Efecto de los variadores en motores AC

Efecto de los variadores de velocidad
electrónicos sobre los motores eléctricos
de corriente alterna.
Por Oscar Nuñez Mata
[email protected]
Introducción
El aumento del uso de dispositivos electrónicos para el control de
velocidad de motores eléctricos de corriente alterna hace que nos
preguntemos sí existen desventajas o problemas. Lamentablemente la
respuesta a esta interrogante es que los variadores de velocidad
electrónicos pueden provocar daños al motor y a los dispositivos
cercanos si no se toman en cuenta ciertos elementos. Los variadores
electrónicos que incluyen IGBT (Transistor bipolar de compuerta
aislada) podrían generar un fenómeno conocido como Onda Reflejada,
lo que produce daños en el sistema de aislamiento. Otros problemas
adicionales surgen del uso de estos dispositivos como el de corrientes
en roles y distorsión armónica. Estudiaremos el fenómeno de onda
reflejada y corriente en roles en el presente artículo.
Fenómeno de Onda Reflejada
En
los
últimos
años
popularidad dentro de los
la
tecnología
variadores
con
IGBT
ganó
gran
de corriente alterna con
aplicaciones de modulación por ancho de pulso (PWM por sus siglas en
inglés),
principalmente
velocidades
de
por
conmutación
ser
controlados
altas.
Los
por
voltaje
variadores
con
y
con
PWM
incrementaron dramáticamente su tamaño al incluirse IGBT en lugar
de los tradicionales transistores bipolares controlados por corriente y
con velocidades de conmutación medias. Los beneficios surgieron de
inmediato: Operación del conjunto motor-variador con bajo nivel de
ruido; bajo nivel de torque de rizado; y bajos niveles de pérdidas
asociadas a los dispositivos electrónicos. Sin embargo, uno de los
primeros problemas que surgen con esta nueva tecnología fue el
fenómeno de onda reflejada. La onda reflejada se analiza similar a lo
que sucede en una línea de transmisión eléctrica: Cuando se dan
relaciones diferentes entre las impedancias de la carga y la línea se
pueden dar voltajes reflejados hacia la carga. Al igual que en líneas de
transmisión, en el caso de motores alimentados con variadores PWM
con IGBT la magnitud del voltaje reflejado dependerá de ciertos
factores, en el caso de variadores son los siguientes:
•
Distancia entre Motor y variador: A mayor distancia
mayor voltaje reflejado.
•
Frecuencia de conmutación: Es la frecuencia de operación
del PWM. A altas frecuencias mayores voltajes reflejados.
•
Voltaje de operación: Se ha encontrado que motores de
460VCA presentan mayores niveles de voltajes.
Figura 1: Ejemplo de Onda reflejada
La figura 1 muestra un caso real de onda reflejada. Se puede notar
que el voltaje alcanza 1500Voltios pico.
Se puede demostrar que el voltaje pico lo define la siguiente relación:
Vmotor − pico = Vbus − dc * (1 + Γ )
Donde:
-
Γ=
Z motor − Z cable
Z motor + Z cable
-
Vmotor-pico: Voltaje reflejado.
-
Vbus-dc: Voltaje del bus de corriente directa en el variador.
-
Z: Impedancia.
Cuando la impedancia del motor y el cable son iguales, es decir:
acople perfecto, el fenómeno no se presenta.
Los problemas son los siguientes:
•
Se somete el sistema de aislamiento a un alto nivel de estrés,
provocando corto circuitos entre fases del bobinado con el
paso del tiempo.
•
El diseño de los elementos de sobre corriente dentro del
variador PWM son complejos debido a las oscilaciones de alta
frecuencia.
Los sistemas de aislamiento debe ser capaces de soportar picos
máximos de 3.9KV con tiempos de levantamiento de 0.6kV/μs. El
problema no necesariamente se da durante el primer pico de onda
reflejada, serán los múltiples sobre voltajes a que se somete el
bobinado a lo largo del tiempo los que un día provoquen el
cortocircuito.
Corrientes en roles
Las corriente en roles y el voltaje en el eje del motor alimentado
con una señal senoidal a 60Hz son fenómenos que se conocen hace
mucho tiempo. Todas las máquinas rotativas potencialmente se
exponen a este problema sea motor CA o CD, grande o pequeño. Las
máquinas eléctricas tienen tres fuentes básicas para el voltaje en el
eje del rotor:
•
Inducción electromagnética: Producidas por disimetrías en
el entrehierro del motor, las cuales son propias del proceso de
fabricación.
•
Inducción electrostática: Acumulación de cargas estáticas
en el rotor producto de la fricción, fajas, aire ionizado
pasando sobre el motor.
•
Acople electrostático: Proveniente de fuentes externas
como los variadores PWM.
La figura siguiente muestra los acoples capacitivos que se forman en
un motor eléctrico.
Figura 2: Acoples capacitivos en un motor electrico CA
Cuando se alimenta un motor con un variador PWM todas las
componentes capacitivas incrementan su valor según se aumente la
frecuencia portadora del equipo. De esta forma se pueden obtener
voltajes entre el eje y carcaza de 8-15 voltios, suficientes para
descargar sobre la pista del rol, provocando su falla prematura.
Soluciones
Para mitigar los efectos de los dos fenómenos estudiados se
recomiendas las siguientes medidas:
•
Usar motores con el sistema de aislamiento aumentado, sean
nuevos (Invertir Duty) o rebobinados con procedimientos
especiales.
•
Uso de reactores de línea a la salida y entrada del variador,
con impedancias de 1-3% según el caso particular.
•
Usar dispositivos de descarga de sobre voltajes directamente
en los terminales del motor.
•
Usar la frecuencia portadora baja según lo permita la
aplicación.
•
En motores hasta 5hp alimentarlo con variadores de 230VCA.
•
Evitar las distancias muy largas entre el motor-variador.
•
Usar motores con el rol trasero aislado (Estos roles se pueden
importar o pedir motores nuevos de fábrica).