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ESTUDIO DE CAUSAS DE FALLA EN VARIADORES DE FRECUENCIA BAJO AMBIENTES INDUSTRIALES
HECTOR ADOLFO VELEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERIA PROYECTO CURRICULAR DE INGENERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ 2016
ESTUDIO DE CAUSAS DE FALLA EN VARIADORES DE FRECUENCIA BAJO AMBIENTES INDUSTRIALES
HECTOR ADOLFO VELEZ
Informe pasantía
Director Interno César Leonardo Trujillo Rodríguez Profesor Facultad de Ingeniería Universidad Distrital
Director Externo Juan Carlos Molina Higuera FLT and Contracts Team Leader Rockwell Automation
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERIA PROYECTO CURRICULAR DE INGENERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ 2016
INDICE 1.
INTRODUCCION ..................................................................................................................................................... 5
2.
ESTADO DE LA TECNICA ...................................................................................................................................... 6
3.
2.1.
RECTIFICADOR DE 6 PULSOS ....................................................................................................... 7
2.2.
RECTIFICADOR DE 18 PULSOS ..................................................................................................... 8
2.3.
RECTIFICADOR PWM ...................................................................................................................... 9
2.4.
TOPOLOGIAS DE INVERSORES .................................................................................................. 10
2.5.
SISTEMAS DE MONTAJE .............................................................................................................. 10
2.6.
TECNICAS DE CONTROL EN VARIADORES DE FRECUENCIA ................................................. 11
2.6.1.
VOLTIOS/HERTZ ............................................................................................................................ 11
2.6.2.
VECTOR DE FLUJO ....................................................................................................................... 11
2.7.
INTERFAZ HUMANO MAQUINA .................................................................................................... 12
2.8.
APLICACIONES DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA ......................................................... 13
DESARROLLO DEL ESTUDIO .............................................................................................................................. 15 3.1.
MUESTRA ESTUDIADA ................................................................................................................. 15
3.2.
PROBLEMAS EN LA CALIDAD DE ENERGIA ............................................................................... 16
3.3.
PROBLEMAS DE FALLA A TIERRA............................................................................................... 18
3.3.1.
COMO DIAGNOSTICAR UNA FALLA A TIERRA ........................................................................... 18
3.3.2.
QUE PUEDE CAUSAR UNA FALLA A TIERRA ............................................................................. 18
3.3.3.
CASOS ESTUDIADOS DE FALLA A TIERRA ................................................................................ 20
3.4.
SUBTENSIONES (FALLA DE BAJO VOLTAJE)............................................................................. 23
3.4.1.
CASOS ESTUDIADOS DE SUBTENSIONES ................................................................................ 24
3.5.
SOBRETENSIONES ....................................................................................................................... 27
3.5.1.
SOBRETENSIONES TRANSITORIAS A LA SALIDA DEL INVERSOR (dv/dt) .............................. 27
3.5.2.
RESISTENCIAS DE FRENADO...................................................................................................... 28
3.5.3.
CASOS ESTUDIADOS DE SOBRETENSION ................................................................................ 28
3.6.
PROBLEMAS EN LOS COMPONENTES ELECTRONICOS DE POTENCIA ................................ 30
3.6.1.
PRUEBAS EN SGCT ...................................................................................................................... 30
3.6.2.
PRUEBAS EN SCR ......................................................................................................................... 31
3.6.3. CASOS ESTUDIADOS DE PROBLEMAS EN LOS ELEMENTOS ELECTRONICOS DE POTENCIA ...................................................................................................................................................... 32 3.7.
ARMONICOS .................................................................................................................................. 33
3.8.
PROBLEMAS EN LA CONFIGURACION DEL DRIVE ................................................................... 33
3.8.1.
CONFIGURACION DEL TORQUE.................................................................................................. 33
3.8.2.
CONFIGURACION DEL TIEMPO DE ARRANQUE ........................................................................ 35
3
4.
3.8.3.
DRIVE FUNCIONANDO EN MODO SENSORLESS ...................................................................... 36
3.8.4.
AUTOTUNE ..................................................................................................................................... 36
3.8.5.
CASOS ESTUDIADOS DE PROBLEMAS EN LA CONFIGURACION DEL DRIVE ....................... 37
3.9.
PROBLEMAS DE CONTAMINACION ............................................................................................ 38
3.10.
CASOS ESTUDIADOS DE PROBLEMAS DE CONTAMINACION ................................................. 38
3.11.
PUESTA A TIERRA EN VARIADORES DE FRECUENCIA............................................................ 39
3.12.
