Entender el flicker: impacto en la calidad de la energía y cómo los variadores de velocidad ayudan

Este artículo examina el tema del flicker (parpadeo), que puede verse como una cuestión de calidad de la energía o de Compatibilidad Electromagnética (CEM) según el punto de vista. Consideraremos si los variadores de velocidad pueden causar flicker y también dónde pueden ayudar a resolver un problema de flicker.

"Flicker" se refiere al efecto en la iluminación eléctrica cuando la tensión de suministro varía rápidamente. Puede ser cualquier cosa, desde una caída o destello ocasional único cuando se conecta o desconecta bruscamente una carga grande, hasta un parpadeo rápido irritante si la tensión se modula a una frecuencia en el rango donde el ojo y cerebro humanos son particularmente sensibles, que es alrededor de 0,5 Hz a 20 Hz.

El flicker a veces se confunde con armónicos y otros problemas de calidad de energía. Los armónicos son por definición a frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia de red, y son demasiado altos para que el ojo responda. Sin embargo, tanto el flicker como la tensión armónica son causados por corrientes de carga afectando la tensión debido a la impedancia de la fuente de suministro, así que en ubicaciones donde la impedancia de suministro es alta, por una línea de suministro larga u otro factor, problemas de tensión armónica y flicker pueden ocurrir juntos.

La Figura 1 muestra una forma de onda exagerada con flicker simulado a una quinta parte de la frecuencia de red. Por contraste, la Figura 2 muestra un armónico 5º simulado. En la Figura 2, cada ciclo está distorsionado pero con la misma forma, así que no ocurre flicker.

Los proveedores de energía eléctrica deben asegurar que su calidad de energía sea apta para el propósito, y tienen directrices para flicker. Generalmente solo realizan mediciones si hay una queja, rara vez hay tests rutinarios de instalaciones excepto para algunos sistemas especiales como turbinas eólicas.

Los productos eléctricos fabricados en grandes series pueden tener que cumplir normas de producto para flicker. La norma internacional de producto más conocida es IEC 61000-3-3, o para Europa EN 61000-3-3, que da ensayos y límites para productos con intensidad hasta 16 A por fase. En la UE esta norma está armonizada bajo la Directiva CEM, así que equipos en su ámbito generalmente deben cumplirla para llevar el marcado CE y comercializarse en la UE. Para intensidad hasta 75 A, se aplica IEC 61000-3-11. Las normas tienen límites estrictos en el rango de frecuencia de repetición sensible de 0,5 Hz – 20 Hz, pero no hay límites above 25 Hz.

Las normas para flicker requieren una medición y evaluación que tenga en cuenta el comportamiento dinámico de luces eléctricas y la sensibilidad del ojo y cerebro humanos. Las curvas de flicker (véase después) se basan en bombillas de filamento de tungsteno. Estas son bastante sensibles a la tensión por la relación cuadrática de tensión y potencia. Por otro lado, la masa térmica significa que tienden a suavizar fluctuaciones rápidas. Por supuesto, las bombillas de filamento son cada vez menos comunes. Las lámparas fluorescentes tienen una característica diferente con menos efecto suavizador. Las lámparas LED a menudo tienen un regulador así que no se ven afectadas por la tensión, salvo cuando están diseñadas para usarse con un dimmer. Las normas podrían actualizarse en el futuro para reflejar el comportamiento de lámparas modernas, pero el coste de cambios en reemplazar equipos de test y re-testar productos es indeseable. Es probable que los límites basados en bombillas de filamento nos acompañen algunos años más.

Interarmónicos

Los interarmónicos son frecuencias no deseadas que no son múltiplos enteros de la frecuencia de red, así que se sitúan entre armónicos en el espectro. Si están cerca de un armónico verdadero, pueden resultar en una modulación aparente de la tensión de suministro. En una carga resistiva simple como una lámpara de filamento, no causan flicker porque su frecuencia es alta y la lámpara solo es sensible al promedio en marcha del valor eficaz de la tensión. Sin embargo, un rectificador u otra carga no lineal puede generar frecuencias suma-y-diferencia que pueden incluir bajas frecuencias si el interarmónico está cerca de un múltiplo entero de la frecuencia de red. La Figura 3 muestra un ejemplo donde el interarmónico es de orden 5,2. La amplitud pico se modula visiblemente, pero el valor eficaz de la tensión no lo hace, y esto no se medirá como flicker. Este tipo de forma de onda puede ocurrir con variadores regenerativos u otros controladores de potencia activa donde la frecuencia de conmutación no está bloqueada en fase con la red.

