Consideraciones a tener en cuenta en la instalación eficiente de variadores de velocidad (2da Parte)

09 Abril 2010

 

4. Consideraciones sobre el cableado

 

El control CC está auto-protegido contra los transitorios y los impulsos de sobre-tensión normales de la línea de CA. Quizás se requiera protección externa adicional si hay transitorios de alta energía presentes en la fuente de alimentación de potencia entrante.

Estos transitorios pueden ser causados por compartir una fuente de alimentación con equipos de soldadura por arco, por el arranque directo (a través de la línea) de motores grandes o por otros equipos industriales que requieran sobre-corrientes transitorias elevadas.

 

Para evitar los daños ocasionados por perturbaciones en la fuente de potencia, deberá considerarse lo siguiente:

 

a) Conecte el control a una línea alimentadora separada de las que abastecen grandes cargas inductivas.

 

b) Alimente potencia al control a través de un transformador de aislamiento dimensionado correctamente. Al usar un transformador de aislamiento para alimentar el control, deberá siempre desconectarse y conectarse (conmutar en “off” y “on”) la potencia entre el secundario del transformador y la entrada del control para evitar que se produzcan impulsos (puntas) en el control al quitarse la potencia del lado

primario.

 

Todo el cableado de señales externo al control CC deberá instalarse en un conducto separado del resto del cableado. Se recomienda usar cables blindados (apantallados) de pares retorcidos (trenzados) para todo el cableado de señales. La pantalla del cableado del control deberá conectarse únicamente a tierra analógica del control CC. El otro extremo de la pantalla deberá asegurarse con cinta adhesiva a la chaqueta del cable para evitar que se produzcan cortocircuitos eléctricos.

 

Los cables del campo e inducido del motor pueden instalarse juntos en mismo un conducto, cumpliendo con NEC y con los códigos y procedimientos eléctricos locales.

 

 

5.-Efecto de los transistores IGBT

 

La introducción de los IGBTs en los variadores de frecuencia a incrementado la preocupación del impacto de dichos semiconductores en la vida del motor, sobre todo en lo concerniente a su aislamiento.

 

Cualesquiera dos cables tienen algo de capacitancia e inductancia. Cuando la corriente fluye a través del cable, se produce un campo magnético cerca a los conductores y cuando la corriente cambia, el cambio en el campo magnético produce una fuerza contra electromotriz de retorno en el cable.

 

La capacitancia e inductancia son proporcionales a la longitud del cable.

 

Siendo Z la impedancia característica de la línea (Z*(alfa)*raiz(L/C) ),y siendo R la resistencia de la carga, a menos que R y Z sean iguales, habrá una onda reflejada en la línea y algo de la potencia incidente en R será reflejada de retorno hacia la fuente. La magnitud resultante de la onda reflejada puede ser dos veces la amplitud del voltaje pico. En un variador de frecuencia, la magnitud del voltaje pico es igual al voltaje del bus DC.

 

La velocidad de la onda reflejada, es también dependiente de la impedancia del cable. La velocidad de cambio dv/dt  de la fuente de voltaje, es usada para determinar a que distancia de la fuente la onda reflejada será completamente desarrollada. Ver figura 4-2.

 

 

Las inquietudes que algunos expresan sobre el uso de inversores con IGBTs son:

 

a) El IGBT tiene características de conmutación dv/dt (menor tiempo de encendido), mayores que los dispositivos bipolares estándar, incrementando la velocidad de la onda reflejada.

 

b) La mayor velocidad de conmutación permite mayores frecuencias de portadora el cual incrementa la capacitancia del cable.

 

c) Ambos implican una menor distancia al cual la onda reflejada tiene su máxima amplitud y, por lo tanto, una menor longitud de cable para inversores basados en IGBTs. El resultado es que un voltaje doble al bus DC puede ser aplicado a través de los bobinados del motor, causando falla prematura.

 

d) Asumiendo que, en una instalación típica, las impedancias del motor y el cable no son iguales, entonces ocurrirá un voltaje reflejado. Luego, siempre habrá voltaje reflejado así se usen inversores con IGBT, BJT o GTO.

