Convertidores de frecuencia y técnicas de inmunización frente perturbaciones

Sostenibilidad y EE en la Industria Página 1 de 9

Calidad C

orriente Eléctrica Artículo

Miquel Teixidò y Andreas Sumper CITCEA

Abril 2008

Convertidores de frecuencia y técnicas de inmunización frente a

perturbaciones En Español

Protecciones

Filtro entrada

Rectificador Bus CC Ondulador

Filtro SalidaFiltro Salida

Precarga Freno

Alimentación Control

Calidad de Corriente Eléctrica

2

www.leonardo-energy.org/espanol

INDICE

1 INTRODUCCIÓN 2 LAS PERTURBACIONES PROCEDENTES DE LA RED DE SUMINISTRO 3 EL CONVERTIDOR DE FRECUENCIA 4 TÉCNICAS DE INMUNIZACIÓN 5 RIDE THROUGH

Convertidores de Frecuencia

3


1 Introducción La automatización de los procesos industriales requiere el control rápido y preciso de gran variedad de variables del proceso, como temperatura, presión, nivel, fuerza, par, velocidad y caudal. La regulación de estas variables depende de distintos tipos de dispositivos y mecanismos que, a su vez, son actuados por un motor eléctrico. Para regular las variables del proceso se debe ajustar el par y la velocidad de estos motores eléctricos alimentándolos mediante un convertidor de frecuencia. Cualquier mal funcionamiento de este convertidor de frecuencia repercutirá en una mala calidad de los productos fabricados y en una posible parada del proceso productivo.

La disponibilidad actual de robustos y eficaces convertidores de frecuencia a precios razonables ha provocado un rápido incremento de su utilización en todos los sectores industriales y de servicios. Al mismo tiempo, han empezado a reportarse incidencias en su funcionamiento relacionadas con las perturbaciones en su sistema de suministro de energía eléctrica, apareciendo como aún más sensibles que los equipos de informática y comunicaciones.

Esta situación es debida a que en los convertidores de frecuencia coexisten dos tipos de circuitos electrónicos. El circuito de control, que necesita muy poca energía para su funcionamiento, y el circuito de potencia, que consume muchos kilowatios para mantener girando el motor. La perturbación que más afecta a los convertidores de frecuencia son los huecos de tensión. Si durante un hueco de tensión se pretende seguir alimentando los dos circuitos del convertidor, la tensión del bus de continua del convertidor descenderá por debajo del valor mínimo necesario para seguir alimentando el control debidamente, y éste efectuará una parada de seguridad del convertidor.

Si, por el contrario, durante el hueco se consigue mantener el nivel de tensión continua en el valor necesario para el perfecto funcionamiento del control, el convertidor permanece activo, y cuando la tensión de red se normalice, el convertidor lleva al motor a su estado anterior, con lo que el proceso productivo no sufre ninguna interrupción. Para mantener cargado el bus de continua durante el hueco es necesario que el control del convertidor frene automáticamente la carga accionada, recuperando la energía mecánica y convirtiéndola en eléctrica. A esta función se la denomina ride-through y posibilita sobrevivir a los huecos. Si se utiliza, la sensibilidad de los convertidores de frecuencia frente a los huecos de tensión es mucho menor que la de los equipos informáticos.


4


2 Las perturbaciones procedentes de la red de suministro Un hueco de tensión es el descenso de la tensión una o varias fases a valores entre el 10% y el 90% de la tensión nominal en el punto de conexión, expresado en el valor eficaz (RMS, medido en un medio ciclo). Su duración es de 0,5 ciclos (10ms) hasta un minuto. Dichas variaciones de la tensión son causadas por cortocircuitos y/o fallos fase-tierra, de una o varias fases, en alguna parte del sistema eléctrico, de transporte o distribución. El consumidor experimenta una caída de la tensión durante el fallo, ya que la potencia de cortocircuito no es suficiente para mantener la tensión en todos los puntos de la red. Por lo tanto, se extiende el hueco por una amplia parte de la red. Puesto que las protecciones de las redes de potencia detectan el fallo y el interruptor actúa, después de un tiempo determinado, se reestablece la tensión nominal. Dicho tiempo puede tardar unos pocos ciclos en la red de transporte, pero en la red de distribución se puede alargar la duración del hueco, dependiendo de los ajustes del relee de protección y los tiempos de acción de los fusibles en las subestaciones. La Fig. muestra esquemáticamente una red de suministro y los posibles fallos que se pueden producir y, por lo tanto, causar huecos de tensión.

