Convertidores de frecuencia

Por Ings.:

Jacques SCHONEK
Ingeniero ENSEEIHT y Doctor-Ingeniero por la Universidad de Toulouse, participó entre 1980 y 1995
en el diseño de los variadores de velocidad de la marca Telemecanique.
Después fue gerente de la actividad Filtrado de Armónicos. Actualmente es responsable de Aplicaciones y Redes Electrotécnicas en la Oficina de Estudios de Anticipación de la Dirección de
Distribución Eléctrica de Schneider Electric.

Yves NEBON
En 1969 entró en la empresa Merlin Gerin, donde trabajó durante 14 años en las oficinas de estudio
de BT, mientras continuaba su formación profesional obteniendo sucesivamente varios diplomas y
alcanzando finalmente el título de Ingeniero. Después ocupó diferentes puestos en diversas
aplicaciones BT.
Desde 1995 tiene a su cargo el marketing de la gestión y evolución de las gamas de productos de
distribución eléctrica BT de la marca Merlin Gerin en la sociedad Schneider Electric.

El objetivo de este artículo es explicar los fenómenos particulares observados en las instalaciones de BT cuando se produce una sobrecarga o un fallo eléctrico en los circuitos equipados con variadores de velocidad. Se ofrecen diversas recomendaciones para asegurar la protección de las personas y de los bienes, y para mejorar la continuidad del servicio.

Objetivo

El objetivo de los variadores de velocidad del tipo «convertidor de frecuencia» es alimentar a
los motores asíncronos trifásicos para conseguir características de funcionamiento
radicalmente diferentes a las de su utilización normal a amplitud y frecuencia constantes (motores alimentados directamente con la tensión de red). El cuadro de la figura 1 presenta las ventajas de estos dispositivos.

Tabla comparativa de las características de funcionamiento, que demuestra el gran interés de los
variadores de velocidad del tipo «convertidor de frecuencia»

Principio

Consiste en suministrar al motor una onda de tensión con una amplitud y frecuencia variables,
pero manteniendo la relación tensión/frecuencia sensiblemente constante.
La generación de esta onda de tensión la realiza un dispositivo electrónico de potencia
cuyo esquema de principio se representa en la figura 4.

El convertidor

Consta de: un puente rectificador de diodos, mono o trifásico, conectado a un condensador, lo que constituye una fuente de tensión continua (Bus de tensión continua, Bus dc, o Bus cc), un puente ondulador, generalmente con IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), alimentado con la tensión continua y que genera una onda de tensión alterna de amplitud y frecuencia variables mediante la técnica de «Modulación de Ancho de Impulsos» o PWM («Pulse Width Modulation»), una unidad de mando que da la orden de conducción a los IGBT con arreglo a las consignas dadas por el operador (orden de marcha, sentido de giro, consigna de velocidad) y de la medida de las magnitudes eléctricas (tensión de red, corriente del motor).

El principio PWM

Utilizado en el puente ondulador consiste en aplicar sobre los bobinados del motor una sucesión de impulsos de tensión, de amplitud igual a la tensión continua suministrada por el rectificador, pero modulados en anchura para crear una tensión alterna de amplitud variable.
Las curvas representadas en la figura 5 son unos ejemplos de tensión entre fases y de corriente en un bobinado de la máquina(suponiendo que los bobinados están conectados en triángulo).

Características de la corriente absorbida por
el variador

Forma de onda
En caso de alimentación trifásica

El puente rectificador combinado con el condensador de filtrado toma de la red una corriente no sinusoidal; la figura 6 representa su gráfica, y la figura 7, su espectro armónico.
El valor típico del índice de distorsión armónica THD es del 40%.
Hay que señalar que este índice de distorsión se obtiene añadiendo unas inductancias de línea que provocan una caída de tensión comprendida entre el 3 y el 5%. Si no se instalan estas inductancias de línea, la distorsión de corriente es mayor: puede alcanzar el 80% en ausencia
total de inductancia en el variador.

