automatización electrónica y calidad de potencia

AUTOMATIZACIÓN ELECTRÓNICA Y CALIDAD DE POTENCIA
Durante los últimos años, ha tenido un incremento muy
alto el uso de accionamientos de electrónica de
potencia en los sectores industrial, comercial y del
sector público. Nos referimos a los variadores
electrónicos de velocidad (VFD) y los arrancadores
electrónicos suaves (SS). Por sus características
propias, los VFDs y los SSs permiten operar los
motores de una manera suave y controlada, dando
además una serie de ventajas tales como las siguientes:
•
•
•
•
•
Aumento en la productividad industrial
Aumento en la confiabilidad de los procesos
Disminución de costos de mantenimiento
Aumento de la estabilidad de la red eléctrica
Ahorro de energía consumida con el
consecuente ahorro de dinero
Estos equipos (VFDs y SSs) se pueden definir como
equipos compuestos de
elementos electrónicos
de
potencia
que
alimentan los motores
eléctricos jaula de
ardilla con una forma
de onda diferente a los
accionamientos
convencionales, como
arrancadores directos o
estrella triángulo. Por su principio mismo de
funcionamiento, estos equipos pueden ocasionar que la
forma de onda de tensión con que se alimentan, sea
modificada, generando lo que conocemos como la
distorsión armónica.
Esta distorsión armónica, cuyos efectos se verán más
adelante, tiene la grave consecuencia de que todos los
sistemas eléctricos deben ser sobredimensionados
para soportarla y por ende, la necesidad de
sobreexplotar nuestros recursos naturales renovables y
no renovables. Como empresarios, sea usuarios o
suministradores de la energía eléctrica, debemos
considerar en todo momento qué es más conveniente:
(a) No hacer nada para mitigar los armónicos y
sobredimensionar
con
el
sobrecosto
involucrado y sin resolver completamente, o
(b) Aplicar los sistemas de manera correcta,
utilizando el método más apropiado para cada
configuración
Este artículo busca fundamentalmente la segunda
opción.
EXPLICACIÓN
FUNCIONAMIENTO.
GENERAL
DE
Arrancador suave:
Está compuesto por una pareja de SCRs en antiparalelo
por fase. Mediante el control del ángulo de disparo de
los SCRs es posible alimentar el motor con una tensión
equivalente menor a la nominal. Esta tensión aumenta
gradualmente hasta llegar a la tensión nominal en el
tiempo predeterminado: este concepto es conocido
como la rampa de arranque. Usualmente, después de
haber terminado la rampa de arranque, es habilitado un
by-pass por el cual el motor es alimentado
directamente a la red a través de un contactor.
Los arrancadores suaves generan distorsión armónica
en un grado realmente poco
significativo cuando los motores
quedan funcionando a tensión
nominal, bien sea a través de bypass o a través de si mismos. Sin
embargo,
algunos
equipos
modernos tienen la opción de
ahorro de energía, en cuyo caso
por monitoreo de la corriente
consumida de la red, hacen que el
motor quede alimentado durante
tiempo prolongado con una
tensión no igual a la nominal, que
significa en términos reales un
switcheo permanente de los componentes electrónicos,
dando como resultado un aumento en el nivel de
distorsión, que aunque no es significativo, si se
adiciona al efecto que otras cargas puedan producir,
hará que la distorsión armónica total sea elevada.
1.5
1
0.5
0
0
90
180
270
360
-0.5
-1
-1.5
Figura 1. Control del disparo en un SS
Variador de velocidad:
Está conformado por tres etapas de potencia, conocidas
como puente rectificador, puente de corriente continua
y puente inversor. El puente rectificador compuesto
generalmente de diodos o tiristores convierte la tensión
de entrada de corriente alterna a corriente continua
rectificada; el puente de corriente continua compuesto
de capacitores (condensadores) estabiliza la tensión
rectificada para mantener un valor de tensión
relativamente constante y continuo; el puente inversor
compuesto de IGBTs (Transistores bipolares de
compuerta aislada) recibe una señal de tensión de
corriente continua y mediante la imposición de un tren
de pulsos, entrega al motor una tensión de corriente
alterna de tensión y frecuencia variable.
Por ser un elemento que
dentro
de
su
funcionamiento realiza una
rectificación de onda, está
permanentemente
afectando la forma de onda
de la tensión de entrada.
