Maximización del rendimiento de los VFD y los sistemas UPS

Si instala un variador de frecuencia (VFD) o un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS), o si ya tiene instalado este equipo, debería monitorear determinados parámetros de calidad de energía para maximizar el rendimiento de su equipo. Para determinar qué parámetros de calidad de energía debe medir y cuándo hacerlo, empiece por comprender los problemas de la calidad de energía asociados con este equipo, dado que consume corriente desde una potencia de entrada de pulsos cortos. Los sistemas de los VFD y UPS son susceptibles a los problemas de calidad de energía provenientes de la potencia de línea que la suministra y también producen corrientes armónicas que se reflejan en el sistema de distribución.

La mejor práctica es monitorear la calidad de energía antes de la instalación; verificar la energía suministrada en el equipo cumplirá con las especificaciones del fabricante. Reúna información específica para proporcionarla a los fabricantes del equipo, de manera que analicen los armónicos y diseñen los filtros para limitar la cantidad de corrientes armónicas reflejadas en el sistema de distribución. Por último, monitoree la calidad de energía durante el funcionamiento del sistema para asegurarse de que el VFD o el UPS no exceda las limitaciones de distorsión armónica en el sistema de distribución. Asimismo, use la información del monitoreo antes de la instalación para asegurarse de que la capacidad de potencia sea adecuada.

Figura 1. Seleccione “voltios/amperios/hercios” en el menú principal del Fluke 435 para ver los Vrms y HZ. Aunque se les debe prestar atención a todos los parámetros para verificar si hay inconsistencias, preste mayor atención en asegurar de que se cumplan las especificaciones del fabricante.

Antes de instalar un VFD o un UPS, mida los parámetros de la calidad de energía en el alimentador o circuito derivado que les suministrarán energía. Compare su información con las especificaciones del fabricante para asegurarse de que estén dentro del mismo rango. (Recuerde guardar cualquier información registrada a modo de establecer los datos de referencia para su uso posterior).

Como ejemplo, aquí se presentan los requisitos de potencia de entrada de un fabricante habitual:

  • Tensión de entrada +10 % a -10 %
  • Frecuencia de 60 Hz (± 5 Hz)
  • Amplitud máxima de caída de tensión de 0 % en un ciclo y caída de tensión de hasta 60 % en 10 ciclos.
  • Factor de potencia de retardo mínimo de 0.92 a carga completa con una tensión de entrada nominal

Las subidas, o una tensión de entrada muy alta, pueden ser la causa de una falla de sobretensión. Las caídas o bajones pueden causar una falla de tensión insuficiente en el equipo, lo que provocará que se desactive el VFD o el UPS.

Para asegurar que el sistema cumpla con las especificaciones del fabricante, use un analizador de calidad de energía o un registrador para monitorear y registrar la información. El registro de información durante un período de tiempo mostrará lo que se puede esperar en todo un ciclo de la planta. Después, la información se puede descargar en una PC para que se analice. Sin embargo, si usa un analizador/registrador combinado, como el analizador de calidad eléctrica Fluke 435, también puede realizar comprobaciones inmediatas de la alimentación entrante mientras se realiza el registro:

Figura 2. Las caídas y sobretensiones se pueden analizar a detalle mediante la selección de la Tabla de eventos después de registrar las fluctuaciones de tensión con el uso de la función "Sobretensiones y caídas". Compruebe el tipo de evento (sobretensión o caída), el nivel de tensión alcanzado, la duración de tiempo en dicho nivel y si el cambio se generó hacia arriba o abajo.
  • Seleccione "voltios/amperios/hercios" en el menú principal y observe que los parámetros Vrms y Hz se encuentren dentro de la especificación ±10 % para la tensión y dentro de ±5 Hz para la frecuencia. (Véase la figura 1)
  • Seleccione "Potencia y energía" en el menú principal y vea que el factor de potencia de desplazamiento (DPF) cumpla con las especificaciones. El DPF es el factor de potencia para la frecuencia fundamental mientras que el PF incluye a los armónicos. El DPF normalmente se aplica en las especificaciones del fabricante. (Véase la figura 3)
  • Aunque quizás no sea necesario, es una buena idea examinar la alimentación entrante para saber si hay cualquier distorsión armónica creada en el sistema proveniente de otras fuentes. En varios casos, es posible que se tenga que realizar una determinación para aislar el VFD o el UPS en su propia fuente de alimentación a modo de reducir las perturbaciones entrantes. Es prudente contar con información de armónicos para tomar tales decisiones antes de la instalación y, como siempre, guarde dicha información para comparaciones posteriores.
  • Una vez que se complete el registro, seleccione "Sobretensiones y caídas" en el menú principal para verificar que las caídas (bajones) no excedan las especificaciones del fabricante. Use la tabla de "Eventos" para determinar la magnitud y duración de cualquier caída. (Véase la figura 2)
  • Tenga en cuenta las situaciones exclusivas de su equipo. Por ejemplo, es posible que un sistema UPS estático tenga requisitos adicionales en la alimentación entrante. Aunque el rango de tensión aceptable puede variar en función del fabricante y aceptar una tensión tan baja como el 30 % del valor nominal, otras unidades pueden dejar de cargar baterías a un 15 % debajo de la tensión nominal. Asegúrese de conocer las limitaciones de su equipo y consulte las especificaciones del fabricante.

    Una vez que el VFD o el sistema UPS está en funcionamiento, se presenta otro conjunto de problemas en la calidad de la energía que los ingenieros y técnicos deben entender; sepa cómo monitorear y corregir dichos problemas (los efectos de los armónicos creados por el VFD o el sistema UPS y la distorsión armónica total [THD] en el sistema de distribución de energía). Los ingenieros y técnicos deben entender cómo es que se distorsiona la tensión, determinar el punto en donde medir la THD y comprender que los límites se ajustan basándose en la distorsión de la onda sinusoidal de la tensión de distribución.

    Figura 3. Mediante la selección de "Potencia y energía" en el menú principal, se puede observar el factor de potencia de desplazamiento (DPF) para asegurar que se cumplan las especificaciones de la potencia suministrada al VFD. Use el DPF a menos que el fabricante especifique que el factor de potencia debe tomar en cuenta las frecuencias armónicas y después use la lectura del PF. Note que el símbolo de bobina de inducción en la línea de kVAR indica que el factor de potencia de la corriente presenta retardo.

    Los VFD y los sistema UPS estáticos funcionan transformando la potencia de CA entrante en CC. Después, precisamente mediante la activación y desactivación de esta CC, se puede producir una forma de onda de tensión variable y de frecuencia variable. Los sistemas UPS conmutan la CC para proporcionar energía "limpia" en la frecuencia fundamental para sus cargas esenciales. Los VFD variarán la frecuencia y tensión para ajustar la velocidad de un motor de CA. La conversión de la CA a CC en la mayoría de los VFD y sistemas UPS se logra mediante un circuito rectificador. Un capacitor se ubica en la salida del circuito rectificador. La energía se consume en la conmutación de CC de este capacitor.

    El capacitor consume corriente de la línea (a través del circuito rectificador), a modo de cargarse durante los picos de los medio ciclos positivos y negativos. Este consumo de pulsos cortos de corriente generan una caída de tensión. Esto produce un "recorte de cresta" de la onda sinusoidal entrante. Asimismo, las corrientes armónicas son creadas por el circuito rectificador. Estas corrientes armónicas fluyen de vuelta hacia el sistema de distribución y causan una distorsión de tensión y corriente de las ondas sinusoidales en el sistema de distribución.

    ¿Qué es lo que realmente significa todo esto para los ingenieros y técnicos? La distorsión armónica se debe monitorear durante el arranque del VFD y el UPS. Esta se debe corregir si se exceden los límites. Como se mencionó anteriormente, si le proporciona la información al fabricante del equipo, este podrá realizar estudios de armónicos y diseñar filtros para limitar la distorsión armónica creada por el VFD o el UPS durante el funcionamiento.

