de forma individual cuando éstas se manifiesten, siendo más costosa esta solución. Por ejemplo, si un relé diferencial de otra máquina dispara de forma fortuita solo cuando un VF se encuentra en funcionamiento, deberemos cambiar el relé diferencial de dicha maquina por otro de clase "B", pues si no lo cambiamos resulta que, por el conductor de protección de puesta a tierra circulan corrientes armónicas acopladas de forma capacitiva desde el variador, que no son corrientes de defecto de aislamiento, pero que un diferencial normal la entiende como defecto del aislamiento, actuando y disparando para abrir el circuito y despejar el supuesto defecto. Esto mismo puede suceder más tarde en otras máquinas, hemos de aclarar que el coste de un diferencial de clase B es mucho mayor que un diferencial normal, del orden de cinco a diez veces el precio del normal. Como se podrá comprender, la mejor solución no es cambiar todos los diferenciales de todas las maquinas afectadas por el funcionamiento del VF, sino incorporar en la instalación del VF los elementos eléctricos que eliminan tal anomalía. Esto es solo un ejemplo, en la práctica suceden otros problemas adicionales que ahora no son objeto de ésta información.

 

EJEMPLOS Y DEMOSTRACIONES PRACTICAS DE CASOS REALES

      En el siguiente ejemplo práctico podemos ver un video de los efectos producidos por arcos voltaicos que generan descargas de corriente a través del rodamiento delantero de un motor de 315 KW durante su funcionamiento, dichas descargas a través del rodamiento han sido registradas con un analizador de EMI (Interferencias Electro Magnéticas) con la ayuda de una sonda de corriente de RF (Radio Frecuencia) de campo cercano. Las descargas de corriente a través de los rodamientos hacia las masas generan pulsos de radio en un espectro de frecuencias muy amplio, normalmente varios centenares de MHz, en nuestro caso el ancho de frecuencias registrado es de tan solo 40 MHz porque no se necesita registrar todo el ancho del espectro de frecuencias para ver el defecto. En el video las descargas de corriente a través del rodamiento aparecen como elevaciones bruscas en la magnitud vertical en la parte superior de la trazada. Todas las trazas que aparecen de forma brusca por encima de la banda superior de color verde son arcos voltaicos o descargas de corriente de alta frecuencia a través del rodamiento del motor examinado, en nuestro caso se trata del rodamiento delantero.

Ver el siguiente vídeo en éste enlace: /videopwm

      Otro ejemplo de las anomalías causadas por el funcionamiento de un variador de frecuencia o por un inversor fotovoltaico son la generación de armónicos en rangos de frecuencia bajas, medias, altas, muy altas, y extremadamente altas, que provocan mal funcionamiento de toda clase de equipos eléctricos y electrónicos de todo tipo y potencia, comprometiendo seriamente el propio funcionamiento del variador de frecuencia o inversor que genera dicha anomalía. Además, en muchas ocasiones los equipos eléctricos que son "victima" de las anomalías producidas por el variador de frecuencia o inversor, dejan de funcionar o lo hacen de forma errática. Es de especial mención los graves problemas que causan los convertidores de las plantas fotovoltaicas que son instaladas sin la más mínima garantía de funcionamiento, por haber prescindido de todos los componentes eléctricos necesarios que garantizan el buen funcionamiento, despreciando así la calidad del suministro eléctrico. En efecto, un convertidor de una planta fotovoltaica es un variador de frecuencia programado para funcionar en paralelo con la red eléctrica a una frecuencia fija  de 50 Hz, que es la frecuencia de la red de suministro eléctrico. En toda instalación que disponga de una planta fotovoltaica sin los componentes esenciales que garanticen la calidad del suministro eléctrico de dicha planta, se producirán con toda seguridad anomalías eléctricas de toda clase, en especial la destrucción acelerada de las baterías de condensadores para la corrección de la energía reactiva, y la radiacción eletromagnética que inutiliza las comunicaciones, así como errores de funcionamiento en sensores sensibles que envian información falsa, y en otros casos no la envían. Otro efecto negativo es la circulación de corrientes de AF y el aumento de las tensiones de Alta Frecuencia por el conductor de protección de tierra y por todas las masas de la instalación, generando riesgo eléctrico para el personal. 

