Hasta ahora, hemos explicado por qué el uso de VFD en equipos HVACR, al igual que otros tipos de dispositivos electrónicos, generan un fenómeno conocido como armónicos de la línea eléctrica. Si bien sabemos que las ventajas de utilizar un VFD compensan con creces los efectos negativos de los armónicos, es importante ser conscientes de ellos y de las soluciones que existen para mitigarlos
Existen numerosas formas de mitigar los armónicos y no existe una solución “única y universal”. A continuación describimos algunos métodos que permiten combatir eficazmente este fenómeno.
Convertidor de seis pulsos, sin reactor
Se utiliza este tipo de convertidor por su bajo costo y reducido tamaño. El diseño de este VFD puede tomarse como punto de referencia al no utilizarse ninguna técnica de mitigación. La distorsión exacta de intensidad varía según el diseño, pero los valores normales oscilan entre 90 y 120 %.
Existe en el mercado una variante de este convertidor que utiliza un pequeño condensador del bus de corriente continua (CC). El diseño parece mejorar el valor de THDI, pero tiene un importante efecto negativo en el THDV del sistema eléctrico. Este tipo de convertidor es muy susceptible a los disparos por sobretensión y subtensión debido a los transitorios, las caídas y subidas de tensión de línea.
Convertidor de seis pulsos con reactor de 3–5 %
Un convertidor estándar de seis pulsos con reactancia de CC añadida o reactor de corriente alterna (CA) de la línea de entrada aumenta la impedancia y, por ello, reduce los niveles de intensidad armónica a 35-45 %. ABB recomienda esta solución como punto de partida para todos los convertidores destinados a sistemas de climatización. A partir de ahí, si el cálculo de armónicos determina la necesidad de una mayor reducción de THDI, deberá actualizar la tecnología de mitigación armónica a otra mejor.
Filtros pasivos
Las soluciones de filtros pasivos consisten en añadir más filtros en el lado de la alimentación (línea) del convertidor. Los diseños actuales consisten en un inductor-condensador-inductor (LCL) que ha sido ajustado para una frecuencia específica de armónicos. La eficacia de los filtros armónicos pasivos varía según el fabricante y existen diseños que ofrecen una mitigación armónica deficiente con cargas parciales o cuando la fuente de alimentación del edificio ya presenta distorsión de tensión. La eficacia típica de los filtros armónicos pasivos tiene como resultado una distorsión de intensidad del 5 al 10 %.
Se sabe que los filtros pasivos generan un factor de potencia adelantado con cargas parciales. La mayoría de los fabricantes ofrece un contactor opcional que elimina las baterías de condensadores del filtro con carga parcial. Este contactor está sumamente recomendado para filtros que reciban alimentación de una fuente de generador, ya que los generadores pueden ser inestables cuando las cargas consumen un factor de potencia adelantado. También se sabe que el condensador de un filtro de armónicos pasivo interactúa con otros condensadores de la red eléctrica, como los condensadores de las baterías de compensación del factor de potencia, o los condensadores de un convertidor. Estas interacciones pueden dar lugar a molestos problemas eléctricos.
Los filtros pasivos pueden ser suministrados por separado como filtro independiente, con su propia envolvente, pensados para ser cableados junto al convertidor. Además, el fabricante del convertidor también puede suministrar los filtros pasivos en la misma envolvente que el convertidor. El suministro y la instalación del filtro por separado exige mayor coordinación durante la fase de diseño y creación de un proyecto:
- Debe asignarse espacio para la instalación de cada filtro
- Los presupuestos deben contemplar más mano de obra para la instalación y cableado del filtro
- Hay que tener cuidado al instalar el filtro pasivo en un convertidor; cabe la posibilidad de confundir un filtro pasivo con un filtro dV/dt y, luego, instalar el filtro en el lado incorrecto del convertidor
- Debe realizarse más cableado del filtro si el convertidor incluye una derivación. El filtro no debe encontrarse en la trayectoria eléctrica durante el modo de derivación, por lo que debe cablearse en la trayectoria del convertidor únicamente y no en la de derivación. Esto aporta más complejidad para el instalador
- Si el condensador del filtro debe apagarse con carga parcial, se deberá suministrar una fuente de alimentación y cableado adicional entre el convertidor y la bobina del contactor, así como los datos de las conexiones para el instalador
Filtros activos
Un filtro de armónicos activo funciona como los auriculares con cancelación de ruido. Este filtro toma medidas para detectar la distorsión de intensidad y suministra una forma de onda contraria que contrarresta la distorsión. La mitigación armónica activa es eficaz y, normalmente, logra niveles de distorsión de intensidad armónica de entre 4 y 7 %.
