RESONADORES VECTORIALES 

 

      LA SOLUCION PARA LOS PROBLEMAS QUE PRODUCEN LOS VARIADORES DE FRECUENCIA, LOS INVERSORES FOTOVOLTAICOS, Y LOS DISPAROS FORTUITOS DE LAS PROTECCIONES DIFERENCIALES, CONSISTE EN LA INSTALACION DE RESONADORES VECTORIALES

      El avance tecnológico alcanzado en los accionamientos eléctricos para motores ha traído al panorama eléctrico mundial grandes beneficios que son aprovechados por los fabricantes de equipos eléctricos en todo el mundo, no obstante, dichos avances acarrean consigo inconvenientes que en principio pueden ser considerados supuestamente como parte del funcionamiento "normal". Solamente después de sufragar repetidamente los gastos de costosas averías y pérdidas de producción producidas por estas tecnologías, se puede comprender que el funcionamiento no es normal. Es el caso de los VF (variadores de frecuencia) para el accionamiento de motores eléctricos de mediana o gran potencia, y de los inversores de las plantas de generación de energía eléctrica fotovoltaica que emplean la misma tecnología que los VF. Por ejemplo, la aparición del automóvil trajo consigo los accidentes de tráfico, la contaminación, y el ruido, sin embargo, por la necesidad que plantea su uso nadie deja de usar el automóvil por estos problemas a los que todos contribuimos. En el mismo sentido, los variadores de frecuencia sin filtrar producen graves problemas de armónicos de baja frecuencia que son inyectados en la red. Por su parte los inversores de las plantas fotovoltaicas generan armónicos de alta y muy alta frecuencia que son responsables directos de las EMI (Interferencias Electro Manéticas) "radiadas", y "conducidas" por todos los conductores de puesta a tierra de la instalación eléctrica. Además, estas dos tecnologías contribuyen al desequilibrio de las tensiones, e introducen ruido y otras anomalías que producen mayor consumo de energía, sin embargo, nadie deja de utilizar estos equipos por los beneficios que conlleva su uso, a pesar de los problemas y las pérdidas que acarrean, para los cuales todos contribuimos al usarlos. 

      La instalación de resonadores vectoriales elimina todos los problemas eléctricos que producen los variadores de frecuencia y los inversores fotovoltaicos. En otras palabras, con la instalación de resonadores vectoriales los problemas causados por el variador aguas abajo desaparecen, esto es entre variador y motor. En el caso de inversores fotovoltaicos, los problemas que causa el funcionamiento del inversor a la instalación, y a las baterías de condensadores, desaparecen.  

      Cuando suceden averías en los VF o en los motores que son accionados por éstos, se suele responsabilizar desacertadamente a la calidad de alimentación eléctrica, a la temperatura de trabajo, o a la carga de potencia del motor o del variador de frecuencia, o a ambos, esto sucede por desconocimiento de las causas reales que provocan las averías, y por la elevada complejidad que entraña el análisis del origen de estos problemas. Los accionamientos eléctricos basados en electrónica de potencia producen ondas cuadradas de AF (alta frecuencia), este funcionamiento se denomina "PWM" y tienen consecuencias nocivas para la instalación y para los motores. Un accionamiento electrónico de potencia como un variador de frecuencia o un inversor para energías renovables, alimentados por una red eléctrica distorsionada por armónicos, genera alta probabilidad de producir averías en estos accionamientos. Afortunadamente estos problemas tienen solución como veremos a continuación. 

      Del mismo modo la degradación rápida y las averías frecuentes en baterías de condensadores para corrección de la energía reactiva son causadas en gran parte por la presencia de una planta de generación eléctrica fotovoltaica conectada en nuestra instalación, o en las cercanías a nuestra instalación. Por ello las soluciones en materia de seguridad de funcionamiento frente a las anomalías eléctricas que producen las plantas fotovoltaicas durante su funcionamiento, se encuentran en su infancia.

      Los circuitos electrónicos sensibles que trabajan a frecuencias elevadas son los aspirantes perfectos para ser afectados por los inversores de las plantas de generación de energía fotovoltaica. Desafortunadamente estos inversores generan durante su operación armónicos de muy alta frecuencia en un amplio espectro de frecuencias con gran ancho de banda, que entorpecen el funcionamiento de los circuitos sensibles que manejan el control, especialmente los circuitos que gobiernan los dispositivos de potencia, como servos que trabajan a frecuencias elevadas por encima de 50 Hz, rectficadores a tiristores que controlan transformadores de alta frecuencia, variadores de frecuencia, etc.   

      Marcados por unos precios de mercado cada vez más bajos, y una competencia agresiva, los fabricantes de maquinaria que emplean accionamientos para motores mediante VF, sobre todo a partir de potencias para motores de 50 KW en adelante, son conocedores de las anomalías y problemas que crean los VF, pero emplean la política de la economía "omitiendo" la instalación de componentes que garanticen la calidad del funcionamiento de los VF sin perjudicar el resto de la instalación. La teórica empleada por los fabricantes de maquinaria en estos casos para ahorrar costes de fabricación es "esperar" para ver lo que sucede en el mercado, que no es lo lógico, porque esta conducta genera gastos adicionales, que a corto plazo los clientes que compran dichas máquinas tendrán que pagar. Esto repercute posteriormente en el coste de la maquinaria que supuestamente era económica a la hora de la compra, y repercute igualmente de forma permanente en el coste de su producción.

      Respecto a las plantas para generación de energía eléctrica fotovoltaica, éstas se conectan a la red, "y ya está", sin contemplar la más mínima precaución. En efecto, estas plantas se conectan a la red en la mayoría de instalaciones incumpliendo todas las normas y reglamentos, sin importar sus consecuencias posteriores. Esta forma de actuar es similar a lo que sucedía décadas atrás con el insecticida DDT, se echaba para matar moscas "y ya está", resulta que después cuando ya era tarde se descubrió que el DDT era cancerígeno y muy venenoso. Los inversores fotovoltaicos no son venenosos, pero el desconocimiento generalizado de los problemas que acarrea su funcionamiento, ocasiona complicaciones intermitentes en los circuitos eléctricos y averías difíciles de diagnosticar.

      El avance tecnológico empleado en los accionamientos eléctricos ha alcanzado más del 98 % y va en aumento, las averías y anomalías difíciles o muy dificiles de diagnosticar o reparar por su complejidad que producen estas tecnologías también va en aumento, la escasez de profesionales cualificados con experiencia y medios, que pueden afrontar estos trabajos, y la falta de equipos adecuados para el diagnóstico, no aumenta de la misma forma. La solución consiste en eliminar las causas que generan las anomalías en su origen o fuente, instalando resonadores vectoriales.

      Ningún fabricante de variadores de frecuencia dispone de modelos de VFs libres de producir sobretensiones durante las conmutaciones de sus transistores de potencia que operan la carga del motor, dichas sobretensiones alcanzan siempre al motor en mayor o menor medída. A pesar del avance tecnológico de los VFs, éstos tampoco adaptan la impedancia del moto al VFr, siendo siempre diferentes, por esta causa se producen retornos de tensión desde el motor hacia el VF, generando sobretensiones de gran magnitud que reducen la esperanza de vida de los transistores de potencia de los variadores. En situaciones límite, las sobretensiones que producen los semiconductores de potencia de los VFs durante las conmutaciones pueden perforar su propio aislamiento y destruirlos en poco tiempo. Esto mismo es aplicable a los inversores fotovoltaicos, y a las demás tecnologías que usan formas de onda PWM (modulacion en tiempo de pulsos de voltaje), como lo hacen los variadores, para funcionar. Los resonadores vectoriales cumplen estas dos funciones, eliminar las sobretensiones de conmutación de los transistores del variador, y adaptar las impedancias de motor y variador.

 

RESUMEN DEL FUNCIONAMIENTO DE VARIADORES DE FRECUENCIA E INVERSORES FOTOVOLTAICOS

      El funcionamiento de los variadores de frecuencia está basado en la tecnología PWM (Pulse Width Modulation) o modulación de voltaje por ancho de pulsos. Básicamente lo que hace dicha tecnología es entregar al motor seis trenes de pulsos de voltaje de CC (corriente continua) con ancho de tiempo variable, desfasados cada grupo entre si 120 grados entre cada una de las tres fases de la red, donde cada tren de pulsos consta de multitud de conexiones y desconexiones realizadas a alta velocidad por los transistores de potencia del variador de frecuencia. Se realiza dos trenes de pulsos por cada polo eléctrico, en total seis trenes de pulsos para las tres fases, pues se trata principalmente de alimentar motores trifásicos. La tensión de CC la obtienen los transistores de un rectificador trifásico de onda completa compuesto de seis diodos rectificadores incorporado en el variador de frecuencia donde se rectifican las tres fases de CA (corriente alterna) de la red eléctrica, para obtener la CC necesaria  para cargar un grupo de condensadores que estabiliza la tensión, también de CC, que es de donde toman la energía los transistores. El valor de voltaje de CC cuando se rectifican voltajes de AC alcanza la magnitud de: U (tensión entre las fases) X √², por ejemplo, para una red de 400 V AC se obtendrá un voltaje rectificado de CC igual a 400 x 1,4142 = 566 V en el polo positivo y de -566 V en el polo negativo. Cuando un variador alimenta una fase del motor por ejemplo con tensión positiva a 566 V, en el otro extremo de dicha fase, el voltaje es negativo con -566 V, siendo el voltaje total que llega a una fase cualquiera del motor,  igual a la suma del voltaje positivo más el voltaje negativo, en total llegan 1.132 V. Este voltaje en realidad es mayor debido a las sobretensiones transitorias que se producen durante las conmutaciones de los transistores para conectar y desconectar la tensión al motor. El voltaje característico resultante a la salida de cualquier variador de frecuencia, sumando los voltajes de las sobretensiones de conmutación más el voltaje nominal de CC presente en los condensadores ronda 1.350 V o más, en todos los casos.   

      El esquema siguiente muestra los bloques de un variador de frecuencia compuesto por el Puente Rectificador Trifásico de AC/CC (alterna/continua) formado por seis diodos (izquierda), Banco de Condensadores para estabilizar la tensión de CC (centro), Inversor Trifásico CC/AC (continua/alterna) compuesto por seis transistores (derecha). La tensión de AC proveniente de la red entra por el puente rectificador (izquierda) y sale en forma de pulsos de voltaje de CC por los transistores hacia el motor (derecha). La forma de onda de la tensión resultante a la salida se denomina modulación por ancho de pulsos de voltaje PWM (Pulse Width Modulation). Este tipo de ondas con forma cuadrada tiene varios tipos de inconvenientes y origina problemas que veremos más adelante.   

 

 

      

      Los inversores fotovoltaicos no necesitan el Puente Rectificador Trifásico para producir la tensión de corriente continua que emplean los transistores porque dicha tensión es suministrada por las placas fotovoltaicas que generan tensión de CC, siendo el funcionamiento idéntico al de los variadores de frecuencia, pero sin variar su frecuencia, pues los inversores fotovoltaicos son acoplados a la red eléctrica y su frecuencia es fija de 50 Hz. La tecnología empleada por los inversores fotovoltaicos es PWM y tiene las mismas caracteristicas y produce los mismos problemas que los variadores de fecuencia.

 

     Para advertir los inconvenientes que ocurren con la modulación PWM que generan los VF e inversores fotovoltaicos durante todo su tiempo de funcionamiento, exponemos a continuación en la siguiente imagen una porción del tren de ondas correspondiente a "una de las tres fases" de un variador de frecuencia, donde podemos apreciar en la parte inferior de la imagen de forma ampliada los transitorios de sobretensión que suceden de forma repetitiva debido a las conmutaciones de tensión realizadas por uno de los seis transistores de este variador, que en este caso alcanzan 700 V, correspondientes a la tensión nominal más los picos de tensiones transitorias que se producen en las conexiones y desconexiones del polo negativo. En el polo positivo ocurren igualmente los mismos transitorios de sobretensión de magnitud similar cuando otro transistor conmuta la tensión del polo positivo. Con todo ello tenemos que a cada fase del motor llegan miles de transitorios de sobretensión con una media de 1350 V en CC (Corriente Continua) por cada segundo de funcionamiento del variador. Del mismo modo en las otras dos fases restantes que alimentan al motor suceden el mismo fenómeno de sobretensiones. En la parte superior de la imagen podemos observar que existen picos de sobretensiones en todas las conmutaciones, tanto del polo positivo como del polo negativo, esto sucede porque no existe instalado un resonador vectorial que evite los retornos de tensión desde el motor, provocados por desadaptación de las impedancias del motor y del variador. Funcionando en éstas condiciones, el aislamiento de los transistores trabaja al límite y en ocasiones es superado, ésto implica que la potencia disipada por los transistores del variador en forma de calor, eleve peligrosamente su temperatura de funcionamiento, debiendo desclasificar en ocasiones la potencia máxima que puede suministrar el variador para no sobrepasar los límites de temperatura máxima de diseño. La suma de temperatura elevada en el VF más las sobretensiones de conmutación conllevan el agotamiento dieléctrico de los semiconductores de potencia (transistores) del variador,  originando averías tempranas del VF.  

 

         En la siguiente imagen podemos observar la magnitud que alcanzan las sobretensiones a la salida de un convertidor de frecuencia fija que utiliza la misma tecnoligía PWM que los variadores, conmutando voltajes de CC, dispone además de un banco de condensadores de CC igual que los VF, y la tensión de CC es conmutada por transistores igual que sucede en un variador, dicho convertidor alimenta a un motor de 270 KW de una soplante de levitación magnética, que funciona a una frecuencia cercana a 400 Hz. Obsérvese que las sobretensiones alcanzan 678,9 voltios, con un voltaje máximo registrado de 1.017 voltios. Casualmente este análisis fue realizado varios días antes de que se produjese una avería por perforación del aislamiento en el devanado eléctrico del motor.

