VARIADOR - Técnica 87Hz

En ocasiones, es necesario que un motor trabaje por encima de su frecuencia nominal (normalmente 50Hz).
Se suele pensar que con poner un variador y aumentar la frecuencia de salida es suficiente, pero hacerlo tiene sus limitaciones... Pues, hasta los 50Hz, la relación tensión/frecuencia (V/f) es constante. Pero, por encima de los 50hz, solo puede aumentar la frecuencia (no la tensión).

Como consecuencia, por encima de la frecuencia nominal, disminuye el flujo magnético en el motor.
Este debilitamiento de campo implica una reducción del par entregado por el motor.
Véase el gráfico adjunto...

El caso es que, desde años atrás, los bobinados del motor se protegen con mayor aislamiento. La idea es que permitan picos de tensión (provocados por los IGBTs de salida del variador), y esto ha dado pie a que se presenten nuevas formas de conexión de los motores para aumentar su potencia.

Aquí es donde aparece esta solución alternativa, la técnica de 87Hz...
Permite aumentar la velocidad de un motor estándar hasta 87Hz (104Hz en motor de 60Hz), sin debilitamiento de campo (par constante hasta 87Hz) y consiguiendo una potencia 1.7 veces superior...

En este artículo se detallará como implementar esta técnica tan comunmente utilizada, resolviendo todas las dudas que pueda generar. 

¿EN QUÉ CONSISTE?

Para poder aplicar esta técnica, se requiere que los equipos utilizados cumplan con los siguientes requisitos:

- Motor: 

    Que admita conexión triángulo y estrella (230VΔ / 400VΥ). 

    Vamos a conectarlo en triángulo (230V). 
    Véase adjunta la imagen de la caja de bornes del motor. 

    

- Variador: 

    Escoger un modelo de 400V.
    Que sea de una talla de potencia superior, mínimo 1.7 veces, a la del motor (kW). 

Entonces, al conectar el motor en triángulo y alimentarlo a 400V, el variador puede generar la siguiente curva tensión/frecuencia: 

Aquí se puede ver como, aplicando la técnica de 87Hz, la relación V/f es constante hasta 87Hz.

¿EJEMPLO?

Imaginemos que partimos de un motor con la siguiente placa de características: 

En este caso ya se contemplan las especificaciones con la técnica de 87Hz, pero no siempre es así.

Las características básicas del motor a 50Hz son:
Δ (230V)    0.18kW / 1.00A
Y (400V)    0.18kW / 0.58A

Ahora bien, realizando una conexión a 87Hz:
Δ (400V)    0.33kW / 1.00A
Véase que, con respecto a una conexión estrella a 400V, la frecuencia, intensidad y potencia nominales se multiplican por un factor de 1.7 aprox. Esta relación de √3 es la que guardan las dos tensiones (230/400V). 

Entonces, para poder aplicar la técnica de 87Hz se requiere de un variador de 400V con una potencia nominal de 0.33kW y una corriente de salida de 1A (o superiores) .

¿CONFIGURACIÓN VARIADOR?

Al utiliza la técnica de 87Hz, es necesario que el variador elegido esté bien parametrizado para asegurar un funcionamiento acorde con los requerimientos expuestos.
A continuación, se detallan los aspectos a considerar para la puesta en marcha:

1) Parametrizar los datos de motor a 230V (triángulo). Es decir, los parámetros referentes a la placa de características del motor. 

2) Realizar autotuning para la medición automática de las constantes internas del motor. 

3) Modificar los parámetros de tensión nominal (400V) y frecuencia base (87Hz).

¿PRECAUCIONES?

Cuando se implementa la técnica de 87Hz el motor opera por encima de sus características nominales... 
Entonces, para el dimensionamiento de los equipos, se deben tener presentes las siguientes consideraciones:

- Al superar la frecuencia nominal del motor, aumentan las pérdidas en el hierro de forma proporcional, por lo que es recomendable reducir el nivel de sobrecarga del motor.

