Filtros y accesorios para variadores de frecuencia en aplicaciones de ascensores.

Revisión de métodos para mitigar la distorsión armónica en sistemas de ascensores

Por Eric Danner y KEB America

Conceptos básicos de los variadores de frecuencia

Actualmente, los variadores de frecuencia (VFD) de seis pulsos se utilizan comúnmente en ascensores de tracción debido a su fiabilidad, excelente calidad de viaje, eficiencia energética y rentabilidad. Los VFD modernos están diseñados con tres secciones principales: los rectificadores de entrada, los condensadores del bus de CC y los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de salida. La etapa rectificadora de entrada toma la corriente alterna (CA) trifásica de la red eléctrica y la rectifica en corriente continua (CC). Los rectificadores de entrada de un VFD permiten que la corriente circule en una sola dirección, creando el bus de CC. El bus de CC consta de la corriente continua rectificada almacenada en un gran banco de condensadores.

La tensión en el bus de CC es aproximadamente 1.41 veces la tensión de la línea de CA. La etapa rectificadora de entrada es pasiva, lo que significa que si se produce rizado en la línea principal, el bus de CC reflejará directamente estas perturbaciones de tensión. Los condensadores en el bus de CC ayudan a filtrar este rizado y actúan como reserva para alimentar el motor. La tercera etapa de un variador de frecuencia moderno son los IGBT de salida. Los IGBT de salida se activan y desactivan a frecuencias muy altas (normalmente de 8 a 16 kHz para la aplicación de ascensores) controlando la tensión del bus de CC hacia el motor. Los IGBT de salida solo pueden estar activados o desactivados. La modulación de la tensión del bus de CC por el variador de frecuencia a frecuencias y magnitudes controladas se denomina modulación por ancho de pulso (PWM) y permite que el variador de frecuencia emita potencia de CC en una onda sinusoidal de tensión de CA trifásica emulada que controla la velocidad y el par del motor. Los IGBT de salida son bidireccionales, lo que significa que la corriente puede fluir en ambas direcciones desde el bus de CC. La corriente puede fluir hacia el motor bajo carga o regresar al bus de CC mientras el motor está en estado regenerativo. La modulación por ancho de pulsos (PWM) es el principio que permite el uso de variadores de frecuencia (VFD) en aplicaciones de ascensores.

Los variadores de frecuencia generan ruido.

Si bien la modulación por ancho de pulsos (PWM) permite que los ascensores alcancen una calidad de viaje superior, alta eficiencia y una puesta en marcha más sencilla, su diseño genera inherentemente distorsión armónica. Esta distorsión se produce por los rectificadores de seis pulsos de los variadores de frecuencia (VFD) al enviar corriente al motor. Esto se debe a que el VFD que alimenta el motor del ascensor tiene una carga no lineal. La impedancia y el consumo de corriente de las cargas no lineales varían durante su ciclo eléctrico de CA. Ejemplos de cargas no lineales incluyen los VFD de los ascensores, las computadoras, las luces LED y los televisores.

Estos dispositivos se diferencian de las cargas lineales, que tienen una impedancia constante y consumen una corriente casi sinusoidal de su fuente de tensión. Ejemplos de cargas lineales incluyen resistencias, inductores, condensadores o un motor de inducción de CA que funciona en régimen estacionario conectado a la red eléctrica. La etapa rectificadora de entrada de carga no lineal de un variador de frecuencia consume una corriente no sinusoidal de la fuente de alimentación. Este consumo de corriente irregular genera armónicos de la frecuencia fundamental (por ejemplo, 50 o 60 Hz), que afectan a las impedancias del sistema eléctrico de un edificio. Un variador de frecuencia de seis pulsos consume armónicos de corriente de quinto, séptimo, undécimo, decimotercer orden, etc.

Cada corriente armónica tiene una frecuencia específica. n multiplicada por la frecuencia de la línea y con una magnitud que depende de la carga. Por ejemplo, el primer armónico, también conocido como frecuencia fundamental, tendrá una frecuencia de 60 Hz; el segundo armónico tendrá una frecuencia de 120 Hz; el tercero, de 180 Hz; etc.

En la aplicación de ascensores, los armónicos más significativos se producen en el quinto y séptimo orden. A medida que aumenta el orden de los armónicos, disminuye su magnitud. Unos armónicos de corriente más elevados dan como resultado un mayor consumo de corriente eficaz (RMS) del sistema eléctrico. Cuando un sistema consume una cantidad significativa de armónicos de corriente en relación con la fuente de alimentación, se produce una distorsión de voltaje en esta. Esta distorsión, si es lo suficientemente significativa, puede provocar el mal funcionamiento de otros equipos conectados al mismo sistema eléctrico y un mayor calentamiento de los componentes eléctricos, lo que conlleva una falla prematura.

