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ESTUDIO DE ARMÓNICOS Y EMISIÓN DE ONDAS
ELECTROMAGNÉTICAS DE LOS CONDUCTORES CONECTADOS
ENTRE EL VARIADOR DE VELOCIDAD Y EL MOTOR.
Katherine Guerrero Pautt – Miguel Antonio Lambraño Blanco.
Universidad Tecnológica de Bolívar, Facultad de ingeniería eléctrica y electrónica
Compatibilidad Electromagnética
Cartagena (Bol.)
Colombia
e-mail: [email protected]
Introducción
Los variadores de velocidad de motores cumplen una función fundamental cada vez más
importante en los distintos tipos de industrias. Algunas de sus principales funciones esta en
controlar la velocidad de de bombas, compresores y ventiladores, bandas de transporte.
El uso de variadores de velocidad por su constitución circuital, convierten al motor en una
carga no lineal dentro de los sistemas eléctricos de potencia. Naturalmente, como toda
carga no-lineal, emiten corrientes armónicas hacia la red de suministro. En la actualidad
existen normas internacionales referidas a Compatibilidad Electromagnética, como así
también reglamentos de carácter local a cumplir tanto por las empresas prestatarias del
servicio eléctrico como por los propios usuarios. Por lo tanto, si determinado usuario desea
incorporar este tipo de cargas en sus instalaciones deberá analizar previamente si los
niveles de armónicas no sobrepasan los valores permitidos por la normativa vigente.
Otro caso de preocupación esta en los conductores que están conectados entre el motor y el
variador, ya que en esa línea de conductores hay cierto manejo de frecuencias, las cuales
producen un campo electromagnético en sus alrededores, los cuales provocan distorsiones
en el ambiente.
En los puntos mencionados anteriormente se centrara la investigación ya que el aumento
del uso de variadores de velocidad hace que este tema se a de mucho interés. En este
documento se desea realizar la medición de los niveles de armónicos y nivel de emisión
electromagnética a bajas frecuencias y altas frecuencias. Esto se determinara por medio de
ensayos, en los cuales se pondrá en funcionamiento el motor bajo condiciones de interés
(5Hz y 60Hz), y estos datos serán registrados, para un correspondiente análisis.
Índice
1. Marco teórico
2. Objetivos
2.1. Objetivo general
2.2. Objetivos específicos
3. Metodología.
4. Resultados y análisis.
5. Conclusiones y Recomendaciones.
6. Referencias
6.1. Bibliografía.
Anexos
1. MARCO TEÓRICO
Los variadores de velocidad, al igual que todo equipo que convierte la C.A. en C.C.
mediante rectificadores, generan armónicos.
Alguno de estos armónicos puede distorsionar la alimentación monofásica de ordenadores y
otros dispositivos de bajo consumo, incrementar pérdidas en motores y otros dispositivos
magnéticos y, a medida que aumenta la frecuencia, disminuir la impedancia de los
condensadores para la corrección del factor de potencia, produciendo sobrecalentamiento
en los mismos pudiendo llegar a destruirlos.
Los armónicos que pueden ocasionar problemas en una instalación son los de voltaje, y a su
vez estos dependerán de la impedancia del transformador y de los armónicos de corriente
generados por los propios variadores. Los armónicos de corriente con variadores sin
bobinas de choque pueden alcanzar el 86% de THD a plena carga (Distorsión Armónica
Total) en corriente.1
¿QUÉ ES LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA?
La compatibilidad electromagnética, o EMC, es un concepto asociado con cualquier equipo
electrónico. Es una medida de la habilidad del equipo para no generar interferencias por
radiofrecuencia (RFI), así como una medida de su inmunidad frente a las emisiones RFI
producidas por otros equipos.
¿QUÉ PRODUCE RFI EN UN VARIADOR?
La mayoría de los variadores modernos de velocidad para motores de CA presentan dos
etapas de conversión de la energía.
La etapa rectificadora consta de un puente rectificador y un filtro, cuya finalidad es obtener
un nivel de continua intermedio por rectificación directa de las líneas de entrada. Este bus
de continua alimenta la etapa inversora, constituida por un puente trifásico realizado
mediante seis interruptores electrónicos de potencia.
