Cómo medir la tensión de salida desde un VFD a un motor

Aprenda la secuencia de mediciones paso a paso para evaluar los factores de salida de un variador de frecuencia cuando se solucionen los problemas en las señales eléctricas

Si soluciona problemas de las señales eléctricas en un motor o sistema de variación, piense en ello en términos de tensión de entrada contra la de salida. Un variador de frecuencia (VFD) transforma la alimentación eléctrica de entrada de la tensión y frecuencia constantes en un rango de tensión y frecuencia que puede variar para controlar la torsión del motor. La solución de problemas en la entrada inicia con la comprobación del suministro de energía y la calidad.

La solución de problemas en la salida inicia con la medición de dichas tensión y frecuencia transformadas. En este artículo se revisa toda la secuencia de medición para la evaluación de los factores VFD de salida:

  • Bus de CC
  • Voltaje/corriente/frecuencia de salida
  • Desequilibrio
  • Relación voltios/hercios
  • Reflejos de salida

La figura 1 ilustra los componentes en un convertidor de CA a CC con entrada de VFD y señal de salida de modulación por anchura de pulso, con el enlace CC en un punto intermedio. En un VFD, el inversor de modulación por anchura de pulso (PWM) regula la tensión y la frecuencia en el motor. La tensión y la frecuencia en el motor varían mediante la modulación de la anchura de los pulsos de salida, lo cual se logra mediante el control del interruptor del semiconductor.

Figura 1. La visualización de un motor o sistema de variación como tres segmentos (entrada, salida y carga) ayuda a clarificar qué mediciones y pasos se deben realizar en cada segmento para la solución de problemas específicos.
Figura 1. La visualización de un motor o sistema de variación como tres segmentos (entrada, salida y carga) ayuda a clarificar qué mediciones y pasos se deben realizar en cada segmento para la solución de problemas específicos.

Los diodos de la entrada proporcionan un búfer constante de CC en la sección del inversor de conmutación, equivalente a 1414 veces el pico de la tensión de entrada. El capacitor actúa como un filtro para reducir la ondulación en la sección de CC.

Los dispositivos de control en la sección del inversor usualmente son transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y actualmente contienen la energía suficiente para soportar cargas de hasta 500 hp.

Paso 1: medir la tensión de CC del bus

Figura 2. Conexión de un osciloscopio para medir la tensión del búfer en CC negativa y positiva.
Figura 2. Conexión de un osciloscopio para medir la tensión del búfer en CC negativa y positiva.

Un osciloscopio se puede usar para medir el valor absoluto de la tensión de CC rectificada. Si esta se acopla en CC, también se puede usar para ampliar la señal y ver la magnitud de la ondulación (ver la Figura 2).

  • Mida la tensión del bus en CC en todas las terminales positivas y negativas por medio de un osciloscopio o un multímetro digital (DMM).
  • Utilice un acoplamiento de entrada para medir las tensiones absolutas o de ondulación.
  • Asegúrese de que el osciloscopio y la sonda estén bien valoradas para medir el nivel de tensión.
Figura 3. Estas dos pantallas muestran un ejemplo de trazos de formas de onda acopladas en CC frente a las acopladas en CA a partir de un osciloscopio que se usa para examinar todas las tensiones de ondulación y en CC.
Figura 3. Estas dos pantallas muestran un ejemplo de trazos de formas de onda acopladas en CC frente a las acopladas en CA a partir de un osciloscopio que se usa para examinar todas las tensiones de ondulación y en CC.
Figura 3.Estas dos pantallas muestran un ejemplo de trazos de formas de onda acopladas en CC frente a las acopladas en CA a partir de un osciloscopio que se usa para examinar todas las tensiones de ondulación y en CC.
Figura 4. Use un osciloscopio con entradas aisladas eléctricamente y clasificación de seguridad apropiada para llevar a cabo mediciones diferenciales en la salida trifásica.
Figura 4. Use un osciloscopio con entradas aisladas eléctricamente y clasificación de seguridad apropiada para llevar a cabo mediciones diferenciales en la salida trifásica.
Figura 5. Mida la corriente a través de cada fase mediante pinzas amperimétricas apropiadamente clasificadas.
Figura 5. Mida la corriente a través de cada fase mediante pinzas amperimétricas apropiadamente clasificadas.