      En el siguiente enlace podemos ver un video del nivel de armónicos producido por un variador de frecuencia que acciona una electrobomba sumergible de 200 KW de potencia de un pozo. En la primera mitad del video podemos apreciar el nivel de armónicos en la salida del variador de frecuencia. En la segunda mitad del video el instrumento de registro se ha conectado a la salida del Resonador Vectorial conectado a la salida del variador de frecuencia entre el motor y el variador, donde podemos ver, que las magnitudes de los armónicos es insignificante, con descensos de media de 50 dB (deci Belios), esto es una reducción de 100.000 veces menor, en el nivel de la potencia de los armónicos, con lo cual no es necesario la utilización de cables apantallados entre variador y motor, ni la utilización de inductancias de filtrado de armónicos, pudiéndose emplear cables no balanceados de cualquier longitud entre variador y motor sin ningún problema, como si se tratase de un motor sin accionamiento por variador de frecuencia. Los cables de acometida al motor que antes hacían de antenas de radio, emitiendo una cantidad elevada de energía electromagnética, que produce problemas importantes en las comunicaciones y el funcionamiento de los sensores sensibles, con la incorporación del resonador vectorial, los cables ya no radian energía, no se comportan como antenas, y solamente transportan la energía de BT (Baja Tensión) a la frecuencia de la red eléctrica de 50 Hz.  

Ver el siguiente vídeo en éste enlace: /resonador-vectorial  

      A continuación en la siguiente imagen pasamos a describir de forma gráfica los detalles de lo explicado anteriormente. Lo más destacado es el voltaje PWM de salida del inversor (trazo amarillo) derecho en la parte superior del gráfico con una magnitud mayor que 1200 voltios, esta tensión está presente en la salida del inversor durante todo el tiempo de funcionamiento del mismo, frente a los 415 voltios AC RMS correspondientes a la onda "limpia" con forma senoidal (trazo azul) derecho en la parte inferior, esta misma forma de onda y voltaje son los que se reciben de la red de suministro eléctrico. A la misma vez en la parte izquierda de la imagen vemos los espectros de armónicos correspondiente a la dos formas de onda diferentes de la derecha, donde destacamos el nivel de armónicos muy inferior en el trazo azul izquierdo inferior, en el mismo se aprecia que la potencia de los armónicos a la salida del Resonador Vectorial desciende en el menor de los casos 38 dB  para el 2º armónico que corresponden a 6300 veces menor potencia armónica cuando se instala el Resonador a la salida de un convertidor de frecuencia para accionar un motor, o un convertidor de frecuencia para una planta fotovoltaica, la diferencia entre ambos consiste en que el convertidor para plantas fotovoltaicas no varía su frecuencia de salida, pues está conectado a la red eléctrica, y la frecuencia de ésta última es de 50 Hz, por su parte un convertidor de frecuencia para accionar un motor eléctrico si puede variar su frecuencia de salida en función de las necesidades del motor. Ambos convertidores, para fotovoltaicas y para motores tienen los dos el mismo tipo de funcionamiento por modulación de ancho de los pulsos de voltaje o PWM (Pulse Width Modulation).

      Hemos de resumir brevemente que la medida de dB (deci Belios) es una magnitud logarítmica exponencial en base decimal, con la cual se pueden expresar valores muy pequeños frente a valores muy grandes en el mismo gráfico, en tensiones se expresa con el Log en base 20, las potencias se expresan con el Log en base 10, de forma que, por ejemplo 10 dB referidos a la potencia de 1 W (vatio), su valor será el equivalente a 10 W, 20 dB equivalen a 100 W, 30 dB equivalen a 1000 W, y así sucesivamente. Este tipo de cálculo es comúnmente empleado en medidas de niveles de ruido, cálculos de fuerza mecánica, y en electrónica para conocer la potencia radiada por una antena de radio, la sensibilidad de receptores de radio, cálculo de filtros de todo tipo, etc.

 

     

      La principal desventaja de la forma de onda PWM que generan los inversores fotovoltaicos reside en que el nivel de los armónicos es muy elevado y afecta a las baterías de condensadores, por su parte el ancho del espectro de frecuencias y el número de armónicos producidos es muy elevado, de forma que una vez puesta en marcha la planta fotovoltaica, comienzan los recargos de consumos de energía reactiva porque los condensadores de la batería fallan y se rompen por el nivel de armónicos presentes en la red de nuestra instalación, que antes no existían, puede ampliar esta información visitando nuestro apartado MANTENIMIENTO ELÉCTRICO/Baterías de Condensadores, de ésta misma WEB.

