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Por qué los variadores de frecuencia causan distorsión armónica
Los variadores de frecuencia se utilizan ampliamente en las fábricas modernas. Controlan la velocidad de los motores, mejoran el control de procesos y hacen que muchos sistemas sean más eficientes energéticamente.
Sin embargo, los variadores de frecuencia también crean distorsión armónica.
El problema proviene de la forma en que los variadores de frecuencia toman corriente de las fuentes de alimentación. No toman corriente en una onda sinusoidal uniforme. Toman corriente en pulsos cortos.
Estos pulsos de corriente crean frecuencias adicionales en la red eléctrica. Esto aumenta la distorsión armónica total THD y reduce la calidad de la energía.
Un variador de frecuencia puede no crear un problema importante. Un grupo grande de variadores de frecuencia puede crear una distorsión armónica grave en toda la instalación.
Este artículo explica por qué los variadores de frecuencia causan distorsión armónica, cómo los armónicos de los VFD afectan a las fuentes de alimentación industriales y cómo un filtro armónico activo puede reducir la distorsión armónica total THD.
Los variadores de frecuencia controlan la velocidad y el par de los motores eléctricos.
Cambian la frecuencia y el voltaje suministrados al motor. Esto permite que el motor funcione a la velocidad requerida por el proceso.
Los variadores de frecuencia son comunes en:
Estos sistemas son más eficientes energéticamente porque el motor no siempre funciona a máxima velocidad.
Por esta razón, los variadores de frecuencia son ahora una parte estándar de la automatización industrial.
El beneficio es claro. El desafío es la distorsión armónica.
La mayoría de los variadores de frecuencia utilizan un rectificador en la etapa de entrada.
El rectificador convierte la energía de CA en energía de CC. Luego, el inversor convierte la energía de CC en energía de CA controlada para el motor.
Durante este proceso, los variadores de frecuencia toman corriente en pulsos.
La forma de onda de corriente ya no es uniforme. Se vuelve distorsionada.
Esta distorsión crea corrientes armónicas por encima de la frecuencia principal de suministro. Estas corrientes armónicas fluyen a través de cables, transformadores, equipos de conmutación y fuentes de alimentación.
El resultado es una mayor distorsión armónica total THD.
Los variadores de frecuencia son cargas no lineales. Las cargas no lineales no toman corriente con la misma forma que la forma de onda de voltaje.
Esta es la razón principal por la que los variadores de frecuencia crean distorsión armónica.
La distorsión armónica total THD muestra cuánto difiere la forma de onda eléctrica de una onda sinusoidal limpia.
Un nivel bajo de distorsión armónica total THD significa que la forma de onda está cerca de lo normal.
Un nivel alto de distorsión armónica total THD significa que las corrientes armónicas están afectando la red eléctrica.
Los ingenieros suelen medir:
Los variadores de frecuencia suelen crear primero distorsión de corriente. Esa corriente distorsionada puede afectar posteriormente la calidad del voltaje en todo el sistema.
Por eso, la distorsión armónica total THD debe medirse en el punto principal de distribución y cerca de las cargas importantes.
Los armónicos de VFD no permanecen dentro del variador.
Regresan a las fuentes de alimentación y afectan a otros equipos conectados a la misma red.
Esto puede crear varios problemas.
Las corrientes armónicas aumentan las pérdidas dentro de los transformadores.
El transformador transporta más corriente RMS de la esperada. Esto genera más calor en los devanados y el núcleo.
Una distorsión armónica total THD alta puede causar:
Un transformador puede funcionar por debajo de su carga nominal y aun así calentarse demasiado.
El calor adicional puede provenir de la distorsión armónica, no de una sobrecarga normal.
Las corrientes armónicas también fluyen a través de los cables y la aparamenta.
Esto aumenta las pérdidas eléctricas y la temperatura.
El resultado puede incluir:
Las fuentes de alimentación con muchos variadores de frecuencia a menudo necesitan una revisión completa de la calidad de la energía.
Muchas fábricas utilizan bancos de condensadores para la corrección del factor de potencia.
Los bancos de condensadores pueden reaccionar mal en sistemas con alta distorsión armónica.
Las corrientes armónicas pueden aumentar la corriente que pasa por el banco de condensadores. En algunos casos, el banco de condensadores puede interactuar con el sistema y crear resonancia armónica.
Esto puede causar:
Un banco de condensadores no elimina los armónicos de VFD.
Por eso, las instalaciones con muchos variadores de frecuencia deben comprobar los niveles de armónicos antes de añadir o sustituir un banco de condensadores.
Los variadores de frecuencia mejoran el control del motor. Sin embargo, una alta distorsión armónica aún puede afectar al sistema eléctrico general.