- Es importante asegurarse de que el motor tenga un buen aislamiento térmico. De no ser así, los incrementos de tensión podrían dañarlo.

- Por lo que respecta al variador, se debe escoger un modelo que pueda dar una frecuencia de salida de 87Hz. 

- Solo se recomienda aplicar esta técnica con motores de potencias hasta 45kW. 

- Siempre se debe hacer caso a las recomendaciones del fabricante. Y, en caso de duda, consultar con un especialista.  

VARIADOR - Autotuning

Todos estamos familiarizados con el concepto de autotuning en un variador, pero suelen aparecer dudas respecto...

  ¿Es realmente necesario?

  ¿En que condiciones se debe llevar a cabo?

  ¿Qué tipos de autotuning hay?

  etc.

Siendo así, el presente artículo intentará esclarecer cuando, como y porque llevarlo a cabo.   

¿QUÉ ES Y PARA QUÉ SIRVE?

El autotuning es el proceso mediante el cual el variador obtiene, de forma automática, la medición de las constantes internas del motor. 

Suele medir ciertas características como la resistencia del embobinado, la inductancia, la inercia, etc.

Sobre todo, es muy recomendable y efectivo cuando el variador trabaja en modo de control vectorial lazo abierto.

El control vectorial se caracteriza por considerar la corriente como un vector y no una magnitud (como en modo V/f o escalar). De este modo se consigue un mejor control del motor, es decir, mejor respuesta de par y regulación de velocidad más robusta. 

Tras el autotuning, el motor ajusta el bucle de control, asegurando así que la dinámica del motor será estable y la monitorización de datos del equipo fiable.

Resumiendo, la realización del autotuning permite obtener el rendimiento adecuado del motor.

Suele mejorar substancialmente el comportamiento, pero se debe recalcar que no es estrictamente necesario para poner en marcha el motor.   

¿TIPOS DE AUTOTUNING?

Podemos desglosar los distintos tipos de autotuning en tres grandes bloques:

- Autotuning estático:
El variador inyecta corriente a rotor parado durante cierto tiempo. Es decir, hace los cálculos de las constantes sin necesidad de mover el motor (algunas las estima).

Se suele utilizar cuando la aplicación tiene restricciones mecánicas críticas (limites físicos).

Al ser un procedimiento estático no calcula algunos datos como la relación de inercia. 

- Autotuning dinámico:

Suele precederse por una inyección de corriente a rotor parado, y después hace girar el motor con carga para el cálculo de las constantes.

Es el más comunmente utilizado y, normalmente, se dispone de dos modos:

    > Automático: El motor gira libre, realizando una secuencia de movimientos
                             preestablecidos por defecto. Suele proporcionar un buen resultado.
    > Personalizado: Se puede configurar la dinámica del motor para el autotuning.
                                  Permite optimizar y "personalizar" aún más el cálculo de constantes.

- Autotuning manual:

El usuario puede ajustar y adaptar los parámetros del bucle de control manualmente.

Solo suele utilizarse si la aplicación tiene requerimientos muy específicos...

También hay variadores que vienen con grupos de constantes predefinidas según el tipo de sistema (para ventilación, bombeo, etc).

¿PRECAUCIONES Y RECOMENDACIONES?

Primeramente, se debe priorizar la seguridad de las personas. Si se realiza un autotuning dinámico, disponer de un pulsador de emergencia operativo.

El movimiento descontrolado del motor puede causar graves daños... Este punto es todavía más crítico en modo automático. Por lo que, previamente, se debe confirmar la secuencia de movimientos que se harán.

Realizar la parametrización básica del variador antes de ejecutar el autotuning (básicamente los datos de la placa de características del motor).  

De este modo nos aseguramos de proteger el motor, pues el autotuning se nutrirá y tendrá en cuenta estos parámetros genéricos cuando se ejecute.

Siempre es recomendable llevar a cabo un autotuning dinámico, a ser posible, personalizado. Es el que mejor nos permitirá ajustar el lazo de control. 
Conforme más se asemejen las condiciones del autotuning a las de secuencia de máquina, la respuesta será más óptima (velocidades, carga, etc).