La aplicación correcta de soluciones con filtros armónicos activos plantea varias dificultades, ya que ocupan gran espacio y precisan sensores de intensidad externos. Estos filtros están diseñados para eliminar una cantidad específica de intensidad armónica (amperes) del sistema. Dado su gran tamaño y elevado costo, suelen instalarse para el edificio en su conjunto o para un grupo de convertidores; así se resuelve el problema en ese punto en concreto, pero de nada sirven para los dispositivos que se encuentran en el interior del edificio o en cualquier otra parte que se vea afectada por armónicos. Además, esta solución plantea cierto riesgo como filtro único, ya que si falla los niveles de armónicos antes del filtro aumentarán de manera considerable.
Soluciones multipulso
Las soluciones multipulso constituyen otro método de mitigación de armónicos. Un convertidor estándar es de seis pulsos y los paquetes multipulso de baja tensión suelen ser de 12 o 18 pulsos. También existen diseños de 24 pulsos o más, pero estos suelen encontrarse en convertidores de media tensión. El número total de diodos rectificadores que incluye el paquete es el mismo que el número de “pulsos”.
Los paquetes multipulso son los de mayor tamaño de todas las soluciones independientes de mitigación armónica, debido a los componentes físicos necesarios. Un paquete de 18 pulsos, por ejemplo, comprende un convertidor de seis pulsos, 12 diodos adicionales, reactores de equilibrado, 18 fusibles, circuitos especiales de precarga, una considerable cantidad de cableado de alimentación para conectar estos componentes y un gran transformador. Un paquete relativamente pequeño de 23 amperes y 18 pulsos tiene el mismo tamaño aproximado que un frigorífico debido al transformador y a todos los componentes físicos que conforman el paquete. Un paquete de 18 pulsos comienza tomando una tensión de entrada trifásica y utiliza el transformador de cambio de fase para crear un total de nueve fases. El VFD obtiene alimentación de nueve fases en lugar de tres, dando lugar a menor consumo de intensidad de cada una de las fases de forma individual. La distorsión de intensidad de un paquete de 18 pulsos oscila entre 5 y 6 %; la de uno de 12, entre 10 y 12 %.
Los valores de distorsión de intensidad multipulso indicados más arriba asumen tensión perfectamente equilibrada que se aplica al convertidor. Un desequilibrio de tensión de 2 % en el convertidor puede dar lugar a un incremento de 50 % de su distorsión de intensidad. Además, debido a todos los componentes físicos adicionales, estos paquetes se encuentran entre los menos eficientes energéticamente del mercado. Los paquetes multipulso constituyen una de las soluciones originales de mitigación armónica que se remonta más de 20 años. Dado su tamaño y el requisito de una alimentación perfectamente equilibrada, esta tecnología de mitigación armónica está cada vez menos extendida.
Frente activo
En un convertidor de frente activo (AFE), el rectificador se compone de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT, por sus siglas en inglés) en lugar de diodos. El convertidor AFE también lleva integrado un filtro LCL. El rectificador basado en IGBT se controla de modo que permita al convertidor extraer una intensidad sinusoidal casi pura. El filtro LCL contribuye a eliminar cualquier ruido de alta frecuencia que genera la conmutación IGBT. Por lo general, es preferible un filtro LCL que un filtro LC menos eficaz. Con la combinación de un rectificador IGBT y un filtro LCL, los convertidores AFE de ABB presentan una distorsión de intensidad comprendida entre 3 y 5 %; también se les conoce como convertidores de armónicos ultrabajos (ULH).