      Otra desventaja de los VF o Inversores fotovoltaicos que tarda más tiempo en aparecer es el daño causado a los rodamientos de los motores y a sus devanados eléctricos, que reducen sus vida útil de forma sustancial, debido a las elevadas tensiones de funcionamiento que aparecen entre bornes de los motores, siempre superior a 1200 V, en motores de elevada potencia este voltaje ronda los 1700 V e incluso más de 2000 V de forma ocasional con menor frecuencia. Como se podrá comprender, el aislamiento de un motor fabricado para trabajar con tensiones de 400/660 V, no es suficiente para funcionar con tensionas superiores a 1200 V, por esta causa los motores que son accionados por VFs, la duración o vida útil de su devanado eléctrico es mucho menor que la de los motores con accionamiento convencional a contactores o por accionamiento con arrancadores suaves.

      No menos importante es el daño causado por las tensiones elevadas de naturaleza AF (Alta Frecuencia), o lo que es lo mismo tensiones PWM, que se acoplan al eje de los motores que son accionados por VFs, pues dichas tensiones de AF son conducida a masa a través de los rodamientos del eje motor, quemando la grasa del rodamiento, y destruyéndolo en muy poco tiempo como se ha explicado anteriormente, pero además de esto, dichas tensiones elevadas reducen de forma grave el aislamiento de los transistores del VF. mermando la vida útil de los mismos de manera sustancial, de modo que si la magnitud de las sobretensiones que se producen durante la conmutación de los transsitores, es muy elevada, la vida útil de los transistores del variador se agotara en semanas o pocos meses, cuando el variador trabaja de forma permanente. La temperatura elevada en el motor y en el variador es otro factor a considerar, pues en caso de motores con ventilación insuficiente o mal ventilados, su temperatura se eleva más de lo normal sobre todo cuando no disponen de ventilación formada y funciona a baja velocidad, en estos casos el devanado eléctrico del motor ofrece mayor impedancia a las frecuencias elevadas PWM y por lo tanto la tensión de las sobretensiones de conmutación son mayores, agravando el problema. Para ampliar esta información puede visitar nuestro apartado MANTENIMIENTO ELÉCTRICO/Rodamientos (electro erosión), de ésta misma WEB.

Puede ver el video correspondiente a la imagen explicada anteriormente en el siguiente enlace.

Ver el siguiente video en este enlace: /vf_ftv

 

PROTECCIONES CONTRA DEFECTOS DE AISLAMIENTO

 

SOLUCIONES 100% EFECTIVAS GARANTIZADAS

      Nuestra empresa tiene dilatada experiencia en la solución de problemas en los armarios eléctricos que contienen VFs (Variadores de Frecuencia) para accionar motores, e inversores para energía fotovoltaica, estos dos tipos de aparatos están basados en la misma tecnología de PWM y funcionan de la misma forma, produciendo los mismos tipos de problemas. Montajes Alhama S.L.U. fabrica productos que eliminan de forma definitiva las anomalías que producen los convertidores durante su funcionamiento. De forma paralela también fabricamos componentes eléctricos que permiten eliminar los problemas en otros armarios que no tienen variadores, pero que son afectados por los armarios que tienen convertidores o variadores. La solución del problema de la electro erosión en rodamientos de los motores eléctricos causada por efecto de las tensiones elevadas PWM que se acoplan al eje de éstos, consiste en la instalación de componentes construidos a medida para cada motor que eliminan la totalidad de los problemas a la salida del VF o convertidor, se trata de "Resonadores Vectoriales" que son instalados entre el convertidor y el motor. Con esta solución se puede prescindir de cables apantallados entre variador y motor, se eliminan las sobretensiones en el motor, la distancias de cables largos a la salida de los variadores requiere obligatoriamente inductancias de compensación, cuando se instala un Resonador Vectorial a la salida del variador de frecuencia, los cables entre variador y motor pueden ser de cualquier longitud, muy cortos o muy largos sin que afecte su longitud al funcionamiento del variador o motor, los cables apantallados que conectan los variadores a los motores deben ser balanceados de coste superior para que reducir en parte la radiación electromagnética, cuando se instalan Resonadores Vectoriales los cables no tienen que ser balanceados pues desaparece el problema, la instalación de convertidores fotovoltaicos y variadores de frecuencia necesita redes de puesta a tierra separadas de la instalación de baja tensión para evitar introducir el ruido generado por éstos aparatos en la red eléctrica a través la puesta a tierra del neutro de los transformadores con resonadores las puestas a tierra pueden ser las mismas que para la instalación eléctrica de B.T., por diversas causas la temperatura y las pérdidas de energía por efecto Joule de los motores accionados mediante VFs siempre es superior a la de motores accionados mediante contactores o arrancadores, con la incorporación de Resonadores Vectoriales la temperatura en el motor será siempre menor, los acoplamientos capacitivos del cable de salida del VF desaparecen, la radiación de AF (alta frecuencia) que causa mal funcionamiento de sensores o comunicaciones desaparece, la vida esperada de los aislamientos del motor será igual que la esperada para motores que no son accionados mediante variador. En resumen, todos los problemas y anomalías que causan los variadores de frecuencia para el accionamiento de motores eléctricos o convertidores fotovoltaicos en su salida, desaparecen con la instalación de Resonadores Vectoriales.