Contrariamente a lo que
sucede con un arrancador
suave, en el que después de
cumplir
su
principal
objetivo
(arancar
de
manera suave una carga
mecánica) el equipo no genera distorsión armónica
permanente, un variador de velocidad para cumplir su
función requiere estar rectificando la tensión de entrada
y generando el tren de pulsos en la salida. Por esta
razón, son equipos potencialmente generadores de
distorsión armónica permanente.
LAS NUEVAS TENDENCIAS
Con el avance tecnológico este escenario “perfecto” ha
cambiado por la introducción de las llamadas cargas no
lineales: una serie de elementos como variadores de
velocidad tanto en corriente continua como en corriente
alterna, arrancadores electrónicos, hornos de arco,
hornos de inducción, UPSs, luces fluorecentes y
también equipos de oficina como computadores,
escaners, fotocopiadoras, radios y TVs modernos.
Todos estos equipos tienen la particularidad de no
comportarse como simples resistencias, inductancias o
capacitancias; sino que deforman la tensión de entrada,
dando como resultado corrientes y tensiones no
sinoidales que pueden ocasionar sobre la red algunos
efectos no deseados, siendo los siguientes los más
críticos:
•
•
•
•
•
Calentamiento extra en cables, interruptores,
contactores y transformadores.
Disparos fantasmas en protecciones
Alimentación desbalanceada a otras cargas
eléctricas
Incorrecto funcionamiento de los sistemas de
tierra
Calentamiento, ruido y oscilaciones de torque
en motores.
BASES TEÓRICAS
LA COSTUMBRE ANTERIOR
Hasta hace no mucho tiempo, eléctricamente se
acostumbraba hablar únicamente de:
•
•
•
•
Cargas resisitivas como iluminación y
calefacción
Cargas inductivas como motores
Cargas capacitivas: específicamente los
capacitores (condensadores) para correción de
factor de potencia, para arranque de motores
monofásicos o para iluminación
Las dos últimas son conocidas como reactivas
y en general, hoy en día estas cargas resistivas
y reactivas, son hoy en día llamadas cargas
lineales.
Entre mayor porcentaje de cargas inductivas en el total
de cargas, existe un mayor desfase entre la onda de
tensión y la onda de corriente, o lo que es lo mismo,
existe un mayor ángulo de fase (Ø). El mayor ángulo
de fase, significa menor Cos Ø o factor de potencia. Un
circuito eléctrico era considerado adecuado cuando el
Cos Ø cumplía con los requerimientos mínimos de la
compañía electrificadora, generalmente Cos Ø > 0.9.
Figura 2. Componentes armónicas
La distorsión armónica es en general una deformación
en la forma de onda de tensión (voltaje) y corriente.
Una onda periódica puede ser analizada en términos de
la transformada de Fourier, según la cual, una onda
compuesta es descompuesta en el espectro de una
onda fundamental más la suma de sus componentes
armónicas, que son ondas de menor magnitud y mayor
frecuencia. La frecuencia de estas componentes
armónicas presentes en las redes eléctricas son
múltiplos de la frecuencia nominal (60 Hz) según la
relación (6n ± 1)*f, siendo f la frecuencia fundamental
60 Hz y n=1, 2, etc (Ver Nota 1). Esto es: 5 y 7, 11 y
13, 17 y 19, 23 y 25, 29 y 31, etc. siendo llamados el
armónico 5 y 7, el armónico 11 y 13, etc. Los
armónicos con más influencia en las redes son los
armónicos 5, 7, 11 y 13, pues son los de magnitud más
significativa; los demás siguen existiendo, pero su
efecto es menor.
Nota 1: Las componentes armónicas pares (2, 4, etc.)
no son presentes por asunto de secuencia y las
componentes múltiplos de 3 (6, 9, etc) son anuladas
por la propia topología de las redes eléctricas.
Desventajas:
Potencialmente altos niveles de distorsión en corriente,
dependiendo de la red y de la cantidad de equipos,
potencialmente altos niveles de distorsión en tensión.
El VFD es más susceptible de daños causados por
transientes en la red.
REACTANCIA DC
Los elementos generadores de armónicos (cargas no
lineales) producen un cierto nivel de distorsión
armónica en la corriente consumida de la red.
Dependiendo del tamaño de la carga, de las
características generales del circuito eléctrico (todas las
cargas del usuario) y de las características de la fuente
de alimentación (electrificadora, transformador,
generador) se producirá consecuentemente una
distorsión armónica en la tensión de alimentación. Es
posible predecir la distorsión armónica en la corriente
de un equipo individual, pero no es posible predecir la
distorsión armónica en la tensión, pues es algo que no
depende del equipo en si, sino del efecto de sí mismo
en su entorno (red).
