¿Armónicos en los VSD? Ponle filtros a la distorsión

La aplicación de variadores de frecuencia en la industria HVAC arroja enormes beneficios, pero su correcto funcionamiento depende de varias consideraciones de ingeniería que no debemos pasar por alto

Felipe Guerra / Imágenes: cortesía de Danfoss

En la actualidad, la aplicación de variadores de velocidad (VSD), también conocida como VVVF, VFD o AFD, es común en la mayoría de los sistemas de aire acondicionado usados para el control de bombas y ventiladores que utilizan motores asíncronos (CA) o motores de imanes permanentes (PM). Además de su capacidad para ajustar la velocidad del motor a la variable de control del proceso, los VSD ofrecen numerosas ventajas, entre las que destacan: ahorro en el consumo de energía, reducción del estrés mecánico en la maquinaria, mejora del factor de potencia de desplazamiento (cos phi) del motor, entre otros.

Sin embargo, dependiendo del diseño y la instalación, los VSD pueden provocar problemas mayores en otras partes del sistema eléctrico debido a sus efectos secundarios, como distorsión armónica, tensión de aislamiento del motor (dv/dt), ruido acústico del motor y corriente de fuga (RF energía). Todos los fabricantes de VSD tienen soluciones para superar estos problemas potenciales, pero uno de los malentendidos más comunes es creer que la inclusión de los filtros RFI con el VSD es suficiente para garantizar que no haya problemas de compatibilidad electromecánica (EMC).

Los VSD controlan la velocidad de los motores de CA variando la frecuencia y el voltaje del suministro eléctrico. La gran mayoría utiliza la modulación de ancho de pulso (PWM) para la generación de un voltaje trifásico con la frecuencia correspondiente. En términos simples, el PWM produce una frecuencia y voltaje de salida variable al encender y apagar los transistores a una velocidad rápida (típicamente a 3 mil veces por segundo y hasta 16 mil veces por segundo) y con tiempos de subida muy cortos de cada pulso (~0.2microsec). La Figura 1 muestra una sección del inversor con seis transistores (tipo IGBT) y la Figura 2 muestra una forma de onda PWM en la salida de un VSD.

La conmutación de alta frecuencia de corrientes relativamente altas por los transistores de salida de un VSD y los tiempos de subida muy cortos de cada pulso pueden dar lugar a altos niveles de ruido RFI irradiados y/o conducidos a la fuente de alimentación u otros cables de control. Esto causa interferencias involuntarias e inesperadas en otros dispositivos eléctricos. Por ejemplo, las computadoras instaladas por los inquilinos, especialmente cuando el nivel de ruido RFI es demasiado alto y sobrepasa los límites permitidos.

El nivel de ruido RFI conducido permisible de la instalación de un VSD se define en el estándar IEC 61800-3: 2004 de la siguiente manera:

• Dos tipos de entorno (1º y 2º entorno), dependiendo de dónde se encuentre el punto de acoplamiento común (PCC).
• Cuatro categorías de productos diferentes (C1, C2, C3 y C4) que definen diferentes límites para el ruido de RFI conducido en la terminal de red (en el rango de frecuencia de 150Khz a 30MHz), dependiendo del voltaje y la corriente nominal, así como si está destinado a ser instalado por un profesional de EMC o no.

Un VSD crea energía de RFI al encender y apagar los transistores a una velocidad rápida. Ésta puede irradiarse y luego acoplarse a los cables de control y suministro de otros equipos a través de medios capacitivos o inductivos. La energía de RFI también se puede conducir a otros equipos a través de una ruta de impedancia común, como una conexión a tierra.

Comprender todos los posibles mecanismos de acoplamiento de ruido ayudará al instalador eléctrico a reducir el acoplamiento entre la fuente de ruido (es decir, el cable del motor VSD) y otros equipos electrónicos.