 

SOLUCION DEFINITIVA PARA LOS DISPAROS FORTUITOS DE LAS PROTECCIONES DIFERENCIALES

      El incremento de componentes electrónicos y variadores de frecuencia en entornos industriales y terciarios provoca un notable aumento de los disparos intempestivos de los interruptores diferenciales. En la imagen siguiente se muestra el filtro estanco desarrollado por nuestra empresa para instalar entre el transformador toroidal y el relé diferencial. Este filtro produce una atenuación de 36 dB/octava al paso de las corrientes de alta frecuencia que son las responsables de los disparos diferenciales indeseados. Cada uno de estos filtros es verificado y certificado individualmente con el analizador de espectro, y analizador de EMI. En ocasiones nos preguntamos porque salta la protección diferencial sin motivo aparente, lo cierto es que siempre hay una razón, aunque no sea visible, y en dichas ocasiones localizar el origen del disparo diferencial puede suponer un quebradero de cabeza, y darle solución puede ser doblemente laborioso.

 

     

      Este tipo de filtro mostrado en la imagen anterior elimina el problema de los disparos reflejos y los disparos fortuitos de las protecciones diferenciales, que causan paradas intermitentes de las máquinas y pérdidas de producción imprevistas. Cuando se realizan pruebas de los dispositivos de protección contra defectos de aislamiento (prueba de disparo diferencial), sucede que el circuito que se dispara durante dicha prueba, sea carga capacitiva como baterías de condensadores, variadores de frecuencia, o cargas inductivas como motores, transformadores, inductancias, etc., éstos circuitos descargan la energía acumulada devolviéndola a la red, durante el instante de la desconexión, provocando el efecto denominado “pulso transitorio de sobretensión de naturaleza inductiva o capacitiva”, es el típico chispazo que se producen en una desconexión eléctrica. La conexión o desconexión de motores de elevada potencia, así como las conmutaciones de redes en media y alta tensión, producen igualmente pulsos inductivos de sobretensión. Estos pulsos tienen una duración muy breve, ósea, que la frecuencia de estos pulsos es muy alta, los mismos causan ondas oscilantes en la tensión de red de la misma frecuencia que el pulso, que tienen una duración mayor que el propio pulso que las creó. Este tipo de fenómenos es visto por las protecciones deferenciales como una falta de aislamiento, actuando y disparado para despejar el supuesto defecto. Instalando los filtros que Montajes Alhama diseña para estas aplicaciones, el problema de este tipo de disparos queda solucionado, el componente filtro se conecta en serie entre el transformador toroidal y el relé de protección diferencial. Se trata de un circuito eléctrico que tiene una banda de paso de frecuencias extremadamente estrecha, la cual solo deja pasar las frecuencias comprendidas entre 50 y 60 Hz como las de red, de este modo las frecuencias elevadas provocadas por los pulsos, que tiene una duración menor que la frecuencia de la red, o las componentes de corriente continua provocadas por el funcionamiento de los variadores de frecuencia, y los armónicos de éstos, así como el ruido de las comunicaciones acoplado a las redes eléctricas, no provocaran el disparo de las protecciones diferenciales. Las protecciones diferenciales solo actuaran en presencia de un defecto de aislamiento a la frecuencia de 50 a 60 Hz, discriminando todo lo demás. Es una solución muy sencilla y económica, pero extremadamente eficaz.   