Como el avance tecnológico no puede pararse, es
importante tener completo conocimiento de los efectos
y de los métodos de mitigar los mismos. Estos métodos
están fundamentalmente dirigidos a los VFDs y tienen
por objeto, no solamente mitigar la distorsión
armónica, sino también prolongar la vida de los VFDs.
Al variador convencional de seis pulsos es adicionada
una inductancia en el circuito de corriente continua.
Por su efecto amortiguador (dU/dt), la reactancia
produce una gran reducción de los llamados armónicos
primarios, el quinto y el séptimo, que son los de mayor
magnitud e importancia. Sin embargo, el nivel de
distorsión total en corriente es aún superior a 35%
Ventajas:
Fácil de instalar; reduce significativamente los
armónicos en corriente; no causa caída de tensión en
terminales del VFD, bajo costo
Desventajas:
Reduce la distorsión en corriente, pero da aún
relativamente altos niveles de distorsión en corriente y
tensión.
Sólo unos pocos fabricantes la ofrecen como accesorio
o alternativa.
No agrega protección al VFD en frente a los transientes
de la red.
NINGUN MÉTODO USADO
REACTANCIA AC (REACTANCIA DE LÍNEA)
Figura 3. VFD estándar en 6 pulsos
El variador de velocidad en corriente alterna
convencional está compuesto por un puente rectificador
simple de seis pulsos (seis diodos). Esta configuración
es la potencialmente más generadora de armónicos,
contribuyendo con más de 70% de distorsión armónica
en la forma de onda de la corriente.
Ventajas:
Es simple de usar; simple de adquirir; simple de
aplicar, no se presenta un costo adicional.
Uno de los métodos más usuales en la industria es la
utilización de este accesorio. Al igual que la reactancia
en DC, por su efecto amortiguador, produce una
importante disminución en los niveles de armónicos.
Con su utilización es posible lograr buenos niveles de
distorsión en tensión en sistemas generales o
industriales en los que el porcentaje de cargas no
lineales sea inferior al 40% del total de las cargas del
sistema. Las reactancias AC por general son
proyectadas para funcionamiento en tres fases con
diversos niveles de impedancia , atendiendo diferentes
caídas de tensión en terminales del VFD.
Ventajas:
Fácil de instalar; fácil de adquirir; bajo costo (un poco
mayor que la reactancia DC).
Da protección adicional al VFD contra efectos
transitorios en la red.
Mejor comportamiento del VFD en sistemas eléctricos
de gran capacidad.
Desventajas:
Causa una caída de tensión en terminales del VFD.
Reduce la distorsión en corriente, pero da aún
relativamente altos niveles de distorsión en corriente y
tensión.
Tiene un tamaño físico superior que la reactancia DC.
VARIADORES DE VELOCIDAD EN 12 PULSOS
Figura 4. VFD en 12 pulsos
Un variador de velocidad en doce pulsos incorpora dos
puentes rectificadores independientes, los cuales deben
ser alimentados por dos fuentes de tensión
independientes, que tienen un desfase entre sí de 30º.
Esta topología es lograda con la utilización de un
transformador con un primario y dos secundarios según
la figura 4 (Dy11d0, Dy5d0, Yy0d11,Yy0d5)). El
desfase de 30º (en la fundamental) de los dos
transformadores logra que las componentes armónicas
5 y 7 tengan igual magnitud, pero desfase de medio
ciclo exacto, con lo que son eliminadas al ser sumadas
en el primario del transformador (Ver Nota 2). Los
armónicos más importantes presentes serán el 11 y 13
asociados naturalmente a una menor magnitud. Este
método logra disminuir la distorsión en corriente en un
85% respecto a la primera configuración (ningún
método usado), produciendo entonces distorsiones en
corriente sobre 8%.
Nota 2: En la práctica no se anulan 100% estas
componentes, pues siempre habrá algunas pequeñas
diferencias en impedancia en los puentes
rectificadores, secundarios y cables, que lo impiden.
Pero el efecto práctico es casi una anulación.
Ventajas:
Reducción sustancial en los armónicos en corriente,
logrando niveles de distorsión en tensión
suficientemente bajos.
Proporciona una muy buena protección adicional.
Permite la utilización de más VFDs en sistemas
convencionales.
Relación de costo/beneficio aún baja.