Otro hecho muy importante es que los huecos monofásicos producidos en la red de alta tensión se traspasan al sistema de baja tensión afectando a más de una fase. Este efecto es debido a los transformadores, habitualmente utilizados en las estaciones transformadoras con conexiones de triangulo en el primario. De este modo un hueco monofásico afecta a dos tensiones compuestas del primario, por lo tanto en el secundario se percibe un hueco en dos fases. Del mismo modo, un hueco en bifásico en la red de alta tensión se transforma en un hueco trifásico después del transformador. El mismo efecto se produce en los rectificadores de convertidores, que consisten en diodos conectados entre las tres fases y, por lo tanto, ven solamente las tensiones compuestas (Fig. ). Por eso un hueco monofásico afecta dos fases, mientras un hueco bifásico afecta a las tres fases del convertidor.

La frecuencia de huecos de tensión por debajo del 90% del valor nominal de la tensión en un sistema de potencia típico, según un estudio realizado en los EEUU por EPRI (Electric Power Research Institute) en el año 1996, es alrededor de 47 eventos al año, de los cuales se encuentran 18 por debajo del 80% de la tensión nominal. De todos modos, la frecuencia de huecos al año puede variar dramáticamente de un sistema a otro y depende de muchos factores constructivos de la red, como por ejemplo una red altamente soterrada tiene un índice de huecos mucho más bajo que una red principalmente aérea y rural.


5


Fig. 1: Situación típica de fallo, que producen huecos de tensión

Fig. 2: Tensiones compuestas equilibradas y desequilibradas durante un hueco de tensión.

Interruptores de la cabe-cera

Fallo en el sistema de transporte; abertura del interruptor de la línea de transporte

Fallo en el sistema de distribución; abertura del interruptor de la línea de distribución

Transporte

Usuario afecta-do por el hueco

Fallo en una rama de la red de distribución; actua-ción del fusible


6


3 El convertidor de frecuencia El convertidor de frecuencia es un equipo diseñado para controlar la velocidad de un motor de inducción trifásico convirtiendo para ello la tensión alterna de la red, de amplitud y frecuencia fijas, en una tensión alterna con la amplitud y frecuencia necesaria. Aunque existen distintas topologías, la más extendida se basa en una estructura de convertidor indirecto, es decir, la tensión alterna de la red se pasa a continua para convertir esta última en una tensión alterna de amplitud y frecuencia ajustables. En la Fig. se muestran los distintos bloques funcionales que componen un convertidor de frecuencia en la actualidad. Esta estructura se puede generalizar para todos los fabricantes, aunque las soluciones particulares que cada uno ha adoptado para cada función inciden directamente en las prestaciones del equipo, en su relación con el entorno electromagnético y lógicamente en el precio. Respecto a la relación del convertidor de frecuencia con su entorno electromagnético cabe señalar que dicho equipo es un productor de perturbaciones electromagnéticas (armónicos, RFI…) y al mismo tiempo puede ser afectado negativamente por éstas (huecos de tensión e interrupciones). A continuación se analizaran las partes funcionales del convertidor así como su relación con el entorno.

Fig. 3: Esquema funcional de un convertidor de frecuencia

La mayoría de convertidores actuales incorporan por defecto un filtro de entrada que permite instalarlos sin más añadidos en entornos domésticos, comerciales o industriales ligeros. La función de estos filtros es reducir los armónicos de la corriente consumida por el rectificador que puede afectar negativamente a la instalación y sobretodo a los transformadores. Hay otro tipo de filtros, llamados RFI o EMI, la función de los cuales es proporcionar un camino de retorno para los corrientes en modo común, generados por el ondulador, que de otro modo

Protecciones

Filtro entrada

Rectificador Bus CC Ondulador

Filtro SalidaFiltro Salida

Precarga Freno

Alimentación Control


7


podrían circular por el resto de la instalación afectando a equipos sensibles como autómatas, PCs… La instalación o no de estos equipos dependerá de muchas variables que deben ser consideradas en el diseño del accionamiento: longitud del cable, frecuencia de conmutación del ondulador, tipo de cable utilizado…

Las protecciones de entrada del convertidor consisten generalmente en unos fusibles de protección contra sobrecorrientes y unos varistores o descargadores de gas que protegen al equipo contra impulsos de tensión conducidos por la red. Algunos equipos adicionalmente incorporan protecciones de fallo de fase, de manera que son capaces de detectar desequilibrios importantes en la tensión de alimentación. Funcionan generalmente por umbral, es decir, cuando alguna de las fases que alimentan al equipo baja por debajo de determinado valor el convertidor inhibe su funcionamiento y señala un error. Esta protección no es común entre los equipos más económicos aunque es importante ya que un desequilibrio de tensión importante, como el producido por un hueco bifásico, provocará un crecimiento de la corriente consumida concentrada en dos fases, hecho que podría hacer actuar las protecciones de sobrecorriente. Es importante destacar que la protección de fallo de fase es una protección “software”, es decir, para salir del fallo será necesario hacer un reset al convertidor, cuando el fallo haya desaparecido. Por el contrario los fusibles son una protección “hardware” y si se funden será necesaria una reparación o cambio del equipo, alargándose el tiempo de parada.

