Cómo responden los variadores a caídas de tensión: guía práctica de interrupciones de voltaje

Los suministros eléctricos públicos son generalmente fiables, pero sufren perturbaciones. Obviamente, una pérdida total de suministro hace que todos los equipos eléctricos se detengan, a menos que tengan una fuente de respaldo como un SAI y/o generador conectado. Cuando vuelve la energía, el equipo se reinicia desde el estado apagado de la forma en que fue diseñado para arrancar. Sin embargo, existe una clase de perturbaciones que toma la forma de interrupciones cortas o caídas de tensión (dips) donde el comportamiento no es tan obvio.

Las caídas de tensión cortas no son infrecuentes. Pueden ser causadas por fallos en la línea provocados por rayos o caída de objetos como árboles, etc. Siempre que ocurre un fallo en el sistema público de energía, una caída de tensión se propaga desde el punto de fallo alrededor de todo el sistema. Los equipos de protección de la compañía eléctrica disparan el circuito defectuoso en una escala de tiempo en la región de 200 ms, tras lo cual la energía se recupera para la mayoría de consumidores, a veces tras varios intentos de reclosing automático de interruptores. Sin embargo, durante este tiempo los consumidores experimentan caídas de tensión de diversas profundidades dependiendo de su distancia eléctrica al fallo. En la industria pesada, las caídas de tensión también ocurren al arrancar grandes motores directamente a red.

Es importante que los equipos eléctricos se comporten correctamente durante y después de una caída o interrupción, un aspecto que fácilmente se pasa por alto. Deben soportar (ride through) una caída corta o poco profunda. Si esto no es posible, el comportamiento correcto depende de la aplicación. En algunas aplicaciones el equipo debe detenerse y esperar a ser reiniciado, ya sea manualmente (para evitar un peligro por arranque inesperado) o automáticamente pero bajo control coordinado para múltiples motores. Otras aplicaciones necesitan que el equipo se reinicie automáticamente cuando vuelve la energía, de forma controlada. El fallo al reiniciar correctamente puede causar pérdida de producción en planta manufacturera, emergencias como personas atrapadas en ascensores, sistemas de aire acondicionado disparándose, y todo tipo de dispositivos electrónicos necesitando una visita de servicio costosa para reiniciarlos.

Caídas e interrupciones

Las caídas e interrupciones más cortas son típicamente de unos 10 ms (un semi-ciclo de red) de duración. Cualquier cosa que exceda unos 10 s se consideraría una pérdida de suministro. El rango de duraciones donde necesitamos examinar el comportamiento es principalmente de 10 ms a unos 500 ms. En este rango, errores de diseño pueden resultar en comportamiento incorrecto como procesadores colgándose o bloqueándose, o datos corrompiéndose.

En un sistema trifásico, los fallos a menudo afectan solo a una fase, ya que rayos y objetos caídos a menudo afectan solo una fase. El fallo puede sin embargo extenderse a las tres. Un fallo fase-tierra en el sistema de transmisión de alta tensión aparece como un fallo fase-fase en el sistema de distribución de baja tensión, tras los transformadores triángulo-estrella. Las caídas por arranque de motores afectan a las tres fases.

Almacenamiento de energía y ride-through

En un circuito electrónico alimentado de red típico hay un condensador bastante grande conectado en la línea de alimentación CC interna para suavizar la tensión rectificada, y suele almacenar suficiente energía para mantener el circuito funcionando unos 10-20 ms. Para caídas o interrupciones más cortas, sigue operando normalmente, y puede haber un circuito monitor de tensión que detecta una tensión baja. Entonces hay tiempo para ejecutar una rutina corta para guardar algunos datos esenciales en memoria no volátil y poner el sistema en un estado conocido, desde el que puede reiniciarse cuando vuelve el suministro. Si se requiere ride-through hasta unos 100 ms, esto puede lograrse añadiendo capacitancia extra, más allá de lo cual se requeriría algún tipo de batería o SAI.

