AUTOMATIZACIÓN ELECTRÓNICA Y CALIDAD DE POTENCIA

Durante los últimos años, ha tenido un incremento muy alto el uso de accionamientos de electrónica de potencia en los sectores industrial, comercial y del sector público. Nos referimos a los variadores electrónicos de velocidad (VFD) y los arrancadores electrónicos suaves (SS). Por sus características propias, los VFDs y los SSs permiten operar los motores de una manera suave y controlada, dando además una serie de ventajas tales como las siguientes:

• Aumento en la productividad industrial • Aumento en la confiabilidad de los procesos • Disminución de costos de mantenimiento • Aumento de la estabilidad de la red eléctrica • Ahorro de energía consumida con el

consecuente ahorro de dinero Estos equipos (VFDs y SSs) se pueden definir como equipos compuestos de elementos electrónicos de potencia que alimentan los motores eléctricos jaula de ardilla con una forma de onda diferente a los accionamientos convencionales, como arrancadores directos o estrella triángulo. Por su principio mismo de funcionamiento, estos equipos pueden ocasionar que la forma de onda de tensión con que se alimentan, sea modificada, generando lo que conocemos como la distorsión armónica. Esta distorsión armónica, cuyos efectos se verán más adelante, tiene la grave consecuencia de que todos los sistemas eléctricos deben ser sobredimensionados para soportarla y por ende, la necesidad de sobreexplotar nuestros recursos naturales renovables y no renovables. Como empresarios, sea usuarios o suministradores de la energía eléctrica, debemos considerar en todo momento qué es más conveniente:

(a) No hacer nada para mitigar los armónicos y sobredimensionar con el sobrecosto involucrado y sin resolver completamente, o

(b) Aplicar los sistemas de manera correcta, utilizando el método más apropiado para cada configuración

Este artículo busca fundamentalmente la segunda opción.

EXPLICACIÓN GENERAL DE FUNCIONAMIENTO. Arrancador suave: Está compuesto por una pareja de SCRs en antiparalelo por fase. Mediante el control del ángulo de disparo de los SCRs es posible alimentar el motor con una tensión equivalente menor a la nominal. Esta tensión aumenta gradualmente hasta llegar a la tensión nominal en el tiempo predeterminado: este concepto es conocido como la rampa de arranque. Usualmente, después de haber terminado la rampa de arranque, es habilitado un by-pass por el cual el motor es alimentado directamente a la red a través de un contactor. Los arrancadores suaves generan distorsión armónica

en un grado realmente poco significativo cuando los motores quedan funcionando a tensión nominal, bien sea a través de by-pass o a través de si mismos. Sin embargo, algunos equipos modernos tienen la opción de ahorro de energía, en cuyo caso por monitoreo de la corriente consumida de la red, hacen que el motor quede alimentado durante tiempo prolongado con una tensión no igual a la nominal, que significa en términos reales un

switcheo permanente de los componentes electrónicos, dando como resultado un aumento en el nivel de distorsión, que aunque no es significativo, si se adiciona al efecto que otras cargas puedan producir, hará que la distorsión armónica total sea elevada.

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 90 180 270 360

Figura 1. Control del disparo en un SS Variador de velocidad: Está conformado por tres etapas de potencia, conocidas como puente rectificador, puente de corriente continua y puente inversor. El puente rectificador compuesto

generalmente de diodos o tiristores convierte la tensión de entrada de corriente alterna a corriente continua rectificada; el puente de corriente continua compuesto de capacitores (condensadores) estabiliza la tensión rectificada para mantener un valor de tensión relativamente constante y continuo; el puente inversor compuesto de IGBTs (Transistores bipolares de compuerta aislada) recibe una señal de tensión de corriente continua y mediante la imposición de un tren de pulsos, entrega al motor una tensión de corriente alterna de tensión y frecuencia variable. Por ser un elemento que dentro de su funcionamiento realiza una rectificación de onda, está permanentemente afectando la forma de onda de la tensión de entrada. Contrariamente a lo que sucede con un arrancador suave, en el que después de cumplir su principal objetivo (arancar de manera suave una carga mecánica) el equipo no genera distorsión armónica permanente, un variador de velocidad para cumplir su función requiere estar rectificando la tensión de entrada y generando el tren de pulsos en la salida. Por esta razón, son equipos potencialmente generadores de distorsión armónica permanente. LA COSTUMBRE ANTERIOR Hasta hace no mucho tiempo, eléctricamente se acostumbraba hablar únicamente de:

• Cargas resisitivas como iluminación y calefacción

• Cargas inductivas como motores • Cargas capacitivas: específicamente los

capacitores (condensadores) para correción de factor de potencia, para arranque de motores monofásicos o para iluminación

• Las dos últimas son conocidas como reactivas y en general, hoy en día estas cargas resistivas y reactivas, son hoy en día llamadas cargas lineales.

Entre mayor porcentaje de cargas inductivas en el total de cargas, existe un mayor desfase entre la onda de tensión y la onda de corriente, o lo que es lo mismo, existe un mayor ángulo de fase (Ø). El mayor ángulo de fase, significa menor Cos Ø o factor de potencia. Un circuito eléctrico era considerado adecuado cuando el Cos Ø cumplía con los requerimientos mínimos de la compañía electrificadora, generalmente Cos Ø > 0.9.

LAS NUEVAS TENDENCIAS Con el avance tecnológico este escenario “perfecto” ha cambiado por la introducción de las llamadas cargas no lineales: una serie de elementos como variadores de velocidad tanto en corriente continua como en corriente alterna, arrancadores electrónicos, hornos de arco, hornos de inducción, UPSs, luces fluorecentes y también equipos de oficina como computadores, escaners, fotocopiadoras, radios y TVs modernos. Todos estos equipos tienen la particularidad de no comportarse como simples resistencias, inductancias o capacitancias; sino que deforman la tensión de entrada, dando como resultado corrientes y tensiones no sinoidales que pueden ocasionar sobre la red algunos efectos no deseados, siendo los siguientes los más críticos:

• Calentamiento extra en cables, interruptores, contactores y transformadores.

• Disparos fantasmas en protecciones • Alimentación desbalanceada a otras cargas

eléctricas • Incorrecto funcionamiento de los sistemas de

tierra • Calentamiento, ruido y oscilaciones de torque

en motores. BASES TEÓRICAS

Figura 2. Componentes armónicas La distorsión armónica es en general una deformación en la forma de onda de tensión (voltaje) y corriente. Una onda periódica puede ser analizada en términos de la transformada de Fourier, según la cual, una onda compuesta es descompuesta en el espectro de una onda fundamental más la suma de sus componentes armónicas, que son ondas de menor magnitud y mayor frecuencia. La frecuencia de estas componentes armónicas presentes en las redes eléctricas son múltiplos de la frecuencia nominal (60 Hz) según la relación (6n ± 1)*f, siendo f la frecuencia fundamental 60 Hz y n=1, 2, etc (Ver Nota 1). Esto es: 5 y 7, 11 y 13, 17 y 19, 23 y 25, 29 y 31, etc. siendo llamados el armónico 5 y 7, el armónico 11 y 13, etc. Los armónicos con más influencia en las redes son los armónicos 5, 7, 11 y 13, pues son los de magnitud más

significativa; los demás siguen existiendo, pero su efecto es menor. Nota 1: Las componentes armónicas pares (2, 4, etc.) no son presentes por asunto de secuencia y las componentes múltiplos de 3 (6, 9, etc) son anuladas por la propia topología de las redes eléctricas. Los elementos generadores de armónicos (cargas no lineales) producen un cierto nivel de distorsión armónica en la corriente consumida de la red. Dependiendo del tamaño de la carga, de las características generales del circuito eléctrico (todas las cargas del usuario) y de las características de la fuente de alimentación (electrificadora, transformador, generador) se producirá consecuentemente una distorsión armónica en la tensión de alimentación. Es posible predecir la distorsión armónica en la corriente de un equipo individual, pero no es posible predecir la distorsión armónica en la tensión, pues es algo que no depende del equipo en si, sino del efecto de sí mismo en su entorno (red). Como el avance tecnológico no puede pararse, es importante tener completo conocimiento de los efectos y de los métodos de mitigar los mismos. Estos métodos están fundamentalmente dirigidos a los VFDs y tienen por objeto, no solamente mitigar la distorsión armónica, sino también prolongar la vida de los VFDs. NINGUN MÉTODO USADO

Figura 3. VFD estándar en 6 pulsos El variador de velocidad en corriente alterna convencional está compuesto por un puente rectificador simple de seis pulsos (seis diodos). Esta configuración es la potencialmente más generadora de armónicos, contribuyendo con más de 70% de distorsión armónica en la forma de onda de la corriente. Ventajas: Es simple de usar; simple de adquirir; simple de aplicar, no se presenta un costo adicional.

