En el ámbito de la automatización industrial y el control de energía, los variadores de frecuencia (VFD) con convertidor de frecuencia se han convertido en herramientas indispensables. Ofrecen una flexibilidad incomparable para controlar la velocidad del motor, el par y el consumo de energía, lo que los convierte en una piedra angular en diversas aplicaciones en industrias como la fabricación, HVAC y tratamiento de agua. Sin embargo, uno de los desafíos persistentes asociados con los VFD es la presencia de contenido armónico en el sistema eléctrico. Los armónicos pueden causar una variedad de problemas, incluido el sobrecalentamiento de los equipos, interferencias con componentes electrónicos sensibles y mayores pérdidas de energía. como líderConvertidor de frecuencia VFDproveedor, entendemos la importancia de minimizar la distorsión armónica para el funcionamiento confiable y eficiente de los sistemas eléctricos. En esta publicación de blog, exploraremos varias estrategias efectivas para reducir el contenido armónico de un convertidor de frecuencia VFD.
Comprensión de los armónicos en los VFD
Antes de profundizar en las estrategias de mitigación, es fundamental comprender qué son los armónicos y cómo se generan en los VFD. En un sistema eléctrico ideal, las formas de onda de voltaje y corriente son ondas sinusoidales puras con una sola frecuencia, típicamente 50 o 60 Hz. Sin embargo, los VFD utilizan dispositivos electrónicos de potencia como diodos, tiristores y transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) para convertir la energía de CA entrante en CC y luego nuevamente en CA a una frecuencia y voltaje variables. Esta acción de conmutación introduce no linealidades en el circuito eléctrico, lo que da como resultado la generación de armónicos.
Los armónicos son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Por ejemplo, el tercer armónico tiene una frecuencia de 150 o 180 Hz (3 veces 50 o 60 Hz), el quinto armónico tiene una frecuencia de 250 o 300 Hz, y así sucesivamente. Estas corrientes armónicas pueden regresar al sistema de distribución de energía, provocando distorsiones de voltaje e interferencias con otros equipos eléctricos.
Estrategias para reducir el contenido armónico
1. Uso de reactores
Los reactores son dispositivos inductivos que se pueden instalar en serie con la entrada o salida de un VFD. Actúan como elementos de impedancia, que ayudan a limitar la tasa de cambio de corriente y reducir el contenido de armónicos en el sistema eléctrico. Hay dos tipos de reactores comúnmente utilizados en aplicaciones VFD:
- Reactores de línea de CA: Estos reactores están conectados en serie con la línea de entrada del VFD. Están diseñados para aumentar la impedancia del circuito de entrada, lo que ayuda a reducir la corriente armónica extraída de la fuente de alimentación. Los reactores de línea de CA también brindan protección contra picos de voltaje y sobrecorrientes transitorias, que pueden dañar el VFD y otros equipos eléctricos.
- Reactores de enlace CC: Los reactores del enlace de CC están conectados en el bus de CC del VFD, entre el rectificador y el inversor. Ayudan a suavizar la corriente CC y reducir el contenido de ondulación, lo que a su vez reduce el contenido de armónicos en el voltaje y la corriente de salida del VFD.
2. Conversión de múltiples pulsos
La conversión de pulsos múltiples es una técnica que implica aumentar el número de pulsos en la etapa rectificadora del VFD. En un VFD estándar de 6 pulsos, el rectificador utiliza seis diodos para convertir la alimentación de CA a CC. Esta configuración genera importantes armónicos 5º y 7º. Al aumentar el número de pulsos a 12, 18 o incluso 24, el contenido armónico se puede reducir significativamente.
- VFD de 12 pulsos: Un VFD de 12 pulsos utiliza dos rectificadores de 6 pulsos conectados en paralelo, con un cambio de fase de 30 grados entre ellos. Esta configuración anula los armónicos 5.º y 7.º, reduciendo la distorsión armónica total (THD) a un nivel más bajo.