TABLA RESUMEN .......................................................................................................................... 40
PASOS PARA DIAGNOSTICAR UNA FALLA ..................................................................................................... 42 4.1.
BUCKUP DE LOS PARAMETROS DEL DRIVE E INSPECCION MECANICA. ............................. 42
4.2.
INSPECCION DEL CABLEADO DEL MOTOR ............................................................................... 44
4.3.
INSPECCION DE CABLEADO Y TERMINALES ............................................................................ 45
4.4.
INSPECCION DE LAS TARJETAS Y CONEXIONES DEL DRIVE................................................. 47
4.5. REVISION DEL CODIGO DE FALLA DEL DRIVE Y DE LOS VALORES RECOMENDADOS POR EL FABRICANTE. .................................................................................................................................. 49 4.6.
PASOS A SEGUIR EN CASO DE RUIDO ELECTRICO................................................................. 50
5.
CONCLUSIONES ................................................................................................................................................... 51
6.
REFERENCIAS ...................................................................................................................................................... 52
4
1. INTRODUCCION El rápido incremento en la utilización de nuevas tecnologías y técnicas de automatización en la industria ha traído consigo efectos en la cadena de producción y manufactura así como cambios en la red eléctrica, una de las grandes migraciones tecnológicas industriales de los últimos años está basada en el uso de variadores de frecuencia para el control de motores eléctricos, sus aplicaciones abarcan bombas, ventiladores, compresores, cintas trasportadoras, actuadores entre otros, volviéndose dispositivos indispensables para asegurar la continuidad de los procesos de fabricación [1]. Los Diseñadores, ingenieros de mantenimiento y administradores de las plantas deben tener en cuenta la sensibilidad de estos equipos a los disturbios de la calidad de la energía eléctrica y como estos problemas interactúan con los procesos que se llevan a cabo en sus plantas. Así, las fallas en los variadores de frecuencia resultan en paradas de planta, perdidas en la producción, desperdicio de material e intervenciones manuales y retrasos que se traducen en pérdidas económicas para las empresas manufactureras. Entre los disturbios del suministro de energía se encuentran las sobretensiones, subtensiones, transitorios, interrupciones, distorsión armónica y ruido [2] que pueden afectar seriamente el funcionamiento de los equipos. En el presente trabajo se determinan las causas más comunes por las cuales los variadores de frecuencia fallan desde el punto de vista de la calidad de la energía eléctrica, todo esto con los siguientes objetivos: plantear posibles causas de mal funcionamiento en los variadores de frecuencia. identificar los fallos recurrentes mediante el análisis de casos de estudio. Formular soluciones preventivas a las fallas presentes en dichos dispositivos. encontrar estrategias para la solución de problemas. abordar los inconvenientes típicos causados por mala instalación y configuración de variadores de frecuencia.
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2. ESTADO DE LA TECNICA Un Variador de Frecuencia (VDF) es un dispositivo eléctrico de alta eficiencia capaz de proveer el ajuste continuo de la velocidad en aplicaciones con motores eléctricos en baja y media tensión. Los dos elementos básicos que lo componen son el controlador de frecuencia ajustable, y la estación de control para la entrada de parámetros por parte del operador, en la figura 1, se presenta un variador de frecuencia de media tensión [3].
Figura 1) variador de frecuencia de media tensión
El controlador de frecuencia ajustable es la unidad de conversión de potencia basado en elementos de estado sólido la cual recibe un voltaje trifásico a 60 Hz y provee potencia al motor con frecuencia variable, además de regular la salida de voltaje para mantener una relación constante de voltios/hertz y así proporcionar un torque constante. Los principales componentes del controlador de frecuencia ajustable son el rectificador y el inversor. La función del rectificador es convertir la entrada de voltaje sinusoidal a un voltaje DC y así eliminar la componente de 60 Hz, y la función del inversor es generar un voltaje de frecuencia graduable, para variadores de frecuencia de media tensión se usan GTOs como elementos interruptores e IGBTs para variadores de baja tensión. Entre los diferentes rectificadores usados en variadores de frecuencia se encuentran los de 6, 12,18 pulsos y los de tecnología PWM [4], dependiendo del requerimiento de la instalación en la que será instalado el variador de frecuencia puede ser usada una u otra topología, algunas de las topologías se muestran a continuación: 6
2.1.
RECTIFICADOR DE 6 PULSOS
En la figura 2 se muestra un rectificador de 6 pulsos
Figura 2) Rectificador de 6 pulsos
El rectificador de 6 pulsos puede ser usado con un transformador de aislamiento o con reactores de línea y es recomendado su uso con filtros a la entrada para reducir el nivel de THD de corriente y de voltaje.