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THDi frente a TDD

La distorsión armónica se puede medir y se denomina Distorsión Armónica Total (THDi). La THDi es la relación instantánea entre el valor RMS de los armónicos, incluida la distorsión, y el valor RMS de la frecuencia fundamental, expresada como porcentaje. Dado que la THDi es una medición instantánea, varía según las diferentes cargas del ascensor, lo que la hace especialmente relevante para los fabricantes de componentes a la hora de dimensionar los equipos según su nivel de corriente nominal.

En aplicaciones de ascensores, la Distorsión Total de la Demanda (TDD) ofrece una representación más precisa de la distorsión eléctrica del sistema. La TDD es la distorsión armónica total RMS de la corriente, expresada como porcentaje de la corriente de carga máxima (demanda de 15 o 30 minutos). Dado que la TDD es un promedio dependiente del tiempo, proporciona una descripción más precisa de los armónicos de corriente que afectan al sistema de ascensores.

La norma IEEE 519-2022 establece que la distorsión armónica total (THD) de los sistemas de alimentación eléctrica de los edificios debe ser del 8.0 % en el punto de acoplamiento común (PCC). El PCC es el punto donde convergen el sistema eléctrico de la compañía eléctrica y el de los consumidores. Para los instaladores de ascensores, el PCC suele considerarse el interruptor principal de desconexión para el controlador del ascensor, ya que la alimentación del edificio normalmente no es accesible para ellos. En teoría, si el interruptor de desconexión antes del controlador cumple con la norma IEEE 519-2022, el sistema del ascensor no puede provocar que el resto del sistema eléctrico del edificio incumpla la normativa. Si no se cumplen estas normas, las instalaciones suelen enfrentarse a sanciones o limitaciones de conexión por parte de las compañías eléctricas.

Factor de Potencia

Otro parámetro a considerar en la aplicación de ascensores es el factor de potencia. Este factor representa la relación entre la potencia que se transforma en trabajo útil (potencia activa) a la frecuencia fundamental y la potencia eléctrica total que se transfiere. Se busca un factor de potencia de 1.00, lo que indica que toda la potencia transferida es consumida por la carga. Cuando el sistema se ve afectado por armónicos significativos, el factor de potencia puede disminuir rápidamente. Si el factor de potencia es muy bajo, es necesario sobredimensionar los componentes eléctricos para compensar la potencia reactiva o armónica no útil.

Estrangulador de línea del 3% o 5%

Un inductor o reactor de línea del 3 % o 5 % suele ser la primera y más rentable manera de reducir la distorsión armónica de un variador de frecuencia (VFD). El inductor de línea se coloca en la entrada del variador y se recomienda para todas las aplicaciones de VFD. Un inductor de línea pasivo puede reducir la THDi de aproximadamente el 80 % a aproximadamente el 40 %. Esta reducción de la THDi puede prevenir fallos de tensión intempestivos y daños prematuros en los condensadores del bus de CC del VFD. El uso de un reactor de línea puede duplicar la vida útil de los condensadores del bus de CC en el VFD. Si se utiliza un transformador de aislamiento, no se requiere un reactor de línea.

Filtros de armónicos

Los filtros de armónicos son una excelente manera de reducir aún más la distorsión armónica en un sistema eléctrico. Se utilizan comúnmente en aplicaciones donde la electrónica sensible comparte el mismo sistema de alimentación, como hospitales, aeropuertos o centros de datos. El diseño pasivo de los filtros de armónicos no requiere electrónica adicional para su control y, con un dimensionamiento adecuado, pueden alcanzar una THDi del 8 %, lo que permite que el sistema cumpla con las directrices IEEE 519-2022. Su diseño logra esto mediante inductores y condensadores calculados que permiten el paso de la corriente a la frecuencia fundamental, pero bloquean la corriente de órdenes armónicos superiores. Los devanados internos del filtro de armónicos están fabricados con laminaciones de acero de alta calidad y diseñados específicamente para esta aplicación.

Los filtros están diseñados para tensiones de 230 V y 480 V, y optimizados para la frecuencia fundamental, ya sea de 50 Hz o 60 Hz, para aplicaciones europeas y norteamericanas. Dado que la corriente puede circular en ambas direcciones a través del filtro armónico, también se puede utilizar con variadores de frecuencia regenerativos.