Accionando los interruptores de manera coordinada, el bus de continua se reconvierte en un
sistema trifásico de corriente alterna, que es conectado al motor.
En la mayoría de los variadores modernos la etapa inversora utiliza IGBT como
interruptores. La tensión de salida y la frecuencia se controlan utilizando las técnicas de
modulación del ancho del pulso (PWM) a frecuencias de conmutación elevadas (4 kHz y
superiores). Los IGBT tienen tiempos muy cortos de paso de bloqueo a conducción y
viceversa, lo que minimiza las pérdidas por conmutación y proporciona rendimientos
elevados en la conversión.
Los armónicos de mayor frecuencia (es decir, aquellos mayores a 100 kHz) pueden
"escapar" del variador, acoplando los cables de control y los de potencia, y causando
interferencias y problemas de funcionamiento en otros equipos.
¿CÓMO EMITE RFI ELVAR IADOR?
Existen tres procedimientos mediante los cuales las emisiones de RFI escapan del variador
e interfieren con su "víctima".
Las RFI pueden ser radiadas desde el variador, en forma de radiación electromagnética.
No se requiere un medio físico entre el variador y su víctima, ya que este tipo de emisión se
puede llevar a cabo incluso en el vacío. La RFI radiada es comparativamente sencilla de
eliminar mediante técnicas de apantallamiento. El campo de acción de las RFI radiadas
disminuye rápidamente a medida que nos alejamos del variador.
Las RFI también pueden ser conducidas desde el variador. La conducción se puede
efectuar a través de los cables de potencia de salida hacia el motor, y a través de los
cables de la línea de entrada al variador.
La RFI conducida por estos cables puede a su vez ser radiada sobre los cables adyacentes si
no se adoptan las medidas adecuadas de supresión. Estas emisiones pueden suprimirse de
una forma relativamente simple utilizando inductancias.
SOBRE EL APANTALLAMIENTO
El objetivo del apantallamiento es el de prevenir que el equipo emita o se vea afectado por
radiaciones electromagnéticas indeseables. Las tres partes principales que requieren
apantallamiento son:
El variador. Recuérdese que el variador es la principal fuente de interferencias.
Normalmente un variador debe ir equipado con las pantallas adecuadas cuando se
suministra con su armario. Sin embargo, si el variador no dispone de un armario
propio y es alojado en el interior de otro distinto, deben adoptarse las medidas
oportunas de apantallamiento. Esto incluye el blindaje de todos los paneles, con baja
impedancia a altas frecuencias. Puede necesitarse la eliminación de la pintura para
mejorar la conductividad.
Los cables del motor. Es muy recomendable utilizar un cable apantallado, y es
esencial para longitudes de cable superiores a 10m. Se recomienda cable tripolar
con pantalla neutra, o cable de acero blindado, con la pantalla puesta a tierra en los
dos extremos. No deben existir roturas en la pantalla entre el variador y el motor.
La carcasa del motor. Normalmente la carcasa del motor supone una efectiva
pantalla RFI, conectada con el variador vía la pantalla de los cables del motor.
Las tres pantallas - armario, pantalla de los cables y carcasa del motor- deben unirse
siempre para que formen una única pantalla.2
¿QUÉ SON LOS ARMÓNICOS?
Las cargas no lineales tales como: rectificadores, inversores, variadores de velocidad,
hornos, etc., absorben de la red corrientes periódicas no senoidales.
Estas corrientes están formadas por una componente fundamental de frecuencia 50 ó 60 Hz,
más una serie de corrientes superpuestas, de frecuencias múltiplos de la fundamental, que
denominamos Armónicos
SOBRECARGA DE NEUTRO: TERCER ARMÓNICO (CORRIENTES
HOMOPOLARES).
Los armónicos de tercer orden se suman en el neutro dando lugar a componentes llamadas
homopolares. Estas componentes se suman al propio desequilibrio de los consumos y
pueden originar problemas de sobrecarga en el conductor neutro.