Otros motores, relés, PLC y sistemas de control pueden experimentar:
La instalación puede seguir funcionando, pero la fiabilidad del equipo empeora.
Los variadores de frecuencia son energéticamente eficientes porque reducen la velocidad innecesaria del motor.
Una bomba o un ventilador a menudo no necesitan funcionar a plena capacidad todo el día. Los variadores de frecuencia permiten que el motor se adapte a la demanda real del proceso.
Esto reduce el consumo de energía.
Sin embargo, los equipos energéticamente eficientes aún pueden crear distorsión armónica.
La eficiencia energética y la calidad de energía no son lo mismo.
Un variador de frecuencia puede reducir el consumo de energía activa mientras aumenta la distorsión armónica total THD.
Esto significa que un buen diseño industrial debería considerar ambos:
Ignorar un lado puede reducir el valor del otro.
La distorsión armónica no siempre es fácil de ver.
Una instalación puede tener armónicos de VFD durante meses antes de que aparezca un fallo evidente.
Los signos de advertencia comunes incluyen:
Estos signos no siempre demuestran que los variadores de frecuencia sean la causa.
Aún se requiere medición.
Una sola lectura de corriente no es suficiente.
Los ingenieros deberían usar un analizador de calidad de energía para medir la condición eléctrica real.
Los valores importantes incluyen:
La medición debe cubrir diferentes períodos de funcionamiento.
Algunos variadores de frecuencia pueden funcionar solo durante la producción máxima. Otros pueden detenerse durante una carga ligera.
El nivel de armónicos puede cambiar durante el día.
Un estudio correcto debe captar estos cambios.
Los filtros pasivos pueden reducir órdenes armónicos seleccionados.
Pueden funcionar bien cuando la carga permanece estable y el perfil armónico es predecible.
El problema es que muchas fábricas modernas no tienen cargas estables.
Los variadores de frecuencia arrancan, se detienen y cambian de velocidad. La demanda de producción también cambia.
Esto cambia la corriente armónica.
Un filtro pasivo fijo puede no adaptarse a todas las condiciones de funcionamiento.
También puede crear problemas de ajuste o resonancia si el sistema eléctrico cambia.
Para cargas dinámicas, puede ser necesaria una solución más flexible.
Un filtro armónico activo mide las corrientes armónicas en tiempo real.
Luego inyecta una corriente opuesta en el sistema eléctrico.
Esta corriente de compensación cancela la corriente armónica no deseada.
El filtro armónico activo se ajusta a medida que cambia la carga.
Esto lo hace adecuado para instalaciones con muchos variadores de frecuencia.
Un filtro armónico activo puede ayudar a:
A diferencia de un filtro pasivo fijo, un filtro armónico activo sigue la condición armónica real.
Esto es útil en fábricas donde los variadores de frecuencia funcionan a diferentes velocidades y niveles de carga.
Los filtros armónicos activos se utilizan a menudo en:
Estos sitios suelen utilizar muchos variadores de frecuencia y otras cargas no lineales.
El filtro armónico activo normalmente se instala cerca de la fuente principal de armónicos o en el punto principal de distribución.
La mejor ubicación depende del diseño del sistema.
El filtro armónico activo debe seleccionarse a partir de la corriente armónica medida.
No debe seleccionarse únicamente a partir de la potencia total del motor.
Los ingenieros deben comprobar:
El dimensionamiento correcto es importante.
Un filtro armónico activo subdimensionado puede no reducir suficientemente la distorsión armónica.
Una unidad sobredimensionada puede aumentar el costo del proyecto sin aportar valor adicional.
La solución correcta comienza con datos reales de calidad de energía.
Los variadores de frecuencia son esenciales para la industria moderna.
Mejoran el control de motores y hacen que muchos sistemas sean más eficientes energéticamente.
Sin embargo, los variadores de frecuencia son cargas no lineales. Extraen corriente en pulsos y crean distorsión armónica.
Una distorsión armónica total THD elevada puede afectar a transformadores, cables, bancos de condensadores, aparamenta y fuentes de alimentación industriales.
La solución no es eliminar los variadores de frecuencia.
La solución es controlar los armónicos de los VFD.
Un estudio adecuado de calidad de energía debe medir la distorsión armónica total THD, las condiciones de carga y la corriente armónica.
Cuando la carga cambia con frecuencia, un filtro armónico activo puede proporcionar mitigación de armónicos en tiempo real.
Esto ayuda a proteger los equipos, mejorar la calidad de energía y mantener un funcionamiento fiable en instalaciones que dependen de variadores de frecuencia.
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