Interpretación de las mediciones del bus de CC

La tensión del bus de CC está relacionada con la tensión de pico de la entrada principal.

  • La tensión de CC del bus es ~1414 x la tensión de línea rms. Por ejemplo, para un variador de 480 VCA, el bus de CC debe ser ~ 678 VCC.
  • Un valor de tensión de CC demasiado bajo puede ocasionar que el variador del motor se dispare. Ante dicha causa, la tensión de entrada principal probablemente sea demasiado baja o es posible que la onda sinusoidal de entrada presente distorsión por recorte de cresta de los máximos de amplitud.
  • Si los máximos de ondulación tienen un nivel repetitivo diferente, puede ser indicador de que uno de los diodos del rectificador está dañado (esto depende de la carga). Las tensiones de ondulación que superan los 40 V pueden deberse a un funcionamiento incorrecto de los capacitores o a una especificación del variador que es demasiado pequeña para la carga y el motor conectados (ver la figura 3).

Paso 2: medición de la tensión y el desequilibrio

  • Utilice un osciloscopio con una función V PWM conectado entre las tres terminales del motor (ver figura 4).
  • Compare las lecturas del osciloscopio con los valores en la pantalla del variador.
  • La caída de tensión entre las terminales del variador y el motor no debe exceder el 3 %.
  • El desequilibrio mayor a 2 % ocasiona problemas.
  • Utilice un osciloscopio multicanal para comprobar el desequilibrio de tensión del motor en las tres fases de salida.
  • Mida la tensión en cada terminal y registre cada tensión medida para usarla en el siguiente paso.
  • Mida el desequilibrio de tensión a carga plena.

Paso 3: medición del desequilibrio de corriente

Utilice un osciloscopio con una pinza amperimétrica en las tres terminales de salida del variador de forma independiente para medir el consumo de corriente en cada terminal (ver figura 5).

Ya que la medición de corriente se realizará en un entorno con elevado ruido eléctrico y altos niveles de energía, asegúrese de usar la pinza amperimétrica adecuada. Si la configuración de prueba no evalúa de manera automática el desequilibrio, consulte el recuadro que dice "Cálculo manual del desequilibrio".

El nivel de desequilibrio no debe exceder el 10 %.

  • Por cada 1 % de desequilibrio de tensión, el desequilibrio de corriente del motor será de entre un 3 y un 4 %.
  • Si el desequilibrio de tensión es bajo, el desequilibrio de corriente excesivo podría indicar un cortocircuito en los devanados del motor o un cortocircuito en las fases a tierra.
  • En general, el desequilibrio de corriente de los motores trifásicos no debe superar el 10 %.
  • El desequilibrio de tensión tendrá como resultado un desequilibrio de corriente.
  • Si el desequilibrio de tensión está dentro de los límites aceptables, cualquier desequilibrio de corriente excesivo detectado podría indicar un cortocircuito en los devanados del motor o en las fases a tierra.

Paso 4: relación voltios/hercios

La relación tensión-frecuencia (medida en hercios) determina la cantidad de torsión generada por un motor de inducción de CA. Al mantener constante esta relación, el campo magnético dentro del motor se mantiene a un nivel constante. Esto da como resultado una torsión constante.

Por encima de la frecuencia nominal de 60 Hz, la tensión dejará de aumentar y la torsión descenderá (ver figura 6).

Figura 6. La tensión y la frecuencia en aplicaciones de torsión constante con caballos de potencia variables se pueden medir de manera sencilla para verificar la programación del variador y el funcionamiento del motor adecuados.
Figura 6. La tensión y la frecuencia en aplicaciones de torsión constante con caballos de potencia variables se pueden medir de manera sencilla para verificar la programación del variador y el funcionamiento del motor adecuados.
Figura 7. Configuración para la conexión de la entrada del osciloscopio a fin de medir la tensión de salida y conexión de una pinza amperimétrica para medir la frecuencia de salida
Figura 7. Configuración para la conexión de la entrada del osciloscopio a fin de medir la tensión de salida y conexión de una pinza amperimétrica para medir la frecuencia de salida.
Figura 8. Note los picos de tensión en el borde de fuga de esta señal de modulación por anchura de pulso (PWM), captada por un osciloscopio.
Figura 8. Note los picos de tensión en el borde de fuga de esta señal de modulación por anchura de pulso (PWM), captada por un osciloscopio.