Causas del flicker

El flicker siempre es causado por una variación de la corriente extraída del suministro, resultando en una variación de la tensión de suministro que luego afecta a otras cargas incluyendo la iluminación. Hay muchas fuentes posibles; la lista siguiente muestra algunas de las más comunes.

Eventos únicos:

1. Arranque de motores directamente a red. Es con mucho la causa más común de caídas de tensión únicas. Un motor de inducción consume entre 3 y 5 veces su corriente nominal al arrancar, y el efecto en la tensión empeora porque la corriente de arranque va rezagada en fase respecto a la tensión, de modo que la caída de tensión en la impedancia de suministro (que suele ser predominantemente inductiva) es mayor que para una carga resistiva.
2. Arranque de grandes dispositivos electrónicos como variadores, con corriente de entrada de carga de condensadores
3. Arranque de grandes transformadores con corriente de magnetización
4. Arranque de compresores o bombas con contrapresión, causando alto par de arranque

Eventos aleatorios frecuentes:

1. Hornos de arco
2. Soldadores de arco
3. Maquinaria sujeta a picos de carga frecuentes, p. ej. mezcladoras, prensas, etc.

Eventos periódicos o cuasi-periódicos:

1. Soldadores por puntos automáticos
2. Bombas o compresores alternativos, o cargas pulsantes similares
3. Termostatos u otros controladores que funcionan conmutando la carga —especialmente con interruptores de estado sólido que pueden operar frecuentemente
4. Controladores por tiristores o triacs en modo ráfaga (burst-firing)

El efecto de los variadores de velocidad en el flicker

El propio variador

La única forma en que un variador puede causar flicker por sí mismo es a través de la corriente de entrada de carga de condensadores al aplicar tensión. Los variadores de Control Techniques están diseñados para que la corriente de entrada no supere la corriente nominal de entrada, así que la caída de tensión no supera la causada por funcionamiento normal a potencia nominal.

El sistema de control

Si el variador está en un sistema que hace que el variador genere una potencia de salida que fluctúa rápidamente, esto puede causar flicker. Esto podría ser causado por operación periódica programada o por estabilidad marginal en un lazo de control de realimentación. Cualquier sistema de control debe evaluarse para asegurar que no causará flicker excesivo.

En una máquina con múltiples ejes y movimientos periódicos rápidos, puede ser posible arreglar el control para que los picos de potencia ocurran secuencialmente. Esto podría multiplicar la frecuencia de flicker por el número de ejes, lo que si la mueve más allá de 25 Hz podría eliminar el problema.

La carga

Arranque de motor

El variador elimina completamente la caída de tensión brusca causada por el arranque del motor. No solo la frecuencia y tensión del motor suben por rampa de forma controlada para que la corriente del motor se limite, sino que la corriente de entrada del variador es proporcional a la potencia de salida, no a la corriente de salida, así que la corriente de entrada sube por rampa solo a medida que aumenta la velocidad del motor. Hay aplicaciones donde un variador vale la pena puramente por su beneficio en arrancar sin causar caída de tensión excesiva, si la alternativa sería un refuerzo costoso del sistema de suministro.

Cargas pulsantes como bombas alternativas

El variador tiene energía almacenada muy limitada en su condensador de bus CC, no suficiente para suavizar un ciclo de flicker, así que si la potencia de carga fluctúa, la corriente de entrada del variador fluctúa de la misma forma. A menos que se tomen medidas especiales, el variador no compensará una carga fluctuante.