Desventajas: Potencialmente altos niveles de distorsión en corriente, dependiendo de la red y de la cantidad de equipos, potencialmente altos niveles de distorsión en tensión. El VFD es más susceptible de daños causados por transientes en la red. REACTANCIA DC Al variador convencional de seis pulsos es adicionada una inductancia en el circuito de corriente continua. Por su efecto amortiguador (dU/dt), la reactancia produce una gran reducción de los llamados armónicos primarios, el quinto y el séptimo, que son los de mayor magnitud e importancia. Sin embargo, el nivel de distorsión total en corriente es aún superior a 35% Ventajas: Fácil de instalar; reduce significativamente los armónicos en corriente; no causa caída de tensión en terminales del VFD, bajo costo Desventajas: Reduce la distorsión en corriente, pero da aún relativamente altos niveles de distorsión en corriente y tensión. Sólo unos pocos fabricantes la ofrecen como accesorio o alternativa. No agrega protección al VFD en frente a los transientes de la red. REACTANCIA AC (REACTANCIA DE LÍNEA) Uno de los métodos más usuales en la industria es la utilización de este accesorio. Al igual que la reactancia en DC, por su efecto amortiguador, produce una importante disminución en los niveles de armónicos. Con su utilización es posible lograr buenos niveles de distorsión en tensión en sistemas generales o industriales en los que el porcentaje de cargas no lineales sea inferior al 40% del total de las cargas del sistema. Las reactancias AC por general son proyectadas para funcionamiento en tres fases con diversos niveles de impedancia , atendiendo diferentes caídas de tensión en terminales del VFD. Ventajas: Fácil de instalar; fácil de adquirir; bajo costo (un poco mayor que la reactancia DC). Da protección adicional al VFD contra efectos transitorios en la red. Mejor comportamiento del VFD en sistemas eléctricos de gran capacidad. Desventajas: Causa una caída de tensión en terminales del VFD.

Reduce la distorsión en corriente, pero da aún relativamente altos niveles de distorsión en corriente y tensión. Tiene un tamaño físico superior que la reactancia DC. VARIADORES DE VELOCIDAD EN 12 PULSOS

Figura 4. VFD en 12 pulsos Un variador de velocidad en doce pulsos incorpora dos puentes rectificadores independientes, los cuales deben ser alimentados por dos fuentes de tensión independientes, que tienen un desfase entre sí de 30º. Esta topología es lograda con la utilización de un transformador con un primario y dos secundarios según la figura 4 (Dy11d0, Dy5d0, Yy0d11,Yy0d5)). El desfase de 30º (en la fundamental) de los dos transformadores logra que las componentes armónicas 5 y 7 tengan igual magnitud, pero desfase de medio ciclo exacto, con lo que son eliminadas al ser sumadas en el primario del transformador (Ver Nota 2). Los armónicos más importantes presentes serán el 11 y 13 asociados naturalmente a una menor magnitud. Este método logra disminuir la distorsión en corriente en un 85% respecto a la primera configuración (ningún método usado), produciendo entonces distorsiones en corriente sobre 8%. Nota 2: En la práctica no se anulan 100% estas componentes, pues siempre habrá algunas pequeñas diferencias en impedancia en los puentes rectificadores, secundarios y cables, que lo impiden. Pero el efecto práctico es casi una anulación. Ventajas: Reducción sustancial en los armónicos en corriente, logrando niveles de distorsión en tensión suficientemente bajos. Proporciona una muy buena protección adicional. Permite la utilización de más VFDs en sistemas convencionales. Relación de costo/beneficio aún baja. Desventajas: Es realizable a partir de cualquier potencia de VFD, pero realmente es viable solamente a partir de potencias como 150 HP y superiores