- VFD de 18 y 24 pulsos: Estos VFD de pulso alto utilizan configuraciones de rectificador más complejas con transformadores y cambios de fase adicionales. Pueden alcanzar niveles de THD aún más bajos, lo que los hace adecuados para aplicaciones donde se deben cumplir límites estrictos de armónicos.
3. Filtros armónicos activos
Los filtros de armónicos activos son dispositivos electrónicos avanzados que están diseñados para detectar y cancelar corrientes armónicas en tiempo real. Funcionan inyectando corrientes armónicas iguales y opuestas en el sistema eléctrico, neutralizando eficazmente los armónicos generados por el VFD.
Los filtros de armónicos activos ofrecen varias ventajas sobre los filtros pasivos, como los reactores y los convertidores de pulsos múltiples. Pueden proporcionar un alto grado de compensación armónica, incluso bajo condiciones de carga variables. También son más compactos y pueden integrarse fácilmente en los sistemas eléctricos existentes. Sin embargo, los filtros de armónicos activos son generalmente más caros que los filtros pasivos y requieren algoritmos de control y electrónica de potencia más complejos.
4. Dimensionamiento y selección adecuados de los VFD
El tamaño y la selección adecuados de los VFD son cruciales para minimizar la distorsión armónica. Al seleccionar un VFD, es importante considerar las características de la carga, como la potencia del motor, el rango de velocidad y los requisitos de torque. Sobredimensionar un VFD puede provocar un mayor contenido de armónicos, ya que el VFD funcionará con un factor de carga más bajo, lo que puede provocar que los dispositivos de conmutación funcionen de manera ineficiente.
También es importante elegir un VFD que tenga un índice THD bajo. Muchos VFD modernos están diseñados con funciones de mitigación de armónicos incorporadas, como reactores y conversión de pulsos múltiples, que pueden ayudar a reducir el contenido de armónicos sin la necesidad de equipos externos adicionales.
5. Consideraciones de instalación y diseño del sistema
El diseño y la instalación del sistema eléctrico también pueden tener un impacto significativo en el contenido de armónicos de un VFD. Aquí hay algunas consideraciones importantes:
- Separación de equipos sensibles: Los equipos eléctricos sensibles, como computadoras, PLC y dispositivos de comunicación, deben estar físicamente separados de los VFD y otras fuentes de armónicos. Esto puede ayudar a minimizar la interferencia causada por corrientes armónicas y distorsión de voltaje.
- Conexión a tierra y blindaje adecuados: La conexión a tierra y el blindaje adecuados de los VFD y los cables eléctricos son esenciales para reducir la interferencia electromagnética (EMI) y las corrientes armónicas. El chasis del VFD debe estar conectado a una tierra de buena calidad y los cables de alimentación deben estar blindados para evitar la radiación de señales armónicas.
- Uso de fuentes de alimentación filtradas: En aplicaciones donde es necesario minimizar el contenido de armónicos a un nivel muy bajo, se puede considerar el uso de fuentes de alimentación filtradas. Estas fuentes de alimentación están diseñadas para eliminar los componentes armónicos de la alimentación de CA entrante, proporcionando una fuente de alimentación limpia y estable para el VFD y otros equipos eléctricos.
Conclusión
Reducir el contenido de armónicos de un convertidor de frecuencia VFD es esencial para el funcionamiento confiable y eficiente de los sistemas eléctricos. Al implementar las estrategias analizadas en esta publicación de blog, como el uso de reactores, conversión de pulsos múltiples, filtros de armónicos activos, tamaño y selección adecuados de VFD y consideraciones de diseño e instalación del sistema, la distorsión armónica se puede minimizar de manera efectiva.
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Referencias
- Mohan, N., Undeland, TM y Robbins, WP (2012). Electrónica de potencia: convertidores, aplicaciones y diseño. John Wiley e hijos.
- Erickson, RW y Maksimovic, D. (2001). Fundamentos de Electrónica de Potencia. Medios de ciencia y negocios de Springer.
- Estándar IEEE 519-2014, Prácticas recomendadas y requisitos de IEEE para el control de armónicos en sistemas de energía eléctrica.