Variadores de velocidad ¿son necesarios los reactores de línea y de carga?

El uso de variadores de frecuencia en la industria aumenta constantemente. Su empleo es tarea rutinaria para los equipos de ingeniería y mantenimiento eléctrico.

Pero la instalación de variadores de frecuencia trae consigo también nuevos interrogantes: ¿son realmente necesarios los reactores de línea y de carga? ¿qué beneficios ofrecen? ¿cuándo debo usarlas? ¿sólo reducen los armónicos?

Son estas preguntas las que se abordan e intentan aclarar en esta nota técnica.

  1. ¿Qué son los reactores?

Los reactores son dispositivos electromagnéticos, que constan de un núcleo de acero y bobinas de cobre que forman un campo magnético. Este campo limita la variación de la corriente, reduciendo así los armónicos y protegiendo el variador de sobretensiones del sistema de energía.

Los reactores pueden ser de línea o de carga, dependiendo de dónde estén instalados. Como se muestra en la Figura 1, cuando se coloca un reactor antes del variador de frecuencia, se denomina reactor de línea. Mientras que un reactor conectado en serie entre el variador y los motores, se denomina reactor de carga.

Figura 1 – Reactor de línea y de carga.

  1. Beneficios de los reactores de línea

Los reactores de línea ayudan a proteger los variadores de las perturbaciones del sistema eléctrico que pueden causar disparos inesperados de las protecciones o daños a los VdF. Además reducen la distorsión armónica que genera el variador en la red eléctrica.

Los reactores de línea deben usarse en las siguientes circunstancias:

     a. Cuando el voltaje de entrada de la línea eléctrica pueda contener perturbaciones como sobretensiones, picos, transitorios, etc.

     b. Si se desea disminuir la distorsión armónica.

Reducción de disparos intempestivos por sobretensión debido a transitorios de línea

La activación de un banco de condensadores crea un cortocircuito momentáneo durante el cual se absorbe energía de la línea para cargar el condensador. Esto modifica la forma de onda de voltaje.

La magnitud de sobretensión típica se encuentra entre 1,2 y 1,6 veces con una frecuencia de 400-600 Hz. Durante el evento de sobretensión transitoria, por protección, el variador de frecuencia puede desconectarse mostrando un código de falla por sobrevoltaje.

Figura 2 – Limitación de sobretensiones

En casos excepcionales se pueden generar incluso daños en los diodos de entrada.

Los reactores de línea proporcionan dos funciones principales que ayudan a minimizar el efecto de los transitorios en los VDF:

  1. La impedancia del reactor de línea proporciona una caída de tensión que reduce el voltaje del bus de CC, proporcionando así un mayor margen para el disparo por sobrevoltaje.
  2. Los reactores limitan la magnitud y la velocidad de la sobrecorriente que carga el condensador del bus de CC. En la mayoría de los casos, los reactores de línea de impedancia del 3% son adecuados para reducir los voltajes transitorios.

Reducción de los armónicos de corriente de la línea de entrada de los VDF

Si bien los variadores brindan grandes ventajas en cuanto a ahorro de energía y a mejorar la eficiencia, son la causa número uno de contaminación del sistema eléctrico dentro de las industrias.

La forma de onda de la corriente de entrada de los VdF, a causa del puente rectificador de diodos, resulta un flujo de corriente no sinusoidal con una distorsión armónica total (THD) de entre 90 y 150%, donde predominan los armónicos 5, 7, 11 y 13, tal como se muestra en la Figura 3.

Figura 3 – Rendimiento de un variador de velocidad de 100kW con y sin reactor de línea.

El uso de reactores de línea de impedancia del 5% puede eliminar aproximadamente el 65% de la THD, lo que además de ayudar a cumplir con la norma IEEE 519, reduce la temperatura y el ruido de funcionamiento del motor.

Mejora del factor de potencia

Los variadores de frecuencia suelen tener un factor de potencia bajo, entre 0,6 y 0,65. Sin embargo, esto no significa que los VdF tengan una alta demanda de potencia reactiva. El bajo factor de potencia se debe al alto contenido de armónicos en la forma de onda.

Como se explicó en la sección anterior, los reactores de línea tienen la capacidad de reducir los armónicos de la corriente. Al disminuir los armónicos se obtiene de forma directa una mejora el factor de potencia de la línea.


Para entender más sobre cómo los armónicos influyen en el factor de potencia te recomendamos leer el siguiente artículo: ¿Es lo mismo cos fi y factor de potencia?


  1. Beneficios de los reactores de carga

Los reactores de carga o de salida, se instalan después del variador de frecuencia y su función principal es proteger el motor. Es siempre recomendable que se ubiquen lo más cerca posible del VdF.