Según la ecuación I = C x (dv/dt), un cambio de voltaje en los cables del motor con respecto al cable de comunicación provocará un flujo de corriente a través de la capacidad de acoplamiento C1 y C2 en el cable de comunicación y de regreso a la fuente a través de tierra. La magnitud de la corriente acoplada capacitiva depende de dos aspectos:

1. La tasa de cambio del voltaje de interferencia, dv/dt, es decir, 3 kHz a 16 KHz.
2. Capacitancia entre la fuente de perturbación (es decir, el cable del motor) y los cables de comunicación.

Tenga en cuenta que el valor de capacitancia depende de la distancia de separación entre la fuente de perturbación (cable del motor) al cable de comunicación, así como la distancia sobre la cual los cables se corren en paralelo.

El acoplamiento de una alta corriente capacitiva en el cable de comunicación da como resultado el desarrollo de alto voltaje a través de la inductancia (L) y la resistencia (R) de los cables de comunicación, causando errores de comunicación y/o posibles daños a las tarjetas de comunicación en PLC o VSD.

Para reducir los efectos del acoplamiento inductivo entre la fuente de perturbación (cable del motor) y la víctima (comunicación/señal) es necesario:

• Aumentar la distancia de separación entre los cables fuente y víctima. El enlace de flujo disminuye con el aumento de la distancia entre los conductores; por lo tanto, los voltajes inducidos se reducen.
• Tender cables de comunicación/señal a lo largo de diferentes rutas a los cables de alimentación. Donde necesiten cruzar, hágalo en ángulo de 90° entre sí.
• La torsión del conductor de señal reduce el área efectiva del circuito cerrado, cuanto más apretado sea el giro, menor será el área del bucle y menor el voltaje inducido.
• Instalar un cable apantallado para la comunicación/señal y asegurarse de que la pantalla esté correctamente terminada en ambos extremos.
• Usar cable apantallado para el motor debidamente terminado en ambos extremos.

El usar cable apantallado hacía el motor es un factor importante a considerar. Esto se debe a que el cable del motor actúa como una antena, por lo que la energía de radiofrecuencia se irradiará al aire desde el cable del motor y podría causar interferencia con otros componentes o cables instalados cerca. Esta energía de RF radiada (ruido de alta frecuencia) está típicamente en el rango de frecuencia de 30MHz a 1GHz.

Es importante asegurarse de que el nivel de ruido conducido de vuelta al VSD a través de la fuente de alimentación se mantenga al mínimo porque todos los demás equipos de la instalación también están conectados a esta misma fuente de alimentación y, por lo tanto, podrían verse afectados por este sonido.

Para reducir el nivel de suministro de corriente conducida, la corriente de alta frecuencia es necesario:

• Instalar un VSD con un filtro RFI. El filtro RFI proporciona una ruta de baja impedancia a altas frecuencias desde el plano de tierra del VSD hasta el generador de ruido dentro.
• Utilizar cable de motor apantallado. La pantalla proporciona una ruta de alta frecuencia y baja impedancia para las corrientes de fuga. A altas frecuencias la impedancia de una pantalla trenzada típica es mucho menor que la del núcleo de tierra estándar en el cable del motor.
• Conectar a tierra la pantalla tanto en el VSD como en el motor utilizando una conexión de alta frecuencia y baja impedancia.
• Sistema de tierra de baja impedancia.

Instalación eléctrica del Power Drive System
Hacer la planificación requerida para la instalación eléctrica del Power Drive System es fundamental para lograr el rendimiento de EMC. Esto aumentará la vida útil del proyecto y evitará la pérdida de ingresos debido a visitas adicionales al sitio para resolver problemas de EMI. Para evitar los riesgos, se recomienda seguir los siguientes pasos:

1. Seleccionar el variador adecuado para la aplicación con el filtro RFI de entrada requerido para cumplir con el nivel de EMC. Hay que tener en cuenta que todos los VSD tienen una longitud máxima del cable del motor para la cual se ha diseñado su filtro RFI. Éste es un factor importante para considerar al evaluar la idoneidad de un VSD y evitar la inversión adicional en la instalación de filtros.
2. Seleccionar los componentes requeridos que comprendan el sistema de accionamiento de potencia para garantizar el cumplimiento del nivel EMC requerido, como:
   1. 1. Algunos fabricantes de unidades incluyen prensaestopas EMC para asegurar la pantalla en el extremo de la unidad con sus productos, mientras que otros no.
      2. Cable apantallado para el motor. Dos factores son importantes para la selección, la cobertura de pantalla de al menos el 80 por ciento y la baja impedancia de transferencia. Una pantalla de cobre trenzado de una sola capa ha demostrado ser extremadamente efectiva.
      3. Cajas de conexiones de metal con sus asientos EMC para asegurar la pantalla correctamente a través de un contacto de 360 ​​grados, sin una coleta.
      4. Cables de pantalla de señal/comunicación con propiedades apropiadas según el fabricante del producto. Por lo general, la pantalla trenzada de cobre logra los mejores resultados.
      5. Bandejas de cables separadas para cables de alimentación y la señal con su unión.
3. Seguir siempre las recomendaciones del fabricante con respecto a la instalación mecánica y eléctrica para garantizar una buena instalación EMC (Figura 3).

Otro factor importante para considerar es que un Power Drive System también genera armónicos. Los armónicos del sistema de potencia son un área que actualmente recibe mucha atención. Esto se debe principalmente al rápido aumento de las cargas no lineales ocasionadas por variadores de velocidad y grandes unidades de suministro de energía ininterrumpible. En un sistema de energía ideal, las formas de onda de corriente y voltaje serían una senoidal pura. Sin embargo, en la práctica, las corrientes no senoidales se generan cuando el suministro de entrada se conmuta rápidamente, de modo que la corriente que fluye en las cargas no está relacionada linealmente con el voltaje aplicado. Las corrientes no lineales extraídas del suministro interactúan con la reactancia del suministro para causar distorsión del suministro de voltaje y estos voltajes no senoidales no deseados pueden causar problemas tanto en el sistema de suministro como en todo el edificio y en el entorno eléctrico más amplio.

Los armónicos crean una distorsión de lo que idealmente debería ser la onda senoidal. La potencia de la red comercial inevitablemente contiene algún contenido armónico y, por lo tanto, tiene una forma de onda distorsionada hasta cierto punto. Algunos dispositivos eléctricos y electrónicos crean ondas distorsionadas debido a sus rectificadores de entrada y circuitos de suavizado. Los armónicos producidos por estos dispositivos pueden, si son lo suficientemente graves, influir en otros equipos e instalaciones eléctricas en la misma fuente de alimentación. Los problemas causados ​​por las corrientes armónicas son la sobrecarga de neutros, el sobrecalentamiento de los transformadores, el disparo molesto de los interruptores automáticos, el sobreesfuerzo de los condensadores de corrección del factor de potencia y el efecto en el aislante de los cables. Adicionalmente, los problemas causados ​​por los voltajes armónicos son la reducción de la eficiencia del sistema, el sobrecalentamiento y la ondulación del par de los motores de inducción y, en casos graves, la falla de la planta.

Las edificaciones comerciales como bancos, complejos de oficinas, centros comerciales, etcétera, que utilizan gran cantidad de computadoras, impresoras, sistemas UPS y unidades de velocidad variable para HVAC y otras aplicaciones, también generan armónicos. Los impactos de la distorsión armónica aumentan la potencia de consumo y el deterioro de la calidad de la energía, lo que a su vez provoca un impacto técnico y financiero en cualquier empresa. Afortunadamente, la interferencia de la red de los controladores electrónicos de potencia se puede reducir al limitar la amplitud de las corrientes pulsadas y la mitigación armónica efectiva beneficiará el resultado final de la empresa al reducir los costos de funcionamiento.