También es posible que, durante el autotuning, se produzcan ruidos y oscilaciones mecánicas en la instalación. 
Justo estos fenómenos son algunos de los que se apaciguan tras su correcta ejecución... 

Tras acabar el autotuning, es posible que se de algún error... Incluso durante la ejecución, impidiendo que este termine la secuencia programada. 
De ser así, no se almacenarán las constantes calculadas. Revisar el manual del fabricante para confirmar que puede provocar el fallo en cuestión.

Se debe tener presente que, con el paso del tiempo, tanto la electrónica del motor como la mecánica de la aplicación sufren un desgaste (fricción, torsión, cambio de carga, etc). Entonces, las constantes calculadas en un inicio pueden ya no ser óptimas.
Es recomendable (que no necesario) ejecutar el autotuning al variador si una aplicación lleva mucho tiempo trabajando sin habérselo hecho.

VARIADOR - Distancia máxima con motor

Muchos fabricantes no especifican una distancia de cable máxima entre variador y motor, pues puede haber muchos factores que la limiten...

Se debe tener en cuenta la hostilidad del entorno, la instalación eléctrica, las especificaciones del cable de potencia, así como la talla del variador utilizado (entre otros).

Este artículo pretende orientarnos respecto a esta duda tan común... Veremos cuales son los aspectos críticos a tener en cuenta en las largas distancias, así como las posibles acciones que nos permitan apaciguarlos.   

¿PROBLEMAS A MUCHA DISTANCIA?

Cualquier cable presenta capacitancia e inductancia. Estos elementos son proporcionales a la longitud de dicho cable...
Siendo así, el impacto en los cables de motor de mucha distancia suele manifestarse en situaciones de sobretensión y sobreintensidad.

Al no coincidir la impedancia en los extremos del cable, se dan sobretensiones transitorias en el terminal del motor. Cuanto más largo sea el cable del motor, mayores serán los picos de tensión reflejados.
Este fenómeno ocasiona un envejecimiento prematuro del aislamiento en el devanado del motor, lo que puede conducir a problemas permanentes. No obstante, la sobretensión se ve limitada al doble de la tensión del bus DC.

El tiempo de subida de tensión en la salida (denominado dV/dt) también genera picos de corriente en el variador. Estas sobretensiones puntuales aumentan con la mayor frecuencia de conmutación de los IGBTs de salida. 
Esto puede provocar fallos inesperados en el equipo. Además, va asociado a un exceso de temperatura en la electrónica que incrementa las pérdidas del sistema y reduce la vida útil del variador. 

Las anomalías resultantes de estas largas distancias, generan también la recirculación de corrientes de alta frecuencia a tierra y pueden derivar perturbaciones conducidas (a equipos en la misma red) dentro del cuadro eléctrico.   

¿COMO AUMENTAR DISTANCIA?

Para limitar el impacto que puedan tener las largas distancias entre variador y motor, podemos presentar distintas acciones preventivas. La viabilidad de cada una de ellas dependerá del entorno y el tipo de aplicación...

Estas opciones se presentan a continuación, de menos a más eficiente:

- Buena praxis en la instalación.
Que la alimentación del equipo sea estable, la sección de cables de potencia adecuada, haya una buena toma/conexión de tierra, se cumplan las recomendaciones básicas para cumplir EMC, etc.
¡Alerta!, es preferible utilizar un cable de motor no apantallado, pues la malla amplificará el efecto negativo de la sobretensión.

- Protección por software.
Algunos variadores de última generación llevan una pequeña CPU integrada y admiten programación para aumentar la fiabilidad de la solución.
Un pulso PWM demasiado corto podría generar superposición, lo que deriva en posibles sobretensiones... Esto se podría evitar por software (aunque puede afectar el rendimiento).

- Filtro dV/dt o reactancia AC de salida.
Reducen los valores de dV/dt (con lo que disminuyen los picos de tensión) y compensan los cambios bruscos de intensidad. Es la solución más utilizada porque resulta fácil de implementar y no suele tener precios muy elevados. 