Los reactores de carga son especialmente necesarios cuando el cableado entre el variador y el motor es de longitud considerable.

El variador de frecuencia genera una salida PWM de alta frecuencia, esto combinado con cables largos entre el variador y el motor, pueden producir el efecto de onda reflejada que generan picos altos de voltaje como se muestra en la Figura 4.

Figura 4 – Tensión de onda refleja con y sin reactor de carga.

Los elevados valores de tensión de estos picos pueden ser causa de deterioro e incluso perforación del aislamiento de las bobinas del motor.

Como regla general, se debe usar un reactor de carga si el cableado del motor se extiende más de 30 metros, pero este valor puede variar según el motor instalado. Por ejemplo, si un motor cumple con la norma NEMA MG-1 Parte 31 (CIV=1488V) es posible tener hasta 100 metros de cableado sin un reactor de carga.

Para distancias superiores a 150m, se recomienda utilizar filtros especiales llamados filtros dV/dt (filtro de paso bajo).

  1. Tipos de reactores

Los reactores de línea y de carga se clasifican por su porcentaje de impedancia, que representa la caída de tensión que generan a corriente nominal.

Los más comunes tienen una impedancia del 3% o del 5%.

Reactores con una impedancia del 3% son suficientes para la mayoría de las aplicaciones. Absorben gran parte de los picos de tensión y las sobrecargas de corriente del motor y pueden evitar la mayoría de los disparos intempestivos de los dispositivos de protección.

Cuando hay mayores perturbaciones en la línea, es posible que se necesiten reactores de impedancia del 5%.

Si el objetivo es disminuir el ruido del motor o prolongar su vida útil, se pueden utilizar reactores de impedancia más alta para reducir aún más los armónicos.

Cuando varios motores son controlados por un sólo variador, se puede colocar un sólo reactor de carga entre el variador de frecuencia y los motores, simplificando el diseño del sistema y reduciendo costos.

Si bien se debe estudiar cada caso de forma particular, el uso de reactores de línea y de carga aumentan la confiabilidad y la robustez del sistema previniendo situaciones que pueden sacar de funcionamiento motores y mejorando la calidad de la energía en la red.


Si tenés dudas o necesitas asesoramiento sobre este tema no dudes en consultarnos. Escribinos a info@msinet.com.ar


Enlaces relacionados:

¿Es lo mismo cos fi y factor de potencia?

Controlar varios motores con un sólo variador de velocidad


Fuentes: Schneider Electric. Rockwell Automation. Applications of line and load reactors with variable Frequency drives, Tan Ma.

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Sistema MRA: medición, registro y análisis de energía

La reducción del consumo energético, y con ello la disminución de los costos de producción, es el resultado que busca toda industria. En MSI desarrollamos el sistema MRA de medición, registro y análisis de consumo de energía. Una solución de bajo costo y simple implementación que te ayuda a lograr los resultados buscados.

Implementando un sistema de gestión de energía

La manera de lograr que los resultados obtenidos en la búsqueda de la eficiencia energética no sean fugaces y perduren en el tiempo, es enfocar los esfuerzos en implementar un Sistema de Gestión de Energía (SGEn).

La base de un SGEn es la evaluación del desempeño energético. Entender cómo, dónde y para qué se consume energía es fundamental para poder identificar oportunidades de mejora. Para esto es importante en primer lugar recopilar datos energéticos confiables y a partir de ellos se podrán identificar las oportunidades de mejora del desempeño energético y dar seguimiento a sus factores clave.

Por este motivo MSI ha desarrollado e implementado con éxito sistemas MRA para medición, registro y análisis de consumos eléctricos.

Características del Sistema MRA

Las principales características de este sistema son:

  • Panel de control flexible:

    El sistema cuenta con un panel de monitoreo y control, similar a un SCADA, que funciona sobre una página web. Esto permite tener acceso a la información desde cualquier dispositivo (PC, tablet o smartphone) que se encuentre en la red sin necesidad de adquirir una licencia. El panel se personaliza para cada proyecto en particular.
  • Medición de parámetros eléctricos:

    Se realiza a través de cableado analógico o por comunicación a los diferentes instrumentos de medición o equipos de control de cargas como variadores de frecuencia o arranques suaves.
  • Medición de variables de entorno:

    En ocaciones es importante conocer el contexto en que se producen los consumos energéticos, por eso es posible también mediante el sistema MRA relevar datos como temperatura y humedad ambiental.
  • Cálculo y visualización en tiempo real:

    Todos los parámetros registrados se pueden visualizar en tiempo real a través de indicadores de valor instantáneo y mediante gráficas de tendencias.
  • Totalizador diario y mensual:

    El sistema posee un totalizador de energía diaria y mensual consumida. Al aplicar diferentes filtros se puede discriminar el consumo por equipo conectado, por sector, o bien de toda la planta.
  • Registro en tarjeta SD:

    Los valores medidos y calculados son almacenados dentro de una tarjeta SD. Eso permite tener una alta capacidad de almacenamiento. Además, la información puede ser registrada también en una base de datos SQL, brindando mayor flexibilidad al sistema.
  • Fácil acceso a los datos registrados:

    Desde una aplicación sencilla e intuitiva desarrollada por MSI, se puede realizar la descarga de los registros a una PC para ser analizados en detalle con softwares externos como MS Excel, o similares.
  • Seguridad a la medida:

    Posibilidad de generar alarmas visuales para cada equipo. Con esto se optimiza el tiempo de respuesta ante excesos de consumo, se limita la cantidad de energía consumida diaria, se alerta a operadores ante eventuales anormalidades en corriente consumida, e infinidad de opciones más.

Desde MSI queremos acompañarte en el camino para lograr la eficiencia energética. Por eso desarrollamos un sistema innovador, intuitivo y fácil de usar que se adapta con soluciones a medida para cada caso en particular.

Si te interesa conocer más detalles de nuestro sistema de medición, registro y análisis de energía, no dudes en consultarnos. Estamos para ayudarte. E-mail de contacto: info@msinet.com.ar


Enlaces relacionados:

8 pasos para implementar un Sistema de Gestión de Energía

Controle el gasto de energía de sus cargas de la manera mas simple


Fuentes: I+D MSI

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¿Es lo mismo cos fi y factor de potencia?

El cos fi o el factor de potencia es uno de los principales indicadores del rendimiento o nivel de eficiencia en el consumo de energía de una instalación eléctrica.

Normalmente cuando se habla de compensación de energía reactiva se utiliza de forma indiferente lo términos “coseno de fi” y factor de potencia (FP) sin considerar que no son lo mismo y sólo en casos particulares se los puede usar indistintamente.

Definición de cos fi

El cos fi se define como el desplazamiento angular existente entre la onda de corriente de una carga y su onda de tensión. Fasorialmente se definiría como el ángulo formado entre la potencia activa (P) y la potencia aparente (S) de una carga.

Figura 1 – Diagrama fasorial de potencia

Por lo tanto, se puede considerar que:

Definición de Factor de Potencia

Por su lado el factor de potencia define la relación entre la potencia activa (P), o que produce un trabajo útil, respecto a la potencia total demandada a la red, la potencia aparente (S). Expresado en fórmula se tendría la siguiente relación:

Tanto matemática como conceptualmente se desprende que el factor de potencia posee el mismo valor que el cos fi.

Entonces, ¿por qué se dice que el cos fi es diferente al factor de potencia?

La diferencia está en la presencia o no de armónicos eléctricos en la instalación. El factor de potencia y el cos fi tendrán el mismo valor cuando las cargas del sistema son lineales.

Cuando se trabaja con cargas no lineales, aparece una componente de corrientes no senoidales (armónicas) que provocan que no exista una relación matemática lineal entre la corriente y la tensión.

Armónicos y su influencia en el factor de potencia

Cuando no hay presencia de armónicos, es decir, la forma de onda de la tensión y corriente son totalmente senoidales, se dice que el factor de potencia es igual al cos fi.

Para este caso, el triángulo de potencias formado será el de la Figura 1 y el factor de potencia se define como:

Pero cuando la forma de onda de la tensión y/o la corriente dejan de ser senoidales, y por tanto existe una presencia de armónicos eléctricos relevante, aparecerá una nueva demanda de potencia debida a los armónicos, la cual se denomina como potencia reactiva distorsionante (D).

La potencia reactiva distorsionante no genera un trabajo útil, pero sí es demandada a la red, con lo que incide directamente en la potencia aparente de la carga y por tanto debe tenerse en cuenta a la hora de calcularla.

A nivel fasorial se obtendría un gráfico dónde D es el vector producido por las corrientes armónicas de la carga.

Figura 2 – Diagrama fasorial con potencia distorsionante D

A nivel de fórmulas la potencia aparente (S) pasa a ser:

Por lo tanto el factor de potencia será:

Así, para cargas no lineales el cos fi no coincide con el factor de potencia, sino que éste último siempre será inferior al primero a causa de las corrientes armónicas.

El factor de potencia siempre tendrá un valor igual o menor al cos fi.

Efecto de los armónicos en el factor de potencia

La principal consecuencia que deriva de la presencia de armónicos en la red, es que en estos casos el factor de potencia no se puede compensar completamente utilizando capacitores.