     

      En la siguiente imagen podemos observar los seis trenes de pulsos de voltaje PWM separados 120 grados, generados por un variador de frecuencia, correspondientes a las tres fases. Estos voltajes con formas de onda cuadrada es lo que llega a un motor accionado por un variador de frecuencia. Las formas de onda cuadradas de alta frecuencia no es lo que debería llegar a un motor, primero porque los motores no se diseñan para ser alimentados por este tipo de ondas, segundo porque las ondas PWM dañan los aislamientos del devanado a causa de la elevada velocidad de ascenso y descenso de los voltajes (dt/dv), acompañados de las sobretensiones que se originan durante las conmutaciones del voltaje, éstas producen un estrés dieléctrico muy elevado al aislamiento del motor, reduciendo su vida útil a menos del 50% de lo esperado. En esta imagen podemos observar, que en las conmutaciones "no existen" picos de sobretensiones, esto sucede gracias al resonador vectorial instalado a la salida del variador de frecuencia, que "elimina" todos los retornos de tensión provocados por la dasadaptación de impedancias entre motor y variador.

 

      En ésta otra imagen podemos apreciar la comparativa entre las formas de ondas de las tres fases de salida del mismo variador de la imagen anterior (ondas en color amarillo, azul, y rojo) correspondientes a los canales de medida C1, C2, y C3 en el analizador, y una onda correspondiente a una de las tres fases a la salida del resonador vectorial conectado al variador (onda en color verde) del canal de medida C4. Como podemos ver, la diferencia de calidad entre la forma de onda del voltaje PWM a la salida del variador, y la forma de onda a la salida del resonador, supone una mejora importante para la vida del motor y su aislamiento. Todos los motores son diseñados para funcionar con formas de onda de tensión que tienen ascensos y descensos progresivos como las ondas de la red eléctrica, o como las que salen de un resonador, y no como las formas de onda cuadradas que salen de los variadores formadas por miles de ascensos y descensos bruscos del voltaje realizados a alta velocidad, con formas de onda cuadrada. La forma de onda de los voltajes PWM y su elevada velocidad de conmutación son la causa principal que provoca la "muerte temprana" de los aislamientos en los motores eléctricos que son accionados mediante VFs, y de los problemas y avería que surgen en los variadores de frecuencia, así como la destrucción temprana de los rodamientos de los motores, y la destrucción de los semiconductores de potencia de los variadores. Al referirnos a motores y sus rodamientos, tanto el aislamiento del devanado eléctrico de los motores, así como la vida útil de sus rodamientos, cuando éstos se encuentran instalados con accionamiento mediante VF, la longevidad del aislamiento del devanado y de los rodamientos, como se dicho antes, apenas superan el 50% de su vida útil. En consecuencia, las averías en los devanados o en los rodamientos casi nunca vienen solas, y frecuentemente acarrean otros problemas adicionales y más averías. Podemos observar en este registro que las conmutaciones PWM no contienen picos de sobretensiones, esto sucede gracias a la existencia del resonador vectorial instalado a la salida del variador de frecuencia. Funcionando en éstas condiciones, en los transistores del variador disminuye la disipación de potencia en forma de calor, esto supone aumentar sustancialmente el tiempo de vida de los transistores del variador. Al trabajar por debajo de la tensión máxima de diseño de los transistores, esto se traduce en una mejora importante para su aislamiento, que redunda en mayor duración de los mismos. El rendimiento general del motor aumenta porque no se producen perdidas de potencia adicionales debido a las conmutaciones de los transistores, a la vez que disminuye su temperatura, aumentando así el rendimiento energético y la vida del aislamiento del devanado en el motor. En la imagen siguiente el canal C1 del analizador (traza amarilla) corresponde a la fase de red L1, la salida del resonador para esta fase es el canal C4 (traza verde), donde se puede apreciar una mejora sustancial, con la reconstrucción de la forma de onda.   

     

     

      Los inversores fotovoltaicos producen el mismo tipo de voltaje PWM que es conectado en paralelo a la instalación eléctrica de la red, causando sobretensiones originadas por las conmutaciones de los transistores del inversor, y problemas originados por los armónicos de alta frecuencia que generan los inversores, repercutiendo negativamente en toda la instalación eléctrica, especialmente en las baterías de condensadores donde se destruyen sus aislamientos a causa de los armónicos de AF (alta frecuencia), dichos armónicos penetran tambien a la instalación a traves de los conductores de puesta a tierra generando multitud de interferencias, especialmente en las tarjetas electronicas de control.    

      La instalación de resonadores vectoriales se traduce en beneficios económicos equivalentes a varias veces el coste de su instalación, por un lado se ahorra energía, a la vez que se evitan costes adicionales para gestionar un mayor stock de repuestos para solventar averías de variadores, motores, y equipos electrónicos sensibles, del mismo modo los componentes electrónicos de los variadores de frecuencia alcanzan una duración mayor de horas de servicio cuando disponen de un resonador vectorial. Otro apartado interesante que justifica la instalación de resonadores reside en el ahorro de los costes de tiempos de parada para solucionar las averías de variadores o cualquier otro equipo eléctrico y sus componentes asociados como filtros e inductancias o motores. La pérdida de aislamiento en los embarrados de los equipos electrónicos, y las pérdidas de producción que acarrean la restitución de los mismos, se eliminan o se reduce considerablemente con los resonadores vectoriales. El funcionamiento de las plantas de energía fotovoltaica ocasiona disparos sin motivo aparente de las protecciones diferenciales, que se traducen en pérdidas de producción y paradas de los equipos. Resumiendo, que todos estos gastos imprevistos y pérdidas se eliminan o se reducen sustancialmente cuando se dispone de resonadores vectoriales instalados en los variadores de frecuencia, o en los inversores para energías renovables.

      Los inversores de las plantas de generación de energía fotovoltaica conectados a nuestra instalación eléctrica, o en las cercanías, producen armónicos de alta frecuencia y súper alta frecuencia (súper armónicos) que destruyen de forma acelerada los condensadores para compensación de energía reactiva, dichos armónicos también afectan a la electrónica de los relés diferenciales produciendo mal funcionamiento de éstos y averías. Los filtros internos de los variadores de frecuencia son gravemente afectados porque conducen gran cantidad de corriente residual a tierra pudiendo cortocircuitar los condensadores internos del filtro quedando éste inutilizado. La instalación de un resonador vectorial a la salida del inversor fotovoltaico elimina por completo los problemas en las baterías de condensadores, alargando la vida de los mismos, y a la misma vez soluciona todos los problemas de las protecciones diferenciales. Es cierto que las plantas de generación de energía fotovoltaica producen beneficios, pero sin ningún medio que elimine los armónicos y súper armónicos que producen sus inversores, las plantas fotovoltaicas se convierten en una "freidora" de aparatos eléctricos  de toda clase.

 

INCONVENIENTES QUE PRODUCEN LOS VARIADORES DE FRECUENCIA DURANTE SU FUNCIONAMIENTO

A-      Los VF durante su funcionamiento producen voltajes anormalmente elevados en las conmutaciones que realizan los transistores del inversor trifásico en puente, utilizando tensiones de CC, éstos voltajes anormalmente elevados reducen sustancialmente la vida del aislamiento del devanado eléctrico de los motores en un 50% o más. Las altas velocidades de conmutación que realizan los transistores de los inversores de los variadores para generar los pulsos PWM, producen frentes de ascenso y descenso del voltaje extremadamente rápidos del orden de 0,2-0,3 micro segundos, esta elevada velocidad de cambio de los voltajes (conmutaciones) supone un elevado estrés dieléctrico para los aislamientos del devanado del motor, por ésta causa, los rodamientos de éstos motores igualmente son afectados por los voltajes de alta frecuencia que producen los variadores, dichos voltajes son acoplados de forma capacitiva al inducido (eje del motor). Los voltajes acoplados en el inducido generan la circulación de la corriente de alta frecuencia por los rodamientos del eje hacia masa, ocasionando mayor desgaste de las "pistas" del rodamiento por "electro erosión", este desgaste se produce igualmente en las bolas o rodillos de los rodamientos. En motores grandes la intensidad de éstas corrientes de alta frecuencia produce incluso la fusión de los caminos de rodadura de las pistas del rodamiento, con la destrucción prematura de éstos en poco tiempo, el síntoma principal de que éste fenómeno se está produciendo, es el quemado del aceite que contiene la grasa del rodamiento. En efecto, la grasa está compuesta básicamente de aceite de diferentes propiedades más un aglomerante o espesante para mantener el aceite que crea una película entre las bolas o rodillos de los rodamientos y las pistas de éste para que "floten" los metales del rodamiento durante la rotación, evitando el desgaste. La aparición reciente de los nuevos transistores de "SiC" (carburo de silicio), ofrecen velocidades de conmutación extremadamente elevadas a la vez que tienen un rendimiento energético superior. Esto aumenta los problemas que producen las ondas PWM de los variadores de frecuencia o inversores durante su funcionamiento.  

B-      Cuando un motor es alimentado por la tensión trifásica de la red de corriente alterna con forma de onda senoidal, la suma vectorial instantánea de las tensiones de las tres fases en cualquier punto o grado eléctrico siempre es igual a cero voltios, existiendo un equilibrio magnético que minimiza las vibraciones del motor. Cuando se alimenta un motor mediante VF, la suma vectorial instantánea de las tres tensiones en cualquier punto en las forma de onda PWM no suman cero voltios en ningún caso, por lo que el motor adquiere mayor vibración de lo normal aumentando la degradación de los rodamientos por desequilibrio magnético del rotor. La velocidad de vibración de un motor accionado mediante VF está establecida por la frecuencia portadora PWM que suele ser de varios KHz, o sea, que se producen vibraciones en los devanados eléctricos del motor creando holguras y aflojamientos. Las vibraciones del eje sobre los rodamientos que lo soportan, sobre todo en motores grandes con apoyo insuficiente, producen vibraciones a frecuencias muy elevadas, las consecuencias empeoran si el motor tiene ciclos de aceleración y deceleración de forma incesante. En estas condiciones se puede entender, que la vida del aislamiento del devanado, y la vida de los rodamientos, nunca alcanzaran ni siquiera el 50% de lo esperado. El paso de la energía eléctrica a través de un resonador vectorial devuelve la vibración al estado original porque la suma vectorial instantánea de las tensiones a la salida del resonador en cualquier instante, siempre es cero voltios, lográndose el equilibrio magnético del motor.

C-      Las corrientes de alta frecuencia que circulan por los rodamientos de motores accionados por VF hacia la carcasa metálica del motor, generan miles de pequeños arcos voltaicos que "queman" el aceite de la grasa, dejando solamente el espesante, que también es quemado cuando ya no queda aceite. Nos preguntaremos que pasa cuando un motor dispone de rodamientos aislados, pues bien, los mismos solo retasan en parte la aparición de la anomalía, pero no solucionan el problema, ya que las tensiones de alta frecuencia inducidas en el eje de los motores puede superar fácilmente la tensión del aislamiento de los rodamientos aislados que en la mayoría de casos es de solo 500 V, cuando las tensiones inducidas en el eje alcanzan 1350 V y en ocasiones pueden superar los 2.000 V. Por lo tanto el montaje de rodamientos aislados no soluciona el problema de las tensiones de alta frecuencia que circulan libremente por los rodamientos de los motores que son accionados mediante variadores de frecuencia. Sobre engrasar el rodamiento no contribuye a alargar la vida de los rodamientos, lo único que se consigue es sobre calentar el rodamiento y dispersar la grasa sobrante en la parte interior del eje por todo el devanado, contaminando el aislamiento.

D-      En las siguientes imágenes podemos ver en diversos rodamientos de distintos motores el efecto que causan los arcos voltaicos, generados por los voltajes de alta frecuencia que son inducidos en el eje de los motores. Cuando las corrientes PWM de alta frecuencia circulan por los rodamientos de los motores que son accionados mediante VF se produce electro erosión de los metales del rodamiento y quemado de su grasa originado por los arcos voltaicos. Obsérvese en las imágenes que el aceite que contenía la grasa es inexistente, y el espesante de la grasa se encuentra calcinado. Es característico que cuando los rodamientos de los motores rompen por excesivo desgaste, el paquete de chapas magnéticas del inducido que es soportado por el eje del motor y sus rodamientos, arrastrara por las chapas magnéticas del estator, produciendo una avería por cortocircuito en el devanado eléctrico del motor, y ésta a su vez puede producir la rotura de los transistores de potencia del variador, debido a la elevada sobre corriente del cortocircuito. Aunque dispare alguna protección y no se produzca la avería de los transistores, la resistencia de su aislamiento quedara mermada considerablemente, acortando de éste modo la vida del variador. En la mayoría de casos que suceden averías de éste tipo, son recurrentes debido a que no se les busca el motivo que las origina, y tampoco se les da una solución, o no se les da importancia porque se cree que supuestamente forman parte del funcionamiento del variador. 

 

 

      Las temperaturas locales elevadas en los rodamientos hacen que los aditivos del lubricante se carbonicen o quemen el aceite base. Ello hace que los aditivos se consuman más rápidamente. En caso de lubricación con grasa, esta se vuelve negra y dura. Esta avería rápida acorta drásticamente la vida útil de la grasa y del rodamiento. Si no se lleva a cabo una relubricación a tiempo, se pueden producir daños secundarios por lubricación deficiente.

