Maximización del rendimiento de los variadores de frecuencia y los sistemas de alimentación ininterrumpida

Si instala un variador de frecuencia (VFD) o un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI), o si ya tiene instalado este equipo, debería supervisar 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, ya que consume corriente desde una potencia de entrada de pulsos cortos. Los sistemas de VFD y SAI son susceptibles a los problemas de calidad de la energía provenientes de la potencia de línea que los suministra, y también producen corrientes armónicas que se reflejan en el sistema de distribución.

Lo mejor es supervisar la calidad de energía antes de la instalación para verificar que la energía suministrada al equipo cumplirá con las especificaciones del fabricante. Reúna información específica para proporcionársela a los fabricantes del equipo, de modo que puedan analizar los armónicos y diseñar filtros para limitar la cantidad de corrientes armónicas reflejadas en el sistema de distribución. Por último, supervise la calidad de la energía durante el funcionamiento del sistema para asegurarse de que el VFD o el SAI no excede las limitaciones de distorsión armónica en el sistema de distribución. Asimismo, utilice la información de la supervisión para asegurarse de que la capacidad de potencia es adecuada, antes de la instalación.

Figura 1. Seleccione "Voltios/Amperios/Hercios" en el menú principal del Fluke 435 para ver los Vrms y HZ. Aunque se debe prestar atención a todos los parámetros para verificar si hay inconsistencias, preste especial atención a asegurar que se cumplan las especificaciones del fabricante.

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

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

  • Tensión de entrada de +10 % a -10 %.
  • Frecuencia de 60 Hz (±5 Hz).
  • Autonomía 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 un fallo de sobretensión. Las caídas, o bajones, pueden causar un fallo de tensión insuficiente en el equipo, lo que provocará que se desactive el VFD o el SAI.

Para asegurarse de que el sistema cumple con las especificaciones del fabricante, utilice un analizador de calidad de energía o un registrador para supervisar y registrar la información. El registro de información durante un periodo mostrará lo que se puede esperar en todo un ciclo de la planta. Después, puede descargar la información en un PC para analizarla. Sin embargo, si utiliza un analizador/registrador combinado, como el analizador de la calidad de la energía eléctrica Fluke 435, también puede realizar comprobaciones inmediatas de la corriente entrante mientras se realiza el registro:

Figura 2. Las caídas y subidas se pueden analizar en detalle seleccionando la tabla de eventos después de registrar las fluctuaciones de tensión con el uso de la función "Subidas y caídas". Compruebe el tipo de evento (subida o caída), el nivel de tensión alcanzado, la duración de tiempo en dicho nivel y si el cambio se generó hacia arriba o hacia abajo.
  • Seleccione "Voltios/Amperios/Hercios" en el menú principal y observe que los parámetros Vrms y Hz se encuentren dentro de la especificación de ±10 % de la tensión y dentro de ±5 Hz de la frecuencia. (Véase la figura 1).
  • Seleccione "Potencia y energía" en el menú principal y observe 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 los armónicos. El DPF normalmente se aplica a las especificaciones del fabricante. (Véase la figura 3).
  • Aunque quizás no sea necesario, es una buena idea examinar la corriente entrante para saber si hay alguna distorsión armónica 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 SAI en su propia fuente de alimentación y así 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 "Subidas 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 SAI estático tenga requisitos adicionales en la corriente entrante. Aunque el rango de tensión aceptable puede variar en función del fabricante y acepta una tensión de solo el 30 % del valor nominal, otras unidades pueden dejar de cargar baterías a un 15 % por 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 SAI esté en funcionamiento, se presenta otro conjunto de problemas en la calidad de la energía que los ingenieros y técnicos deben entender, saber cómo supervisar y corregir: los efectos de los armónicos creados por el VFD o el SAI y la distorsión armónica total (THD) en el sistema de distribución de energía. Los ingenieros y técnicos deben entender cómo se distorsiona la tensión, determinar el punto en el que medir la THD y comprender que los límites se ajustan según la distorsión de la onda senoidal 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 garantizar que se cumplen las especificaciones de la potencia suministrada al VFD. Use el DPF, a menos que el fabricante especifique que el factor de potencia debe tener en cuenta frecuencias armónicas, y después utilice la lectura de PF. Tenga en cuenta 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 SAI 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 SAI conmutan la CC para proporcionar energía "limpia" en la frecuencia fundamental a 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 SAI se logra mediante un circuito rectificador. Un condensador se ubica en la salida del circuito rectificador. La energía se consume en la conmutación de CC de este condensador.

El condensador consume corriente de la línea (a través del circuito rectificador), para cargarse a sí mismo durante los máximos de los medios ciclos positivos y negativos. Este consumo de pulsos cortos de corriente genera una caída de tensión. Esto produce un "recorte de cresta" de la onda sinoidal entrante. Asimismo, las corrientes armónicas las crea 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 sinoidales en el sistema de distribución.

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

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

Por ejemplo, para medir los efectos de los armónicos generados por el VFD o el SAI, ajuste el Fluke 435 en el PCC y después seleccione "Armónicos" en el menú principal. Una gráfica de armónicos muestra la magnitud de cada corriente armónica en relación con la frecuencia fundamental de 60 Hz. Según el tipo de variador o circuito rectificador del VFD o el SAI, 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 con las magnitudes anómalas en cualquier frecuencia armónica, como se aprecia en la gráfica de armónicos. Esto podría ser un indicio de armónicos del VFD o SAI 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 observar la gráfica armónica para apreciar las frecuencias armónicas proyectadas y asegurarse de que no hay anomalías, seleccione la función "Medidor" para visualizar la distorsión armónica total de la tensión. Esta no debe superar el 5 %. (Véase la figura 4). Si esto llegara a ocurrir, determine la mejor solución para que la THD regrese a los límites aceptables. Esto podría implicar filtros de armónicos, transformadores de aislamiento o cargas móviles en otros alimentadores o circuitos derivados.

Figura 4. Tras 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 no superior a 5 % en el punto de acoplamiento común (PCC).

Tenga en mente que la supervisión, 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 una supervisión periódica y amplíe su visión para apreciar todo el sistema de energía. Evalúe su demanda total máxima. Esto cambiará significativamente a largo plazo y, a medida que se introduzcan nuevos dispositivos y cargas, es posible que estos afecten a lo que alguna vez fue una fuente limpia para su VFD o SAI.

El resultado en el momento de instalar, hacer funcionar y mantener sistemas de variadores de frecuencia y de fuentes de alimentación ininterrumpida es proporcionar energía adecuada, limpia y fiable a este equipo mientras está en funcionamiento y minimizar las distorsiones armónicas reflejadas en el sistema de distribución. Use los analizadores de calidad de la energía para supervisar y registrar los parámetros clave 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 utilizar los datos obtenidos de la calidad de la energía para cumplir la meta final: maximizar el rendimiento del VFD y el SAI.