Para evitar un deterioro excesivo de la calidad de la red eléctrica, se pueden utilizar diversos métodos de reducción o compensación con sistemas y dispositivos que generan armónicos:

• Filtros pasivos: Los circuitos LC de la serie ajustados a las frecuencias armónicas individuales y conectados en paralelo con la carga reducen la distorsión armónica total.
• Filtros activos: Los circuitos de absorción electrónicos instalados en paralelo con las cargas no lineales cancelan las tensiones y corrientes armónicas y evitan la distorsión en el sistema de alimentación.
• Rectificación de entrada de pulsos múltiples: Los circuitos rectificadores de entrada del variador con un alto número de pulsos por ciclo (12, 18 o 24) generan niveles armónicos más bajos.
• Parte frontal activa: Los interruptores IGBT se utilizan en los circuitos de entrada del variador en lugar de los rectificadores convencionales. Estos circuitos utilizan dispositivos semiconductores con características de conmutación rápida para forzar que la corriente de entrada sea aproximadamente sinusoidal y son muy efectivos para atenuar la interferencia de la red de baja frecuencia.
• Bobinas en la entrada o en el enlace de CC: Los inductores instalados en serie con la entrada del variador o el enlace de CC proporcionan una impedancia que aumenta con la frecuencia de las corrientes que pasan.

Tomando en consideración los diversos métodos para la mitigación de los armónicos, una solución inicial es considerar invertir en variadores de frecuencia que cuenten de fábrica con bobinas rectificadoras en el circuito CC.

Esta solución se basa en una baja capacitancia interna del bus de CC. Las corrientes armónicas se generan principalmente mientras se cargan los condensadores del filtro y el nivel de las corrientes armónicas depende de la capacitancia del mismo. En consecuencia, los filtros con baja capacitancia generan niveles más bajos de armónicos. Tomando este enfoque de bajo costo, los fabricantes reducen drásticamente la capacitancia del enlace de CC e, incluso, sin un estrangulador. Esto reduce la corriente armónica a una distorsión armónica total (THDi) de por los menos un 40 por ciento.

Las fortalezas y debilidades de utilizar bobina en circuito CC se muestran en la siguiente tabla:

Los sistemas de HVAC utilizados en los edificios se benefician de usar variadores de frecuencia al obtener un control mejorado del espacio acondicionado con un menor consumo de energía en comparación con los métodos convencionales. Sin embargo, el uso extendido de múltiples VSD en todo el sistema HVAC de un edificio sin un filtro de armónicos puede ocasionar problemas operativos y la necesidad de sobredimensionar cables, interruptores y transformadores. El uso de VSD con filtrado armónico simple, como las bobinas en el circuito de CC, generalmente evitará problemas de armónicos. Para reducir las emisiones de corriente armónica de un VSD, los pulsos de corriente deben ser limitados.

En conclusión, la instalación del Power Drive System desempeña un papel muy importante en el rendimiento de EMC y control de armónicos, por lo que no debe subestimarse. No seguir las mejores prácticas de instalación, que normalmente se indican en la documentación del fabricante de cada VSD, puede desembocar en un ejercicio costoso que causará problemas y llevará mucho tiempo de resolver.

En cambio, si se invierte en un variador de frecuencia que cuente con bobina en el circuito CC, se obtiene el beneficio de adquirir un equipo con un diseño un poco más compacto con un contenido de armónicos igual o inferior a 2 kHz. La topología tradicional de la bobina en el circuito CC sigue siendo la mejor en su clase en términos de confiabilidad y rendimiento de armónicos verdaderos en el extremo más bajo/rentable del espectro de soluciones de mitigación de armónicos en la actualidad.
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Felipe Guerra
Ingeniero mecánico con especialidad en Ingeniería Industrial. Actualmente, se desempeña como ingeniero de desarrollo de negocio en el segmento de Calefacción de Danfoss. Imparte el seminario AMERIC en HVAC de Uso y Aplicación de VDF en Aire Acondicionado, así como el de Implementación de Uso Eficiente de Variadores en Bombeo y Válvulas de Balance y Control en HVAC.