      El siguiente dibujo muestra el camino que toman las corrientes causadas por los voltajes de alta frecuencia inducidos por los variadores de frecuencia en el eje de los motores, estas corrientes son responsables de formar pequeños arcos voltaicos que queman la grasa de los rodamientos y funde los caminos de rodadura del rodamiento en poco tiempo, como se ha explicado antes.   

 

     

 

E-      Los cables o conductores eléctricos que conectan los variadores de frecuencia a los motores, transportan los voltajes de alta frecuencia generados por el variador, la naturaleza de dichos voltajes es de AF (Alta Frecuencia) y no nos referimos a las ondas de los voltajes PWM que modula el variador que ya de por si son de frecuencias elevadas, nos referimos  a los voltajes de los armónicos de los anteriores que son de frecuencias mucho más elevadas, y no pueden ser medidos por los analizadores de redes eléctricas, ya que los analizadores de redes para instalaciones de BF (baja frecuencia) alcanzan a medir armónicos de 30 KHz en el mejor de los casos, y los armónicos de las ondas PWM conducidos por los cables abarcan un rango de ancho de banda del espectro de frecuencias de varios MHz, por lo cual esta anomalía no es detectada por ningún analizador de redes eléctricas del mercado, a este fenómeno se le denomina EMI (Interferencia Electro Magnética) “conducida” por los conductores que conectan el variador al motor. Dichos voltajes de AF producen ondas de radio de intensidad elevada en un amplio espectro de frecuencias que perjudica seriamente las comunicaciones y las medidas de toda clase de sensores y medidores, los PLCs (autómatas) son afectados por la intensidad de estas radiaciones electromagnéticas cuando están instalados en las cercanías de los variadores o de los cables conectados a éstos, pudiendo llegar a estropearse. Si la potencia electromagnética de RF (radio frecuencia) radiada por los cables que conectan el variador al motor es de magnitud muy elevada, como pasa en motores grandes, también afectara al propio funcionamiento de los circuitos electrónicos de control del VF, ocasionando errores de direccionamiento de los transistores de potencia IGBT (Transistor de Conmutación de Puerta Aislada) del variador, produciendo cortocircuitos ocasionales de forma aleatoria, que pueden destruir los transistores de potencia del variador en muy poco tiempo.

F-     Las EMI conducidas es difícil medirlas por lo que en la mayoría de casos se desconoce su presencia, constituyen un serio problema porque causan anomalías de funcionamiento y averías en los circuitos de control de los variadores de frecuencia y de los inversores fotovoltaicos, y además, circulan por los conductores de control y por los conductores de potencia de la instalación eléctrica, ocasionando diversos tipos de problemas eléctricos de distinta naturaleza. Las EMI de AF (alta frecuencia) tienen su origen en los armónicos de las ondas PWM de frecuencia elevada que generan los variadores durante su operación.

G-     Los voltajes PWM que modulan los variadores, circulan por los conductores hacia el motor, estos voltajes tienen una forma de onda "cuadrada", en realidad se trata de miles pulsos con forma de onda cuadrada, producidos por el VF durante cada segundo, para conectar y desconectar la tensión de CC, realizado por los transistores del variador, dichos impulsos suceden para cada polo y por cada fase, por ejemplo, para una frecuencia PWM de salida del variador de 4 KHz modulando una onda de corriente con frecuencia de 50 Hz a su salida, suceden 4.000 conexiones para el polo positivo de una de las tres fases del motor, por dos polos y por tres fases serán 24.000 conexiones más otras tantas desconexiones, por cada 20 mili segundos, que es el periodo de tiempo para la velocidad angular de la frecuencia de 50 Hz, en total se producen 1.440.000 operaciones de conexiones de la carga y desconexiones de ésta,  por cada segundo realizadas por los transistores de cualquier variador de frecuencia. Esto se puede realizar gracias a la elevada velocidad de conmutación de los transistores de potencia, y al exacto direccionamiento que realiza el circuito de control de los transistores. Es por lo tanto esencial que el circuito de control no sea interferido por las EMI conducidas por los cables de potencia conectados al VF, ni por ninguna clase de energía electromagnética radiada en la cercanía del variador.

H-       Ante este funcionamiento de cualquier variador de frecuencia sucede lo siguiente: siguiendo con el ejemplo anterior supongamos la misma frecuencia de conmutación PWM de 4 KHz, para el caso de un solo pulso de tensión enviado por el variador hacia el motor, dicho pulso forma parte del conjunto de pulsos PWM de un polo de una de las tres fases, la tensión de dicho pulso único aplicada al devanado del motor eléctrico, nunca es absorbida completamente por el motor, y por lo tanto, tampoco será convertido en potencia mecánica por el motor al 100%. Esto sucede porque en ningún caso la "impedancia" del motor y la del variador son iguales, así como tampoco es igual la impedancia de los conductores de conexión entre el variador y el motor. Es un hecho que sucede en todos los casos, que las impedancias de los tres componentes, variador, motor, y conductores de unión, son siempre diferentes, no es difícil demostrar por cálculo estas cuestiones, pero si lo hiciesemos nos saldríamos del marco de esta información. Técnicamente hablando un motor es un dispositivo de un puerto y, por lo tanto, presenta una impedancia de entrada que no es más que la relación entre la tensión y la corriente presente en el puerto de entrada. Resumiremos el apartado de impedancias con el siguiente ejemplo, para un motor de 100 KW que trabaja a 400 V AC y 50 Hz, su impedancia es el producto resultante de dividir la tensión de alimentación de diseño entre la intensidad que aparece en su placa de características, por su parte para los conductores eléctricos que conectan el motor al variador, su impedancia depende de la longitud, la composición física del cable, de la inductancia que presenta a la frecuencia de 50 Hz, de la capacidad entre los conductores, y de la capacidad distribuida, para el variador de frecuencia su impedancia de salida dependiente de la velocidad angular de la frecuencia PWM, del voltaje de salida, de la resistencia de aislamiento, de la capacidad entre los electrodos de potencia, y de la forma física de los transistores. Es fácil deducir que, con estos datos tan desiguales para realizar los cálculos, las impedancias resultantes de los tres componentes, motor, cables, y variador, nunca serán iguales, y por lo tanto siempre se producirán retornos de tensión que viajan camino del variador y del motor, elevando la tensión en bornes de ambos, y por consiguiente aumenta la tensión en los transistores de potencia del variador, del mismo modo aumenta la tensión que llega al devanado del motor produciendo DP (descargas parciales) entre los aislamientos de los hilos de las bobinas, que reducen su vida útil, provocando finalmente un cortocircuito.

 

     

I-      En el sinóptico siguiente se muestra el origen de los voltajes reflejados (retorno de pulsos de tensión) causados por diferentes impedancias de la fuente (variador) y de la carga (motor), o de un inversor fotovoltaico y la red. Si las impedancias de variadores y motores, o inversores y red, fuesen iguales (cosa que nunca sucede), no existirían pulsos de retorno de tensión porque la totalidad de la potencia sería absorbida por la carga del motor en caso de variadores, o por la red en caso de inversores fotovoltaicos. Cuando existen diferencias de impedancias entre la fuente y la carga (variador y motor o inversor y red), surgen voltajes de retorno hacia la fuente, cuanto mayor es la diferencia de impedancias, mayor es el voltaje retornado. Los pulsos de voltaje retornado suman su magnitud a los nuevos pulsos de tensión provenientes de la fuente (variador o inversor), el voltaje resultante de la suma de éstos (voltaje de la fuente + el voltaje de rerotno) alcanza al devanado del motor, al variador, o al inversor. Este fenómeno se emplea en "reflexometría" para medir longitudes de cables, o para localizar el punto exacto de una avería en una determinada longitud de cables.

      En el siguiente dibujo se presentan dos casos, en el primer caso las impedancias del variador y del motor son iguales con 10 ohmios, en este caso no existen pulsos con tensiones de retorno. En el segundo caso las impedancias son diferentes, la impedancia del variador es de 10 ohmios y la del motor es de 20 ohmios, lo cual provoca pulsos de retorno de tensión que vuelven hacia el variador, y su magnitud es sumada a la de los pulsos que envia el variador. Esto provoca que al motor le lleguen sobretensiones para las cuales, su aislamiento no esta diseñado. Recordemos que las impedancias de variador y motor nunca son iguales, por lo que siempre existiran sobretensiones de retorno. 

       

 

        Desde el punto de vista de la impedancia, toda desadaptación de impedancia acarrea cambios en el funcionamiento de los componentes del circuito o de los equipos. Los accionamientos con tecnologías más recientes disponen de medida para las tensiones de retorno provocadas por la desadaptación de impedancias de los conductores de acometida y de otros equipos, denominado control del "Deat Time" o control del tiempo muerto entre pulsos, para el cual se inhabilitan los pulsos de un semiconductor de potencia en caso de que se supere un determinado umbral de voltaje o magnitud presente a la salida del semiconductor que exceda el tiempo o el umbral de los ajustes prefijados por el fabricante de dicho equipo, normalmente estos umbrales no son accesibles en los ajustes de los variadores de frecuencia, o de los inversores fotovoltaicos, y tienen un margen típico que oscila entre 1 y 2 micro segundos de separación entre pulso y pulso de las frecuencias PWM generadas por estas tecnologías. Se trata de un sistema de protección contra los pulsos de sobretensiones de retorno provocados por la desadaptación de impedancias. En situaciones límite, esta protección puede ocasionar mal funcionamiento de los equipos con tecnologías recientes y antiguas conectados ambos en la misma instalación.     

 

J-      En aplicaciones de par constante como extrusoras, cintas transportadoras, etc., en las cuales no se necesita variar frecuentemente la velocidad del motor, la salida del VF (variador de frecuencia) tendrá una tensión y frecuencia constantes. En aplicaciones de par variable donde se necesita variar la velocidad o se producen reducciones de velocidad o frenadas como en inyectoras, dosificadores, ascensores, bombas, etc., se producirán desaceleraciones del motor de forma frecuente. Cuando se  disminuye la velocidad de un motor con demasiada celeridad los motores accionados mediante VF se comportan como generadores eléctricos, y la energía acumulada en los devanados eléctricos de éstos, retornara hacia el VF, a este fenómeno se le denomina "energía eléctrica regenerativa", esto incrementa peligrosamente el voltaje del Bus de CC (Banco de condensadores) del VF, o sea, se incrementa el voltaje presente en los condensadores intermedios del variador de frecuencia, de este modo se producirá el disparo de las protecciones del VF por sobretensión en el circuito intermedio al alcanzar cierto umbral de voltaje programado de fábrica, el cual no se puede superar porque destruiría el aislamiento de los condensadores del Bus de CC provocando un cortocircuito. Para que no suceda el disparo por sobretensión, cuando se alcanza un determinado umbral pre programado de tensión en el Bus de CC, los VF reducen la frecuencia o velocidad de salida de forma gradual para que la tensión en los condensadores del circuito intermedio no se eleve de forma brusca y produzcan el disparo de la protección, de este modo se produce un retraso de tiempo para que se recupere el ciclo de trabajo durante el tiempo de desaceleración y el motor se comporte de nuevo como receptor eléctrico. En caso de procesos productivos en los cuales la cadencia del ciclo de trabajo es elevada, por ejemplo, en dosificadores o inyectoras, se perderá un tiempo por cada ciclo de trabajo ejecutado, lo cual reduce la producción. La instalación de resonadores vectoriales resuelve este problema ya que la energía que sale del VF solo circula en la dirección del motor, y bloquea la energía eléctrica regenerada que se produce en las desaceleraciones del motor, que es consumida por éste, frenando el eje. Esto contribuye para reducir el tiempo de ciclo de trabajo, incrementando de este modo la producción. La frenada regenerativa utilizando la energía cinética de un automóvil se basa en el mismo principio de funcionamiento, dicha energía puede ser almacenada en las baterías del automóvil o utilizada para frenarlo, incrementando su eficiencia.   

     

K-      El siguiente dibujo muestra la estructura de un cable balanceado especialmente diseñado para instalar en la salida de los variadores de frecuencia hacia el motor. Tratándose de impedancia, este tipo de cables tiene mejor comportamiento que los cables normales apantallados, pues las intensidades de las corrientes de alta frecuencia que transportan los conductores de las fases se reparten entre la pantalla y los conductores de protección a tierra creando de este modo un campo electromagnético homogéneo que evita que las frecuencias altas sean radiadas por la pantalla del cable, dichas corrientes son enviadas a tierra por los conductores de protección. Debemos recordar que las puestas a tierra de los conductores apantallados que utilizan los VFs deben conectarse únicamente a una puesta a tierra separada de la instalación de baja tensión, o sea, las tierras de las mayas no debe conectarse a la misma tierra que el neutro del transformador o instalación de baja tensión, de lo contrario se producirá un bucle de circulación de corriente entre las masas, esto produce ruido eléctrico de baja y alta frecuencia. En el mismo sentido, los conductores de enlace de los electrodos de puesta a tierra con el embarrado de conexión de las pantallas han de ser planos y no redondos para reducir la impedancia frente a las frecuencias elevadas, a su vez los electrodos de la puesta a tierra preferiblemente deben ser de grafito que tienen una XL (reactancia inductiva) casi despreciable gracias a la naturaleza resistiva del electrodo de grafito, los electrodos de acero revestidos de cobre tienen una XL muy elevada comportándose como si se tratase de un circuito abierto para las frecuencias elevadas, por ello las corrientes de alta frecuencia conducen a tierra por los electrodos metálicos de forma irregular y en algunas ocasiones no conducen. Si no se hace todo esto y se instalan cables redondos para derivar las pantallas a tierra, con electrodos metálicos, los mismos podrían comportarse igualmente como un circuito abierto para la alta frecuencia, y por lo tanto el cable apantallado no funcionara correctamente, y las corrientes de alta frecuencia serán distribuidas por todas las masas de la instalación eléctrica que estén conectadas a la puesta a tierra del neutro del transformador, e igualmente alcanzaran al transformador.  