Normalmente, el variador simplemente no hace diferencia en el nivel de flicker causado por una carga pulsante, pero es posible que un variador empeore este efecto:

• Primero, al reducir la velocidad puede llevar la frecuencia de pulsación por debajo del punto crítico de 25 Hz donde el flicker se vuelve perceptible.
• Segundo, si el sistema del variador está configurado para dar control de velocidad estrecho con una carga de par pulsante, puede aumentar la fluctuación de potencia, porque impide que el motor desacelere y acelere en el ciclo de par. Esto reduce el beneficio de la energía almacenada en la inercia de la máquina, incluyendo el volante si existe. A menos que haya una razón muy particular para controlar la velocidad estrechamente dentro del ciclo de par, no es aconsejable usar control de velocidad en lazo cerrado o compensación de deslizamiento con carga pulsante. En realidad, es mejor permitir que la velocidad varíe con el par para aprovechar la energía mecánica almacenada.

Si se debe usar control de lazo cerrado, es mejor implementar un controlador predominantemente integral con ganancia baja. Así, la velocidad media se controla con precisión, pero el controlador no resiste la variación periódica natural dentro de un ciclo causada por el deslizamiento del motor de inducción. Esta sugerencia parece contraintuitiva, ya que tendemos a pensar en un variador como ofreciendo control de velocidad rápido y preciso, pero en realidad el control de acción rápida reduce el beneficio del volante u otra inercia en almacenar energía.

La discusión anterior se aplica con un motor de inducción. Con un motor de imanes permanentes, la velocidad está inherentemente estrechamente regulada y las pulsaciones de par se reflejan directamente como potencia de entrada sin posibilidad de que el deslizamiento del rotor dé algo de reducción. Es posible programar un algoritmo de control especial en un variador que permita deliberadamente que la velocidad caiga dinámicamente al subir el par, dentro de un ciclo rotacional, manteniendo la velocidad media a largo plazo en el valor deseado. Esto tiende a mantener la potencia constante (potencia = par × velocidad), y es la potencia la que determina la corriente de entrada. Control Techniques tiene una aplicación patentada para esto. Es posible que esto pueda dar ahorros de coste útiles en el diseño de maquinaria en algunas aplicaciones, por ejemplo, una bomba o compresor alternativo multi-cilindro podría reemplazarse por uno de un solo cilindro.

Límites de flicker

El flicker se mide usando un "flickermétrico" definido en la norma IEC 61000-4-15. Los límites para equipos se establecen en normas como IEC 61000-3-3 e IEC 61000-3-11.

La medición de flicker es de la fluctuación de tensión de suministro. Para un test de producto, el sistema de test tiene que incluir una impedancia de red simulada, definida en la norma. Los límites en IEC 61000-3-3 se basan en una red de 230 V 50 Hz con impedancia de (0,4 + j0,25) Ω, que simula una red muy "débil", es decir, con una corriente de cortocircuito baja.

La Figura 4 muestra el límite para cambios de tensión rectangulares repetitivos simples de IEC 61000-3-3, para una red de 230 V 50 Hz. El eje de frecuencia representa ciclos completos por segundo, es decir, cada ciclo comprende dos escalones iguales pero opuestos. Hay más reglas para evaluar otros patrones. La figura muestra claramente los niveles bajos permitidos para el rango de frecuencia crítico entre unos 0,5 Hz y 20 Hz.

Reducción del flicker

Ya hemos considerado formas en que el uso de un variador de velocidad puede ayudar a reducir el flicker del arranque de motor o de una carga pulsante.

Métodos convencionales incluyen el uso de bombas alternativas multi-cilindro para suavizar el par, y volantes de inercia.

Donde una gran pulsación de potencia es inevitable, la conexión de suministro debe hacerse eléctricamente cerca de la entrada de energía del sitio para evitar la caída de tensión en cables compartidos con otras cargas. Los circuitos de iluminación también deben conectarse por separado cerca de la entrada de energía.

En casos extremos, puede ser necesario instalar un nuevo suministro con impedancia más baja. Dado el alto coste, vale la pena explorar la posibilidad de que el uso creativo de variadores de velocidad pueda evitar el coste.