Instalación y cableado
Agenda
• Conocimientos Básicos de Variadores:
 Dimensionamiento
 Tipos de control
• Arquitectura interna:
 Rectificador
 DC Bus
 Ondulador
• Instalación eléctrica:
 Protecciones
 Accesorios
 Compatibilidad electromagnética (EMC)
• Prácticas sobre DemoCase (Notas de Aplicación)
Instalación de un variador de frecuencia
Siempre que se instala un variador de frecuencia es posible que se produzcan
problemas de funcionamiento en elementos colindantes (lo que yo llamo ‘daños
colaterales’).
El tipo de instalación es muy importante para minimizar los efectos indeseables:
• Disparo intempestivo de protecciones diferenciales.
• Perturbaciones electromagnéticas.
• Problemas de calidad en el suministro eléctrico.
Protección de circuitos eléctricos
ELEMENTOS DE PROTECCIÓN
• En función de la protección necesaria, existen los siguientes dispositivos:
– Protección contra cortocircuitos.
• FUSIBLES
• INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS, MAGNETOTÉRMICOS
– Protección contra sobrecargas.
• INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS, MAGNETOTÉRMICOS (Es el elemento de
protección más utilizado)
– Protección contra electrocución .
• INTERRUPTOR DIFERENCIAL
Protección contra cortocircuitos
TIPOS DE FUSIBLES
• Fusibles lentos (gT): son los menos utilizados, empleándose para la protección
de redes aéreas de distribución generalmente.
• Fusibles rápidos (gF): se emplean para la protección de redes de distribución con
cables aislados y para los circuitos de alumbrado generalmente.
• Fusibles ultrarápidos (aR o gR): específicos para la protección de
semiconductores de potencia. Tienen capacidad de conducción de corriente en
régimen permanente y alta velocidad de operación frente a cortocircuitos.
• Los fusibles de acompañamiento (aM), son un tipo especial de cortacircuitos,
diseñado para la protección de motores eléctricos.
TENER EN CUENTA QUE…
En un sistema trifásico, si se funde una sola fase, la
máquina puede seguir funcionando, sobrecargando
las otras dos fases.
Prot. contra cortocircuitos y sobrecargas
INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS, MAGNETOTÉRMICOS
• Se emplean para la protección de los circuitos eléctricos, contra cortocircuitos y
sobrecargas.
• Tienen la ventaja de que no hay que reponerlos (se rearman de nuevo).
• El dispositivo consta dos partes: un electroimán y una lámina bimetálica
conectados en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga.
Test de diodos y de IGBTs
PERMITE IDENTIFICAR FALLOS DE LOS COMPONENTES DEL CIRCUITO DE POTENCIA.
• MUY IMPORTANTE!!! Estas mediciones deben hacer desconectando la
alimentación al variador!!!
• Diodos de entrada.
– Pueden ser chequeados fácilmente midiendo la resistencia o la continuidad
de los diodos en directo y en inverso.
– Medir entre cada terminal de entrada con el positivo del bus y con el
negativo (intercambiando las bornas del aparato de medida).
– Se debería ver una lectura de la resistencia típica de un diodo, con poca
resistencia en un sentido y bastante alta después de intercambiar las bornas.
Protección contra electrocución
INTERRUPTOR DIFERENCIAL (PROBLEMAS TÍPICOS)
• DISPARO DEL DIFERENCIAL AL DAR TENSIÓN AL VARIADOR.
– Ocurre normalmente debido a los condensadores internos del filtro EMC.
– Al cargarse estos condensadores, se produce momentáneamente una fuga a tierra.
– Es por esto que se recomiendan diferenciales retardados o superinmunizados.
•
DISPARO DEL DIFERENCIAL AL DAR MARCHA A OTROS EQUIPOS.
– Normalmente se instalan más equipos aguas abajo (arrancadores, variadores,
motores), cuya suma total de corrientes de fuga supera la sensibilidad del diferencial.
– Agrupar el número de equipos según su corriente de fugas por cada diferencial y
considerar el uso de filtros con baja corriente de fugas.
– Reducir el valor de la frecuencia de portadora, sobre todo con cables de motor
largos.