Requiere el uso del transformador tridevanado, el cual debe tener un diseño y montaje especial. No es aplicable a todos los VFDs a manera de Retrofit DISTRIBUCIÓN EN 12 PULSOS Este método es similar al VFD en 12 pulsos, pero efectuado en una escala Macro. Si se proyecta una instalación en la que se tendrán varios VFDs cuyo funcionamiento será “cercanamente” simltáneo, es probable utilizar un gran transformador con dos secundarios (según conexión propuesta anteriormente), cada uno de ellos alimentando la mitad de los VFDs; o también utilizar dos grandes transformadores, pero recordando que los secuandarios de los dos tengan realmente un desfase de 30º. Siguiendo esta distribución es posible lograr distorsiones en corriente sobre 12%. Ventajas: Las mismas que para el variador de velocidad en doce pulsos Desventajas: Es aplicable casi exclusivamente para nuevas instalaciones o Retrofit de instalaciones antíguas. VARIADORES DE VELOCIDAD EN 18 Ó 24 PULSOS

Figura 5. VFD en 24 pulsos De manera análoga como se logra una topología de doce pulsos, es posible aumentar el número de puentes rectificadores en la entrada, para así lograr configuraciones de 18 pulsos ó 24 pulsos. En la configuración de 18 pulsos, además de los armónicos 5 y 7 se anularán los armónicos 11 y 13, siendo los más importantes presentes el 17 y 19; en la configuración de 24 pulsos, además de los armónicos 5, 7, 11 y 13, se anularán los armónicos 17 y 19, siendo los más importantes presentes el 23 y 25. Mediante estos métodos, es probable cumplir distorsiones armónicas en corriente bajo 5%.

Ventajas: Permiten tener redes “prácticamente” libres de armónicos Desventajas: Su aplicación en la práctica, solo es viable para potencias de VFD sobre 300 HP Transformador y circuitos especiales son requeridos Alto costo de compra, alto costo de mantenimiento OTROS MÉTODOS Los enunciados previamente son los más conocidos mundialmente. Existen otros adicionales que serán mencionados brevemente. Variador de velocidad regenerativo de frente activo: Es un variador en configuración de seis pulsos, pero a diferencia de los VFDs estándar, su puente rectificador no está compuesto por diodos o electrónica de potencia sencilla, sino por IGBTs (igual que en el puente inversor). Su particularidad es que el control del equipo determina de manera activa la distorsión armónica y de esta forma adelanta o atrasa los disparos en el puente rectificador para producir una onda igual a la distorsión pero inversa. El resultado final es la anulación casi total de los armónicos. Filtro activo: Es fundamentalmente un equipo externo igual al puente rectificador del variador regenerativo de frente activo Filtros pasivos sintonizados o no sintonizados: Son equipos externos que tienen como fin filtrar una ó dos frecuencias. CONCLUSIONES La existencia de armónicos en las redes eléctricas es hoy en día un asunto real e inevitable. Su influencia en los sistemas eléctricos cuando no es considerado un método de mitigación puede ser fuertemente destructivo, pero si los ingenieros o técnicos de proyectos y mantenimiento han considerado su existencia y comportamiento, pueden ser fácilmente controlados. En muchos casos, la utilización de uno de los métodos indicados arriba podrá resolver favorablemente la situación. Sin embargo, los sistemas deben ser bien aplicados considerando de manera correcta las recomendaciones de las normas reconocidas internacionalmente (IEEE, NE), como parte de un todo en donde además se evalúen aspectos paralelos e igualmente importantes como son la Compatibilidad Electromagnética (CEM) y los sistemas de puesta a tierra; pues de nada servirá controlar los armónicos si los otros detalles no son también bien ejecutados.

Autor Sergio Sanabria Guevara Ingeniero Electricista de la Universidad Nacional de Colombia (1989). Dieciseis años de experiencia en diseño, selección, aplicación y puesta en marcha de motores eléctricos y sistemas de velocidad variable. Actualmente Ingeniero de Ventas y Aplicaciones en WEG Colombia. sanabria@weg.com.co WEG COLOMBIA LTDA Calle 46A #82-54 Porteria II – Bodega 7 Bogotá - DC PBX: 416 0166 FAX: 416 2077