Las cargas que originan armónicos múltiples de 3 orden son:
• Equipos electrónicos (Computadoras)
• Rectificadores monofásicos, cargas que trabajan con el arco eléctrico como lámparas de
descarga, etc.
Una sobrecarga y un calentamiento suplementario del conductor de neutro pueden ser
consecuencia de la presencia de corrientes de armónicos de tercer orden y sus múltiplos en
los conductores de fases que se suman en el neutro.3
INTERFERENCIAS EN EQUIPOS ELECTRÓNICOS. ALTAS FRECUENCIAS
(>10KHZ).
Las perturbaciones de alta frecuencia suelen ser producidas por convertidores electrónicos
utilizados en los variadores de velocidad, tanto C.C como de C.A y en los sistemas de
alimentación interrumpida (SAI).
Dichas perturbaciones de alta frecuencia llamadas EMI son provocadas por flancos
abruptos de tensión y corriente originados por conmutación de transistores o IGBT.
Dentro de las perturbaciones de AF se distinguen dos tipos:
• Perturbaciones de modo diferencial: La ida y retorno de las corrientes perturbadoras
circulan por las fases y/o neutro.
• Perturbaciones de modo común: Las corrientes perturbadoras circulan en un sentido por
las fases y neutro, y el retorno se realiza por el conductor de protección.4
2. OBJETIVOS.
2.1. Objetivo General.
Registrar magnitudes de Armónicos y emisión de ondas electromagnéticas en los
conductores entre el variador de velocidad (VV) y el motor.
2.2. Objetivos Específicos.
Registrar las magnitudes de los armónicos más incidentes entre los conductores de
VV y el motor.
Obtener experimentalmente el comportamiento de la emisión de ondas
electromagnéticas alrededor de los conductores que alimentan al motor.
Observar el comportamiento de la interferencia electromagnética a altas frecuencias.
3. METODOLOGÍA.
Para realizar la toma datos se empleo un motor de inducción jaula de ardilla, de 220
V, 0.6 HP. Conectado a un variador de velocidad, con una capacidad 0.75 HP. (Ver
anexo).
3.1. Armónicos.
Para las lecturas de los armónicos, se procedió a conectar un analizador de
redes, en los conductores para el caso de estudio, en la figura que se ilustra a
continuación se observa la conexión de el analizador de redes.
Figura 1. Montaje del circuito para la medición de armónicos en los conductores en estudio.
Para el manejo de los datos obtenidos por el analizador de redes, se capturaron
imágenes en los armónicos que presentaban la amplitud mayor.
El variador de velocidad se coloco a una frecuencia baja para obtener una baja
velocidad (5 Hz), y luego se coloco a una frecuencia mayor (60 Hz), para
observar una velocidad mayor, en estos dos puntos se procedió a capturar los
armónicos que manifiestan una amplitud mayor comparada con el resto de los
armónicos.
3.2. Interferencia electromagnética.
Para la medición de la interferencia se procedió a buscar las frecuencias a las
que se presentaban los armónicos, y observar que cambio presentaban estas
cuando el motor estaba a baja velocidad y alta velocidad, este procedimiento se
realizó mediante la implementación de un analizador de espectro el cual tiene
una ancho de banda hasta 3.3 GHz. En la siguiente figura se ilustra cual es el
montaje para esta prueba.
Figura 2. Ilustra el montaje para la medición de la interferencia electromagnética d los
conductores entre el VV y el motor.
Para este procedimiento se procedió a conectar el variador de velocidad, y al
motor como se muestra en la figura 1, claro sin el analizador de redes, los
conductores que se estaña analizando son los que están del VV al motor, ya que
en ellos esta la concentración mayor de armónicos. También se tiene en cuenta
para es te montaje la distancia a la que se encuentra el analizador de espectro y
los conductores en estudio.
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS.
Los resultados de las dos experiencias se presentan a continuación.
4.1. Armónicos.
Los resultados para esta prueba se ilustran continuación en la tabla 1.