Los filtros de armónicos se colocan a la entrada del variador de frecuencia o del regenerador (si lo tiene) y se dimensionan según la corriente de entrada de la aplicación. Muchos filtros de armónicos cuentan con una capacidad de sobrecarga de corriente del 150 % durante 60 s, lo que protege contra picos de tensión y de carga transitorios. Un dimensionamiento adecuado es fundamental para su eficacia, ya que un dimensionamiento insuficiente del filtro con respecto a la corriente de la aplicación provocará la saturación de los núcleos. La saturación de los núcleos reduce la eficacia de los filtros de armónicos y probablemente hará que su rendimiento no cumpla con las especificaciones IEEE 519-2022.

Al dimensionar un filtro de armónicos, es importante considerar su ventilación y refrigeración. A medida que la corriente fluye a través del filtro, el núcleo comienza a calentarse. Si una corriente excesiva sobrecarga el núcleo, este se saturará, aumentando su resistencia y reduciendo drásticamente su rendimiento. Es fundamental que los filtros de armónicos cuenten con la ventilación adecuada y un flujo de aire externo suficiente. En filtros de mayor tamaño, se incorporan ventiladores en su diseño. Para aplicaciones de alta corriente, se ofrecen gabinetes NEMA 1 para una mayor eficiencia en costos y espacio, lo que permite su instalación fuera del panel de control. En estas aplicaciones, se pueden conectar varios filtros de armónicos en paralelo para satisfacer la corriente nominal.

Cuando tienen el tamaño adecuado y una ventilación apropiada, los filtros de armónicos pueden alcanzar un factor de potencia de 0.99 a 1.00 y un THDi del 8 % a carga nominal. Los filtros de armónicos también protegen el variador de frecuencia (VFD) y el regenerador de perturbaciones en la línea o transitorios de tensión. Esto reduce la temperatura de los componentes eléctricos dentro del VFD y prolonga su vida útil. Los estudios demuestran que la vida útil de los condensadores del bus de CC dentro de un VFD puede aumentar hasta un 300 % cuando se utiliza un filtro de armónicos. Cuando se utilizan con controladores cuya tensión requerida coincide con la de la red principal, no se necesita un transformador de aislamiento, ya que el rendimiento armónico del filtro supera ampliamente al de los transformadores de aislamiento. Esto puede generar ahorros de costos, ya que el filtro de armónicos suele ser mucho menos costoso que el transformador de aislamiento.

La figura 6 muestra la tensión y la corriente de la línea principal de un ascensor sin utilizar un inductor de línea ni un filtro de armónicos. La corriente de entrada alcanza un pico de entre cinco y diez veces el valor eficaz, lo que genera una elevada ondulación en el bus de CC. Esta ondulación puede reducir el par motor y afectar negativamente a la comodidad del viaje.

La figura 7 muestra la misma línea principal con un filtro de armónicos instalado. Con el filtro de armónicos, la corriente en el lado de la línea es sinusoidal y la amplitud de la corriente pico se reduce a solo 1.4 veces el valor RMS. La tensión en el bus de CC también se aplana, lo que resulta en una corriente de rizado prácticamente nula en los condensadores del bus de CC. La reducción significativa de la corriente de rizado del bus de CC puede triplicar o más la vida útil de los condensadores y se traduce en un par motor y una calidad de marcha más predecibles.

AIC

Los filtros de armónicos son una solución rentable para que las aplicaciones sensibles de ascensores cumplan con la norma IEEE 519-2022 y prolonguen la vida útil de la electrónica del sistema. Sin embargo, su diseño pasivo limita su rendimiento THDi a los componentes de hardware específicos del diseño. Si se requiere un rendimiento de armónicos aún mayor, se puede utilizar la tecnología de convertidor de entrada activo (AIC) o de interfaz activa (AFE).

El sistema AIC proporciona el mejor rendimiento armónico y consta de dos variadores de frecuencia (VFD) conectados en serie. El primer VFD se sincroniza con la tensión de línea y rectifica activamente la tensión alterna (CA) a corriente continua (CC). Esta etapa de rectificación activa utiliza un filtro capacitivo inductivo para conectarse a la línea de CA. El resultado es una corriente que fluye desde la línea en una onda sinusoidal casi pura con baja distorsión armónica; en muchos casos, puede estar entre el 3 % y el 5 % de THDi. El uso de dos conjuntos de IGTB hace que la tecnología AIC sea inherentemente regenerativa. El factor de potencia se regula a un valor de 1.00 en todos los niveles de carga. Además, es necesario un filtro de interferencia electromagnética (EMI) de alta calidad delante del sistema, ya que el rectificador activo crea un alto nivel de EMI de modo común con respecto a tierra. El segundo VFD funciona como variador de velocidad y controla el motor, independientemente de la etapa de entrada.