- Filtro senoidal en la salida.
Solución más eficiente, pero también más costosa.
No deja de ser un filtro paso bajo electrónico que permite desviar intensidades de alta frecuencia. El resultado es que se obtiene una onda de tensión puramente senoidal para gobernar al motor, por lo que permite una supresión completa de las sobretensiones.

¿DISTANCIAS RECOMENDADAS?

En este apartado se especificarán longitudes de cable orientativas, pero no se puede generalizar. Siempre es aconsejable comentarlo con el fabricante del variador previamente.

Por norma general, podemos establecer que los equipos inferiores a 15kW suelen admitir distancias máximas de 50-100m.
Los modelos de talla superior, podrían alcanzar los 150-200m sobre el papel.
Estos datos aproximados presuponen una instalación estándar que sigue todas las recomendaciones básicas. 
No obstante, con distancias superiores a los 10m, ya se pueden empezar a generar situaciones de sobretensión.

Ahora bien, implementando las soluciones comentadas anteriormente, si se pueden aumentar las longitudes de cable de motor. Seguidamente, se presentan estimaciones en función de la acción implementada: 

Con reactancia (o filtro dV/dt) en la salida, se podrían alcanzar distancias de hasta 400m.
Y, con filtro senoidal, se puede llegar a loa 600m (en el mejor de los casos).  

VARIADOR - Control de varios motores

En algunas aplicaciones nos podemos encontrar con dos (o más) motores que operan con la misma rotación y de forma simultanea...
A la pregunta ¿se pueden controlar varios motores con un variador de frecuencia? la respuesta es que si. Es posible teniendo en cuenta las consideraciones correctas de diseño.

Dicha solución presenta varias ventajas evidentes como, por ejemplo, el abaratamiento de costes, la reducción de espacio en el cuadro eléctrico y la simplificación de la arquitectura de máquina.
No obstante, los fabricantes de variadores no acostumbran a recomendarlo, dado que se obtiene un control y diagnóstico menos eficiente para cada uno de los motores...

Este artículo tiene como objetivo desvelar todos los requisitos a tener en cuenta para dimensionar el sistema variador/motores y asegurar un buen funcionamiento del mismo.

¿MOTORES A CONTROLAR?

Cuando se conectan varios motores en paralelo a la salida del variador, pueden darse dos situaciones:

- Motores de potencia equivalente.
Esto es lo recomendado, que los motores sean de idéntica construcción. Así se optimiza la eficiencia del sistema y nos asegura una respuesta dinámica uniforme en todos los motores.
Además, resultará mucho más sencillo ajustar la respuesta del lazo de control mediante los parámetros del variador.

- Motores de distinta potencia.
Si se da esta situación, el ajuste del variador es incompatible con los motores de menor potencia.
Entonces, en estos motores de menor talla, la respuesta de par no será óptima (se reducirá el sobrepar a bajas velocidades).
Por esta razón, no se recomienda bajo ninguna circunstancia.

¿DIMENSIONAR EL VARIADOR?

Los criterios de selección del variador serán, en general, los mismos que para el control de un único motor. Pero la selección de la talla es crítica en este caso...

Para seleccionar el tamaño del variador de frecuencia, es imprescindible sumar las corrientes nominales de todos los motores conectados y se debe optar por un modelo con una capacidad de corriente de salida nominal suficiente.
Normalmente se recomienda añadir un 20% a esta corriente carga para dimensionar el motor, ajustando así una pequeña fuga por inductancia.

El mismo criterio se utiliza para establecer la potencia nominal del motor.

Independientemente, en algunos casos, no se recomienda nunca dimensionar el variador por debajo de 2kW al controlar más de un motor. Básicamente, para evitar problemas de acoplamiento capacitivo (corriente de carga en el cable).

¿PARAMETRIZACIÓN DEL VARIADOR?

En este tipo de aplicaciones, la parametrización puede ser clave para una buena respuesta dinámica de los motores. Los parámetros críticos que se deberían confirmar, son los siguientes...