Por ejemplo, con una tasa de distorsión armónica de corriente del 35%, valor común en algunas cargas no lineales, es imposible lograr un factor de potencia superior a 0,94. Con lo cual, si la distribuidora eléctrica exige un factor de potencia superior a 0,95, nunca se podría cumplir con dicho requisito. Para estos casos se debe indefectiblemente considerar el uso de filtros activos para mitigar el efecto de los armónicos.

Si hay armónicos los capacitores no se puede compensar completamente el factor de potencia.

Cargas no lineales más comunes

Con el mayor uso de equipos electrónicos en la industria, la presencia de armónicos en las redes y sus consecuencias se fue incrementando. Hoy en día las principales cargas no lineales que se pueden encontrar están representadas por UPS, variadores de frecuencia, computadoras y los equipos de iluminación led.

Como consecuencia de los armónicos se debe entender claramente la diferencia entre los conceptos de cos fi y factor de potencia para, a partir de esto, poder analizar no sólo el estado actual de la red eléctrica y realizar las correcciones necesarias, sino también considerar los efectos que podría generar la instalación de nuevas cargas no lineales.

Conocer y gestionar adecuadamente el factor de potencia de una instalación eléctrica, permite optimizarla técnica y económicamente


¿Tenés alguna duda más acerca de este tema? Escribinos a info@msinet.com.ar que estamos para ayudarte.


Enlaces relacionados:

Eficiencia energética con variadores de velocidad

Controle el gasto de energía de sus cargas de la manera mas simple


Fuentes: Schneider Electric, publicación técnica web, 2020. Revista Ingeniería Eléctrica, Nº336, 2018, Argentina.

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Eficiencia energética con variadores de velocidad

Muchos motores en la industria se rigen bajo el método de control ON/OFF. Los mismos operan a velocidad constante y si la salida requiere algún tipo de regulación este se obtiene operando el motor a velocidad nominal mientras se usa algún tipo de  bloqueo aguas abajo.

Tal es el caso de muchas bombas de agua o compresores con válvulas reguladoras de presión.

“Este método de regulación es equivalente a conducir un automóvil, presionando al máximo el pedal del acelerador y a través del pedal del freno regular la velocidad del auto.”

Ventajas del control de velocidad en bombas, compresores y ventiladores

Leyes de afinidad

Las leyes de afinidad establecen relaciones de origen empírico entre las variables envueltas en el desempeño de bombas o ventiladores; lo cual nos permite predecir el comportamiento de una misma máquina cuando varían alguna de sus características.

Estas leyes enuncian que:

  1. El caudal es proporcional a la velocidad de rotación del eje
  2. La presión es proporcional al cuadrado de la velocidad de rotación del eje
  3. La potencia es proporcional al cubo de la velocidad de rotación del eje

Teniendo en cuenta, la primera y la última de estas relaciones se puede observar que ante la necesidad de variar el caudal, se puede modificar la velocidad en el eje y en consecuencia la potencia variará con el cubo.

Ejemplo: Variación en la potencia consumida por una bomba, cuando se disminuye su caudal de funcionamiento regulando la velocidad del rodete de la misma.

Bomba de agua de 7,5HP de potencia

Esto demuestra que si para reducir el caudal de funcionamiento de la bomba a la mitad, disminuimos la velocidad en el eje a la mitad.

La bomba pasará a consumir 8 veces menos potencia.

Por lo tanto si se tiene una bomba o un ventilador que no necesita operar al 100% de su caudal o presión, se puede reducir la velocidad, utilizando un variador de velocidad, y como consecuencia disminuirá la potencia consumida de la misma.

“Dependiendo de las condiciones de funcionamiento, con el uso de variadores de velocidad en bombas, se pueden generar ahorros desde un 20 a un 50%.”

Schneider Electric ofrece un software para determinar el ahorro energético en bombas o ventiladores, con el uso de variadores de velocidad.

http://www.eco2-0.schneider-electric.com/

Eco 2.0

Bibliografía

Active Energy Efficiency Using Speed Control. (s.f.). Obtenido de Energy University: http://www.energy.schneideruniversities.com/

Controle el gasto de energía de sus cargas de la manera mas simple

Power Tag, es un revolucionario sensor de energía inalámbrico, compacto y fácil de instalar sobre cualquier termomagnética o diferencial. Proporciona una enorme cantidad de parámetros eléctricos sobre las cargas con muchísimas precisión.

Esto lo convierte en la solución ideal para el monitoreo de aplicaciones IT, climatización, maquinaria, bombas y equipos de proceso de baja potencia.

Power Tag acerca la medición de su consumo a IOT (Internet Of Things), bajando el costo de entrada a la medición en particular de cada una de sus cargas de bajo consumo.

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Esto permite la detección y la notificación en tiempo real de posibles problemas antes de que se produzcan; es fácil de montar, ahorra espacio y se adapta a cualquier tablero eléctrico.Smartlink

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Fuente: Schneider Electric