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2.2.
RECTIFICADOR DE 18 PULSOS
En la figura 3 se muestra un rectificador de 18 pulsos
Figura 3) Rectificador de 18 pulsos
Con esta topología, en la mayoría de los casos no es necesario el uso de filtros para reducir el nivel de distorsión total harmónica (THD) de voltaje y corriente, en este tipo de rectificador se usa un transformador con 9 fases en el secundario, cada una desfasada 20 grados para una baja entrada de armónicos.
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2.3.
RECTIFICADOR PWM
En la figura 4 se muestra un rectificador PWM
Figura 4) Rectificador PWM
Conocido también como rectificador de frente activo (AFE), elimina la necesidad de usar transformadores de múltiples devanados para mitigar los armónicos. En esta topología se usan como interruptores GTOs en variadores de frecuencia de media tensión e IGBTs para Variadores de baja tensión.
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2.4.
TOPOLOGIAS DE INVERSORES
Para los inversores siempre se usa PWM con filtro capacitivo a la salida para la eliminación de armónicos como se muestra en las figuras 2,3 Y 4. 2.5.
SISTEMAS DE MONTAJE
Para albergar los componentes electrónicos de potencia los Variadores de Frecuencia PowerFlex cuentan con una tecnología que permite el fácil acceso y reemplazo de componentes dañados sin necesidad de herramientas especiales, estas “cajas” llamadas PowerCage, hechas de resina epoxica (Figura 5) contienen los disipadores, los componentes Snubber , los SCR (rectificador controlado de silicio) o GTO (Gate Turn-Off Thyristor) y los circuitos de gate del variador de Frecuencia.
Figura 5) PowerCage
En variadores PowerFlex de media tensión los GTO vienen integrados al circuito de disparo, lo que ofrece ventajas tales como caminos de baja inductancia y pérdidas de energía reducida en los circuitos de disparo con una tasa baja de fallas, en la Figura 6 se muestra uno de estos dispositivos.
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Figura 6) Tarjeta GTO con circuito integrado de disparo
2.6.
TECNICAS DE CONTROL EN VARIADORES DE FRECUENCIA
2.6.1. VOLTIOS/HERTZ Es la técnica de control básica en variadores de frecuencia y el núcleo de los sistemas de control más complejos usados en drives, se basa en la relación entre el voltaje y la frecuencia para controlar la velocidad y el torque, y es usado en aplicaciones en las cuales la carga no varía rápidamente. Esta técnica de control se utiliza en lazo abierto sin dispositivos de realimentación y permite al motor trabajar en su torque nominal dentro de cierto rango de frecuencias especificado por los fabricantes de drives. El principio de funcionamiento de este sistema de control se basa en mantener el flujo magnético constante, a través de la relación antes mencionada aunque solo sea una aproximación. 2.6.2. VECTOR DE FLUJO Esta técnica de control retiene como núcleo la relación de Volts/Hertz pero son adicionados algunos bloques para mejorar el rendimiento del drive. Son utilizados elementos de realimentación para obtener valores precisos de velocidad y torque, y adicionalmente, es controlada la cantidad de corriente dirigida al flujo del motor a través de un lazo de tensión. En la Figura 7 se muestran los bloques de control que componen esta técnica de control. En el diagrama de la Figura 7 el estimador de corriente estima las corrientes de flujo y torque en el motor para los otros bloques de control del drive. El ángulo del voltaje controla la cantidad de la corriente que va al flujo del motor usando como 11
realimentación la corriente estimada de torque y los parámetros del motor arrojados durante el Auto tune.
Figura 7) sistema de control vector de flujo
2.7.
INTERFAZ HUMANO MAQUINA
La estación de control contiene el interfaz humano máquina y está compuesta de botones, potenciómetros y pantallas que pueden o no estar ubicadas en el frente del equipo o en un lugar remoto alejado del variador de frecuencia el cual permite al operador seleccionar los parámetros de operación deseados [5, 6, 7], en la figura 8a y 8b se muestran diferentes tipos de interfaz.
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Figura 8a) Interfaz humano maquina Drive MV
2.8.