En caso de una alimentación monofásica

La corriente absorbida se representa en la figura 8 y su espectro en la figura 9. El valor típico de la tasa de distorsión armónica, THD, es del 80%.
Nótese que este índice de distorsión también se obtiene por inclusión de una inductancia de línea que provoca una caída de tensióncomprendida entre el 3 y el 5%. En ausencia deesta inductancia de línea, la distorsión decorriente es mayor: puede sobrepasar el 100% en ausencia total de inductancia en el variador.

Variación de la corriente de línea según el
punto de funcionamiento del motor.

Puesto que la corriente fundamental absorbida por el variador está prácticamente en fase con la tensión, la corriente es proporcional a la potencia eléctrica absorbida de la red. Teniendo en cuenta los rendimientos, esta corriente es pues proporcional a la potencia mecánica suministrada por el motor.

La potencia mecánica es igual al producto del par por la velocidad. Así pues, a velocidad reducida, la potencia mecánica es pequeña. De lo que se deduce que la corriente absorbida de la red por el variador es baja cuando el motor gira a baja velocidad, aunque éste desarrolle un par elevado y absorba una gran corriente.

Referencias normativas

Existen dos normas que se refieren especialmente al diseño de los variadores de
velocidad CEI 61800-3 «Accionamientos eléctricos de potencia a velocidad variable – Parte 3: Norma de producto en relación con la CEM». NF EN50178 «Equipo electrónico utilizado en
las instalaciones de potencia».
La conformidad con esta norma permite el marcado CE según la directiva europea «Baja Tensión». Señalar que esta norma da tambiénindicaciones para la instalación de estos productos.

Necesidad de protecciones adaptadas

Las características descritas anteriormente, tanto tecnológicas (circuitos electrónicos de potencia) como de funcionamiento del motor asociado con un variador, demuestran la necesidad de prever
protecciones adaptadas para la explotación adecuada de estos equipos.
La realización de los variadores con tecnología electrónica permite la integración de varias de estas protecciones con una reducción de costes.

Evidentemente estas protecciones no reemplazan a las que son necesarias al
principio de cada circuito, según los reglamentos de instalación vigentes, y que son «exteriores» a los variadores.
En los capítulos siguientes se describe el funcionamiento de todas las protecciones instaladas.

Protecciones contra sobreintensidades

Las protecciones habituales contra sobreintensidades (interruptores automáticos o
fusibles) están principalmente previstas para intervenir en dos casos:
Para proteger una instalación del riesgo de cortocircuito. Para evitar los riegos debidos a sobrecargas.

De un circuito o a unas intensidades de explotación mayores que las que soportan los conductores (juegos de barras y cables) y los aparatos de mando y protección.
La tecnología de los variadores de velocidad permite asegurar electrónicamente algunas de estas funciones.

Protecciones integradas en los variadores

a) Protección de sobrecarga del motor

Los variadores modernos aseguran la protección del motor contra las sobrecargas: mediante una limitación instantánea de la corriente eficaz a, aproximadamente, 1,5 veces la corriente nominal,
mediante un cálculo permanente del I2t, teniendo en cuenta la velocidad (puesto que la inmensa mayoría de los motores son autoventilados, el enfriamiento, a baja velocidad, es menos eficaz).
Nótese que, cuando una línea sólo alimenta a un motor y su variador, esta protección contra
sobrecargas del motor asegura a la vez la protección del conjunto de los aparatos y del cableado.

b) Protección contra los cortocircuitos en elmotor o en la línea aguas abajo del variador.

En caso de cortocircuito entre fases a la salida del variador (en bornes del motor o en un lugar
cualquiera de la línea entre el variador y el motor), se detecta la sobreintensidad en el variador y se envía muy rápidamente una orden de bloqueo a los IGBT. La corriente de cortocircuito (figura 10) se interrumpe en algunos microsegundos, lo que asegura la protección del variador. Esta corriente, muy breve, es suministrada esencialmente por el condensador de filtrado asociado al rectificador, y por tanto es inapreciable en la línea de alimentación.