V o A Armónico mas alto Magnitud (V 0 A) THD (%)
V1 38.2 3er arm 15Hz 9.6 92.6
V2 39.4 3er arm 15Hz 9.7 111.1
V3 38.2 3er arm 15Hz 10.5 111.5
I1 0.402 3er arm 15Hz 0.089 100.3
I2 0.424 2do arm 10Hz 0.166 131.9
I3 0.553 3er arm 15Hz 0.033 191.7
Tabla 1. Ilustra la tensión, corriente, armónicos mas incidentes, su magnitud, y la distorsión
armónica total para una frecuencia fundamental de 5 Hz. (1,2 y 3 = R, S y T).
Otros datos de referencia son:
Vf(V) If(A)
R 36.8 0.268
S 38.2 0.36
T 38.2 0.291
Tabla 2. Muestra los voltajes de fase y las corrientes de fase.
Como se observa al comparar la magnitud de los armónicos mostrados en la
tabla 1 con los valores fundamentales de las corrientes y voltajes, tienden a
ocupar un valor considerable en porcentaje, como es el caso de la magnitud del
2do armónico de la corriente I2, es el 39% de la corriente fundamental. Y para
los porcentajes de THDi son altos comparándolos con lo que exige la norma
IEC61000-3-12, que para variador con una corriente menor de 16A el
THDi=48%.
Para una frecuencia fundamental de 60 Hz, se obtienen los siguientes datos.
Tabla 3. Muestra Voltajes y corrientes de fase, armónicos mas incidentes su magnitud y THD.
V o A Armónico mas alto
Magnitud (V 0
A)
THD
(%)
V1 121.9 3er arm 180Hz 17.9 15.5
V2 133.6 3er arm 180Hz 24.2 19.1
V3 143 3er arm 180Hz 23.8 17.4
I1 1.844 2do arm 120Hz 0.119 9.5
I2 1.878 2do arm 120Hz 0.051 16.1
I3 1.926 2do arm 120Hz 0.047 5.9
Los otros datos relevantes son:
Vf(V) If(A)
R 139.8 1.879
S 129.5 1.878
T 125.8 1.905
Tabla 4. Corrientes y voltajes de fase.
Cuando se tiene una frecuencia de operación de 60 Hz, se observa que el THD
disminuye considerablemente y además cumple con lo que establece la norma.
4.2. Interferencia.
Para la toma de estos dato se debe tener en cuenta que el espacio donde se
realizo no era aislado de otras interferencias, por lo tanto cualquier dato esta
sujeto a errores.
En esta practica el procedimiento establece que a ciertas distancias se hace la
prueba, también se debe tener en cuenta la frecuencia de los armónicos mas
influyentes en la practica, aunque el dispositivo de medición el analizador de
espectro, no toma mediciones a baja frecuencia, por lo tanto se observara que
sucede a alta frecuencia, y se tomaran a algunos datos a una frecuencia de 0Hz,
para observar que sucede alrededor de ella.
Algunos resultados se evidencian en la siguiente tabla en donde se coloco una
frecuencia de 5Hz en el variador de velocidad, y se ubico el analizador de
espectro a una distancia de 1 metro y a 0 metros. Los datos resultantes son los
siguientes.
Tabla 5. Datos de dbmV, para distancias específicas y
frecuencia fundamental de 5 Hz y 60 Hz.
En esta toma de datos se puede observar que no hay variación de en los dbmV,
ni variando la frecuencia, tampoco variando la distancia, tampoco en la toma de
datos se observo que a frecuencias alta no hay variaciones en el espectro.
5Hz 60Hz
Distancia dbmv distancia dbmv
1m 5.2 1m 5.2
0m 5.2 0m 5.2
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
5.1. Conclusiones.
Se comprobó que a frecuencias entre 1.7 GHz y 2.2 GHz, no hay perturbaciones
electromagnéticas ocasionas por el variador de velocidad, y sus conductores.
Se Evidencio que los armónicos mas influyentes en los conductores del Variador de
Velocidad y El motor, son el segundo armónico y el tercero. Y además que la
magnitud de estos dependían directamente de la frecuencia a la que trabaje el
variador, ya que a bajas frecuencias (5 Hz) el comportamiento de los armónicos y
la distorsión armónica es mayor que cuando se colocaba al motor a trabajar a su
frecuencia fundamental (60 Hz).