El AFE es la solución más compacta para conseguir una distorsión de intensidad inferior al 5 %. El factor de potencia es 1, lo que significa que utiliza la menor cantidad posible de intensidad reactiva. Además, los convertidores AFE presentan una excelente respuesta a los armónicos con cargas parciales. La instalación de un convertidor AFE es sencilla al estar construido convencionalmente como un único equipo con terminales de entrada de línea y terminales de salida del motor. Dado el control activo del frente IGBT, el convertidor AFE presenta mayor inmunidad a los desequilibrios de tensión que cualquier otra solución de mitigación armónica.
Otras tecnologías de mitigación
Existen otros modos de mitigar los armónicos, como los convertidores con condensador del bus de CC de menor tamaño y convertidores con tecnología matricial, pero ABB no recomienda su uso.
La tecnología matricial consiste en convertidores que llevan nueve IGBT bidireccionales y ningún condensador del bus de CC, lo que significa que la tensión de entrada de CA se convierte directamente en tensión de salida de CA. Aunque este concepto parece prometedor, el convertidor matricial presenta importantes limitaciones técnicas. Los convertidores matriciales son incapaces de proporcionar toda la tensión de salida, aunque ofrecen una mitigación armónica óptima. Cuando se configura un convertidor matricial para que tenga una mitigación armónica óptima (casi tan buena como la de un convertidor AFE), la tensión de salida se limita a solo el 87 o 93 %. La limitación de tensión del motor haría que este extrajese más intensidad a plena velocidad y plena carga, dando lugar a su sobrecalentamiento. La tensión de salida puede configurarse para que sea superior a 87 %, pero la distorsión de intensidad también tendría que aumentar. Es por ello que la solución matricial ofrece buena mitigación armónica o pleno control de la tensión de salida, pero no ambas cosas a la vez. El nivel característico de distorsión de intensidad oscila entre 5 y 13 %, en función de si se configura para proporcionar tensión de salida limitada o completa.
Es importante prestar atención a los niveles de armónicos de la red, ya que tendrá su compensación a la larga. Recordemos que THDV es la distorsión armónica total de la tensión y THDI es la distorsión armónica total de la intensidad. La THDV tiene mayor repercusión en la calidad de la electricidad de los usuarios finales. No obstante, la THDI es la forma más fácil de comparar distintas soluciones de mitigación armónica. Los armónicos de intensidad (THDI) son los responsables de que se creen los armónicos de tensión (THDV). La distorsión armónica causa distintos problemas en los edificios, pero el más habitual es el calor añadido. Cuando los dispositivos funcionan a mayor temperatura, lo hacen con menos eficiencia y son propensos a fallas prematuras.
No existe una solución “única y universal” para la mitigación de armónicos. Sin embargo, existen reglas generales que pueden ofrecer ciertas orientaciones para los casos típicos con armónicos.
En proyectos en los que los convertidores constituyan menos del 30 % de la capacidad del transformador del edificio, es aceptable utilizar convertidores de seis pulsos con una impedancia del 5 %. En proyectos con más carga de accionamiento, la solución más óptima para el sistema consiste en combinar convertidores de seis pulsos con impedancia del 5 % (en los convertidores más pequeños) y convertidores AFE (en los convertidores más grandes).
Se recomienda realizar un análisis de armónicos simulado por ordenador para cualquier proyecto que tenga una cantidad considerable de cargas no lineales. El análisis de armónicos identificará los niveles de éstos e indicará el efecto que tendrá aumentar la mitigación armónica (con un AFE, por ejemplo) si es preciso.