cortocircuito variador de velocidad

c) Otras protecciones integradas en los variadores

Los variadores disponen de otras funciones de autoprotección contra:
los recalentamientos de sus componentes electrónicos que podrían significar su destrucción. Un captador colocado en un disipador térmico provoca la parada del variador, cuando la temperatura sobrepasa un cierto umbral, los huecos de tensión de la red: esta protección es necesaria para evitar cualquier funcionamiento inadecuado de los circuitos de control y del motor, así como cualquier sobreintensidad peligrosa cuando la tensión de red retoma su valor normal, las sobretensiones a frecuencia industrial de la red: se trata de evitar las eventuales destrucciones de sus componentes, el corte de una fase (para los variadores trifásicos): porque la alimentación monofásica que sustituye a la alimentación trifásica produce un aumento de la corriente absorbida.

Acción de las protecciones integradas

Todas ellas provocan, en caso de defecto, el bloqueo del variador y la parada del motor en «rueda libre». En estos casos, un relé integrado en el variador ordena la apertura del contactor de línea, lo que asegura el corte de la alimentación.

Protecciones exteriores a los variadores

Además de las necesidades expuestas en las primeras líneas de este capítulo, estas protecciones contra las sobreintensidades están también previstas para intervenir en caso de defecto interno del variador (destrucción del puente rectificador, por ejemplo): el dispositivo de protección de la línea asegura el corte de la corriente de defecto.
Nota: aunque este dispositivo normalmente no pueda proteger los componentes del variador,
su apertura automática limita las consecuencias de tales defectos.

Emplazamiento de los dispositivos

Todas estas protecciones se definen para un circuito que con frecuencia se asemeja al de la
figura 11: al principio del circuito, una protección individual contra sobreintensidades, a menudo
asociada a un contactor, sin dispositivo de corte aguas abajo del variador. En esta figura se detallan las funciones que asignadas a los diferentes aparatos (interruptor automático, contactor y variador).
Estas asociaciones (interruptor automático, contactor y variador) propuestas por los constructores se denominan «salida-motor». Debido a las protecciones integradas en los variadores, estas asociaciones aseguran completamente una coordinación de tipo 2 en el caso de cortocircuito aguas abajo del variador. «Coordinación de tipo 2» significa que, en caso de cortocircuito: no se admite ningún daño ni pérdida de ajuste, se debe conservar el aislamiento

Esquema recomendado para protección de sobreintensidades.

la salida-motor debe de estar en situación defuncionar después de suprimir el cortocircuito,
se admite el riesgo de soldadura de los contactos del contactor si éstos se pueden
separar fácilmente.
Si hay riesgo de cortocircuito aguas arriba del variador, para asegurar la coordinación de tipo 2, hay que utilizar las tablas de coordinación suministradas por los constructores de las protecciones situadas aguas arriba.
Nota: Con los variadores, no se producen picos de corriente al conectar la tensión; por tanto, el dispositivo de protección no ha de estar sujeto a ninguna exigencia especial.

Cálculo del calibre de los interruptores automáticos y de los contactores.

Se determina con arreglo a la corriente de línea absorbida por el variador. Ésta se calcula a
partir de: la potencia mecánica nominal del motor,l a tensión nominal de alimentación,
el rendimiento del motor y del variador, la sobrecarga permanente admisible, de 1,1 Cn a par constante y de 1,05 Cn a par variable,los armónicos, puesto que la corriente no es
sinusoidal.
El valor eficaz de la corriente, en función de la tasa de distorsión, se obtiene por la fórmula:

La corriente fundamental, I1, está prácticamente en fase con la tensión. El valor típico de la corriente absorbida por el variador, cuando alimenta un motor que funciona en su punto
nominal (aplicación a par constante), se calcula por la fórmula:

Dos casos particulares

Alimentación de motores en paralelo

En este caso, la protección de sobrecarga integrada en el variador no puede asegurar la protección de cada motor. En efecto, uno de los motores puede encontrarse en sobrecarga, mientras que la corriente absorbida por el conjunto de los motores no sobrepasa la corriente nominal del variador. Así pues, cada uno de los motores debe de estar protegido con su relé térmico (figura 12).
A pesar de todo se recomienda mantener activa la protección de sobrecarga integrada en el variador, con el fin de asegurar la protección de los cables aguas arriba.