Se concluye que cuando se trabaja a frecuencias bajas (5 Hz), el motor se recalienta
rápidamente, estos e debe a que a baja frecuencia la reactancia disminuye por ende
la impedancia también, por lo tanto la corriente aumenta y esto ocasiona un
calentamiento rápido en el estator y el rotor.
5.2. Recomendación.
Antes de utilizar un dispositivo de medición se debe tener en cuenta los rangos
máximos y mínimos a los cuales el opera, ya que para el caso del analizador de
espectro no hace lecturas a frecuencias menores de 1kHz, por lo tanto no se
pudo realizar las mediciones correctas a las frecuencias que se manifestaban las
magnitudes de los armónicos que mas influye en la distorsión armónica.
Recomendaciones de instalación.
Cableado:
En los cables de control, utilizar cable trenzado y blindado para los
circuitos de consigna.
Debe haber una separación física entre los circuitos de potencia y los
circuitos de señales de bajo nivel.
La tierra debe ser de buena calidad y con conexiones de baja
impedancia.
Cables con la menor longitud posible.
El variador debe estar lo más cerca posible del motor.
Cuidar que los cables de potencia estén lejos de cables de antenas de
televisión, radio, televisión por cable o de redes informáticas.5
6. BIBLIOGRAFÍA.
[1] Schneider Electric. Smagua 2010.Uso de variadores de velocidad de M.T. / B.T.
España. 2008. Pág. 33.
[2] PowerElectronics. Variadores de Velocidad/arrancadores Estáticos: Aplicaciones Y
Documentos Técnicos. 2006. Pág. 19.
[3] EnergyTech, C.A. Soluciones de Ingeniería y Ahorro de Energía. Armónicos Problemas
y Soluciones. 2009. Pág. 25.
[4] Schneider Electric España S.A. Cuaderno Técnico nº 199. La calidad de la energía
eléctrica .España. 2004. Pág. 39.
[5]Schneider Electric. Capítulo 4. Variadores de velocidad y arrancadores electrónicos.
Pág. 31.
ANEXO
1. Datos de placa del motor con rotor de jaula Siemens.
Parámetro Valor nominal
Tensión 200 YY / 440 V YY
Corriente 2,2 / 1,1 A
Velocidad 1680 rpm
Tipo del motor 3Ф
Frecuencia 60 Hz
Marca Siemens
Potencia 0,6 HP
F. S. 1,15
Cos Ф 0,76 Tabla 6. Datos de placa del motor con rotor de jaula 1LA7 Siemens
2. Parámetros de programación de convertidor de frecuencia MICROMASTER 420.
Parámetro Función Selección en la
practica
P0010 Parámetro de
puesta en marcha
0 Preparado
1 Guía básica
30 Ajustes de fábrica
NOTA: Para paramétrica los datos de la placa de
características del motor hay que poner P0010 = 1.
1 Guía básica.
P0100Europa /
América (Entrada de
la frecuencia de red)
0 Europa [kW], 50 Hz
1 Norte América [hp], 60 Hz
2 Norte América [kW], 60 Hz
NOTA: Si P0100 = 0 ó 1 determina la posición del
interruptor DIP2(2) el valor de P0100.
1 Potencia en hp; f en
ausencia de datos 60
Hz.
P0304 Tensión
nominal del motor
10 V – 2000V.
Tensión nominal motor [V] de la placa
de características
La tensión nominal del
motor 220 V YY
P0305 Corriente
nominal del motor
0 – 2 x corriente nominal del convertidor (A). Intensidad
nominal del motor [A] de la placa de características
La corriente nominal
del motor es de 2,2 A
P0307 Potencia
nominal del motor
0 kW – 2000 kW.
Potencia nominal del motor [kW/hp] de
la placa de características)
La potencia nominal del
motor es de 0,6 HP
P0308 CosPhi
nominal del motor
Factor de potencia nominal del motor (cosPhi) de la
placa de características.
Si el ajuste es igual a 0 se calcula el valor
automáticamente
Ajuste de 0.