 

 

      Otra solución para los disparos intempestivos de las protecciones diferenciales consiste en instalar o cambiar las protecciones normales de clase A o AC por protecciones diferenciales superinmunizadas, pero éstas últimas solo se fabrican para corrientes hasta 63 A, donde el transformador toroidal se encuentra integrado en el interior del aparato diferencial con un circuito con tiempo de retardo fijo para filtrar en parte las corrientes de alta frecuencia. Para corrientes mayores existen remedios más costosos a base de voluminosos filtros trifasicos o momofasicos de poca atenuación y de dudosa eficacia, de coste muy superior al de los filtros que Montajes Alhama Fabrica, y no eliminan las corrientes de defecto en modo comun, que son responsables de buena parte de los disparos como veremos después.

 

Protección diferencial en circuitos de corrientes elevadas

      Para que la “respuesta” del transformador toroidal de protección diferencial sea fiel y lineal, se deben situar los conductores activos en el toroidal lo más próximos posible de su centro para que sus acciones magnéticas se compensen perfectamente en ausencia de corriente residual. En efecto, el campo magnético desarrollado por un conductor disminuye proporcionalmente con la distancia, (ver imagenes inferiores), en las que se tiene un mal centrado de los conductores, la fase "3" provoca en el punto "A" una saturación magnética local, y no tiene por tanto, una acción proporcional. Ello puede ser causa de disparos intempestivos. Es el mismo caso que si el toroidal se sitúa en la proximidad o en el mismo codo de los cables que envuelve. La aparición de una inducción residual parásita va a provocar, para las intensidades importantes, la aparición en el secundario del toroidal de una señal que puede ocasionar un disparo intempestivo. El riesgo es tanto más importante cuando el umbral del diferencial es débil en relación a las corrientes de fase, particularmente durante un cortocircuito o un pulso de sobretensión de orígen inductivo . En los casos difíciles si el valor de la intensidad máxima de fase / la intensidad de defecto, es elevado, dos soluciones permiten evitar el riesgo de disparo intempestivo, 1º utilizar un toroidal más grande que el necesario, por ejemplo de un diámetro doble al que justamente conviene para el paso de los conductores, 2º situar una plancha metálica en el toroidal. Esta plancha debe ser de material magnético para homogeneizar el campo magnético. Se debe situar entre el toroidal y los conductores rodeando a éstos, reduce el riesgo de disparos intempestivos debido a los efectos magnéticos de las puntas de corriente. Cuando se han tomado todas estas precauciones, centrado de los conductores, toroidal de gran dimensión, y plancha magnética, la relación intensidad máx de fase / intensidad de defecto, se puede alcanzar una relación de hasta 50.000, logrando una buena inmunidad, pero sin llegar a ser absoluta. Solo un filtro con una atenuación de 36 dB/octava que solo deje pasar las frecuecias de 50-60 Hz puede aportar la inmunidad absoluta frente a las corrientes de AF que son en realidad las responsables de toda clase de disparos intempestivos.

 

     

Captación de la señal de defecto, (secuencia cero)

      En el transformador toroidal, la detección de la corriente de defecto diferencial se efectúa mediante un transformador de corriente toroidal, compuesto por un núcleo de material ferromagnético y un bobinado primario constituido por la(s) fase(s) y el neutro del circuito a proteger. En la figura siguiente se puede observar la representación vectorial de intensidades en una red trifásica con neutro equilibrada (para una red desequilibrada sería análogo, incluyendo en cada caso la corriente del neutro): si no hay defecto de fuga a tierra, la suma vectorial de todas las corrientes de dicho circuito es nula, pero cuando existe defecto de fuga de corriente de una fase hacia tierra, la suma vectorial de las corrientes es igual a dicha corriente de fuga "ID". En caso de existir una fuga ID, las corrientes de las fases y el neutro inducen en el transformador toroidal, flujos magnéticos desequilibrados, cuya resultante no será cero, e inducirá en el secundario del transformador toroidal una tensión que generará una corriente "I", que dependiendo de su valor eficaz, puede provocar el disparo del relé de apertura de los contactos del dispositivo diferencial.

 

 

      En la imagen siguiente podemos ver un registro obtenido en una medición, en la cual se aprecia el ruido de alta frecuencia causado por el funcionamiento de un variador de frecuencia sin filtrar, el ruido es acoplado en la onda de la red eléctrica modulando a ésta, que está completamente deformada. Los ruidos de altas frecuencias causan disparos fortuitos de las protecciones diferenciales, la incorporación de los filtros que fabricamos, elimina completamente estas anomalías, dejando la onda de red completamente limpia y exenta de alteraciones.   