 

 

      

L-     Como es de esperar el precio de los cables balanceados es mas elevado en comparación con los normales no balanceados, otro dato de interés es que la efectividad de los balanceados es referida solamente a la atenuación que ofrece el cable en alta frecuencia, frente a la potencia radiada al aire. En las inmediaciones donde se encuentra el variador interesa que exista poca interferencia radiada por el cable conectado a la salida del VF con objeto de que los circuitos de control del variador no sean interferidos, esto se consigue si toda la instalación de las pantallas y puestas a tierra se realiza adecuadamente. Sea cual sea el tipo de cable empleado para la conexión de un VF con el motor, se debe evitar emplear conductores individuales independientes, aunque éstos sean apantallados. Los cables individuales (unipolares) de gran longitud empleados para la conexión entre el motor y el variador aumentan la impedancia entre motor y variador, lo cual produce mayores voltajes de retorno hacia el variador, que pueden superar el aislamiento de los transistores de potencia del variador. 

M-      La desadaptación de impedancias provoca, que parte del voltaje de los pulsos enviados por el variador hacia el motor, "retorne" hacia el variador de frecuencia, de este modo las ondas de los voltajes de retorno "suman" sus voltajes a las nuevas ondas de los voltajes que van camino del motor, produciendo sobretensiones que en el mejor de los casos alcanza típicamente 1.350 V, y en el peor de los casos superan los 2.000 V, con lo cual los transistores del variador de frecuencia y los aislamientos del devanado del motor son sometidos continuamente a tensiones mayores que las de diseño del aislamiento en el caso de los devanados de los motores de baja tensión, y a sobretensiones mayores que la tensión máxima de funcionamiento de los dispositivos electrónicos de potencia del variador, nos referimos a los transistores de potencia del variador que manejan la carga del motor, que en el mejor de los casos no alcanzan ni la mitad de longevidad prevista para dichos dispositivos al ser su tensión máxima característica por diseño de 1.200 V CC. Llegados a este punto nos podemos preguntar si existen transistores con mayor tensión de aislamiento, lo cierto es que si existen, pero éstos últimos tienen mayor capacidad entre los electrodos de control y por lo tanto menor velocidad de conmutación debido a que necesitan mayor tiempo para cargar una capacidad mayor por el circuito de control, o sea, los tiempos necesarios para conectar y desconectar la carga son mayores en los transistores con mayor tensión de aislamiento, por lo que estos últimos transistores se utilizan en aplicaciones distintas para el control de circuitos con menor velocidad de conmutación y mayor tensión de funcionamiento, donde los tiempos de conmutación no son tan críticos como los de un variador de frecuencia. Los tiempos típicos de conmutación de un transistor de potencia de cualquier variador de frecuencia rondan 0,2-0,3 μs (micro segundos), un tiempo mayor de conmutación podría significar que los transistores no desconectaran a tiempo la carga y producir un cortocircuito con la tensión de diferente polaridad de otro transistor del mismo variador, pues cada variador de frecuencia dispone de seis transistores como mínimo que manejan las tres fases de salida del variador a razón de dos transistores conectados a diferente polaridad por cada fase del motor. Por esta causa las longitudes grandes de cables entre variador y motor, así como una velocidad menor de conmutación, o un error en el direccionamiento de los transistores provocado por las EMI conducidas por los cables de unión entre variador y motor, pueden facilitar la aparición o presencia de dos pulsos de voltajes de diferente polaridad en el mismo conductor y al mismo tiempo, produciendo un cortocircuito.

N-      Actualmente los accionamientos no lineales para motores son mayoría en la industria, del mismo modo la generación de energía eléctrica fotovoltaica que utiliza la misma tecnología que los VF, así como las fuentes de alimentación conmutada, y los aparatos de alimentación ininterrumpida (SAI), o (UPS), han contaminado ya todo el tejido eléctrico industrial con armónicos de BF (Baja Frecuencia) y armónicos de AF (Alta Frecuencia). Estos fenómenos generan distorsiones intolerables en la forma de onda de la red eléctrica, provocando anomalías de todo tipo, mal funcionamiento de circuitos sensibles, y mayor consumo de energía que no genera trabajo alguno, lo cual produce mayor temperatura que afecta al aislamiento de los receptores eléctricos, reduciendo su vida útil. Cuando los VF y los inversores fotovoltaicos funcionan con este grado de distorsión en la red, los mismos mal funcionan o pueden cometer errores en el direccionamiento de los pulsos PWM que comandan a sus semiconductores de potencia (transistores), ocasionando cortocircuitos internos que destruyen los transistores de potencia de estos aparatos. Esto problemas suceden especialmente en los aparatos más antiguos como los VFs de tecnologías anteriores que no fueron desarrollados para trabajar en presencia de estas anomalías en la red, siendo una solución la sustitución de éstos por otros aparatos con tecnología más reciente. 

      Si no queremos adquirir VFs nuevos para sustituir los antiguos porque éstos todavía funcionan, otra solución consiste en instalar Resonadores Vectoriales, con ello se obtienen los siguientes beneficios: adaptación perfecta de impedancia del motor y variador, lo cual elimina los retornos de tensión desde el motor hacia el variador, se eliminan las sobretensiones en el motor, el mismo es alimentado con una forma de onda exenta de armónicos de baja o alta frecuencia, el rendimiento eléctrico del motor aumenta, disminuye la temperatura de operación en el motor y en el VF, la longevidad del motor y del variador aumentan de forma notable, lo cual reduce la posibilidad de averías, desaparecen los armónicos de alta frecuencia radiados por los conductores de acometida que conectan variador y motor, pues en la salida del variador ya no se producen armónicos de AF, la energía electromagnética radiada por los mismos conductores es eliminada al 99,9 %, ello tiene un beneficio directo en toda clase de comunicaciones. En acometidas desde el variador al motor de grandes longitudes, la instalación de resonadores vectoriales es la única solución que existe para evitar instalar cables apantallados de precio más elevado, que no resuelven los problemas. Cuando existen longitudes elevadas entre VFs y motores, se originan retornos de pulsos de sobretensión de elevada magnitud que destruyen los aislamientos de los devanados del motor, y perfora el aislamiento de los semiconductores de potencia de los VFs. Otro problema importante que se elimina con la instalación de un resonador vectorial es la electrolisis en bombas sumergibles, en efecto, el problema de la electrolisis en los metales de una electrobomba sumergible y en la chapa del sondeo de un pozo es amplificado por la presencia de un VF. Una electrolisis elevada desintegra los metales de la bomba y descompone la chapa del sondeo, la instalación de un resonador vectorial devuelve la electrolisis a los niveles aceptables, aumentando así la vida de la instalación      

      Las "nuevas tecnologías" para accionamientos de motores mediante VFs, o los inversores fotovoltáicos que generan onda PWM se basan en los nuevos transistores de SiC (Carburo de Silicio), éstos transistores operan a frecuencias mucho mayores que los actuales transistores más lentos. De forma genérica los transistores convencionales conectan o desconectan la carga en tiempos de 450 ns (nano segundos), por su parte los SiC conectan o desconectan la carga en 45 ns. Gracias a su alta velocidad de operación los transistores de SiC producen menores pérdidas de energía durante las conmutaciones de la carga, lo cual se traduce en mayor rendimiento energético. Para comandar los transistores de SiC se utiliza un nuevo algoritmo de control denominado “doble pulso”, es decir por cada pulso de control que envía la CPU (tarjeta electrónica de control) al transistor de SiC, en realidad se envían dos pulsos con una separación de tiempo muy pequeña, a frecuencias mucho mayores, esto requiere de circuitos de control mucho más rápidos y precisos, donde ya no caben errores de control. Actualmente las potencias operadas por los transistores SiC son reducidas, siendo ésta una tecnología en desarrollo.

 

IMPEDANCIA Y RESONANCIA

      En la imagen inferior tenemos de izquierda a derecha: sinóptico de interpretación de Impedancia (Z), cálculos y definiciones, vectores de resonancia, triángulos de Impedancia, y resonancia. La impedancia eléctrica (Z) es la "oposición" que produce un material conductor, un material semiconductor, un circuito eléctrico, o aparato eléctrico, al paso de una intensidad de corriente alterna, el resultado de la oposición es una resistencia al paso de la corriente que se mide lógicamente en Ω ohmios, por ejemplo (Z = 10 Ω). Todos los materiales o circuitos eléctricos contienen una parte de resistencia (R), otra de capacidad (C), y otra de inductancia (L), en los cuales predomina una de las tres magnitudes, por ejemplo a una bobina se le puede denominar inductancia, a dos placas separadas por un aislante se le puede llamar condensador, y a una película plana de grafito se le puede denominar resistencia, aunque ninguno de ellos se trate de L, C, o R teóricamente pura, porque todos ellos tienen cierta magnitud de los tres componentes aunque dicha magnitud sea pequeña. Fundamentalmente L y C son dependientes de la frecuencia, de modo que cuando dichos componentes son atravesados por una intensidad de corriente alterna, éstos modifican el valor de oposición en Ω, a esto se le denomina reactancia (X), para los condensadores es reactancia capacitiva (Xc), y para las inductancias se denomina reactancia inductiva (XL). La Xc de un condensador es inversamente proporcional a la frecuencia de la corriente que es conducida a través de C, la XL de una inductancia es directamente proporcional a la frecuencia de la corriente que atraviesa a L. Se produce resonancia eléctrica cuando los Φ (ángulos de fase) de la corrientes de L y de C son iguales (XL=Xc), en este caso, la oposición al paso de la corriente alterna es el mínimo valor posible del circuito (Z=R), donde teóricamente solo queda R, pero como ya hemos explicado antes, todos los materiales o circuitos contienen cierta proporción de L, C, y R. Por lo tanto, cuando un material o circuito eléctrico se encuentra en resonancia igualmente se produce la mínima reactancia (X) al paso de una corriente alterna. Así, para todos los materiales o circuitos se produce resonancia a determinada frecuencia, denominada "frecuencia de resonancia", F(0), o Fr. Los circuitos resonantes producen las menores perdidas posibles de potencia eléctrica cuando son atravesados por una intensidad de corriente alterna, a la misma vez los circuitos resonantes posibilitan el paso de la mayor potencia posible, desperdiciando la menor cantidad de potencia eléctrica, porque en teoría los circuitos resonantes no contienen XL ni Xc, solo contienen R (resistencia óhmica de los materiales), y ésta es muy pequeña en comparación con sus reactancias.

      La cuestión de mayor interes para un VF reside en que se produzca resonancia para cualquier frecuencia de salida del variador, tanto para las frecuencias portadoras PWM, como para las bajas frecuencias de accionamiento que mueven al rotos del motor. Precisamente eso, es lo que hace un resonador vectorial.

      En la imagen siguiente se muestra el cuadro de resonancia para circuitos eléctricos "LC", en el cual podemos ver que cuando un circuito compuesto por C (capacidad), y L (Inductancia) se encuentra en resonancia, dicho circuito tendrá la menor impedancia "Z" (oposición al paso de la corriente alterna) posible, que dicho circuito puede ofrecer al paso de una corriente para una determinada frecuencia. En estas condiciones la impedancia Z tiene un valor cercano a "cero ohmios", es decir, cuando un circuito eléctrico es resonante solo queda la resistencia "óhmica" de los meteriales que lo componene para limitar la corriente que circula por por dicho circuito, pudiéndose alcanzar intensidades muy elevadas con efectos destructivos, si las protecciones contra sobre corriente no funcionan a tiempo. A frecuencias bajas los componentes XL (reactivos inductivos) como bobinas, reactancias, motores, transformadores, etc. obtienen su menor valor de impedancia cuanto más baja es su frecuencia de funcionamiento. A frecuencias altas los componentes Xc (reactivos capacitivos) como condensadores, obtienen su menor valor de impedancia cuanto más elevada es la frecuencia de funcionamiento. Cuando un circuito LC se encuentra en resonancia, la fase de L y la fase de C se encuentran igualadas respecto a su ángulo eléctrico. Estas características de los materiales eléctricos son aprovechadas para calcular el funcionamiento de los resonadores vectoriales. Los resonadores vectoriales adaptan las impedancias de los variadores de frecuencia a los motores, lográndose las menores pérdidas posibles y la mayor transferencia de potencia, y la ausencia total de las tensiones de retorno, del mismo modo los resonadores vectoriales, adaptan las impedancias de los inversores fotovoltaicos a la carga, que es la propia red eléctrica, con ello se produce la eliminación de todos los armónicos de alta frecuencia generados por el inversor y la adaptación de la impedancia del inversor a la red, lograndose la mayor transferencia de potencia posible desde el inversor a la red.