Factor de potencia
nominal del motor es
0,76
P030 9 Rendimiento
nominal del motor
Rendimiento nominal del motor en [%] de la placa de
características)
El ajuste a 0 motiva el cálculo interno del valor.
Ajuste de 0.
Rendimiento nominal
del motor es 70,2%
P0310 Frecuencia
nominal del motor
Frecuencia nominal motor [Hz] de la placa de
características.
La frecuencia nominal
del motor es de 60 Hz.
P0311 Velocidad
nominal del motor
Velocidad nominal del motor (rpm) de la placa de
característica.
La rpm nominales del
motor equivale a 16480
rpm
P0700 Selección
fuente de ordenes
(on/ off /reverse)
0 Ajuste de fabrica
1 Panel BOP
2 Bornes/ entradas digitales
1 Panel BOP
P1000 Selección de la
consigna de
0 Sin consigna de frecuencia
1 Control de frecuencia BOP ↑↓
2 Consigna analógica
1 Control de frecuencia
P1080 Frecuencia
mínima (En Hz)
Ajusta la frecuencia mínima del motor a la cual el motor
funcionará independientemente de la consigna de
frecuencia. El ajuste de este valor es válido para ambos
sentidos de rotación horaria y antihoraria.
Se seleccionó una
mínima de 5 Hz.
P1082 Frecuencia
máxima del motor (En
Hz)
Ajusta la frecuencia de motor máxima a la cual el motor
funcionará independientemente de la consigna de
frecuencia. El ajuste de este valor es válido para ambos
sentidos de rotación horaria y antihoraria.
Se seleccionó una
mínima de 60 Hz.
P1120 Tiempo de
aceleración
0 s – 650 s
Tiempo que tarda el motor para acelerar desde el estado
de reposo hasta ala frecuencia máxima del motor.
Se seleccionó un tiempo
de 15 s.
P1121 Tiempo de
deceleración
Tiempo utilizado por el motor para desacelerar desde la
frecuencia máxima (P1082) hasta el punto muerto
cuando no se utiliza el redondeo.
Se seleccionó un tiempo
de 15 s.
P3900 Fin de la
puesta en servicio
rápida
0 Finaliza la puesta en servicio rápida basándose en los
ajustes actuales (sin cálculo del motor).
1 Finaliza la puesta en servicio rápida basándose en los
ajustes de fábrica (con cálculo del motor)
2 Finaliza la puesta en servicio rápida sólo para los
datos del motor
2 finaliza la puesta en
servicio rápida
basándose en los
ajustes actuales
Tabla 7. Parámetros de programación del variador de frecuencias seleccionadas en la práctica.
2.1. Especificaciones técnicas del micromáster 420.
Tabla 8. Especificaciones técnicas del Micromáster 420.
3. Fotos de experiencia estudio de armónicos y emisión de ondas electromagnéticas
de los conductores conectados entre el variador de velocidad y el motor.
Figura 4. Muestra la interferencia electromagnética a 0 Hz (Analizador de espectro).
Figura 5. Muestra los armónicos de corriente a una frecuencia fundamental de 5 Hz.
Figura 6. Muestra los armónicos de tensión a una frecuencia fundamental de 5 Hz.
4. Normativa internacional para variadores de velocidad.
Hace referencia a la IEC 61000-3-2, informe técnico IEC 61000-3-4 y IEC 61000-3-12.
Figura 7. Muestra requerimientos THDI según la norma IEC.
1
5. Norma para EMC
La norma revisada para las unidades de producto de EMC eléctrica EN 61800-3: 2005-07
(a partir de julio de 2007) define nuevas categorías C1 a C4. Dependiendo de las
necesidades del usuario, las nuevas categorías permiten un uso prolongado de los límites
de emisión existentes en un entorno diferente.
Ambiente Categoría
1 (Residencial) C1
1 o 2 (Residencial o
industrial)
C2
2 (Industrial) C3
Cuando se exceden
los limites de la clase
A2
C4
Tabla 9. Categorías permiten un uso prolongado de los límites de emisión existentes en un entorno
diferente.
Tabla 10. Categorías revisadas en 61800-3.