Para medir la relación voltios/hercios, utilice un multímetro digital con una opción de V PWM, donde V PWM refleja la amplitud de la frecuencia fundamental, o un osciloscopio. El osciloscopio debe mostrar de manera simultánea la frecuencia de la salida de PWM y una tensión similar a las especificaciones de la placa del fabricante (ver figura 7).

Utilice una pinza amperimétrica para medir la frecuencia. Esta debe ser ~7.6 para los motores de 460 V, ~3.8 para los motores de 230 V.

Paso 5: reflejos de salida

Los reflejos se producen como resultado de una discrepancia en la impedancia o un cambio en la ruta de transmisión de corriente (ver figura 8). En un circuito de variador de velocidad, el pico de reflexión podría ser tan alto como el nivel de tensión del bus de CC.

A modo de analogía, considere lo que le pasa a un rociador de jardín cuando el flujo de agua cambia momentáneamente debido a que una persona pisa la manguera de goma. La presión en la cabeza del rociador cambia la carga máxima mientras se libera la presión acumulada. El uso de un cable demasiado largo (>100 pies) también puede dar como resultado reflejos en toda la longitud, cuantificables como transitorios.

El reflejo por sí mismo se manifiesta como picos en la pantalla de un osciloscopio en una amplio rango de formas de onda, amplitudes y duraciones. Como regla general, los reflejos o transitorios >50 % de la tensión nominal son una fuente de problemas.

Una posible solución incluye reducir los conductores entre el motor y el inversor. Otra solución es aumentar la categoría de cableado, lo que reduce la impedancia o la conmutación en motores con especificaciones para inversor con un valor de aislamiento más alto de 1600 V o superior, de modo que sea capaz de soportar los transitorios.

La mayoría de los reflejos son generados por una conmutación rápida de tensión de CC por los IGBT (dV/dt). El IGBT es un elemento del variador que funciona como un interruptor muy rápido de encendido/apagado. El IGBT genera una tensión de CC como una señal de PWM en una carga inductiva. Esto provoca tensiones inductivas muy elevadas durante un breve período de tiempo (conmutación), que también se conoce como dV/dt.

El IGBT posee un diodo con rueda libre integrada para compensar esto. Sin embargo, los transitorios están visibles cuando se activa la configuración de "detección de fallas" del osciloscopio.

Figura 9. Esto muestra una captura de pantalla en el osciloscopio de una señal PWM del variador con reflejos excesivos (trazo de entrada B).
Figura 9. Esto muestra una captura de pantalla en el osciloscopio de una señal PWM del variador con reflejos excesivos (trazo de entrada B)."

Medición e interpretación de los reflejos de salida

La mayoría de los multímetros digitales no cuentan con la tasa de muestreo y ancho de banda de la frecuencia para detectar transitorios de salida cortos y rápidos. Por este motivo, use un osciloscopio conectado a las terminales del motor, como se ilustra en la figura 3. El trazo de entrada B en la figura 9 muestra cómo aparecen los reflejos excesivos en vista de forma de onda. Saber cómo luce una distorsión en particular ayuda a reducir el tiempo necesario para identificar una causa fundamental.

Conclusión

Para determinar la causa fundamental de las fallas en un sistema variador del motor, se deben llevar a cabo pruebas sistemáticas de rendimiento y mediciones en puntos clave dentro del sistema. Específicamente en lo que concierne al suministro de energía, diferencie entre la entrada y salida de energía y aplique ambas técnicas de medición distintas y el criterio de evaluación en cada uno. Con algo de conocimiento, dichas mediciones pueden guiar la solución de problemas hacia la causa fundamental real, lo que pondrá en funcionamiento al sistema lo más rápido posible.