Figura 8b) Interfaz humano maquina Drive LV
APLICACIONES DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA
Los variadores de frecuencia pueden ser utilizados en una amplia cantidad de procesos en los cuales no solo se pueden controlar la velocidad sino que adicionalmente, se pueden obtener ahorros energéticos considerables. Dentro de las cargas que son alimentadas para el control del flujo, se encuentran las bomba (Figura 9), ventiladores, sopladores y compresores, las cuales tienen requerimientos de flujo que Oscilan, siendo así necesarios dispositivos externos para ajustar los valores a los deseados, dentro de los elementos utilizados para tal fin se encuentran las válvulas, amortiguadores de salida, alabes de entrada y difusores; todos estos son elementos mecánicos restrictivos, los cuales desperdician energía disipando la potencia por fricción y difusión de calor. El uso de los variadores de frecuencia en lugar de los métodos tradicionales (Figura 10), ofrece la oportunidad de incrementar el tiempo del ciclo de vida de los equipos y la reducción de la energía consumida [8, 9].
Figura 9) Bombas.
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Figura 10) Tablero con variadores de frecuencia.
Otra de las grandes ventajas que tiene el uso de los variadores de frecuencia se encuentra en la capacidad de usar equipos en paralelo, los cuales pueden trabajar por debajo de su capacidad nominal dependiendo de la demanda, alimentados por un único variador, lo cual puede significar grandes ahorros energéticos con respecto al uso de un solo equipo trabajando de manera On/Off [10]. Los Variadores de Frecuencia (VFD) desempeñan un papel protagónico en los procesos de la industria, y por ello es necesario garantizar la operación continua y confiable de los equipos para evitar tiempos inoperantes que suponen grandes costos para los productores.
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3. DESARROLLO DEL ESTUDIO Como propósito fundamental de este trabajo, se encuentra la identificación de causas que originan el mal funcionamiento en variadores de frecuencia y el planteamiento de las posibles medidas para la prevención y solución de problemas en estos dispositivos. Este es un estudio descriptivo donde como primera etapa se recolectaron informes de casos de mantenimiento, en situaciones en las que se han presentado fallas, así, se recolectaron los datos sobre diferentes aspectos y condiciones de operación que tras un análisis de condiciones y síntomas, arrojaron las posibles causas que reinciden con mayor frecuencia cuando estos equipos comienzan a presentar anomalías en su funcionamiento. 3.1.
MUESTRA ESTUDIADA
Se recopilo información de más de 20 casos en los cuales los variadores de frecuencia presentaban una falla en su funcionamiento, la muestra incluye Drives instalados en las principales industrias que funcionan en el país (Oil & Gas, Papel, Alimentos, Acero y Cementos) los resultados de las causas principales de falla de este estudio se muestran en la imagen a continuación (Figura 11).
Figura 11) Causas de fallas encontradas en el estudio. 15
En la Figura 11, se puede observar que las principales causas de falla en los variadores de frecuencia son las debidas a los disturbios en el suministro de energía, seguido por los problemas de falla a tierra y los problemas de configuración del drive. Por este motivo este estudio se concentra en los tipos de falla ocasionados por estos disturbios y los métodos para mitigar sus efectos, adicionalmente se exponen los principales problemas de configuración y las prácticas adecuadas a la hora de reconfigurar el drive. 3.2.
PROBLEMAS EN LA CALIDAD DE ENERGIA
En la tabla 1 se muestran los principales disturbios del suministro de energía eléctrica según la IEEE 1159:
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Categorias 1.1 Impulsivo Nanosegundo Microsegundo Milisegundo 1.Transitorios 1.2 Oscilatorio Baja frecuencia Frecuencias medias Altas Frecuencias
Contenido tipico espectral Duracion Tipica Tipica Magnitud del Voltaje Elevaciones de 5 ns Elevaciones de 1 us elevaciones de 0.1 ms
1 ms
< 5 KHz 5 - 500 KHz 0.5 - 5 MHz
0-4 pu 0-8 pu 0-4 pu
2.1 Instantaneo Interrupcion Sag Swell
0.5-30 Ciclos 0.5-30 Ciclos 0.5-30 Ciclos
1 min
0.8-0.9 pu 1.1-1.2 pu
2.Variaciones 2.2 Momentaneo de Corta Interrupcion duracion Sag Swell 2.3 Temporal Interrupcion Sag Swell 3.Variaciones de Larga Duracion 4.Desbalance de Voltaje
Estado Estable
5.1 DC Offset 5.Distorcion de la Forma 5.2 Armonicos de Onda 5.3 Interarmonicos 5.4 Notching 5.5 Noise 6.Fluctuacion es de Voltaje 7.Variaciones de la frecuencia Electrica
0.5-2 %
Estado Estable
0-0.1 % 0-20% 0-2%
ancho de banda
Estado Estable Estado Estable Estado Estable Estado Estable