En un variador de velocidad típico, debido a la alta potencia transferida, los condensadores no almacenan suficiente energía para suministrar la potencia de carga nominal ni siquiera por 10 ms. No hay posibilidad realista de ride-through de la caída de forma simple usando la energía almacenada en el condensador, salvo que la potencia de carga sea muy baja en ese momento. En algunas aplicaciones especiales se han conectado condensadores externos adicionales, supercondensadores o baterías al bus CC para asegurar ride-through, pero esto suele ser demasiado caro.

Por otro lado, puede haber algo de energía útil almacenada mecánicamente en la inercia del motor. Dependiendo de la aplicación, puede ser posible usar parte de esta energía para mantener el variador en un estado viable listo para cuando vuelva la energía.

Ride-through para variadores

La Figura 1 muestra los componentes principales de potencia de un variador CA. Los chokes son opcionales y tienen poco efecto en el ride-through.

Figura 1: Componentes principales de potencia de un VSD CA

El rectificador es unidireccional, la potencia solo puede pasar de la alimentación CA al bus CC. El inversor y el motor son bidireccionales, por lo que es posible que la energía regrese del motor al bus CC del variador, siempre que también haya suficiente energía para mantener el motor magnetizado.

El controlador del variador tiene una medición de la tensión del bus CC, así que puede detectar una caída de tensión. Una interrupción corta de la alimentación CA tiene el mismo efecto que una caída, ya que la tensión CC cae al descargarse el condensador. Hay varias situaciones posibles, y el comportamiento detallado depende del modo de control del motor usado. Consideremos un control simple de lazo abierto con relación V/f fija básica.

En cualquier caso donde la tensión se recupere antes de alcanzar el nivel de detección de pérdida de suministro, la operación normal continúa. Hay un pico corto de corriente de entrada al recargarse el condensador sin el beneficio del circuito de carga suave. El variador está diseñado para soportar este pico sin daño, pero se ha conocido que interruptores disparan en esta situación, especialmente donde varios variadores se alimentan del mismo interruptor.

Rutina de pérdida de suministro:

Hay un parámetro de modo seleccionable por el usuario que da la opción de tres acciones, que pueden elegirse para adaptarse a las necesidades de la aplicación:

1. Sin acción (función de pérdida de suministro deshabilitada)
2. Frenado por rampa hasta parada
3. Ride-through

En la opción 1 el motor rueda libre hasta detenerse. El variador no realiza ninguna acción cuando la tensión cae por debajo del nivel de detección de pérdida de suministro. Si la tensión continúa cayendo por debajo del nivel de detección de subtensión, el variador se deshabilita y el motor rueda libre hasta pararse. Si vuelve la energía, el variador ejecuta un reinicio automático si las señales de habilitación y marcha al variador siguen presentes.

La opción 2 se seleccionaría normalmente donde la aplicación requiere movimientos coordinados múltiples y es importante que el variador no intente acciones independientes. El motor frena por rampa hasta parada cuando la tensión cae por debajo del nivel de detección. Si la energía vuelve mientras el variador está frenando el motor, el variador continúa frenando hasta parar, de lo contrario el variador entra en estado de subtensión y se apaga.

Hay una diferencia en el comportamiento detallado entre algunos productos de Control Techniques una vez que el variador alcanza la parada si el suministro ha vuelto:

• Para Unidrive M700 y productos relacionados: Una vez que el motor ha alcanzado la parada, el variador entra en estado deshabilitado y requiere que la señal de habilitación se alterne antes de poder funcionar de nuevo.
• Para Unidrive M100 a M400 y productos relacionados: Una vez que el motor ha alcanzado la parada, siempre que las señales de habilitación y marcha sigan presentes, el variador reinicia y acelera el motor de vuelta a la referencia de velocidad.