Perturbaciones con Variadores
Perturbaciones reconocidas en la normativa CEM
(Compatibilidad Electromagnética)
Perturbaciones de Baja
frecuencia = Armónicos
Perturbaciones de Alta
frecuencia = EMI
Conducidas
Radiadas
Corriente
Rectifier
Id
Tensión
IGBT Inverter
p
S1
S3
S5
D1
C
u
Vbus
S2
D5
D4
wD6
v
D2
n
D3
S4
S6
Output
Motor
Armónicos
IMPORTANCIA DE LA CALIDAD DE LA ALIMENTACIÓN
• Los variadores introducen armónicos en la red, provocando una distorsión en la
señal que puede afectar al resto de equipos conectados a la red de alimentación.
• Además, disminuye el PF, reduciéndose el rendimiento de los equipos.
• Son perturbaciones de baja frecuencia (hasta 2500Hz).
FORMAS DE ONDA A LA ENTRADA DE UN VARIADOR
• Debido a la carga/descarga de los condensadores del bus DC, la corriente a la
entrada sufre una distorsión.
• La distorsión de la tensión es mucho menor que la de la corriente.
Armónicos
POSIBLES EFECTOS ADVERSOS DE LOS ARMÓNICOS
• Calentamiento de transformadores y cables.
• Disparo de diferenciales, magnetotérmicos (utilizar elementos especiales para el
uso con variadores de frecuencia).
• Fallos en equipos electrónicos (PLCs, ordenadores).
• Resonancia.
• Pueden afectar a la calidad de alimentación de otros variadores en la misma red
de alimentación.
• Reducción del PF (pérdida de rendimiento).
Armónicos
REDUCCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA (PF)
• PF es la relación entre potencia activa y aparente (PF=KW/KVA).
KVA
KW
•
•
•
KVAR
Cuando mayor sea PF, más rendimiento tendrá el sistema.
Con señales sinusoidales, PF=cos ϕ.
1
Con señales no sinusoidales: PF 
2
1  THD(I)
El efecto de los armónicos
reduce el PF y por tanto el
rendimiento.
KVA
KVAR (armónicos)
(armónicos)
KVA
KW
KVAR
Armónicos
MÉTODOS PARA REDUCIR DEL THD/MEJORAR EL PF
• Reactancias DC.
• Reactancias trifásicas AC.
• Transformador de 12 pulsos.
• Baterías de condensadores con filtros de rechazo.
• Filtros pasivos o filtros activos.
•
Espectro armónico y forma de onda típica de
corriente sin supresores de armónicos.
•
PF = 0.7  0.75
Perturbaciones con Variadores
Perturbaciones reconocidas en la normativa CEM
(Compatibilidad Electromagnética)
Perturbaciones de Baja
frecuencia = Armónicos
Perturbaciones de Alta
frecuencia = EMI
Conducidas
Radiadas
Corriente
Rectifier
Id
Tensión
IGBT Inverter
p
S1
S3
S5
D1
C
u
Vbus
S2
D5
D4
wD6
v
D2
n
D3
S4
S6
Output
Motor
Perturbaciones de alta frecuencia (EMI)
POR QUÉ SE PROVOCAN EMI (ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE).
• Se producen principalmente por la rápida frecuencia de
conmutación de los IGBTs para generar la tensión de salida PWM.
¿CÓMO SE TRANSMITEN?
• Interferencias conducidas a través de los cables de entrada y
de salida.
– Se generan corrientes de fuga que son CONDUCIDAS desde la
salida hasta la línea a través de los cables y la capacitancia del
motor, generando perturbaciones de hasta 30MHz.
•
Interferencias radiadas (RFI)
– Se generan también ondas electromagnéticas de alta frecuencia
(HF) que son emitidas al entorno, generando perturbaciones
RADIADAS de hasta 1GHz.
Perturbaciones de alta frecuencia (RFI)
¿CÓMO NOS AFECTAN?
• Provocan interferencias en receptores conectados a la misma red de
alimentación y a receptores aislados.
• Limitan la distancia del cable de motor (apantallado o no), caídas de tensión,
pasar la normativa de CEM.
• Corrientes parásitas (circulación de corrientes de alta frecuencia por los
rodamientos del motor).
• Picos de tensión en los terminales de motor.
Perturbaciones de alta frecuencia (RFI)
¿CÓMO EVITARLAS?
• Filtro RFI (o filtro EMC) para perturbaciones conducidas y
radiadas.
– El filtro dependerá de la norma a cumplir (C1, C2, C3) y la
longitud del cable del motor.