Definir los valores nominales de corriente y el límite de corriente máximo. Este segundo, normalmente se configura a un 150% respecto la nominal del motor. En este caso, se debe estimar el consumo de todos los equipos y establecer ese mismo porcentaje (incluso algo más bajo, protegiendo más los motores).

Se recomienda reducir la frecuencia portadora para minimizar las perturbaciones en la señal PWM de salida. Pues, si su valor es alto, tiende a aumentar el calentamiento del variador y se reduce la capacidad de salida de corriente máxima.
Es normal que, al bajar su valor, aumente el ruido audible emitido por el motor. No supone un problema...

El método de control recomendado para este tipo de aplicaciones es el escalar (V/f).
No obstante, si todos los motores son de la misma talla, puede valorarse el trabajar en control vectorial (SLV). En este caso, se puede llevar a cabo un autotuning que permitiría optimizar el lazo de control. 

Hay muchos más parámetros que podrían revisarse, pero deberían analizarse más en detalle dependiendo de la aplicación y las posibilidades que ofrezca el variador... 

¿PROTECCIÓN DEL MOTOR?

Cuando un variador controla un motor, este es el que se encarga de protegerlo... Pero, al controlar varios motores, es necesaria una protección contra sobrecarga en la salida del variador.
Pues, el variador solo puede detectar su carga total conectada, pero no si un motor determinado está consumiendo una corriente más elevada.

No cualquier dispositivo de protección puede ser adecuado para conectarse entre variador y motor (debido a los impulsos de la señal PWM y la impedancia de pico de motor).
A continuación se detallan los comúnmente utilizados:

- Relé de sobrecarga térmico (o protección térmica externa por sondas).
Alternativa más común, dado que es la más fiable y menos propicia a falsas detecciones de sobrecarga.

- Relé de sobrecarga electrónico.
Su tecnología de detección de corriente puede ser incapaz de medir la corriente de carga y los armónicos correctamente. En la salida del variador trabaja fuera de su rango de detección nominal...

- Disyuntor estándar.
En este caso, los desafíos están relacionados con el reflejo de tensión de la PWM. Esto puede provocar falsos disparos y un envejecimiento precoz del dieléctrico de las bobinas.
Es una buena práctica restringir la longitud de cable entre disyuntor y motor.

¿PRECAUCIONES ADICIONALES?

Al trabajar con más de un motor, es de esperar que aumente la emisión de perturbaciones conducidas y radiadas. Esto puede afectar el correcto funcionamiento del sistema, así como los dispositivos de control cercanos a él. Se deben tomar precauciones...
En este blog ya hay un artículo que detalla como minimizar el fenómeno de las interferencias en variadores. Para verlo, hacer click aquí. 
Además, si el numero de motores en paralelo es igual o superior a 3, otra recomendación extra sería instalar un filtro LC entre el variador y cada motor.

Una temperatura ambiente alta, reduce la capacidad de salida de corriente máxima del variador, lo que puede derivar en problemas.
Se debe confirmar que el equipo trabaja dentro de un rango de temperaturas adecuado y se haya instalado siguiendo las recomendaciones para asegurar una correcta refrigeración.

Por último, siempre es de interés consultar con el fabricante del equipo las consideraciones específicas que se deban tener en cuenta para su modelo de variador. Ya sea a nivel de parametrización y/o instalación...

VARIADOR - Perturbaciones de alta frecuencia

Todos conocemos los grandes beneficios del uso de variadores de frecuencia para controlar motores de AC o inducción (entre otros). Pero muchas veces no se tienen del todo presentes las interferencias que pueden generar estos equipos...

Los variadores funcionan con IGBTs para generar la tensión de salida PWM. La rápida conmutación de estos transistores es la principal causa de que se generen estas perturbaciones de alta frecuencia (EMI).
En este artículo se pretende conocer mejor este fenómeno "fantasma", así como el papel que juega en nuestras instalaciones y las acciones que pueden minimizarlo.