 

      Los impulsos de sobretensión transitoria de frecuencias elevadas como el representado en la siguiente imagen capturada durante un registro causan disparos fortuitos de las protecciones diferenciales, en ésta ocasión el impulso tiene una magnitud entra fase y neutro que ronda 1400 V a una frecuencia de 1,2 KHz. La incorporación de nuestros filtros para los transformadores toroidales diferenciales introduce un retardo a las corrientes de alta frecuencia que elimina completamente estas anomalías, dejando pasar solo la onda de red de 50-60 Hz y bloqueando todo lo demás. Los transitorios de sobretensión puede ser creados por la conexión o desconexión de motores de elevada potencia en cualquier parte de la instalación, por la conexión o desconexión de escalones de la batería de condensadores, por conmutación de redes de AT en las cercanías, por cortocircuitos en nuestra instalación, por desconexión brusca por disparo de protecciones de máquinas que se encontraban funcionando, por sobretensiones de origen atmosférico, y por armónicos de elevada magnitud en nuestra instalación. 

 

 

Disparo de las protecciones diferenciales por "simpatia"

      En instalaciones con líneas de baja tensión con muchos receptores electrónicos (variadores de frecuencia, circuitos de alumbrado de luminarias con tecnología LED, etc.), se pueden producir fenómenos de disparos por “simpatía”. En la imagen de abajo, se consideran dos salidas de una determinada instalación. La salida A alimenta a cuadros con varios variadores de frecuencia CA y la salida B a otro tipo de receptores no electrónicos CB. Un defecto franco de aislamiento en la fase 2 de la salida B pone a la masa y a dicha fase al mismo potencial, provocando un incremento en la tensión en el conductor de masa. Además, aparece una corriente de defecto por el cable de protección hacia la toma de tierra RA que provoca el disparo correcto del diferencial DB. Sin embargo, este fenómeno puede provocar el disparo del diferencial DA ya que en dicho circuito hay cargas electrónicas conectadas que reaccionan al incremento de tensión en la masa por las capacidades existentes en los filtros capacitivos con un incremento de corriente a tierra por el conductor de protección. Así, por tanto, el disparo (requerido) en la salida B, puede provocar en otra salida, localizada en otro punto lejano de la misma instalación, el disparo (no deseado) del interruptor diferencial DA. Este fenómeno afecta principalmente en los esquemas TT, generalizados donde la conexión del neutro del transformador se conecta a la toma de tierra, en el que es común el uso de diferenciales. Una posible solución es en la salida A elegir un interruptor diferencial DA adecuado a las fugas permanentes que existen y de tipo superinmunizado que sea capaz de no disparar al sumar a dichas fugas permanentes las fugas transitorias debidas al defecto en la salida B.

 

     

      Esta anomalía de (disparo por simpatía), también llamado (disparo reflejo) sucede porque la capacidad de los filtros de los variadores de frecuencia y demás receptores electrónicos, así como las cargas no lineales, que utilizan condensadores, su capacidades provocan inevitablemente una corriente residual, que en condiciones de funcionamiento es normal. El problema sucede cuando en los extremos de éstas capacidades aparece una tensión mayor que la normal de funcionamiento, por ejemplo, por un defecto de aislamiento en otra parte de la instalación, dicho defecto creara una corriente circulante por los conductores de puesta a tierra, entonces el voltaje superior en las capacidades provocará una corriente mayor en las mismas, que dependiendo de su valor eficaz puede superar el umbral de disparo de la protección diferencial, operando ésta para desconectar el circuito no deseado. En los circuitos que disponen de relés de protección diferencial ajustables en tiempo y corriente de defecto, la solución consiste en ajustar el tiempo de retardo de disparo para las protecciones que alimentan las cargas lineales, a un valor superior de tiempo al de la protección que alimente las cargas no lineales.