 

GENERACIÓN DE ARMÓNICOS DE BAJA FRECUENCIA      

      Cuando se rectifican voltajes trifásicos con puentes rectificadores de seis diodos para obtener CC a partir de tensiones alternas trifásicas, se generan armónicos impares de la frecuencia fundamental de 50 Hz de la red, el primer armónico de mayor potencia obtenido al rectificar corresponde al 5º, o sea 250 Hz, el segundo armónico decreciendo en potencia corresponde al 7º con 350 Hz y así sucesivamente. Las baterías de condensadores para la corrección del coseno eléctrico y la reducción de consumo de energía reactiva, están diseñadas con condensadores para funcionar a 50 Hz, la naturaleza del consumo de corriente de un condensador es directamente proporcional a la frecuencia que lo alimenta, de modo que el mismo condensador funcionando a una frecuencia del doble con el mismo voltaje de alimentación, éste consumirá el doble de intensidad, pero se averiaría. Aunque en realidad los armónicos de las tensiones rectificadas no disponen de la misma magnitud de tensión que la red, resulta que la frecuencia de los armónicos es mucho más elevada que la de red. Cuando se producen armónicos éstos se mezclan con la tensión de la red, resultando una forma de onda distorsionada compuesta por todas las frecuencias presentes, que afecta a las baterías de condensadores produciendo problemas y averías. Respecto a las baterías de condensadores, los inversores de las plantas fotovoltaicas, igualmente funcionan basados en la tecnología PWM y por lo tanto producen los mismos problemas en los condensadores, e incluso mayores, debido a que en ocasiones las plantas fotovoltaicas tienen mayor potencia que los variadores de frecuencia, y a que el rango de los armónicos producidos por los inversores fotovoltaicos es mucho más elevado que el de los variadores, siendo característico que la conexión de una planta fotovoltaica produzca en muy poco tiempo la destrucción de todos los condensadores de compensación de energía reactiva, y de todo tipo de condensadores, como por ejemplo los condensadores que contienen las fuentes de alimentación para circuitos electrónicos.

      Grafico registrado con analizador vectorial de redes, donde podemos observar la forma de onda de referencia sin contaminación armónica (color azul), y la forma de onda resultante (color rojo) compuesta por la onda de red más los armónicos 5º (verde), y 7º (marron), presentes en la red de esta instalación, dicha forma de onda es la que alimenta a la instalación. Esta deformación en la forma de onda en esta instalación es causada por la presencia de variadores de frecuencia y una planta fotovoltaicas conectada en la misma instalación eléctrica.

      

      En la siguiente imagen podemos observar el grafico registrado con el analizador de espectro, correspondiente a las frecuencias generadas por un variador de frecuencia que alimenta a un motor de 200 KW que trabaja a una frecuencia elevada, en la parte superior de la imagen se muestra la magnitud de los armónicos de orden impar 5º, 7º, 9º, y 11º, en la parte izquierda de la imagen, correspondientes a las frecuencias armónicas, en la parte inferior de la imagen se muestra la forma de onda fundamental en (color amarillo) que como podemos ver se encuentra completamente distorsionada.

     

INTERFERENCIAS Y AVERIAS PROVOCADAS POR LOS INVERSORES DE PLANTAS FOTOVOLTAICAS

      En la actualidad los inversores de las plantas fotovoltaicas son las mayores fuentes generadoras de interferencias EMI y anomalías eléctricas que producen problemas por interferencias y disparos fortuitos de las protecciones diferenciales, sin que en apariencia exista ninguna causa de defecto por fuga a tierra en la instalación. Esto sucede porque el ruido eléctrico que producen los inversores en la modulación PWM tiene un ancho de banda de espectro de frecuencias de varios MHz, también sucede frecuentemente como hemos analizado con nuestros instrumentos, por fallos del sincronismo del inversor al sincronizar la energía generada por las placas fotovoltaicas con la red eléctrica. Cuando las placas fotovoltaicas comienzan a generar energía, esto es a la salida del sol, o cuando dejan de generar energía cuando desaparece el sol, el inversor conecta o desconecta la energía generada a la red eléctrica. En el instante de la conexión centenares de pulsos PWM provenientes del inversor que nunca se encuentran sincronizados con el ángulo eléctrico del voltaje de la red, son acoplados conectados en paralelo con la red, esto sucede durante el tiempo necesario para que la "onda de intensidad PWM" coincida con el ángulo de la corriente de red, típicamente transcurren varios periodos de red con una duración de 20 milisegundos por cada periodo de red, durante este tiempo las protecciones diferenciales acusan corrientes "inversas" de entrada a la red que son interpretadas por los interruptores diferenciales como defecto de aislamiento, provocando el disparo y apertura de los interruptores de los circuitos que protegen. En la mayoría de ocasiones en las que se encuentran instalados diferenciales ajustables, lo que suelen hacer los instaladores de las plantas fotovoltaicas es desajustar los relés de protección diferencial para permitir mayores corrientes de defecto detectables por los diferenciales y desajustar los tiempos de respuesta para el disparo, aumentando así el tiempo y la corriente que necesitan las protecciones para disparar en caso de defecto, esta práctica es incorrecta, pues en caso de disparo por defecto leve, la mayor corriente permitida por el diferencial y un tiempo excesivo de retardo, pueden producir una avería de magnitud considerable, de coste elevado. En efecto, si las protecciones diferenciales no disparan por encontrarse desajustadas cuando se producen fallos de sincronización del inversor en una planta fotovoltaica al conectar a la red, en estos casos los defectos provocados por los inversores fotovoltaicos penetraran en toda la red eléctrica ocasionando mal funcionamiento de los equipos y maquinas, o averías en los mismos, para las que no se les encuentra ninguna explicación.

      Otras de las anomalías constatadas por nuestros equipos de medida en plantas de energía fotovoltaica consiste en la alteración de la frecuencia de inserción cuando conectan a la red. La frecuencia de la red es de 50 Hz, para conectar cualquier fuente de energía eléctrica a una red, su frecuencia obligatoriamente debe coincidir con la de red con una precisión de pocas décimas de grado, de lo contrario, una desviación de algunos grados en las dos frecuencias, esto es la frecuencia de la red y la frecuencia de la fuente que se pretende conectar con la red, supondría una diferencia de voltajes, y por lo tanto sucedería un cortocircuito al acoplar las fases conectándolas. En nuestros registros realizados con nuestros instrumentos de medida para averiguar las causas de los disparos de protecciones que suceden durante las conexiones en paralelo de inversores fotovoltaicos a la red, en todos los que se ha producido disparo de la protección diferencial, aparecen en el registro oscilogramas con frecuencias diferentes de los inversores y de la red en el instante de la conexión, dichas diferencias de frecuencia son de hasta 21 Hz por encima o por debajo de la frecuencia de la red, lo cual significa el disparo asegurado de la protección diferencial, habiendo quedado registrado en todos los casos. Estos problemas suceden mayormente en inversores de baja calidad.

      Con las protecciones diferenciales que no disponen de ajustes, el "trucado" de la protección diferencial no es posible y los dispositivos de protección por defecto de aislamiento (interruptores diferenciales) interferidos por las anomalías de conexión a la red de las plantas fotovoltaicas, disparan erróneamente cortando la alimentación a circuitos eléctricos que en ocasiones su funcionamiento puede ser "critico" para el proceso productivo.

      La práctica extendida por la totalidad de instaladores electricistas de plantas de producción de energía eléctrica fotovoltaica es "desobedecer" las normas reglamentarias que exigen instalar protecciones magneto térmicas y diferenciales en el "punto de conexión de la red", como se prescribe por el REBT (Reglamento Eléctrico para Baja Tensión) y sus hojas de interpretación técnica, aludiendo en la mayoría de ocasiones a que dicha protección la lleva incorporada el inversor, y en otras ocasiones solo se instala el interruptor magneto térmico, pero nunca se instala la protección diferencial. Sucede que en caso de defecto por sobre corriente o cortocircuito de la acometida al inversor o del propio inversor, no existiría protección alguna para desconectar la acometida, del mismo modo sucedería lo mismo con la protección diferencial, en el caso de presentarse un defecto de aislamiento por fuga a tierra no existiría ningún elemento que despeje el defecto. La ausencia de protección diferencial con origen en el cuadro general de protecciones la hemos constatado en todas las ocasiones en las que se han instalado plantas fotovoltaicas en las instalaciones de nuestros clientes.  Esta práctica equivocada y peligrosa para la instalación eléctrica y para el personal se realiza por dos motivos injustificables, el primero para evitar el disparo de un interruptor diferencial, si no existe no se producirán disparos cuando se instalan inversores fotovoltaicos de baja calidad, pues producen gran cantidad de armónicos de alta frecuencia que causan disparos fortuitos de las protecciones diferenciales y fallos de sincronismo de frecuencia al conectar a la red, o al desconectar de la red, provocando igualmente disparos indeseados de las protecciones diferenciales. El otro motivo es por economía de ahorro en protecciones eléctricas que no se instalan, que en realidad son imprescindibles y obligatorias. No existe justificación alguna para prescindir de la protección diferencial, los problemas vendrán cuando dicha instalación fotovoltaica tenga que pasar una OCA de baja tensión, en la cual no se permite la ausencia de protección diferencial, y habrá de instalarse, por lo que conviene que dicha protección exista desde el inicio de la instalación para evitar averías mayores o siniestros.

      Los interruptores de protección diferencial disponen de un circuito electrónico que mide constantemente la corriente que circula por defecto de aislamiento, en caso de producirse un defecto que supera los umbrales de corriente y tiempo pre ajustados, el circuito electrónico produce el disparo del interruptor diferencial para despejar el defecto, abriendo el interruptor. Cuando los inversores fotovoltaicos se encuentran instalados muy cerca de los interruptores de protección diferencial, el circuito electrónico de medida de corriente de defecto, es influenciado por los armónicos de alta frecuencia que generan los inversores, causando disparos fortuitos de la protección sin ninguna causa de defecto, incluso en ocasiones puede producir la avería del circuito electrónico del relé diferencial, produciendo el disparo de la protección diferencial cuando se intenta rearmar el interruptor.   

      La "admisión" de todas las anomalías provocadas por los inversores fotovoltaicos durante su funcionamiento, por parte de una protección diferencial desajustada expresamente para que no dispare, significa la "cocción a fuego lento" de todos los aparatos eléctricos y electrónicos conectados en la instalación.

      La incorporación de un resonador vectorial conectado entre los inversores fotovoltaicos y la red, soluciona estos problemas al 100%. En la mayoría de instalaciones la reducción de potencia de las interferencias EMI y las anomalías eléctricas cuando existe un resonador instalado, se reducen entre 100.000 veces como mínimo y 1.000.000 de veces, de este modo tanto el ruido que causa disparos de protecciones diferenciales y las EMI que perjudican las comunicaciones, simplemente se puede decir que desaparecen. 

      En la imagen siguiente podemos ver el resultado obtenido después de instalar dos resonadores vectoriales a dos inversores fotovoltaicos que vierten la energía generada a la misma red eléctrica, donde podemos observar que la cifra de ruido para un BW (ancho de banda) de frecuencias de  991 KHz es menor que -90 dB de media, cuando antes de la instalación del resonador era de -30 dB una cifra realmente muy alta, mucho mayor que la potencia de todas las emisoras de radio o comunicaciones de toda índole, incluidas las WiFi, y los armónicos que producen los VFs. Por lo tanto en este caso el nivel de reducción en la cifra de interferencias y ruido significa que la potencia de las EMI se ha reducido en 60 dB. Aclaramos que el (dB) es una medida logarítmica en base 10 para potencia, lo cual significa que una reducción de -10 dB equivale a dividir la potencia por 10, -20 dB equivale a dividir la potencia por 100, -30 dB equivale a dividir la potencia por 1.000, y así sucesivamente. Por lo tanto, la reducción de ruido e interferencias producidas por los inversores fotovoltaicos se han reducido con la instalación del resonador en este caso, en -1.000.000 de veces. Incluso el armónico fundamental de la frecuencia portadora PWM de 16 KHz se encuentra a -87dB, lo cual es una mejora muy importante.

     

      Foto detalle de los dos resonadores vectoriales comentados en el caso anterior. Los inversores fotovoltaicos se encuentran en la parte inferior de la imagen, por razones de espacio los resonadores estan instalados encima de los inversores.

 

Fotografía de resonador vectorial instalado en el inversor fotovoltaico de la planta de otro cliente.

 

PROTECCION INADECUADA DE VARIADORES 

      La protección efectiva "contra sobre corriente" de los transistores de potencia de los VF, así como la protección efectiva de los diodos del puente rectificador de AC a CC también de los VF, solo puede ser garantizada por fusibles ultrarrápidos del tipo aR o gR del calibre adecuado a la potencia del VF, si éstos están seleccionados correctamente, causarán la interrupción de las corrientes de defecto por cortocircuito en 1-2 ms (mili segundos). En caso de defecto por sobre corriente los interruptores de protección magneto térmica logran disparar y abrir el circuito que alimentan según las especificaciones de los fabricantes, en tiempos no inferiores a 50-60 ms (mili segundos) en el mejor de los casos, o sea, si dichos interruptores son nuevos, o lo que es lo mismo, instalados recientemente, y por supuesto ajustados correctamente. Para una frecuencia de red de 50 Hz, la onda senoidal de la red de suministro eléctrico tiene un periodo medio de tiempo para el ascenso del voltaje hasta el nivel máximo de 0 a 100%, de 5 ms. Por su parte el tiempo de ascenso del voltaje CC que conmuta un transistor de un VF tiene un tiempo de ascenso para alcanzar su nivel máximo de voltaje de 0 a 100%, de 0,2 µs, ósea, 5 ms / 0,2 µs = 25.000 veces más rápido que el tiempo que tarda la onda de la red eléctrica.

