Como proveedor de VFD de control VF, a menudo recibo preguntas de los clientes sobre el contenido armónico de estos variadores. En esta publicación de blog, profundizaré en qué es el contenido armónico, por qué es importante en los VFD de control VF y cómo afecta el rendimiento general de sus sistemas.
Comprender los armónicos
Para empezar, aclaremos qué son los armónicos. En un sistema eléctrico, la frecuencia fundamental es la frecuencia principal de la corriente alterna (CA), normalmente 50 o 60 Hz según la región. Los armónicos son frecuencias que son múltiplos enteros de esta frecuencia fundamental. Por ejemplo, el segundo armónico es el doble de la frecuencia fundamental, el tercer armónico es el triple de la frecuencia fundamental, y así sucesivamente.
Los armónicos se generan en los sistemas eléctricos cuando hay cargas no lineales presentes. Una carga no lineal es aquella en la que la corriente consumida no es proporcional al voltaje aplicado. Los VFD de control VF entran en esta categoría. Cuando un VFD convierte la alimentación de CA entrante a CC y luego nuevamente a CA a una frecuencia variable, introduce no linealidades en la forma de onda de la corriente, que a su vez generan armónicos.
La generación de armónicos en los VFD de control VF
Los VFD de control VF utilizan dispositivos electrónicos de potencia como diodos, tiristores y transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Estos dispositivos encienden y apagan la corriente eléctrica a altas frecuencias para controlar el voltaje y la frecuencia de salida. Durante el proceso de conmutación, la forma de onda de la corriente se desvía de una onda sinusoidal pura, lo que da como resultado la generación de armónicos.
La sección rectificadora de un VFD, que convierte CA en CC, es una fuente importante de armónicos. La mayoría de los VFD utilizan un rectificador de seis pulsos, que genera cantidades significativas de armónicos 5.º, 7.º, 11.º y 13.º. Cuanto mayor es el orden del armónico, menor es su amplitud, pero incluso estos armónicos de menor amplitud pueden tener un impacto en el sistema.
Por qué es importante el contenido armónico
El contenido de armónicos en un VFD de control VF puede tener varios efectos negativos en el sistema eléctrico y los equipos conectados:
1. Sobrecalentamiento del equipo
Los armónicos provocan un calentamiento adicional en equipos eléctricos como transformadores, motores y cables. La corriente adicional debida a los armónicos aumenta las pérdidas resistivas (pérdidas I²R) en estos componentes. Con el tiempo, esto puede provocar un envejecimiento prematuro del aislamiento, una reducción de la vida útil del equipo e incluso fallas del mismo.
2. Distorsión de voltaje
Los armónicos pueden causar distorsión de voltaje en el sistema eléctrico. Cuando la forma de onda de la corriente se distorsiona debido a los armónicos, se crea una caída de voltaje en la impedancia del sistema. Esta caída de voltaje contiene componentes armónicos, que pueden afectar el desempeño de otros equipos sensibles conectados a la misma fuente de alimentación. Por ejemplo, las computadoras, dispositivos de comunicación y otros equipos electrónicos pueden experimentar fallas debido a la distorsión del voltaje.
3. Interferencia con otros equipos
Los armónicos también pueden causar interferencias electromagnéticas (EMI) con otros equipos eléctricos y electrónicos. Los componentes de alta frecuencia de los armónicos pueden irradiar energía electromagnética, lo que puede interferir con el funcionamiento normal de equipos cercanos, como receptores de radio, sensores y sistemas de control.
Medición del contenido armónico
Para evaluar el contenido armónico en un VFD de control VF, se utilizan comúnmente varios parámetros:
1. Distorsión Armónica Total (THD):
THD es una medida de la distorsión general de la forma de onda de corriente o voltaje debido a armónicos. Se expresa como porcentaje y representa la relación entre el valor RMS (raíz cuadrática media) de todos los componentes armónicos y el valor RMS del componente fundamental. Un valor de THD más bajo indica una forma de onda más limpia con menos distorsión armónica.
2. Amplitudes Armónicas Individuales:
Además de la THD, también es importante medir las amplitudes de los armónicos individuales. Esto ayuda a identificar los armónicos específicos que están causando problemas y a determinar las medidas de mitigación adecuadas.
Mitigar el contenido armónico
Como proveedor de VF Control VFD, ofrecemos varias soluciones para mitigar el contenido de armónicos en nuestros variadores:
1. Filtros pasivos
Los filtros pasivos son el método más común de mitigación de armónicos. Estos filtros constan de inductores, condensadores y resistencias conectados en una configuración específica para absorber o bloquear las corrientes armónicas. Los filtros pasivos se pueden diseñar para apuntar a armónicos específicos o para reducir el THD general.
2. Filtros activos
Los filtros activos son más avanzados y pueden proporcionar una mejor mitigación de armónicos en comparación con los filtros pasivos. Estos filtros utilizan electrónica de potencia para generar una corriente de compensación que es igual en magnitud pero opuesta en fase a la corriente armónica. Esto anula efectivamente la corriente armónica en el sistema.
3. Rectificadores multipulsos
En lugar de utilizar un rectificador estándar de seis pulsos, se pueden usar rectificadores de múltiples pulsos, como rectificadores de 12 o 18 pulsos. Estos rectificadores reducen el contenido de armónicos al aumentar la cantidad de pulsos en el proceso de rectificación, lo que da como resultado un voltaje de CC más limpio y corrientes de armónicos más bajas.
Impacto en el rendimiento del sistema
El contenido armónico en un VFD de control VF puede afectar significativamente el rendimiento de todo el sistema. Al reducir el contenido de armónicos, podemos mejorar la eficiencia del sistema eléctrico, reducir el consumo de energía y mejorar la confiabilidad de los equipos conectados. Por ejemplo, un motor que funcione con una fuente de alimentación más limpia (menor contenido de armónicos) funcionará más suavemente, con menos vibración y ruido, y tendrá una vida útil más larga.
Aplicaciones y consideraciones
Los VFD de control VF se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluida maquinaria industrial, sistemas HVAC y sistemas de energía renovable. En cada aplicación, es necesario considerar cuidadosamente el contenido armónico. Por ejemplo, en un proceso industrial sensible, incluso una pequeña cantidad de distorsión armónica puede causar problemas de calidad del producto. En un sistema HVAC, un alto contenido de armónicos puede provocar un mayor consumo de energía y fallos prematuros del equipo.
Al seleccionar un VFD de control VF para una aplicación específica, es importante considerar los requisitos armónicos del sistema. Algunas aplicaciones pueden requerir un VFD con un THD muy bajo, mientras que otras pueden ser más tolerantes a la distorsión armónica. Nuestro equipo de expertos puede ayudarle a elegir el VFD y la solución de mitigación de armónicos adecuados para sus necesidades específicas.
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Referencias
- "Calidad de la energía en sistemas eléctricos" por Math HJ Bollen
- "Variadores de frecuencia variable: selección, aplicación y mantenimiento" por Dan M. Ionel y Giri K. Venkataramanan