      En la práctica, cuando suceden disparos fortuitos de las protecciones diferenciales, si el relé de protección diferencial dispone de ajustes de sensibilidad para la corriente de defecto y de ajuste de retardo para el tiempo de disparo, lo primero que se hace es desajustar la protección elevando el umbral de detección de la corriente de defecto y subir el tiempo de retardo del disparo, este proceder es incorrecto por varios motivos, el más importante es porque la tensión de contacto en las masas del circuito alimentado "puede" elevarse por encima del umbral de seguridad, y provocar un riesgo para las personas en caso de defectos que permanecen durante el funcionamiento, sin provocar el disparo diferencial. Antes de desajustar la protección diferencial se "debe" medir la resistencia de puesta a tierra, medir la corriente de defecto, y medir la tensión de contacto a masa del circuito alimentado que se pretende proteger por dicho diferencial. Con estos datos se puede calcular si es posible elevar el umbral de corriente de defecto del relé de protección sin que represente un riesgo eléctrico. Hay que recordar que los instrumentos para medida de corriente de defecto que circula por los conductores de fases, o por el conductor de puesta a tierra, en caso de corrientes de defecto de alta frecuencia, éstas no son visibles para los instrumentos que miden corrientes de baja frecuencia como las de la red a 50-60 Hz. Para medir dichas corrientes se ha de utilizar una sonda de corriente de AF, con la ayuda de un osciloscopio para realizar la medida. Montajes Alhama S.L.U. diseña y comercializa varios tipos de sondas de corriente para medidas en AF que pueden ser de utilidad.

      En la siguiente imagen podemos ver la atenuación que produce un filtro de paso bajo diseñado por Montajes Alhama S.L.U. para la medida de corrientes de BF (Baja Frecuencia) a la salida de los Variadores de Frecuencia. Este filtro como podemos ver produce una atenuación >90 dB/Década a su salida. Obsérvese en la tabla izquierda en el registro 24 una atenuación de tan solo 0,22 Db a 21,83 KHz que es la "frecuencia de corte" de diseño del filtro, a partir de dicha frecuencia se produce una pendiente de atenuación muy pronunciada, donde en el registro 34 se consigue una atenuación de 91,53 dB a 227 KHz, quedando demostrada la gran eficiencia que alcanzan los filtros que diseña nuestra empresa.

 

 

     

       Fotografía donde podemos ver en el "Diagrama de Bode" la respuesta de frecuencia del filtro LPF de 22 KHz comentado antes. Todos los filtros que fabricamos son ensayados con analizador de espectro y analizador EMI, además se le hace una prueba con tensiones reales para comprobar la respuesta de frecuencia en el Diagrama de Bode.

 

 

      

      En esta ocasión el filtro ensayado mediante Diagrama de Bode mostrado en la siguiente imagen es del tipo HPF con Frecuencia de Corte a -3 dB de 2,25 KHz. Este tipo de filtro se usa para medir las tensiones PWM que salen de los Variadores de Frecuencia. Obsérvese la gran eficacia del filtro para las frecuencias superiores a 2,25 KHz con una atenuación de tan solo 0,25 dB mostrada en el registro 16 de la tabla izquierda, por el contrario las frecuencias bajas obtienen una atenuación de 41,2 dB a 822,7 Hz, mostrada en el registro 10, lo cual supone el bloqueo de las frecuencias del VF que mueven al motor conectada a dicho variador.

 

 

      Fotografía donde podemos ver en el "Diagrama de Bode" la respuesta de frecuencia de otro filtro distinto en esta ocasión es del tipo HPF con FC (frecuencia de Corte) de 2,25 KHz correspondiente a la imagen anterior. 

 

 

      Los cálculos de estos filtros se realizan mediante algoritmos matemáticos propios desarrollados por Montajes Alhama S.L.U., los componentes empleados para fabricar los filtros disponen de especificaciones que superan ampliamente los voltajes de empleo y las frecuencias de utilización, siendo las pérdidas de dichos componentes extremadamente bajas.

      Como se ha podido comprobar a lo largo de toda ésta información, los Resonadores Vectoriales y los Filtros que fabrica Montajes Alhama S.L.U., resuelven los problemas de mayor importancia que generan los VF a la instalación eléctrica y a los motores eléctricos durante su funcionamiento, prolongando de este modo la vida de la instalación y de los motores, como si no existiera el VF en nuestra instalación.

 

      A petición de los clientes podemos ofrecer soluciones personalizadas para cada caso particular, con las cuales se obtiene la mayor eficacia de funcionamiento del VF y sus protecciones, con el menor coste posible, como solución definitiva de las perturbaciones y anomalías que los variadores de frecuencia y los convertidores fotovoltaicos causan en la instalación cuando éstos se encuentran en funcionamiento.