      Asumiendo que las impedancias de la alimentación de red y de los transistores y diodos rectificadores de los VFs son distintas, pues para la red cuenta la longitud existente desde el centro de transformación hasta el VF, y para los transistores y diodos rectificadores cuentan solo las conexiones internas del propio VF, en caso de cortocircuito del motor que alimenta el VF, o cortocircuito en un transistor o un diodo rectificador del VF, el retraso del incremento de la corriente de defecto introducido por la impedancia de la red es de 3-4 ciclos de red, esto son 60-80 mili segundos, para el caso del VF el retraso del incremento de la corriente de defecto es casi nulo o instantáneo porque apenas existe distancia entre las conexiones internas de estos componentes en el VF, y además el suministro de potencia para los transistores comienza en los condensadores internos del VF y estos se alimentan con CC (corriente continua). Explicado todo lo anterior se comprenderá que, en caso de producirse un defecto por la corriente de un cortocircuito de alguno de los transistores del variador, o por cortocircuito en el devanado eléctrico del motor, el tiempo de ascenso de la corriente de defecto tendrá una duración de apenas 0,2 µs. Para agravar la situación en caso de defecto o cortocircuito resulta que la fuente de suministro de potencia en el variador son los condensadores internos, los cuales transfieren su potencia total a los transistores de forma casi instantánea porque la naturaleza de la tensión en los condensadores es CC o corriente continua. Si el dispositivo encargado de despejar la corriente de defeco es un interruptor magneto térmico, el tiempo empleado de 60-80 mili segundos para interrumpir dicha corriente será excesivo, superando la integral de Joule de los dispositivo semiconductores (valor máximo de transferencia de energía de un dispositivo semiconductor en un tiempo definido) lo cual significa que cabe la posibilidad de que los demás semiconductores de potencia (transistores o diodos rectificadores) por los que circula la corriente de defecto, puedan averiarse.

      Cuando se refiere a un semiconductor de potencia, la integral de Joule es un índice de la energía máxima que éste es capaz de soportar sin producirse un daño irreversible, durante un tiempo definido, entendiéndose un cortocircuito. Una protección contra fuerte sobre intensidad es correcta cuando el valor de la Integral de Joule del elemento protector, es inferior a la del elemento protegido. 

      Si el dispositivo para interrumpir la corriente de defecto es un fusible ultrarrápido, el mismo se fundirá en 1-2 ms despejando la sobre corriente, y protegiendo de este modo al VF. La presencia de fusibles ultrarrápidos como protección de variadores de frecuencia no puede sustituir en ningún caso a la protección magneto térmica, pues la normativa exige que ante un defecto por sobre corriente en una de las fases, el dispositivo de protección debe desconectar todos los conductores de las fases más el conductor del neutro si éste existe, y esto no es lo que hacen los fusibles, por lo tanto los fusibles ultrarrápidos deben ser una protección complementaria, pero imprescindible en un variador de frecuencia. Por ejemplo: los fusibles "normales" de clase gG adecuados para un motor de 220 KW que trabaja con tensiones de 400 V AC deben ser de 630 A, los mismos fundirán para liberar una carga de 5 X In en 2 segundos, este es un tiempo más que suficiente para producir una avería en los semiconductores de potencia de los variadores de frecuencia. Cuando dicho motor es alimentado por un variador de frecuencia los fusibles "ultrarrápidos" de clase aR adecuados deben ser también de 630 A, éstos fusibles fundirán para despejar la misma carga de 5 X In en 0,018 segundos, o sea, los fusibles ultrarrapidos fundiran: 2 s / 0,018 = 111 veces má rápido que los fusibles normales, liberando así la sobrecarga y protegiendo los semiconductores de potencia de un variador de frecuencia. En caso de "cortocircuito" en un motor cualquiera, la corriente de defecto solo está limitada por la impedancia de la línea de acometida al motor y por la Icc (intensidad de corto circuito del transformador), normalmente docenas de KA, en presencia de estas magnitudes los fusibles ultrarrápidos funden para despejar el cortocircuito en tiempos menores a 1 ms (mili segundo), por su parte los fusibles normales, así como los interruptores de protección magneto térmica, no liberaran nunca la corriente del defecto antes de que se haya producido el fallo de los semiconductores. Es cierto que la mayoría de los VF disponen de protección electrónica frente a corrientes elevadas, pero ello no constituye la seguridad sobre la que descansa la protección, pues estos sistemas de protección electrónicos de los VF están condicionados por los ajustes, y éstos pueden estar desajustados, o no funcionar, por su parte un fusible ultrarrápido adecuado siempre fundirá.

      Tabla comparativa de tiempos de actuación de los fusibles ultrarrápidos de tipo aR (izquierda) calibre 630 A, y tiempos de actuación de fusibles normales tipo gG (derecha), calibre 630 A, para fusibles de cuchillas tamaño NH3 en ambas tablas. Podemos observar que el fusible ultrarrápido en comparación con un fusible normal actúa con una corriente de 17.000 A / 5.800 A = 2,93 veces menor corriente para el mismo tiempo de actuación de 0,01 segundos. Pero es que, además, si la corriente fuese de 7.500 A el tiempo de actuación del fusible ultrarrápido del tipo aR sería de 0,001 segundos (1 mili segundo), por su parte el fusible normal del tipo gG actuaría en un tiempo de 400 mili segundos, que son 400 veces más tiempo para actuar. Lo cual evidencia la falta de eficacia de los fusibles normales como protección de los semiconductores de potencia de los variadores de frecuencia e inversores fotovoltaicos. 

     

      Sin el desarrollo de alta tecnología en el campo de los variadores, convertidores, UPS, y sus “semiconductores de potencia” que manejan la carga, el suministro de energía actual sería impensable. Estos importantes dispositivos, sin embargo, son muy sensibles a las corrientes de cortocircuito. Por eso, es tranquilizador saber que los fusibles trabajan tan rápido que son capaces de proteger los semiconductores de las sobrecargas y así conseguir que los equipos sigan trabajando por mucho más tiempo. El diseño de equipos rectificadores, variadores, convertidores, y UPS, requieren de un estudio específico para la adecuada protección de los semiconductores de potencia. Los componentes semiconductores tienen una capacidad térmica baja lo que hace que la protección para sistemas estándar equivalentes sea insuficiente. La selección del fusible de protección basándose únicamente en la intensidad y tensión empleadas ya no es válida y se tienen que considerar los siguientes aspectos: Alta velocidad de respuesta en el rango de sobrecargas; Integrales de Joule ajustadas a los valores de los semiconductores; y Bajas tensiones de desconexión durante el proceso de fusión del fusible gracias a la alevada velocidad de fusión. Los fusibles ultra rápidos alcanzan todos estos objetivos, por el contrario, las protecciones convencionales como fusibles normales de clase gG o gL, y aM, así como los interruptores de protección magneto térmica, no son adecuados para la protección de semiconductores de potencia en caso de sobrecarga, porque su excesivo tiempo de actuación, causaría la rotura de los semiconductores. Los fusibles ultrarrápidos no garantizaran la protección efectiva de los semiconductores de los variadores en caso de agotamiento dieléctrico de dichos semiconductores. Efectivamente, si un semiconductor falla por agotamiento dieléctrico, el mismo producirá un cortocircuito durante el funcionamiento del variador, la misión del fusible ultrarrápido en estos casos no es proteger al semiconductor porque es evidente que su aislamiento ya estaba agotado antes de producirse la falla del mismo, la misión del fusible ultrarrápido en caso de cortocircuito será despejar con la mayor rapidez los efectos que pueden causar una sobre corriente de elevada magnitud aguas arriba en la instalación eléctrica. 

 

ANALISIS DE LAS  SOLUCIONES

      Las longitudes grandes de cables de conexión entre variador y motor amplifica la magnitud del problema de los retornos de pulsos de tensión, pues los intervalos de tiempos de separación entre pulsos PWM pueden llegar a ser tan cortos de tiempo como 1 μs, por lo tanto, en longitudes grandes de cables se dará el caso de que coexistan en el cable varios pulsos al mismo tiempo sumando sus voltajes. Mayores longitudes de cables también favorece la aparición de retornos de tensión donde con cables cortos no sucede. Los cables apantallados no solucionan estos problemas, ya que el apantallamiento se realiza para reducir en parte la radiación de la energía electromagnética transportada por el cable, dicha energía es conducida a las masas de toda la instalación a través del apantallamiento de los cables, generando otros fenómenos eléctricos dañinos no menos importantes, tampoco podemos decir que toda la energía de las EMI conducidas de alta frecuencia vertidas a las masas de la instalación por las pantallas de los cables, sea conducida toda esta energía a tierra, fundamentalmente por el carácter inductivo de la toma de puesta a tierra, que presenta alta impedancia para las frecuencias elevadas, comportándose las puestas a tierra como si se tratase de un circuito "abierto" para las EMI, esto sucede porque la mayoría de los conductores de puesta a tierra son redondos, y porque las puestas a tierra de las pantallas es la misma que la de la instalación eléctrica, por lo cual el "camino" de la puesta a tierra para conducir las corrientes de naturaleza armónica de alta frecuencia no solucionan del todo el problema de las EMI. Del mismo modo el apantallamiento de los conductores tampoco elimina ni reduce el fenómeno de los retornos de pulsos de voltaje debido a las desadaptaciones de las impedancias. Si los cables apantallados no son balanceados, la supuesta eficacia de la pantalla no funcionara, del mismo modo, los apantallamientos que no cubren el 100% de la superficie de los conductores tampoco garantiza que los armónicos de alta frecuencia que circulan por dichos cables, no perjudique los circuitos de control del variador de frecuencia. Para que los apantallamiento de los cables funcionen, además de cumplir con todo lo anterior, se deben conectar las pantallas de los cables a tomas de puesta a tierra separadas y diferentes de las de la instalación eléctrica de baja tensión, conectando las pantallas solamente en el lado de la puesta a tierra instalada a tal efecto para que no se produzcan auto oscilaciones, o resonancias por acoplamiento con los armónicos, y además, los conductores de la puesta a tierra de las pantallas no pueden ser redondos. Este fenómeno tiene las mismas características que las corrientes de AF que son acopladas al eje de los motores cuando no se dispone de rodamientos aislados en uno de los extremos. Las pantallas de los cables tendrán poca eficacia si no se cumplen todos los requisitos anteriores, y pueden originar otras anomalías más complejas que antes del mal apantallamiento de los cables no existían, dicho de otro modo, sin apantallamiento de los cables no se producían.

      Los rodamientos aislados tampoco ofrecen ninguna garantía para interrumpir totalmente la circulación de corriente de alta frecuencia a masa a través de los rodamientos, sobre todo a partir de potencias de motores de 100 KW en adelante, donde la magnitud de los voltajes pueden alcanzar fácilmente tensiones que superan ampliamente al aislamiento del rodamiento, siendo éstos atravesados por las corrientes pertenecientes a dichos voltajes, éste hecho lo hemos constatado en todos los casos de motores grandes en los cuales se producían en todos ellos los mismos problemas, que si no tuviesen rodamientos aislantes montados. Por estas razones los rodamientos aislados no son la solución definitiva para eliminar totalmente la circulación de corrientes de alta frecuencia a masa a través del rodamiento, tan solo retrasan la aparición del problema de la erosión de las bolas y las pistas de los rodamientos por efecto de la electro erosión. La incapacidad para aislar las corrientes de alta frecuencia que atraviesan los rodamientos aislados montados en motores grandes a partir de 100 KW queda manifiesta por la naturaleza y magnitud empleada por los fabricantes de los rodamientos aislados para referir el aislamiento de éstos. En efecto, el aislamiento es referido por los fabricantes de rodamientos en MΩ, esto es un valor de rigidez dieléctrica medida con aparatos que utilizan CC (corriente continua) para medir resistencia, aunque ésta sea elevada, por el contrario, la naturaleza de las corrientes que atraviesan los rodamientos es de AC (corriente alterna), que no se puede correlacionar nunca con el valor de los ohmios medidos utilizando tensiones de CC. Nos ha sucedido en diversas ocasiones que se han medido valores altísimos de resistencia en MΩ, en devanados de motores, y en otros aislantes que no son motores, cuando en realidad sus aislamientos eran críticos o incluso peligrosos, después de haberlos evaluado con medidores de aislamiento que utilizan CA. Por ejemplo un valor de rigidez dieléctrica de 2000 MΩ medido en un aislador que funciona con CA, nos dice poco cuando dicho aislador está conectado a la corriente alterna, donde el parámetro de interés para evaluar su estado de aislamiento para la CA son miliamperios de fuga, lógicamente de CA. Otro dato curioso es, que no se dice cuál es el voltaje al cual es evaluado el rodamiento en CC para referir la rigidez dieléctrica, según las normas para evaluar rigidez dieléctrica (no aislamientos) se debe aplicar al objeto bajo ensayo un voltaje de CC de 2XV+1000 V, lo cual significa por ejemplo, que para evaluar la rigidez dieléctrica de un rodamiento que supuestamente aísla 1000 V, se debe suministrar al rodamiento 2X1000+1000 V = 3000 V. El caso es que nosotros hemos medido este parámetro en rodamientos aislados completamente "finiquitados" (destruidos por las corrientes de alta frecuencia) y el resultado a 3000 V CC de prueba era satisfactorio con más de 2000 MΩ medidos, lo cual no tiene sentido, si atendemos al mal estado del rodamiento. Para ampliar esta importante información puede visitar en nuestra página WEB el apartado MANTENIMIENTO ELECTRICO /Rodamientos y electro erosión, o pinchar el siguiente enlace: /rpdamientos 