Debido a que el AIC utiliza PWM con una frecuencia portadora alta, las pérdidas de conmutación son mayores en comparación con la conmutación por bloques de la unidad regenerativa. Las pérdidas de hierro PWM en el filtro AIC también son mayores en comparación con las de filtros armónicos de tamaño similar. Los sistemas AIC solo pueden conectarse a un sistema eléctrico trifásico en estrella equilibrado con puesta a tierra central; los sistemas conectados en triángulo no están permitidos. Además, las tensiones de fase deben tener una variación de ±5 % entre sí. Se debe utilizar un transformador en edificios con un sistema eléctrico en triángulo antiguo o si las fases están muy desequilibradas. Un AIC supera los requisitos de la norma IEEE 519, pero el rendimiento adicional conlleva un mayor coste.

Filtros EMI

Un filtro EMI es un dispositivo que se instala antes de la entrada del variador de frecuencia (VFD). Los filtros EMI mitigan el efecto del ruido eléctrico de alta frecuencia. Estos filtros actúan sobre el ruido eléctrico de alta frecuencia (hasta 30 MHz), mientras que los filtros armónicos se ocupan de los armónicos de potencia a frecuencias mucho más bajas. En la aplicación de ascensores, que utiliza frecuencias de conmutación IGBT de alta salida de 8 kHz a 16 kHz, se genera calor dentro de los IGBT.

Cuando estas altas frecuencias interactúan con capacitancias parásitas en el sistema eléctrico, se producen corrientes parásitas. Estas corrientes pueden perturbar la fuente de alimentación y otros equipos en el mismo circuito, además de aumentar innecesariamente la temperatura de los IGBT dentro del variador. Este calor adicional es energía desperdiciada y desgasta prematuramente el variador de frecuencia. El uso de un filtro EMI puede reducir estas corrientes parásitas, mejorando la vida útil del variador de frecuencia y protegiendo otros componentes electrónicos sensibles dentro del sistema de alimentación conectado. El filtro EMI logra esto drenando las corrientes parásitas a tierra en lugar de conducirlas de vuelta a la corriente de alimentación. Para que un filtro EMI funcione de esta manera, se deben implementar medidas de puesta a tierra adecuadas. La puesta a tierra es muy importante y proporciona una ruta de retorno para drenar el ruido de alta frecuencia. En general, se debe crear una ruta de baja impedancia, que permita que el ruido EMI se drene. Para una mejor puesta a tierra, la distancia de tierra más corta posible es óptima. Una correa de tierra plana trenzada es la mejor opción, ya que proporciona una gran superficie para las conexiones y reduce la impedancia. Las aplicaciones de ascensores que no utilizan un filtro EMI y una conexión a tierra adecuada pueden ser susceptibles a fallos indeseados en el variador y el controlador.

Filtros dV/dt

En la salida del variador de frecuencia (VFD), también pueden producirse ruido y distorsión eléctrica. Un inductor dV/dt es un inductor pasivo colocado entre la salida del VFD y el motor para mitigar estos problemas. Cuando los VFD utilizan PWM, los IGBT del variador se encienden y apagan muy rápidamente para controlar la velocidad y el par del motor del ascensor. Cuando el IGBT está cerrado, la tensión en los terminales de salida del VFD aumenta hasta alcanzar la del bus de CC del variador. El cambio de tensión no es instantáneo, sino que aumenta gradualmente hasta el nivel del bus de CC durante un tiempo determinado (T_riseLa velocidad a la que aumenta el voltaje se denomina tiempo de subida dV/dt y es una característica del diseño del IGBT.

En aplicaciones con cables de motor largos, las impedancias de estos pueden interactuar con el control PWM del variador de frecuencia (VFD). La impedancia de los cables está determinada por su longitud y material. Es prácticamente imposible igualar las impedancias del motor y sus cables. Cuando las impedancias entre los cables y el motor no coinciden, los cables actúan como una línea de transmisión y propagan la tensión de salida del variador al motor. Estas reflexiones de onda provocan sobretensiones en el motor, además de enviar una onda reflejada de vuelta al variador. Si las ondas reflejadas se suman a la forma de onda fundamental del variador, la tensión suministrada al motor puede aumentar drásticamente. Un inductor dV/dt, colocado directamente a la salida del VFD, limita la variación de la tensión (dV/dt) a un nivel característico del diseño del filtro. El filtro también reduce las ondulaciones de corriente y las pérdidas del rotor en el motor.