¿CÓMO SE TRANSMITEN?

Podemos distinguir dos tipos distintos de EMIs, en función del medio por el que se propaguen: 

- Interferencias conducidas.
Se generan corrientes de fuga que son conducidas desde la salida hasta la línea (a través de los cables y capacitancias del motor), generando perturbaciones de hasta 30MHz. 

- Interferencias radiadas (RFI).
Se generan también ondas electromagnéticas de alta frecuencia que son emitidas al entorno, generando perturbaciones radiadas de hasta 1GHz. 

¿CÓMO NOS AFECTAN?

- Provocan interferencias en receptores (tanto conectados a la misma red de alimentación como aislados).
Es muy común que, por ejemplo, los buses de comunicación (serie, Ethernet, etc) que se encuentran en el mismo entorno se vean afectados. Apareciendo errores como el de CRC debido a las falsas lecturas y corrupción de los datos.
Véase, en la imagen adjunta, un ejemplo de comunicaciones RS-485. La señal se ve claramente golpeada por los efectos del ruido, pues dos bits cambian de estado, falseando la trama.

-Limitan la distancia del cable del motor.

Las perturbaciones pueden generar caídas de tensión. Esto no permite pasar la normativa de compatibilidad electromagnética (CEM).

- Aparición de corrientes parásitas en los rodamientos del motor.
Este fenómeno deriva en una disminución notable del rendimiento del motor (p.e. aumento de temperatura y vibraciones). Lo que puede culminar con daños irreversibles en el mecanismo.

- Picos de tensión en los rodamientos del motor.
Esto también puede afectar el correcto funcionamiento del motor, dañándolo. 

¿CÓMO MINIMIZARLAS?

- Instalación de filtro EMC en la entrada del variador.
Es útil tanto para las perturbaciones conducidas como radiadas. El filtro dependerá de la norma a cumplir (C1, C2 o C3) y la longitud del cable del motor.

- Uso de cable apantallado entre variador y motor.
Es muy efectivo para las interferencias radiadas.
Se recomienda dejar la menor longitud de cable posible fuera de la malla. Y que dicha pantalla esté conectada a tierra en ambos extremos.

- Instalación de ferrita (del diámetro adecuado) en la salida del variador. 
Para minimizar al máximo las emisiones radiadas, este accesorio debe instalarse lo más cerca posible del variador. Por el interior de la ferrita deben pasar, mínimo dos veces, los cables de fase (nunca el de tierra o la pantalla).
Aún mejor si también se instala la ferrita en la parte del motor, siguiendo las mismas directrices.

- Respetar las normas de cableado básicas recomendadas para cumplir EMC.
Evitar que los cables de entrada y salida del variador (potencia) estén cerca. 
Separar lo máximo posible los cables de señal de los de potencia para que estos primeros no se vean afectados. Evitar también que discurran paralelos y, si hay que cruzarlos, hacerlo en un ángulo de 90 grados (para evitar capacitancias).
Minimizar longitudes de cables evitando "loops" cerca de los cables de potencia para que no haya un "efecto antena". 
También revisar y validar la conexión a tierra de los equipos que estén en la red.

¿CÓMO DETECTARLAS?

Hay distintos instrumentos de medición y detección de EMIs. Seguidamente se presentan algunos de los más comunes:

- Receptor de medida.
Aparato de medida muy caro, normalmente para laboratorios de pruebas EMC. Engorroso de utilizar pero muy preciso. 

- Analizador de espectro.
Dispositivo considerablemente más económico. Tiene menor sensibilidad, por lo que se utiliza para comprobaciones y diagnóstico rápido.

- Pinza de absorción y sonda de corriente.
Capaz de medir emisiones de 30MHz directamente como un campo radiado. Se presenta como un posible sustituto "casero" a las pruebas de emisiones.

- Osciloscopio.
Indirectamente, puede ayudarnos a diagnosticar problemas de ruido (normalmente en los receptores), por ejemplo, detectando fluctuaciones de tensión en señales  de control afectadas.