        En la siguiente imagen se puede ver el daño causado a la pista de rodadura externa de un rodamiento aislado, por las corrientes de alta frecuencia generadas por un variador de frecuencia que alimenta un motor de 182 KW que acciona una bomba hidráulica. Previamente a la sustitución de los rodamientos de dicho motor se realizó un análisis de vibración a los rodamientos en dinámico con el motor en funcionamiento a 1500 rpm, el resultado arrojado por nuestro analizador de vibración modelo E.L.M. 20-1, fue de 26 mm/s rms. Según la tabla ISO 10816-III-1998 para interpretación de la vibración en motores eléctricos montados en bombas, los datos registrados demuestran claramente que se trata de una avería por desgaste severo en los rodamientos del motor. Dicho motor se encuentra instalado en una máquina que funciona de forma intermitente el 60% del tiempo anual aproximadamente, la máquina fue instalada nueva desde hacía 3,5 años, a la misma vez el motor tiene un ciclo de funcionamiento aproximado de 50% a su velocidad nominal entre subidas y bajadas de revoluciones, el contador de horas de funcionamiento de la máquina mostraba algo más de 17.300 horas, resumiendo los datos el motor ha estado funcionando aproximadamente 365 días X 3.5 X 0,6 X 0,5 = 9.198 horas, de las cuales, el motor mostraba según el personal  que maneja la máquina “mucha vibración desde hacía bastante tiempo”. Desconocemos si el “bastante tiempo” se refiere a un año o a tres meses, siendo conservadores interpretaremos que se trata de tres meses, o sea, 648 horas con el mismo patrón de uso, así con todo ello el rodamiento del motor funcionando montado en éste motor accionado por el variador de frecuencia montado en la máquina ha tenido una duración 8.550 horas a pesar de que se trata de un rodamiento aislado de buena calidad, lo cual coincide con nuestros anteriores registros realizados en otros motores de potencias similares, los cuales son accionados mediante variadores de frecuencia, en los que hemos calculado que los rodamientos aislados no alcanzaban el 50% de su vida útil teórica. No hemos mencionado los problemas y averías que ocasionaron los rodamientos, como paradas de larga duración con pérdida de la producción y averías del motor de distinta envergadura y averías en el variador de frecuencia en algunos casos por falta de protecciones adecuadas, causadas por el quemado del devanado eléctrico del motor.

      

      La rectificación de voltajes trifásicos para obtener la corriente continua que es utilizada por el puente inversor de los variadores de frecuencia, inevitablemente generara la aparición de armónicos de la frecuencia de red, de orden impar, comenzando por el armónico de orden 5º. Como ya hemos comentado anteriormente los armónicos aceleran el envejecimiento de los aislamientos de los condensadores de todo tipo, especialmente los condensadores para la corrección de energía reactiva, provocando mayores consumos de corriente y elevación de temperatura que acaba con la destrucción prematura de sus aislamientos. Las baterías de condensadores que disponen de filtros para atenuar los armónicos de red, solo reducen en parte el paso de los voltajes de los armónicos de red hacia los condensadores, ojo reducen los voltajes de los armónicos de BF (Baja Frecuencia) a razón de una atenuación de frecuencias de tan solo 6dB/octava, resultando que dichos filtros no eliminan armónicos de AF como los generados por las plantas de producción de energía fotovoltaicas, que son armónicos de las frecuencias PWM mucho más dañinos que los armónicos de BF, y son difíciles de medir o cuantificar. Como ya conocemos, la proliferación de plantas de producción de energía fotovoltaicas va en aumento, es común oír de los responsables de fábricas y negocios de todo tipo frases parecidas como: “fue conectar la planta fotovoltaica y comenzaron los problemas de disparo de los diferenciales, los recargos de energía reactiva, los problemas con los condensadores, y finalmente se averiaron todos los condensadores de la batería”, por lo que no podemos considerar que las baterías de condensadores que disponen de filtros para armónicos de baja frecuencia garantice la longevidad de los condensadores, frente a las corrientes de alta frecuencia. Esto sucede porque las corrientes de alta frecuencia son inducidas en los propios condensadores porque éstos están formados en su mayoría  por dos películas de aluminio separadas por polipropileno u otro aislantes, liadas formando una bobina, y por lo tanto forman una inductancia a la cual se acoplan las corrientes de alta frecuencia como si se tratase de una "antena receptora", por esta causa el filtro de baja frecuencia para los condensadores no atenúa las corrientes de alta frecuencia que son acopladas a la inductancia del propio condensador, generando mayores corrientes y calentando el polímero del dieléctrico, causando la falla del condensador en muy poco tiempo.

 

EFICACIA DEMOSTRADA Y GARANTIZADA DE LOS RESONADORES VECTORIALES (SI NO FUNCIONA LE DEVOLVEMOS SU DINERO)

      Cada resonador vectorial fabricado por Montajes Alhama S.L.U. es analizado para comprobar su eficacia y prestaciones, a continuación se describe un análisis.

      Para hacernos una idea del grado de eficacia que alcanza un resonador vectorial para eliminación de todas las causas de sobretensiones y ruido eléctrico de alta frecuencia generado por un inversor fotovoltaico, se muestra a continuación el análisis de impedancia del resonador vectorial instalado en una planta fotovoltaica de 500 KW de potencia nominal. En la imagen podemos ver que todas las frecuencias mayores de 1 KHz obtienen una elevada "impedancia de bloqueo" de 420 Ohmios, lo cual produce la eliminación casi total de toda clase de ruido y transitorios producidos por las frecuencias PWM de alta frecuencia provenientes del inversor fotovoltaico de la planta, las frecuencia de BF (baja Frecuencia) como las  de redes de 50-60 Hz, no se ven afectadas como podemos apreciar en el grafico. La acción de resonancia vectorial se logra de forma automática para cualquier frecuencia de salida PWM de variadores de frecuencia para motores o para inversores de plantas fotovoltaicas.

 

 

MECANISMO DE DESTRUCCIÓN DE CONDENSADORES EN BATERIAS PARA COMPENSACIÓN DE ENERGÍA REACTIVA      

      En las imágenes siguientes podemos ver (izquierda) dibujo de la composición de un condensador para compensación de energía reactiva, éste está compuesto de dos folios metálicos separados por un aislante, dispone de dos terminales uno por cada folio para realizar la conexión. La imagen (derecha) muestra el circuito eléctrico equivalente de un condensador compuesto por los siguientes componentes: (ESR) son las dos resistencias eléctricas que presentan el propio material de los folios metálicos al paso de la corriente alterna, (ESL) son las dos inductancias correspondientes a las bobinas que forman los dos folios metálicos, (C) es la capacidad teórica del condensador, y (Rp) es la resistencia paralela con C que representa las fugas o perdidas dieléctricas del condensador.

      

      Los armónicos de AF (alta frecuencia) que circulan por los cables conductores que alimentan los motores accionados por los VFs vierten gran cantidad de energía electromagnética radiada al aire, una parte de dicha energía se acopla de forma inductiva a las dos inductancias ESL de los condensadores como si se tratase de una antena receptora de radio, otra parte de la energía de AF es conducida por los conductores eléctricos hasta las mismas inductancias ESL del condensador. Al tratarse de dos inductancias individuales, una por cada folio bobinado conectadas a fases diferentes, se crea una "diferencia de potencial" entre las inductancias que ocasiona la circulación de corriente a través del condensador (C). Las tensiones de red más las tensiones de los armónicos de AF suman sus magnitudes en el interior del circuito que forman los componentes, incrementando el voltaje que llega al condensador C, produciendo mayor corriente de perdida dieléctrica o fuga de corriente de lo habitual a través de la resistencia de fugas Rp. El incremento de la corriente de fuga ocasiona una elevación de la temperatura en el interior del condensador que genera mayores DP (descargas parciales) a través del aislamiento produciendo carbonización del material aislante. Cuando la resistencia de fugas del condensador alcanza un determinado estado "crítico", el condensador falla produciéndose un cortocircuito. La creencia divulgada de que los condensadores se averían por la presencia de armónicos y por sobretensiones, es acertada, pero los armónicos que más destruyen los condensadores, como hemos explicado, no son los armónicos de BF (baja frecuencia), sino los de AF (alta frecuencia), y éstos últimos son dificultosos de analizar, de igual modo las sobretensiones que más destruyen los condensadores no son las de la red eléctrica, sino las sobretensiones que provocan las tensiones inducidas de AF (alta frecuencia) en el interior de los condensadores que suman su magnitud a la tensión de red. En los análisis realizados en las baterías de corrección para energía reactiva con condensadores averiados, se ha comprobado que las plantas fotovoltaicas producen mayor número de avería que los variadores de frecuencia.    

      Imagen (Izquierda) condensador individual destruido por sobretensiones armónicas, se puede apreciar que el aislamiento ha sufrido una perforación dieléctrica, y a su vez se ha producido un cortocircuito. Este condensador cilíndrico forma parte de un conjunto de condensadores que suman una determinada potencia, para constituir un condensador trifásico. Imagen (Derecha) condensador trifasico desmontado. Todo condensador trifásico está formado por tres o más condensadores individuales, su número depende de la potencia trifásica, la perforación del aislamiento en uno de los condensadores individuales producirá la apertura de la protección o fusión del fusible asociado, dejando fuera de servicio todo el conjunto.     

 

     

      Los cables balanceados atenúan la intensidad de los campos electromagnéticos radiados al aire de las frecuencias elevadas con mayor eficacia que los cables no balanceados y presentan menor caída de tensión, para lograrlo su instalación deber ser realizada atendiendo a todos los detalles para que la atenuación que ofrecen a los armónicos y frecuencias inducidas en la pantalla sea máxima. Otros beneficios adicionales que aportan estos cables es que tienen menor caída de tensión a frecuencias elevadas como las PWM y por lo tanto presentan menores tasas de ondas de voltajes de retorno. Este tipo de cables ofrece ventajas frente al cable apantallado normal, pero no resuelven el problema de los retornos de tensión por desadaptación de las impedancias del motor, y del variador, de hecho, los cables balanceados no adaptan las impedancias del variador al motor, como aseveran los fabricantes de dichos cables, sin mostrar el más mínimo dato. La adaptación de impedancias solo es posible si los dos aparatos (variador y motor) fuesen cargas lineales, la cuestión es que un motor accionado por un variador es una carga no lineal. La impedancia de un motor como ya hemos explicado es la relación que existe entre la tensión de alimentación y la intensidad que muestra su placa de características, y es fija. Por su parte la impedancia de los cables depende de la capacidad entre los distintos conductores que forman el cable, su inductancia, su resistencia, su longitud, y su capacidad distribuida. por lo tanto, la impedancia del cable es el resultado de factores distintos a los de un motor, que no se pueden correlacionar. Por otro lado, los cables balanceados tampoco resuelven el problema de las sobretensiones de conmutación que producen los transistores de los variadores, como tampoco eliminan las corrientes de alta frecuencia que circulan a través de los rodamientos de los motores, por lo tanto, no podemos considerar a los cables balanceados como solución para ninguno de los problemas mencionados.

      Esquema del circuito equivalente de un cable balanceado, las ecuaciones básicas de las líneas de transmisión dicen que teóricamente para una longitud infinita la inductancia que forma la longitud del cable se encuentra equilibrada con las capacidades a lo largo de toda su longitud, esto reduce la impedancia total del cable para cualquier frecuencia y longitud. En teoría esto es lo que sucede en un cable balanceado cuando conduce frecuencias elevadas como las PWM generadas por los VFs, resultando que la impedancia del cable permanece constante a lo largo de toda su longitud, por ello estos cables tienen menores pérdidas por caída de tensión que los cables no balanceados. Es preciso recordar que un determinado cable balanceado solamente ofrece una impedancia para cualquier frecuencia, ello no significa que el cable balanceado sea una red adaptadora de impedancias entre variador y motor.

 

 

SOLUCIONES

      Los semiconductores de potencia de los VF e inversores para las plantas de energías renovables, deben trabajar dentro de los límites de diseño seguros especificados por los fabricantes de los mismos. Esto no siempre sucede, y en muchas ocasiones los transistores del variador o del inversor "exceden" los límites impuestos de "SOA" para permitir sobrecargas tanto de voltajes como de intensidades de corriente, con fines comerciales de márquetin. Es el caso de los variadores de frecuencia, los cuales desde que se comercializan, en sus especificaciones límite de corriente se mostraba en las hojas de características una corriente de 150 % durante 1 minuto, y 200 % durante un segundo. sobrepasados estos límites el VF se detendría. Pues bien, hoy en día los mismos fabricantes muestran para los mismos productos un límite de corriente de 200 %, durante un minuto. Sin embargo, estos excesos de corriente reducen la esperanza de vida de los VF, y acaban por estropearse en menos tiempo del previsto. Por ejemplo, un transistor con una especificación de corriente máxima absoluta de 2.500 A, trabajara de forma segura a 1.200 A siempre y cuando la temperatura de su capsula no sobrepase los 25 ºC, en la práctica esto no sucede nunca, por lo tanto, el transistor podrá trabajar a temperaturas superiores a 25ºC pero con menor intensidad de corriente, dicho de otra forma, la corriente que maneja el transistor dependerá de su temperatura de trabajo.

