Cómo resolver problemas de armónicos en la fuente

Un variador de frecuencia ordinario (VFD) genera armónicos tanto en su entrada como en su salida. En el lado del motor (salida), el VFD emula una onda sinusoidal con una señal modulada por ancho de pulso (PWM). La diferencia entre las dos señales se muestra en la Imagen 1. La señal PWM se encuentra entre una onda cuadrada y una sinusoide pura. La naturaleza cuadrada de la señal PWM resulta de la frecuencia de conmutación limitada de los transistores bipolares de puerta integrada (IGBT), comúnmente utilizados en VFD ordinarios. Los armónicos son un subproducto inevitable y desafortunado de una señal PWM.

La situación es similar en el lado de la red (entrada) del VFD. La arquitectura de puente de diodos que se usa en los VFD ordinarios consume corriente de forma no lineal en el pico de la forma de onda de voltaje. La forma de onda de corriente resultante (Imagen 2) tiene un alto contenido de armónicos, que se propaga de regreso a la red de distribución eléctrica. No es raro que un VFD ordinario de 6 pulsos genere una distorsión de corriente armónica total (THDi) en el rango del 80 % tanto en el lado de la red como en el lado del motor del VFD.

Por definición, los armónicos ocurren en múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Por ejemplo, un sistema de 60 hercios (Hz) experimentará armónicos en el segundo: 120 Hz, tercero: 180 Hz, cuarto: 240 Hz, quinto: 300 Hz, etc. Cada armónico se puede clasificar adicionalmente como secuencia positiva, secuencia negativa y cero. componentes de la secuencia. Los armónicos de secuencia positiva (cuarto, séptimo, décimo, decimotercero, decimonoveno, etc.) tienen el mismo vector de rotación que la frecuencia fundamental. Como su nombre lo indica, los armónicos de secuencia negativa (segundo, quinto, octavo, undécimo, decimocuarto, etc.) giran en la dirección opuesta a la fundamental. Los componentes de secuencia cero (tercera, sexta, novena, duodécima, decimoquinta, etc.) no tienen vector de rotación.

El hecho de que la salida del motor de un VFD común contenga armónicos significa que la corriente cuadrática media total (RMS) en el motor es significativamente mayor que la corriente fundamental. Este exceso de corriente se manifiesta como mayores pérdidas de cobre y núcleo (hierro), lo que a su vez aumenta el calor dentro del propio motor. A corto plazo, el exceso de calor puede provocar disparos térmicos molestos, lo que dificulta directamente las operaciones. A más largo plazo, el exceso de calor degradará el aislamiento del motor y provocará un fallo prematuro.

Las preocupaciones sobre los armónicos no se limitan al exceso de corriente RMS. La alta tasa de cambio de voltaje (dv/dt) generada por las corrientes de Foucault inducidas por armónicos puede causar la formación de arcos entre los devanados individuales del motor y entre los cojinetes y la pista de rodadura. El primero degrada el aislamiento del motor, mientras que el segundo provoca picaduras en los cojinetes y avería del lubricante. La magnitud relativa de los armónicos individuales puede tener un impacto en el rendimiento y la longevidad del motor. Como se señaló anteriormente, los armónicos de secuencia negativa operan en la dirección opuesta a la fundamental, creando el potencial de calentamiento del rotor a través de grandes corrientes de Foucault.

Además, la interacción entre las corrientes armónicas positivas y negativas adyacentes puede crear un par pulsante y una oscilación mecánica, lo que reduce la eficiencia operativa. Al igual que los motores, la presencia de armónicos en un sistema de distribución eléctrica significa que los conductores deben tener un tamaño excesivo dentro de la instalación, lo que requiere un gasto de capital adicional y limita las opciones para la expansión y reconfiguración posteriores. Otros equipos conectados a la red eléctrica pueden estar sujetos a un calentamiento excesivo, desgaste prematuro y fallas prematuras.

Los detalles dependerán del tipo de equipo. Algunos ejemplos incluyen calentamiento excesivo dentro de los transformadores, parpadeo visible en cargas de iluminación o daños en cargas sensibles. Las empresas de servicios eléctricos son muy conscientes de cómo el exceso de armónicos afecta negativamente a sus redes de distribución. La mayoría requiere que los usuarios cumplan con los límites especificados en el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) 519, que exige que THDi no supere el 5 % en el punto de acoplamiento común. Quienes no cumplan están sujetos a sanciones económicas.

Dados los muchos problemas asociados con un THDi alto, los fabricantes han desarrollado formas de mitigar su impacto tanto en los motores como en la red eléctrica. Sin embargo, todas estas mitigaciones tienen el costo de una mayor inversión de capital, una menor eficiencia del sistema, una mayor huella física y un costo de mantenimiento continuo.

Por ejemplo, un filtro sinusoidal instalado entre un VFD y un motor reducirá (pero no eliminará) los armónicos, lo que ayudará a mitigar el tipo de daño mencionado anteriormente. De manera similar, la instalación de un reactor de línea o un filtro pasivo entre un VFD y la red de distribución eléctrica reducirá el contenido armónico liberado en la red.

Desafortunadamente, los reactores de línea solo reducen el THDi del 80 % al 40 %, lo que no es suficiente para cumplir con el requisito del 5 % especificado en IEEE 519. Un filtro de armónicos pasivo puede cumplir con el límite de IEEE 519, siempre que esté correctamente ajustado y mantenido. pero nuevamente a costa de espacio, tiempo, eficiencia del sistema y mantenimiento continuo.

En general, es mejor eliminar un problema en la fuente que intentar mitigarlo después. Un VFD con un THDi bajo tanto en la entrada como en la salida elimina la necesidad de las mitigaciones costosas y complejas que requieren las unidades ordinarias.

Recientemente, algunos fabricantes de unidades han comenzado a aprovechar la nueva generación de tecnología de semiconductores de banda prohibida ancha (WBG), a saber, carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN), para abordar este desafío. Los transistores de efecto de campo (MOSFET) semiconductores de óxido de metal WBG facilitan un aumento espectacular en la tasa de conmutación, más allá de los IGBT ordinarios. Implementado en una arquitectura de extremo frontal activo (AFE), el THDi en este tipo de entradas de unidad cumple con el límite del 5 % según IEEE 519.

De manera similar, la salida de onda sinusoidal verdadera en el lado del motor reduce el desgaste del motor. Los beneficios adicionales de los variadores basados ​​en WBG incluyen una mejor eficiencia del variador y del sistema, un tamaño de instalación más pequeño, una vida útil más larga del motor con un motor de uso general de menor costo, sin mantenimiento del filtro, facilidad de escalado, menor costo total de instalación y menor complejidad del sistema.

Geoff Hyatt es director de gestión de proyectos y cadena de suministro en SmartD Technologies. Ha trabajado en varios puestos en la industria de la distribución eléctrica durante más de 25 años, incluido el desarrollo de soluciones para el monitoreo de la calidad de la energía y el cumplimiento de estándares como EN 50160 e IEEE 5100-4-30. Para obtener más información, visite smartd.tech.