•
Las emisiones radiadas se minimizan:
– Usando cables apantallados
– Instalando FERRITA a la salida del variador.
•
Respetar las normas de cableado para cumplir EMC:
– Separar lo más posible cables de entrada y salida de potencia.
– Separar lo más posible cables de potencia y de señales de control
y evitar que discurran paralelos.
– Si hay que cruzar cables de señal con potencia, hacerlo en
ángulos 90º para evitar capacitancias.
– Evitar lazos de cables cerca de los cables de potencia (efecto
antena).
Perturbaciones de alta frecuencia (RFI)
NORMATIVAS EMC
• IEC/EN 61800-3:2005. Parte 3.
• UNE-EN61000-6-3 y 6-4
C1
Primer entorno (doméstico,
residencial, …) V<1000V
Distribución No
restringida
LIMITE 1
Norma antigua
EN55011
Clase B, grupo 1
C2
Primer entorno (doméstico,
residencial, …) V<1000V
Distribución No
restringida
LIMITE 2
Norma antigua
EN55011
Clase A, grupo 1
C3
Segundo entorno (Industrial)
V<1000V
Distribución No
restringida
LIMITE 3 (I<100A) y 4
(I>100A)
Norma antigua
EN55011
Clase A, grupo 2
C4
Segundo entorno (industrial)
V<1000V I>400A
Aplicar buenos criterios
de ingeniería (no hay
requerimientos)
Perturbaciones de alta frecuencia (RFI)
FILTROS EMC
• Reducen el nivel de emisiones de alta frecuencia, permitiendo cumplir las
directivas de EMC.
• Se instalan a la entrada del variador, lo más cerca posible de éste.
Perturbaciones de alta frecuencia (RFI)
FILTROS EMC
• Cumplimiento de categoría C1, C2, C3 en función de la longitud del cable de
motor.
• Filtros integrados son C3 con muy poca longitud de cable (máx. 5 metros
dependiendo de la potencia del variador).
Perturbaciones de alta frecuencia (RFI)
FERRITAS
• Reducen el nivel de emisiones radiadas, permitiendo cumplir EMC.
• Evitan interferir en las señales de cables de comunicaciones, señales de control
o radio/televisión.
• La selección de la ferrita debe hacerse en función del grosor del cable de motor.
• Los valores indicados en la tabla son orientativos.
D
Perturbaciones de alta frecuencia (RFI)
FERRITAS (INSTALACIÓN Y RECOMENDACIONES)
• Instalar la ferrita lo más cercana posible al variador.
• Por el interior de la ferrita deben pasar como mínimo 2 veces los conductores
de fase, nunca el de tierra o la pantalla.
• El conductor de tierra y la pantalla deben conectarse a tierra en ambos
extremos del cable que alimenta al motor.
• Prensaestopas EMC en el
lado del motor.
Perturbaciones de alta frecuencia (RFI)
RECOMENDACIONES DE CABLEADO DEL CUADRO
Perturbaciones de alta frecuencia (RFI)
ALGUNAS RECOMENDACIONES ADICIONALES
•
•
•
•
•
Separar lo más posible los cables de potencia de los de señal, especialmente de la zona de
contactores.
Dejar la menor longitud posible del cable de motor fuera de la malla.
Instalar la ferrita lo más cercana posible al variador.
En el cableado de los contactores, minimizar las longitudes de los cables entre ellos,
evitando lazos que pueden comportarse como receptores de interferencias.
La instalación de ferritas en ambos extremos del cable de alimentación de los contactores
es muy eficaz junto con la mejor disposición del cableado.
Resumen buenas prácticas de instalación EMC
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Sección generosa en los cables de tierra (buena calidad de tierra).
Asegurar la equipotencialidad de la instalación (entre máquina y armario).
Conexión corta a tierra (al lado del aparato).
Separación de dispositivos de potencia respecto a los de señal.
Instalación de filtros EMC.
Instalar la ferrita lo más cercana posible al variador.
Separar lo más posible los cables de potencia de los de señal.
Utilizar manguera apantallada hacia motor.
Dejar la menor longitud posible del cable de motor fuera de la malla.
Conexión de malla contacto a 360º en ambos extremos.
Prensaestopas EMC en el lado de motor.
Actuar también sobre las víctimas (encoder, comunicaciones, baja señal…)
Ojo con los contactores y las electroválvulas (instalar supresores)