 

Los fabricantes de motores que tienen experiencia en la aplicación de inversores, tienen las siguientes consideraciones:

 

1.- Las fallas en los motores o la disminución de la expectativa de vida en los motores son asociados con su uso en inversores.

 

2.- Los requerimientos de aislamiento requeridos para los motores es dos veces el voltaje nominal más 1 000 voltios. Esto es para protegerlos contra las ondas reflejadas.

 

3.- Los motores más pequeños y baratos, tienen menores factores de seguridad y por lo tanto son más factibles de daño.

 

Los criterios de diseño para que los motores tengan mayores expectativas de vida son:

 

A.-Bobinado.

B.-Aislamiento.

 

 

Conclusiones:

 

1.- No existe indicadores que sostengan que la introducción de inversores con IGBT han incrementado las fallas en los motores.

 

2.- Cualquier falla anticipada puede ocurrir con diversos diseños de inversor incluyendo BJT y GTO.

 

3.- Se deben usar motores de calidad (los Inverter Duty Motors) para todas las aplicaciones y limitar la longitud del cable de alimentación cuando sea posible.

 

4.- Siempre que sea posible, todos los conductores del motor, incluyendo el conductor de tierra, debe estar contenida en un conductor de metal.

 

 

6.- Corriente de sobre-carga

 

Es el nivel (150% del valor nominal) al cual el control automáticamente reduce la velocidad del motor debido a una condición de sobre-carga reduciendo voltaje y frecuencia hasta que la condición sea levantada.

 

La relación entre sobre-carga y el tiempo es una función inversa. Si la sobre¬carga es continua, el límite es 105% aproximadamente.

 

En aplicaciones múltiples donde uno o más de los motores arrancan a través de la línea, el controlador debe ser dimensionado para el peor caso: condición marcha +arranque, donde se tiene en cuenta la corriente de rotor bloqueado del motor a ser arrancado. El control debe ser dimensionado para que no indique falla por límite de corriente.

 

 

7. Líneas de baja impedancia

 

La figura 4-3 muestra un escenario que se puede dar ocasionalmente. Un equipo variador se encuentra instalado muy cerca del suministro principal de energía o un banco de corrección de factor de potencia.

 

Debido a la proximidad, el variador podría experimentar fallas en sus puentes de diodos pues esta siendo vinculado a la línea de baja impedancia. Los semiconductores de potencia pueden fallar por el excesivo di/dt de la corriente.

 

La característica de trabajo de los variadores les permiten operar en condiciones normales de alimentación y a cierta distancia de la barra principal de alimentación y así suministrarse suficiente impedancia para su operación segura.

 

 

 

 

Una forma de solución para el problema mostrado en la figura 4-3, es aumentar la impedancia de línea hacia el variador.

 

Dicho objetivo se cumple con adicionar un transformador de aislamiento, tal como se muestra en la figura 4-4.

 

 

8. Líneas de alta impedancia

 

La figura 4-5 presenta un caso contrario al anterior. Aquí la fuente de alimentación se encuentra alejada o con falsos contactos en sus empalmes que, al momento de trabajar el equipo se tienen caídas de voltaje que no sostienen el funcionamiento del variador.

 

 

9. Distancia entre variador y motor AC

 

Los fabricantes especifican la distancia máxima que deben tener el variador y el motor AC. A veces debido a la aplicación, no es posible respetar dicha distancia y nos vemos en la necesidad de trabajar a distancias mayores. ¿Existe solución para el problema en cuestión?. La respuesta es sí. Los mismos fabricantes nos suministran los dispositivos necesarios para lograr mayores distancias. Una de las soluciones se presentan en la figura 4-6.

 

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado ingeniero especializado en Control, Automatizacion e Instrumentación Industrial. Con mas 9 años de experiencia desarrollando proyectos y manteniendo sistemas de control en diversas plantas industriales. Soy director y webmaster de InstrumentacionyControl.NET y de MyAutomationClass.com. Cualquier consulta o comentario lo puedes hacer en la parte de abajo y escribiendo nuestro foro: http://instrumentacionycontrol.net/foros/.

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