El rectificador de entrada convierte la tensión alterna de la red en una tensión continua con un cierto rizado. Este rizado de 300Hz es filtrado por los condensadores del bus de continua de manera que se puede decir que el valor de la tensión rectificada será prácticamente 1,42·Vlinia. El rectificador puede ser monofásico o trifásico, aunque los primeros son raros por encima de 2.2kW. Generalmente se trata de rectificadores en puente no controlados, formados por 6 diodos en el caso trifásico, aunque hay fabricantes que utilizan rectificadores semicontrolados, formados por 3 diodos y 3 tiristores, ya que ofrece la posibilidad de controlar la corriente de carga del bus de continua. En los dos casos el consumo de corriente, aunque el factor de potencia es próximo a la unidad, contiene importantes armónicos múltiples de 6k±1 (5,7,11,13…) que, como ya se ha comentado, obliga a añadir un filtro de entrada a partir de potencias medias. También los dos tipos de rectificador son de un cuadrante, es decir, el flujo de energía solo es posible de la red al bus de continua, de forma que el convertidor no podrá devolver la energía a la red en el caso que el motor trabaje como freno o generador.

El bus de continua, también llamado circuito intermedio de energía, realiza dos funciones: filtrar el rizado de la tensión de salida del rectificador, i actuar como almacén de energía para desacoplar al ondulador de la red. En general, la energía se almacena en forma de tensión mediante condensadores electrolíticos, de gran relación capacidad por unidad de volumen, conectados en paralelo para incrementar la capacidad total. Por tanto la inmunidad de un convertidor de frecuencia frente a huecos de tensión o interrupciones depende fundamentalmente de la capacidad instalada. No obstante, como mayor sea esta capacidad más aumentan los armónicos generados por el rectificador de forma que la tendencia actual es minimizar estos condensadores con lo cual también se consigue disminuir el volumen total del convertidor. Otra posibilidad que aplican algunos fabricantes, principalmente a partir de potencias medias, es instalar una inductancia en el bus de continua, formando un circuito LC, evitando generar importantes armónicos.

El circuito de precarga es fundamental en los convertidores. Cuando se conecta el equipo a la


8


red, el corriente de pico de los condensadores, inicialmente descargados, es tan elevado que fundiría los fusibles o, en el peor de los casos, el rectificador. El circuito de precarga es el encargado de limitar esta corriente de carga de forma que quede en un valor aceptable. Los fabricantes han adoptado diferentes soluciones, aunque la más utilizada es conectando una resistencia en serie con los condensadores, que se cortocircuita, generalmente con un relé, una vez aquellos están cargados. El sonido del relé cuando cortocircuita la carga es claramente audible después de la conexión de un convertidor a la red, e indica que la carga ha finalizado y desaparece por tanto el fallo de subtensión del equipo. Es importante notar que se puede presentar el mismo problema cuando se produce un hueco de tensión o interrupción. Durante la perturbación, los condensadores se van descargando y la vuelta repentina de la tensión de alimentación sin tener el circuito de precarga conectado produciría una fuerte sobrecorriente. De forma que un hueco o interrupción pueden causar que aparezca un fallo de subtensión como medida de autoprotección del equipo.

Como se ha comentado anteriormente, los rectificadores que incorporan generalmente los convertidores trabajan únicamente en un cuadrante de manera que cuando el motor trabaja como freno o generador, la energía entregada por éste se acumula en el bus de continua causando que la tensión del mismo aumente. Esta tensión no puede aumentar indefinidamente pues los condensadores electrolíticos tienen una tensión máxima a partir de la cual podrían explotar. El circuito de frenado actúa por umbral disipando la energía que no puede absorber el bus de continua sobre una resistencia. Se trata pues de otro circuito de protección del bus de continua, esta vez contra el aumento de tensión.

