Medida de armónicos en el marco de los estándares iec para la caracterización de variadores de frecuencia

Resumen

Es importante la correcta medición del contenido armónico en la red eléctrica, así como en las salidas de los variadores de frecuencia que alimentan motores de inducción, de uso muy extendido en la industria, tanto para medir la calidad de la energía suministrada como para detectar posibles averías en los equipos conectados. Las señales de salida de los variadores presentan abundante contenido armónico e interarmónico, tanto en la parte baja como alta del espectro, que puede dificultar la detección de fallos en el motor, pero que también puede aportar nuevos patrones o firmas para facilitar su diagnóstico. Por otra parte, debido a la gran complejidad de realizar un estudio analítico de las respuestas armónicas de cualquier variador comercial, junto a la falta de información a este respecto suministrada por los fabricantes, se hace necesario realizar un estudio empírico de dichas respuestas. Para solventar este problema, en esta tesis se desarrolla una metodología de caracterización experimental de variadores de frecuencia que excitan motores de inducción, en función de los contenidos armónicos de sus salidas, mediante un plan de ensayos definido (y unificado para todos los convertidores, por basarse en la normativa de medida de calidad de la red eléctrica), con la finalidad de conocer la calidad de la energía generada y detectar posibles fallos en los motores. Para alcanzar este propósito, ha sido preciso primero conocer el contenido armónico que se pretende evaluar y también la manera de medirlo, para después desarrollar un sistema de medida y procesamiento de dicho contenido, basado en los conocimientos anteriores. Por ello, se han estudiado con detalle los comportamientos armónicos de los convertidores de frecuencia y de los motores de inducción a ellos conectados, insistiendo en las técnicas de control y de modulación de los convertidores y en los armónicos producidos por fallos en el motor, puesto que otro de los objetivos es la comprobación del estado del motor mediante la caracterización armónica de sus señales de alimentación. También se han investigado las técnicas actuales enfocadas a la medida de armónicos e interarmónicos en la red eléctrica, profundizando en las basadas en las normas de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), pues son las que más se adecúan a la naturaleza de las señales procesadas en esta tesis, y exponiendo las ventajas y limitaciones de cada una de ellas. Basándose en la anterior investigación, se ha diseñado un sistema de medida y análisis espectral, que permite solventar la rigidez y limitaciones de los medidores comerciales de calidad de la energía, orientados a analizar únicamente las señales de la red, adaptándose a las necesidades específicas de medición a la salida de los variadores de frecuencia ensayados: frecuencias fundamentales diferentes a la de la red, medidas de interarmónicos de la parte alta del espectro, posibilidad de variar las agrupaciones frecuenciales y los tiempos de agregación, etc. El sistema desarrollado se basa en la misma normativa IEC por la que se rigen los medidores comerciales, que es adaptada en esta tesis a las características de las señales de los variadores. El sistema diseñado es flexible, de forma que también sería aplicable para analizar señales eléctricas con otras características, como las de la propia red de suministro. Asimismo, para el desarrollo de este sistema se han realizado aportaciones nuevas relacionadas con las formas de agregar las medidas, tanto en frecuencia como en el tiempo, que mejoran las indicadas en la propia normativa adecuándolas al tipo de señales analizadas. Se propone una colección de agrupaciones frecuenciales y tasas de distorsión que permiten caracterizar los variadores y motores ensayados, resolviendo las limitaciones de las tasas propuestas en las normas IEC en cuanto a la forma de normalizar y los rangos y tipos de frecuencias que se necesita medir en el sistema variador-motor. También se estudia el problema de las variaciones de las amplitudes halladas tras aplicar la DFT en sucesivas ventanas de muestreo, debidas a las interacciones de la fuga espectral entre tonos cercanos. Se propone una solución válida al anterior problema basada en la agregación temporal, así como una forma experimental de hallar un tiempo de agregación adecuado que mejore los resultados respecto a usar los tiempos de agregación definidos en la normativa. El sistema completo desarrollado ha sido validado mediante señales sintéticas y reales, insistiendo especialmente en la comprobación del método de sincronismo utilizado. Las mediciones con señales reales efectuadas mediante el sistema desarrollado se han contrastado con las obtenidas con un analizador de calidad de energía comercial, calibrado y homologado cumpliendo las mismas normas en las que se ha basado nuestro sistema de medida. A continuación, se caracterizan empíricamente distintos variadores de frecuencia comerciales, en base al contenido armónico de la energía por ellos suministrada, mediante un plan de ensayos diseñado para extraer la máxima información armónica de los dispositivos analizados. Para este fin, se modifican las frecuencias fundamentales y de conmutación, modos de control y modelos de variador, así como los tipos de motores y sus cargas conectadas. En todos los ensayos se utiliza el mismo sistema de medida y procesamiento de datos antes desarrollado y verificado, que, al basarse además en las normas IEC de medida de calidad de la red eléctrica, unifica la forma de realizar las medidas en todos los convertidores. Los resultados obtenidos se presentan primero según el tipo de fuente de alimentación ensayada, red y variadores, mostrando los valores de las barras espectrales y agrupaciones armónicas e interarmónicas individuales en sucesivos diagramas espectrales, de forma similar a la interface gráfica de los medidores comerciales. Después se exponen las tasas de distorsión halladas, analizando su dependencia entre ellas y con las variables usadas en los ensayos (frecuencias de conmutación y fundamental de salida, tipo de control y modulación del variador, motor y nivel de carga); siguiendo con una comparación de todas las tasas obtenidas. Finalmente se calculan los parámetros diferencia entre todas las agrupaciones y tasas obtenidas en los ensayos con motores con diferentes tipos de fallos, y se determina cuáles de estos parámetros aportan información relevante de cara a la detección de fallos en el motor. Se han obtenido diferencias apreciables en algunas agrupaciones y tasas interarmónicas de intensidad, halladas para un motor con excentricidad mixta; y de menor relevancia en tasas armónicas de tensión, para un motor de inducción con barra rota.