 

      Tratándose de variadores de frecuencia y de inversores fotovoltaicos, lo ideal sería que cada pulso de voltaje PWM generado en la salida del variador o inversor fuese acompañado de un incremento gradual de voltaje en forma de escalón al que denominamos (vector), lo cual produciría escalones de voltaje construidos a partir de los pulsos PWM provenientes del variador o inversor, para reconstruir una onda casi perfecta similar a las ondas de tensión de la red eléctrica. Lógicamente las ondas resultantes pueden ser de frecuencias diferentes según la velocidad a la que se requiera hacer funcionar un motor, en el caso de inversores fotovoltaicos la frecuencia sería fija igual a la de red, por ello el producto debe poder acomodarse a cualquier frecuencia de forma que no se necesite realizar ningún ajuste o cambio, a esto lo lamamos (resonancia).

      Como podemos intuir, si conectamos dicho producto a la salida de un variador de frecuencia o inversor fotovoltaico, las ondas resultantes a la salida del producto tendrán la misma naturaleza que las ondas de la red eléctrica con un seno casi perfecto. En efecto, gracias al resultado obtenido a la salida del producto las ondas de tensión ya no consistirán en un tren de miles de pulsos con formas de onda cuadrada por cada polo eléctrico con un voltaje de 1350 V o más, sino que con esos miles de pulsos se reconstruye una sola onda de tensión con voltaje de 400 V RMS con tiempos de subida y bajada de tensión en el rango de mili segundos (baja frecuencia), y no de decimas de micro segundos (alta frecuencia) como sucede con las ondas PWM que salen de los variadores hacia los motores. Gracias a este resultado tan eficaz a la salida del producto, desaparecen los transitorios de sobretensiones de conmutación y el acoplamiento de voltajes de alta frecuencia en el eje de los motores. De este modo ya no se necesitaran rodamientos aislados en los motores, ni cables apantallados para reducir la energía electromagnética radiada por los conductores eléctricos, a la vez que podremos emplear cualquier longitud de los cables sin apantallar para accionar motores que se encuentran instalados lejos del variador de frecuencia como sucede con las electrobombas sumergibles instaladas en pozos profundos, sin temor a que se produzcan retornos de voltajes elevados, simplemente porque el apantallamiento de los conductores ya no tendrá sentido. A dicho producto lo llamamos (resonador vectorial). Se trata de un circuito que convierte los trenes de pulsos de voltaje PWM a la salida del variador de frecuencia o del inversor fotovoltaico, en miles de escalones que forman una sola onda de voltaje ascendente y otra descendente por cada polo eléctrico, reconstruyendo así una forma de onda muy similar a la de la red eléctrica, con la frecuencia que se requiere para cada aplicación que es enviada por los variadores. 

      La presencia de un resonador vectorial instalado en los VF introduce un retraso de tiempo frente a la posibilidad de sobre corriente que puede producirse por un cortocircuito en el motor que es alimentado por el VF, introduciendo 80 mili segundos de retardo, este tiempo es suficiente para producir el disparo de la protección magneto térmica o fusibles ultra rápidos, y despejar así el defecto antes de que se produzcan desperfectos en el variador de frecuencia. 

      Los resonadores vectoriales no tienen partes activas, ni componentes electrónicos, ni tarjetas de control ni nada similar, pues los fabricamos con componentes pasivos, tampoco se necesitan ajustes, se instalan conectados a la salida de los variadores de frecuencia o inversores fotovoltaicos y trabajan realizando su función. 

     En ésta imagen podemos ver la mejora del resultado obtenido a la salida de un resonador vectorial fabricado por Montajes Alhama S.L.U. para una electrobomba de 200 KW de uno de nuestros clientes. Podemos comprobar en la parte superior de la imagen la salida del voltaje PWM del variador de frecuencia en (color amarillo) canal C1, y en la parte inferior de la imagen la forma de onda resultante a la salida del resonador en (color verde) canal C4 donde se puede apreciar la calidad del cambio producido por el resonador, con un seno de la onda reconstruida a la salida de éste muy similar al de la tensión de la red eléctrica. Podemos ver que las ondas cuadradas PWM ya no contienen ninguna sobretensión gracias a que el resonador adapta las impedancias de variador y motor. A la misma vez, la tensión PWM solo alcanza una magnitud de voltaje de U x √², siendo dicho voltaje inferior al del aislamiento de los transistores del VF, alargando así su vida útil.

 

      Montajes Alhama S.L.U. dispone de personal con conocimientos técnicos y experiencia para realizar las mediciones de corrientes de alta frecuencia producidas por los variadores de frecuencia, con ayuda de la instrumentación específica, para calcular las características y fabricar los resonadores vectoriales que se deben emplear para “eliminar por completo” los fenómenos eléctricos que causan las anomalías y averías descritas en cualquier instalación o motor eléctrico.

      Las plantas de generación de energía eléctrica fotovoltaica producen armónicos de alta frecuencia múltiplos de las frecuencias PWM. Dichos armónicos dañan gravemente el aislamiento de toda clase de condensadores sin que nos percatemos de ello, en especial los de las baterías de corrección de energía reactiva que son sus principales "victimas". La solución de incorporar un resonador vectorial a la salida del inversor de una planta fotovoltaica elimina este problema al 100%.

      En la imagen siguiente podemos apreciar el sobresaliente resultado obtenido a la salida de un inversor fotovoltaico al cual se le ha instalado un resonador vectorial fabricado por Montajes Alhama S.L.U. En la parte izquierda de la imagen aparece la diferencia entre las magnitudes de los armónicos medidas en dB a la salida del inversor fotovoltaico (traza de color amarillo), y a la salida del resonador vectorial (traza de color azul). Como podemos ver, la diferencia entre la potencia de los armónicos a la salida de inversor y a la salida del resonador es de -38 dB (decibelios) equivalente a una potencia de los armónicos 6309,57 veces inferior a la salida del resonador. Gracias a esta solución, con el funcionamiento del resonador los condensadores de todo tipo, especialmente los de corrección de energía reactiva, funcionaran indefinidamente como si en nuestra instalación no hubiese ningún armónico. En la parte derecha de la imagen aparecen las formas de onda a la salida del inversor (color amarillo) y a la salida del resonador (color azul), con sus correspondientes tensiones mostradas en las casillas de la derecha, (Medida 1 con 1226 V) en la salida del inversor fotovoltaico, y (Medida 2 con 415 V) en la salida del resonador vectorial. Se puede decir entonces que el cambio obtenido a la salida del resonador vectorial en la calidad de la alimentación eléctrica es muy importante y beneficioso para todos los receptores de la instalación eléctrica.

 

      Enlace para ver video del caso explicado anteriormente /vf_ftv

 

      Otros beneficios significativos de los resonadores vectoriales consisten en que: cuando un variador de frecuencia dispone de un resonador vectorial conectado a su salida, no se producen pulsos con sobretensiones de retorno provenientes del motor, al cual le llega una tensión RMS de 400 V AC. Cuando un variador de frecuencia cuenta con un resonador instalado, las tensiones de CC que conmutan los transistores no producen sobretensiones durante las conmutaciones, alcanzando solamente el voltaje rectificado correspondiente al presente en la red, por ejemplo para una red de 400 V AC tendremos en cada transistor del VF: U X √² = 566 V como máximo en bornes de salida del variador. Estos dos datos equivalen a un seguro de vida para el aislamiento del motor y de los transistores de potencia de los variadores, que consiguen funcionar durante mucho más tiempo, que sin resonador, pues siempre se trabaja en el motor y en el variador, con voltajes que se encuentran por debajo del voltaje máximo de diseño. 

      Respecto a las baterías de condensadores, con los resultados obtenidos en los cálculos realizados a partir de las mediciones, podemos fabricar una batería de condensadores para que pueda tolerar en funcionamiento continuo la presencia de los armónicos de forma indefinida, lográndose en los condensadores la misma longevidad que si no hubiese armónicos. Los productos utilizados para construir dicha batería están especialmente diseñados para trabajar de forma indefinida en presencia de armónicos de elevada magnitud. Para las baterías de condensadores existentes que tienen problemas con armónicos de baja frecuencia y de alta frecuencia la mejor solución es instalar un resonador vectorial en la entrada de la batería, esto aporta dos beneficios, por un lado se evitan corrientes de inserción elevadas en los escalones de condensadores que puede reducir la vida del condensador, se eliminan los armónicos de alta frecuencia que destruyen los condensadores unitarios que componen los escalones de cada condensador, se bloquea el paso de corrientes armónicas de baja frecuencia que pueden producir resonancia con corrientes muy elevadas y destruir los condensadores.

 

BENEFICIOS DE LOS RESONADORES VECTORIALES

      Los cables apantallados que deben ser usados en la salida de potencia de los variadores de frecuencia para conectar el motor con objeto de reducir las EMI, y los cables especiales balanceados, las puestas a tierras separadas, las conexiones con racores metálicos blindados, los filtros de salida en el lado del motor, las inductancias de salida en caso de distancias largas entre el VF y el motor, los toroidales de ferrita para reducir supuestamente la energía de RF generada por el funcionamiento de los VF, las conexiones de las masas equipotenciales, las buenas practicas contra las EMI producidas por el funcionamiento de los VF, etc., no tienen ninguna utilidad ni sirven para nada cuando se instalan resonadores vectoriales. La existencia del resonador en el circuito eléctrico del variador elimina el origen de todos los problemas que causan los VF durante su funcionamiento, así que los demás materiales citados anteriormente ya no tendrán ninguna utilidad, siendo un gasto innecesario. 

 

La instalación de un resonador vectorial

Adapta las impedancias del variador y del motor, eliminando así las sobretensiones de retorno

Elimina la necesidad de instalar cables apantallados o especiales entre el variador y el motor

Se puede instalar culquier longitud de cables entre el VF y el motor, sin necesidad de instalar filtros

Elimina las sobretensiones de conmutación que llegan al motor, aumentando su longevidad

Elimina por completo los arcos de corriente de "AF" (Alta Frecuencia) a traves de los rodamientos del motor

Los rodamientos de los motores alcanzan la vida esperada

Aumenta el rendimiento eléctrico del motor, gacias a las desaparición de las pérdidas adicionales de energía producidas por las conmutaciones del VF

Elimina las sacudidas en motores que operan a velocidad reducida

Eliminación de las pérdidas adicionales en los cables de acometida al motor

Reduce la temperatura en los motores accionados mediante VFs

Elimina las vibraciones de alta frecuencia en el rotor del motor

Elimina el ruido de alta frecuencia producido por el motor

Elimina los armónicos de alta frecuencia causados por las plantas de generación fotovoltaicas, que destruyen los condensadores

Elimina las interferencias EMI causadas por los conductores de acometida al motor

La agrupación de numerosos cables de acometida desde los VFs a los motores no requiere medidas adicionales 

Aumenta la esperanza de vida de los semiconductores de potencia de los variadores de frecuencia

Los Resonadores Vectoriales son aparatos eléctricos estaticos que no necesitan mantenimiento ni ajustes

Un Resonador Vectorial no requiere cálculos, ni conocimientos técnicos, se elige una potencia igual o superior a la del variador o inversor, y ya esta

Reducción drastica de las averías en variadores, inversores, y motores

Eliminación total de las averías recurrentes en baterías de condensadores, causadas por los armónicos de Alta Frecuencia

Destacamos la mayor eficiencia energética cuando se instalan Resonadores Vectoriales

 

      Para todas las instalaciones eléctricas con problemas producidos por lo variadores de frecuencia, y todos los problemas producidos por los inversores de las plantas de generación de energía fotovoltaica, la única solución definitiva y duradera es instalar los resonadores vectoriales que nuestra empresa desarrolla. Se trata de un producto que fabricamos para cualquier potencia y que funciona con el 100% de garantía, eliminando todos los problemas comentados. En nuestra empresa estamos orgullosos de poder destinar gran parte de nuestros presupuestos anuales a la investigación de las causas que originan las anomalías, y al desarrollo de equipos especiales capaces de medir y analizar, los parámetros eléctricos que anteriormente eran difíciles o imposibles de resolver. 

      Para analizar toda clase de fenómenos eléctricos en motores y equipos de accionamiento, Montajes Alhama S.L.U. dispone de equipo de laboratorio de alta potencia para generar los voltajes, corrientes, y las frecuencias que suceden durante el funcionamiento de los motores y variadores, con el objeto de reproducir las anomalías y magnitudes que se presentan en dichos aparatos durante su funcionamiento, igualmente disponemos de los equipos de análisis de alta frecuencia más sofisticados que existen actualmente para realizar toda clase de ensayos en motores y variadores. Montajes Alhama S.L.U. está en constante desarrollo de equipos especiales de laboratorio de alta tecnología, para realizar ensayos y análisis especiales en toda clase de aparatos eléctricos de baja tensión y alta tensión. Puede visitar el apartado I+D ANALIZADORES, en nuestra página WEB si es de su interés, para conocer los equipos de análisis que fabricamos actualmente.

      Las potencias disponibles de los resonadores que fabrica Montajes Alhama S.L.U. van desde 0,55 KW hasta 630 KW, bajo pedido podemos fabricar resonadores de cualquier potencia.

      Para ampliar esta información puede consultar en nuestra página los apartados correspondientes a MANTENIMIENTO ELECTRICO Variadores de frecuencia, Rodamientos, y Baterías de condensadores, y en la página de I+D/ Analizador de semiconductores de potencia, donde encontrara más información adicional y videos al respecto, o puede pinchar en los siguientes enlaces.

Variadores de frecuencia e Inversores fotovoltaicos /variadores-de-frecuencia

Rodamientos electro erosión /rpdamientos

Baterías de condensadores /baterias-de-condensadores

Analizador de Semiconductores de Potencia /analizador-de-semiconductores-de-potencia

Sensor de corriente basado en Bobina de Rogowski /bobina-de-rogowski