El ondulador hace la función inversa al rectificador, eso es, convierte una tensión continua de amplitud fija en una tensión alterna de frecuencia y amplitud variable. A partir de esta tensión se generarán en el motor unos corrientes senoidales que permitirán controlar la velocidad de giro de aquél. Gracias a la potencia de cálculo de los procesadores actuales, y sobretodo de la incorporación de los DSP al control de motores, la mayoría de convertidores actuales utilizan la estrategia Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) para generar las tensiones que se aplican al motor. Las ventajas más importantes son una elevada frecuencia de conmutación, un aprovechamiento óptimo de la tensión del bus de continua y del par del motor, igual que el PWM con inyección del tercer armónico. Esto ha sido posible también gracias a los avances en la electrónica de potencia. Los IGBT actuales permiten elevadas frecuencias de conmutación, aunque no se acostumbra a sobrepasar los 16 o 20kHz, y tensiones de corte de hasta 1700V. Por otro lado estas elevadas frecuencias son las causantes de una serie de fenómenos indeseados: interferencias de RF de elevada energía, generación de ruido en modo común, disparo intempestivo de las protecciones de cortocircuito del convertidor, envejecimiento prematuro de los dieléctricos y reducción de la vida de los cojinetes como más importantes. Los filtros de salida pretenden minimizar esta problemática. A grandes rasgos se pueden clasificar en tres categorías. En primer lugar aquellos que filtran la tensión para eliminar los armónicos de alta frecuencia, con lo que se atacarían todos los problemas citados anteriormente. En segundo lugar hay las llamadas inductancias de línea que se instalan generalmente cuando las longitudes del cable son grandes. Finalmente existen un tipo de filtros, que se instalan en bornes del motor, con el objetivo de minimizar las sobretensiones y evitar el envejecimiento prematuro de los dieléctricos.

En último lugar ha quedado el subsistema de control del convertidor: el cerebro del equipo. Realiza las funciones de control de velocidad y par, realimentación y adaptación de las variables analógicas del equipo (temperatura, intensidades…), control y protección de los


9


elementos de potencia y, cada vez más, se encarga de las comunicaciones con el mundo exterior mediante teclado, bus de campo… La aparición en el mundo de control de motores de los Digital Signal Processor (DSP) ha permitido además un incremento de prestaciones del propio control implementando sofisticados algoritmos: sensorless, control adaptativo, autoajuste de bucles…


10


4 Técnicas de inmunización El problema ocasionado por los huecos de tensión y las interrupciones es un problema energético. En ausencia de perturbaciones, el balance energético entre la energía consumida y la suministrada está equilibrado. Sin tener en cuenta las pérdidas, los consumos más importantes son la electrónica de control, el “cerebro” del convertidor de frecuencia, y el motor, que transforma la energía eléctrica en energía mecánica.

Por el otro lado esta la red eléctrica que suministra la energía necesaria para equilibrar el balance. Cuando se produce un hueco o una interrupción la red eléctrica no puede seguir suministrando la misma cantidad de energía de modo que el balance queda desequilibrado y el convertidor va a entrar en fallo. En algunos casos el equipo debe ser “reseteado” o rearrancado manualmente, ya sea porque el convertidor no es capaz de hacerlo automáticamente o por cuestiones de seguridad. Esta parada puede alargarse en algunos procesos debido a reparaciones de equipos, limpieza o puesta a punto. El tiempo de parada de producción resultante más el tiempo necesario para restablecer la producción normal y el material que debe ser desechado, representan un importantísimo coste económico para las empresas. Por este motivo son cada vez más frecuentes las inversiones destinadas a inmunizar el convertidor de frecuencia frente a huecos de tensión e interrupciones.

Antes de entrar en detalle sobre los distintos métodos de inmunización, es importante diferenciar entre dos tipos de procesos: aquellos en los que es inaceptable, o debe quedar dentro de un reducido margen, cualquier variación de las características mecánicas del motor (par, velocidad…) controlado por el convertidor; y aquellos menos exigentes en que las variaciones de velocidad o par son admisibles aunque deben producirse de forma controlada.

Para conseguir que el convertidor supere un hueco es necesario equilibrar el balance energético ya sea aumentando la energía que se suministra al equipo o disminuyendo el consumo del mismo, o las dos cosas al mismo tiempo. El tipo de proceso nos definirá el tipo de estrategia a utilizar. En el primer caso se deberá aportar energía al convertidor para mantener constantes las variables mecánicas, es decir, que la parte de potencia del convertidor, el bus de continua, así como la parte de control no pierdan la alimentación. En el segundo caso el objetivo es que el convertidor no pierda el control del motor mientras dure la perturbación y por tanto el consumo de energía se reducirá a la parte de control del variador.