La figura 11 muestra una aplicación de 480 V con un bus de CC en reposo de 675 V y cables de motor de 25 pies sin el uso de un inductor dV/dt. La tensión máxima recibida en el motor es de 988 V. Si la distancia entre el motor y el variador de frecuencia se incrementa a 75 pies, como se muestra en la figura 12, la tensión máxima en los terminales del motor aumenta a casi 1,326 V.

¡Esto es casi el doble del valor del bus de CC del variador de frecuencia! Estos picos de voltaje repetidos pueden tener efectos muy dañinos en el motor e incluso provocar problemas de calidad de la marcha si no se corrigen.

Los modernos motores de ascensores de CA trifásicos actuales están diseñados para funcionar con inversores y soportan picos de tensión de al menos 1600 V. Sin embargo, los repetidos picos de dV/dt someten a un estrés considerable los devanados y el aislamiento del motor. En aplicaciones de alta frecuencia de conmutación, como los ascensores que operan con una salida de 8 kHz a 16 kHz, este desgaste se produce mucho más rápidamente. La figura 13 muestra un motor protegido cableado con un inductor de dV/dt en la misma configuración de 480 V. Con el inductor de dV/dt, la tensión máxima del variador de frecuencia en los terminales del motor se reduce a 951 V, ¡una reducción del 40 % en la tensión del motor! Esta reducción protege significativamente los devanados del motor y puede mejorar la comodidad del viaje.

Se recomienda el uso de inductores dV/dt para todas las aplicaciones de variadores de frecuencia (VFD) donde el motor se encuentre a más de 12 metros (40 pies) del VFD. Si bien se recomienda el uso de un inductor dV/dt a distancias más cortas, es opcional. Los inductores dV/dt se pueden usar tanto con motores de imanes permanentes como de inducción. La baja inductancia de los filtros no afecta la capacidad del VFD para medir las resistencias, la inductancia y el tiempo muerto del motor mientras aprende el modelo del motor o la posición del codificador para motores de imanes permanentes. Los inductores están disponibles para voltajes de hasta 550 VCA y se dimensionan según la corriente de la aplicación. Los inductores dV/dt son una excelente manera de prolongar la vida útil de un motor y, por lo general, cuestan una fracción de lo que costaría reemplazarlo.

Anillos de ferrita

La forma más sencilla y rentable de mitigar el ruido eléctrico entre un motor y un variador de frecuencia es mediante anillos de ferrita. Los anillos de ferrita son inductores pasivos fabricados con materiales magnéticos cerámicos que ayudan a filtrar el ruido de alta frecuencia. Se utilizan comúnmente en cualquier aplicación donde se produzca transferencia de energía. En el cargador de su computadora, las pequeñas carcasas de plástico en ambos extremos de la fuente de alimentación son anillos de ferrita.

En la aplicación de ascensores, la modulación por ancho de pulso (PWM) del variador de frecuencia (VFD) y las capacitancias parásitas de los cables y el motor generan corrientes eléctricas de alta frecuencia no deseadas. La inductancia de los anillos de ferrita aumenta la impedancia entre la salida del VFD y el cable, filtrando así dichas corrientes. Los anillos de ferrita se colocan a la salida del VFD, con los cables del motor pasando a través de ellos. El uso de anillos de ferrita puede ayudar a eliminar fallos indeseados del VFD y del controlador del ascensor, y prevenir el fallo prematuro de los cojinetes y los devanados del motor debido a las corrientes parásitas.

Conclusión – Comparación de tecnologías

El mercado actual de ascensores exige energía limpia y sin distorsiones. Existen numerosos métodos para mitigar la distorsión armónica y prolongar la vida útil de los equipos en el sistema eléctrico y de ascensores. Los inductores de línea, los filtros armónicos, la tecnología AIC, los filtros EMI, los inductores dV/dt y los anillos de ferrita son opciones con diferentes costos y rendimientos para satisfacer los requisitos del sistema en cualquier aplicación. Los ingenieros y consultores deben sopesar el costo frente a los requisitos de rendimiento del sistema para determinar el equipo más adecuado. Gestionar estos requisitos de manera eficiente dará como resultado ascensores de alto rendimiento, seguros y de larga duración.