    Una vez que se instalan los filtros de armónicos y los sistemas se encuentran en funcionamiento, monitoree y registre la distorsión armónica creada por el VFD o el UPS. Debido a que las recomendaciones del estándar IEEE se basan en el punto de acoplamiento común (PCC), ajuste y monitoree este punto del sistema. Normalmente, este PCC es el punto en donde el alimentador de carga del VFD o el UPS deja un bus energizado por una fuente de alimentación.

    Por ejemplo, para medir los efectos de los armónicos generados por el VFD o el UPS, ajuste el Fluke 435 en el PCC y después seleccione "Armónicos" en el menú principal. Una gráfica de armónicos mostrará la magnitud de cada corriente armónica en relación con la frecuencia fundamental de 60 Hz. Basándose en el tipo de variador o circuito rectificador en el VFD o el UPS, los técnicos deberían esperar obtener magnitudes mayores a frecuencias armónicas determinadas. Por ejemplo:

    • Se puede esperar que un variador de 6 pulsos genere armónicos mayores a la frecuencias armónicas 5.ª, 7.ª, 11.ª, 13.ª, etcétera.
    • Se puede esperar que un variador de 18 pulsos genere armónicos mayores a la frecuencias armónicas 17.ª, 19.ª, 35.ª, 37.ª, etcétera.
    • Se puede esperar que una fuente de alimentación de modo interruptor genere armónicos mayores a las frecuencias armónicas 3.ª, 5.ª, 7.ª, 9.ª, etcétera.

    En todos los casos, debe notar una disminución en la magnitud de los armónicos a medida que el rango armónico aumenta. Sin embargo, tenga cuidado de cualquier magnitud anormal en cualquier frecuencia armónica, como se aprecia en la gráfica de armónicos. Esto podría ser un indicio de armónicos del VFD o UPS que crean una situación de resonancia con capacitores de corrección del factor de potencia en el sistema. Se deben tomar acciones correctivas para prevenir esta peligrosa situación.

    Después de ver la gráfica armónica para apreciar las frecuencias armónicas proyectadas y asegurarse de que no haya anomalías, seleccione la función "Medidor" para visualizar la distorsión armónica total de la tensión. Esta no debe superar el 5 %. (Consulte la figura 4). Si esto llega a ocurrir, determine la mejor solución para que la THD regrese a los límites aceptables. Esto podría involucrar filtros de armónicos, transformadores de aislamiento o cargas móviles en otros alimentadores o circuitos derivados.

    Figura 4. Después de observar la gráfica de barras de armónicos, seleccione la Tabla de armónicos en el Fluke 435 para verificar que la Distorsión armónica total (THD) se encuentre dentro de la recomendación IEEE 519-1992 de no mayor a 5 % en el punto de acoplamiento común (PCC).

    Tenga en mente que el monitoreo, especialmente en el PCC, es un concepto general y a largo plazo. Una vez que haya establecido las condiciones de instalación, no se detenga. Regrese para realizar un monitoreo periódico y amplíe su visión para apreciar todo el sistema de energía. Evalúe su demanda total máxima. Esto cambiará significativamente en el largo plazo y, a medida que se introduzcan nuevos dispositivos y cargas, es posible que estos impacten lo que alguna vez fue una fuente limpia para su VFD o UPS.

    El resultado al momento de instalar, operar y mantener los sistemas de variadores de frecuencia y de fuentes de alimentación ininterrumpida es proporcionar energía adecuada, limpia y confiable a este equipo mientras está en funcionamiento y minimizar las distorsiones armónicas reflejadas en el sistemas de distribución. Use los analizadores de la calidad de la energía para monitorear y registrar los parámetros claves de calidad de la energía antes de la instalación, durante la puesta en marcha y durante el funcionamiento normal. Los técnicos e ingenieros, que trabajan en conjunto con los fabricantes, pueden usar los datos obtenidos de la calidad de la energía para cumplir la meta final: maximizar el rendimiento del VFD y el UPS.