Efecto de los variadores de velocidad electrónicos sobre los motores eléctricos de corriente alterna.

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1 Efecto de los variadores de velocidad electrónicos sobre los motores eléctricos de corriente alterna. Por Oscar Nuñez Mata 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 la tecnología con IGBT ganó gran popularidad dentro de los variadores de corriente alterna con aplicaciones de modulación por ancho de pulso (PWM por sus siglas en inglés), principalmente por ser controlados por voltaje y con velocidades de conmutación altas. Los variadores 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

2 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:

3 Vmotor pico = Vbus dc *(1 + Γ) Donde: - Γ = Z Z motor motor Z + Z cable 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

4 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.

5 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).