En el caso en que sea necesario aportar energía al variador hay básicamente tres opciones: utilizar la energía residual de la red, utilizar energía almacenada externamente o redistribuir la energía de todos los equipos de un mismo proceso.

En el caso en que la tensión de la red no desaparezca totalmente, se puede utilizar la energía residual de la red para alimentar al convertidor. Se conocen distintos dispositivos como por ejemplo rectificadores activos o elevadores continua-continua (boost) alimentados a partir de un rectificador. Gracias a ellos el convertidor va a seguir consumiendo energía de la red aunque ahora la corriente será mucho mayor ya que la potencia consumida se mantiene y la tensión en cambio es menor. Este aumento de corriente agravará aún más el problema, ya que por un lado, debido a las impedancias, a más corriente más caída de tensión y por tanto el hueco será más profundo, y por otro lado las protecciones generales de la sección o de la


11


fábrica pueden desconectarse dejando sin tensión, en el peor de los casos, a toda la planta.

La opción más utilizada para inmunizar procesos consiste en disponer de equipos que almacenan energía externamente al variador para suministrársela en cuanto se produce un hueco o una interrupción. En este caso no aparecen los problemas que se han comentado anteriormente, pero es la opción más cara a nivel de material, espacio ocupado y mantenimiento. Existen bastantes tecnologías de almacenamiento disponibles: condensadores electrolíticos, baterías, sistemas motor-generador con volante de inercia, SAIs, súper condensadores, células de energía…

En último lugar, si el convertidor está integrado en un accionamiento donde hay otros convertidores instalados, se puede redistribuir la energía del proceso. Este método se llevará a cabo en aplicaciones bastante especiales pues será necesario que todos los convertidores estén alimentados desde un mismo bus de continua. Cuando sea el caso se puede hacer que, en cuanto ocurre un hueco o interrupción, el control frene controladamente los motores no críticos del accionamiento de forma que la energía que retornan servirá para alimentar al motor que no se debe parar. Otra variante sería añadir un motor con un volante de inercia que estará embalado a una velocidad incluso superior a la nominal, si es posible mecánicamente. De este modo, en cuando haya una perturbación dicho motor se frena cediendo la energía, almacenada en el volante, al bus de continua, que a su vez alimentará al motor principal.


12


5 Ride Through Hay muchos procesos en los que es permisible una parada siempre y cuando sea controlada. Pongamos como ejemplo una papelera donde hay distintos rodillos, girando a distintas velocidades, dónde el papel se va enrollando y desenrollando. En este proceso, cualquier variación brusca de par o desincronización de las velocidades de los rodillos, que podría ser provocado por un hueco, rompería el papel obligando a efectuar una larga parada y reposición del material. En cambio, no sería un problema si, en cuanto se produce el hueco, el sistema realiza una parada controlada para volver a arrancar en cuanto la tensión se haya recuperado. En este caso no se ha añadido ni redistribuido la energía sino que el control del convertidor, que en todo instante ha estado alimentado, ha actuado según se le había programado. Esto es lo que se llama tener capacidades ride-through, que se podría traducir como “sobrevivir al hueco”. Es decir, que el convertidor sea capaz de superar un hueco o interrupción breve sin necesidad de intervención del operario. Se trata de un método software, ya que no es necesario añadir equipos que suministren energía auxiliar ni ninguna disposición especial del accionamiento, sino que se consigue programando adecuadamente los parámetros del equipo. Cabe tener presente siempre que el principal objetivo es que el convertidor se recupere del hueco aunque el motor se pare, es decir, es aceptable que la velocidad del motor disminuya pero es imprescindible que el control esté siempre alimentado. Las funciones ride-through más extendidas son el rearranque después de un fallo en la alimentación y rearranque al vuelo. Dentro de la primera se puede programar como será la arrancada una vez haya vuelto la tensión de alimentación. Las opciones son arranque suave, para cargas de gran inercia, arranque a la frecuencia que había en el momento del hueco, para cargas normales, y arranque desde la frecuencia de salida, para cargas de baja inercia. Estos rearranques pueden producir fuertes sobrecorrientes si se ha perdido la sincronización con el motor, así que normalmente se deja un tiempo para que se pare el motor antes de activar el rearranque automático. El rearranque al vuelo es más complejo: durante el hueco el variador no pierde la sincronización con el motor, de modo que cuando vuelve la tensión de red el convertidor acelera al motor desde la velocidad actual.

Convertidores de frecuencia y técnicas de inmunización frente perturbaciones

Documents

Transcript of Convertidores de frecuencia y técnicas de inmunización frente perturbaciones