La opción 3 se seleccionaría normalmente donde la aplicación requiere que el variador continúe en operación independiente en la medida de lo posible. El variador reduce la consigna de velocidad del motor de forma controlada para que se mantenga el flujo del motor y la energía mecánica almacenada en el motor y la carga se devuelva al variador a medida que la velocidad cae. La energía se usa para mantener la corriente de magnetización del motor y para alimentar el circuito de control del variador. Si la energía vuelve antes de que la energía se agote, el variador acelera el motor de vuelta a su velocidad de consigna.

La probabilidad de ride-through exitoso depende claramente de la carga mecánica en ese momento y la inercia específica del motor y su carga.

Nota que si la caída de tensión ocurre en solo una fase de un suministro trifásico, la energía recuperada solo tiene que "llenar los huecos" para el rectificador durante los intervalos de tensión de fase faltante, lo que requiere mucha menos energía que para una caída trifásica y es más probable que resulte en ride-through exitoso.

Límite de intentos de auto-reset

Puede configurarse a un número deseado o ilimitado.

Reinicio con motor girando (spinning motor restart):

En todas estas opciones, si se selecciona reinicio automático, debe considerarse si se requiere la rutina de "atrapar un motor girando". Donde el variador ha mantenido control del motor, es decir, en estado de rampa o ride-through, esto no es necesario. Sin embargo, una vez que ha ocurrido el disparo por subtensión, el motor ya no está controlado. Puede continuar girando como resultado de su inercia y/o factores externos como flujo de aire en un ventilador. En ese caso, el reinicio podría fallar a menos que se habilite el algoritmo de motor girando.

Normas y requisitos para caídas, interrupciones y ride-through

Existen normas internacionales y armonizadas UE para inmunidad de productos eléctricos a caídas e interrupciones de energía. En la UE esto está cubierto legalmente por la Directiva CEM. En el resto del mundo generalmente se considera una cuestión de calidad de producto más que de ley CEM. Para equipos con intensidad nominal inferior a 16 A por fase, la norma de ensayo es IEC 61000-4-11 (EN 61000-4-11 en la UE), pero esta norma da una amplia gama de niveles de ensayo opcionales y no criterios de aprobado/suspendido. La norma de producto hay que consultarla para encontrar los requisitos precisos. Un requisito típico puede tomarse de la norma genérica de inmunidad para equipos industriales, IEC 61000-6-2:

El equipo tiene que operar como se especifica durante la caída y después, y no debe ocurrir pérdida o corrupción de datos almacenados. Nota que esto no requiere ride-through literal, en el sentido de continuar suministrando potencia nominal, sino solo operación como se pretende. El propósito del ensayo es encontrar errores o bugs como estados colgados o datos almacenados corruptos tras la caída/interrupción. Si el ensayo se aplica a una máquina que incorpora variadores, estos deben estar correctamente configurados para asegurar que la máquina completa se comporte como se pretende durante y después de las caídas.

Para equipos con intensidad nominal superior a 16 A por fase hay otra norma de ensayo IEC 61000-4-34. Esta norma se usa poco, por la dificultad y coste del equipo de ensayo. El comportamiento de un variador de alta potencia puede predecirse fiablemente por simulación y escalado desde un modelo de menor potencia.

Otra norma para perturbaciones de energía viene del Information Technology Industry Council (ITIC) en EE. UU. y a veces se especifica para equipos IT. No define un método de ensayo sino solo un comportamiento de tensión en bornes. La curva ITIC (anteriormente CBEMA) muestra operación continua para interrupciones de hasta 20 ms. Solo se aplica para suministros monofásicos y no se adapta fácilmente a tres fases.

De la discusión anterior puedes ver que un variador puede lograr esto en modo ride-through siempre que se pueda recuperar energía almacenada suficiente desacelerando la carga, especialmente con suministro trifásico.

Figura 2: La curva ITIC (anteriormente CBEMA)