Inhibición de la protección de sobrecarga integrada en el variador
Para ciertas aplicaciones que exigen imperativamente una continuidad de explotación, puede inhibirse la protección de sobrecarga del variador.
Entonces, la protección de los cables y del equipo, que debe de quedar asegurada aguas arriba, necesita una protección de sobrecarga obligatoriamente asociada con el interruptor
automático de la salida-motor (figura 13).
En este caso se recomienda un sobredimensionado del 20% del cable y del equipo.


Protección de las personas

Los riesgos vinculados a los defectos de aislamiento

Un defecto de aislamiento, cualquiera que sea su causa, presenta riesgos para
la seguridad de las personas (riesgo de choque eléctrico), la seguridad de los bienes (riesgo de incendio o de explosión debido a un calentamiento puntual excesivo), la disponibilidad de la energía eléctrica (desconexión de una parte de una instalación para eliminar el defecto).
Refiriéndose a la protección de las personas, las normas y los reglamentos distinguen dos tipos de contactos peligrosos y precisan las medidas correspondientes de protección.

El contacto directo

Contacto de personas con conductores activos (fase o neutro) o piezas conductoras
habitualmente bajo tensión (figura 14).
La protección contra este riesgo normalmente se asegura por el aislamiento de las partes activas, por medio de barreras, pantallas o envolventes (según CEI 60364-4-41 ó NF C 15-100). Estos dispositivos tienen un carácter preventivo y pueden fallar. Para paliar este riesgo, se utiliza una medida de protección complementaria con corte automático, que consiste en detectar cualquier corriente de «fuga a tierra» susceptible de circular a través de una persona, y que no retorna a la fuente a través de los conductores activos. Su umbral de disparo se fija en 30 mA en corriente alterna (CEI 60364-4-41 o NF C 15-100) y 60 mA en corriente continua.

Contacto directo

El contacto indirecto

Contacto de personas con masas conductoras, normalmente sin potencial, puestas accidentalmente bajo tensión. La aparición de esta tensión se debe al fallo del aislamiento de
un aparato o de un conductor que tiene un defecto de aislamiento (figura 15).
Este riesgo eléctrico depende de la tensión de contacto que aparece entre la masa del equipo
con defecto y la tierra u otras masas conductoras próximas.

Para definir las protecciones que hay que instalar, las normas presentan diferentes esquemas de instalación según las conexiones eléctricas entre los conductores activos, las masas y la tierra.
Para más explicaciones ver anexo ( próximamente editaremos esta sección con el anexo)


Figura 15 contacto directo
fig. 15 formula

Esquemas de conexión a tierra.

Esquemas normalizados de conexión a tierra

Nota: No se recomienda el esquema TN-C para la alimentación de los dispositivos electrónicos
debido a la posible circulación de corrientes armónicas en el conductor de neutro que es también el conductor de protección.

Defectos de aislamiento y variadores de velocidad

Contacto directo

En los circuitos que incluyen variadores de velocidad, el contacto directo puede producirse
en diversos puntos ( figuras 21 y 22).
Esquemas TT y TN-S En caso de fallo de otras medidas de protección contra los contactos, o de imprudencia de los usuarios, puede preverse una protección complementaria aguas arriba del variador constituida por un DDR de una sensibilidad de 30 mA.

Esquema IT con primer defecto de aislamiento presente en la red
En las tres situaciones específicas del esquema IT reflejadas en la figura 22, no es aplicable ninguna protección por corte automático: la corriente de defecto no puede distinguirse de la corriente normal de funcionamiento. Esto subraya la importancia que los instaladores deben prestar al cableado de estas máquinas para garantizar la primera protección, que es el aislamiento de las partes activas.

Observaciones

La advertencia es idéntica para cada una de estas situaciones cuando los dos defectos (de aislamiento y contacto directo) se entrecruzan. Cuando diversos variadores se alimentan de
la misma red, se puede considerar que los buses DC de los diferentes variadores están al
mismo potencial. Por tanto, defectos localizados sobre variadores diferentes pueden tener las
mismas consecuencias que si estuvieran localizados en un mismo variador.

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