Desventajas:
Es realizable a partir de cualquier potencia de VFD,
pero realmente es viable solamente a partir de
potencias como 150 HP y superiores
Requiere el uso del transformador tridevanado, el cual
debe tener un diseño y montaje especial.
No es aplicable a todos los VFDs a manera de Retrofit
DISTRIBUCIÓN EN 12 PULSOS
Este método es similar al VFD en 12 pulsos, pero
efectuado en una escala Macro. Si se proyecta una
instalación en la que se tendrán varios VFDs cuyo
funcionamiento será “cercanamente” simltáneo, es
probable utilizar un gran transformador con dos
secundarios (según conexión propuesta anteriormente),
cada uno de ellos alimentando la mitad de los VFDs; o
también utilizar dos grandes transformadores, pero
recordando que los secuandarios de los dos tengan
realmente un desfase de 30º. Siguiendo esta
distribución es posible lograr distorsiones en corriente
sobre 12%.
Ventajas:
Las mismas que para el variador de velocidad en doce
pulsos
Desventajas:
Es aplicable casi exclusivamente para nuevas
instalaciones o Retrofit de instalaciones antíguas.
VARIADORES DE VELOCIDAD EN 18 Ó 24
PULSOS
Figura 5. VFD en 24 pulsos
De manera análoga como se logra una topología de
doce pulsos, es posible aumentar el número de puentes
rectificadores en la entrada, para así lograr
configuraciones de 18 pulsos ó 24 pulsos. En la
configuración de 18 pulsos, además de los armónicos 5
y 7 se anularán los armónicos 11 y 13, siendo los más
importantes presentes el 17 y 19; en la configuración
de 24 pulsos, además de los armónicos 5, 7, 11 y 13, se
anularán los armónicos 17 y 19, siendo los más
importantes presentes el 23 y 25. Mediante estos
métodos, es probable cumplir distorsiones armónicas
en corriente bajo 5%.
Ventajas:
Permiten tener redes “prácticamente” libres de
armónicos
Desventajas:
Su aplicación en la práctica, solo es viable para
potencias de VFD sobre 300 HP
Transformador y circuitos especiales son requeridos
Alto costo de compra, alto costo de mantenimiento
Autor
Sergio Sanabria Guevara
Ingeniero Electricista de la Universidad Nacional de
Colombia (1989).
Dieciseis años de experiencia en diseño, selección,
aplicación y puesta en marcha de motores eléctricos y
sistemas de velocidad variable.
Actualmente Ingeniero de Ventas y Aplicaciones en
WEG Colombia.
sanabria@weg.com.co
OTROS MÉTODOS
Los enunciados previamente son los más conocidos
mundialmente. Existen otros adicionales que serán
mencionados brevemente.
Variador de velocidad regenerativo de frente activo:
Es un variador en configuración de seis pulsos, pero a
diferencia de los VFDs estándar, su puente rectificador
no está compuesto por diodos o electrónica de potencia
sencilla, sino por IGBTs (igual que en el puente
inversor). Su particularidad es que el control del equipo
determina de manera activa la distorsión armónica y de
esta forma adelanta o atrasa los disparos en el puente
rectificador para producir una onda igual a la distorsión
pero inversa. El resultado final es la anulación casi
total de los armónicos.
Filtro activo: Es fundamentalmente un equipo externo
igual al puente rectificador del variador regenerativo de
frente activo
Filtros pasivos sintonizados o no sintonizados: Son
equipos externos que tienen como fin filtrar una ó dos
frecuencias.
CONCLUSIONES
La existencia de armónicos en las redes eléctricas es
hoy en día un asunto real e inevitable. Su influencia en
los sistemas eléctricos cuando no es considerado un
método de mitigación puede ser fuertemente
destructivo, pero si los ingenieros o técnicos de
proyectos y mantenimiento han considerado su
existencia y comportamiento, pueden ser fácilmente
controlados. En muchos casos, la utilización de uno de
los métodos indicados arriba podrá resolver
favorablemente la situación. Sin embargo, los sistemas
deben ser bien aplicados considerando de manera
correcta las recomendaciones de las normas
reconocidas internacionalmente (IEEE, NE), como
parte de un todo en donde además se evalúen aspectos
paralelos e igualmente importantes como son la
Compatibilidad Electromagnética (CEM) y los
sistemas de puesta a tierra; pues de nada servirá
controlar los armónicos si los otros detalles no son
también bien ejecutados.
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