Parpadeo y calidad de energía

Este blog analiza el tema del parpadeo, que puede verse como una cuestión de calidad de la energía o de compatibilidad electromagnética (EMC), según su punto de vista. Consideraremos si las unidades de velocidad variable pueden causar parpadeo y también dónde pueden ayudar a resolver un problema de parpadeo.

"Flicker" se refiere al efecto en la iluminación eléctrica cuando el voltaje de suministro varía rápidamente. Esto puede ser cualquier cosa, desde una sola caída o destello ocasional cuando una carga grande se conecta o desconecta repentinamente, hasta un parpadeo rápido e irritante si el voltaje se modula a una frecuencia en el rango donde el ojo humano y el cerebro son particularmente sensibles, lo cual es alrededor de 0,5 Hz a 20 Hz.

El parpadeo a veces se confunde con los armónicos y otros problemas de calidad de la energía. Los armónicos están, por definición, en frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia de suministro, y son demasiado altos para que el ojo los responda. Sin embargo, tanto el parpadeo como el voltaje armónico son causados ​​por corrientes de carga que afectan el voltaje debido a la impedancia de la fuente de suministro, por lo que en lugares donde la impedancia del suministro es alta, debido a una línea de suministro larga o algún otro factor, pueden surgir problemas tanto de voltaje armónico como de parpadeo. ocurren juntos.

La Figura 1 muestra una forma de onda exagerada con parpadeo simulado a una quinta parte de la frecuencia de suministro. Por el contrario, la Figura 2 muestra un quinto armónico simulado. En la Figura 2, cada ciclo está distorsionado pero tiene la misma forma, por lo que no se produce parpadeo.

Los proveedores de energía eléctrica deben asegurarse de que la calidad de su energía sea adecuada para su propósito y tienen pautas para el parpadeo. Generalmente solo realizan mediciones si hay alguna queja, raramente hay algún tipo de prueba rutinaria de las instalaciones salvo algunos sistemas especiales como los aerogeneradores.

Es posible que los productos eléctricos que se fabrican en grandes cantidades deban cumplir con los estándares del producto para el parpadeo. El estándar de producto internacional más conocido es IEC 61000-3-3, o para Europa EN 61000-3-3, que brinda pruebas y límites para productos clasificados hasta 16 A por fase. En la Unión Europea, esta norma está armonizada bajo la Directiva EMC, por lo que los equipos dentro de su alcance generalmente deben cumplir con ella para llevar la marca CE y comercializarse en la UE. Para corriente nominal de hasta 75 A, se aplica IEC 61000-3-11. Los estándares tienen límites estrictos en el sensible rango de frecuencia de repetición de 0,5 Hz a 20 Hz, pero no tienen límites por encima de 25 Hz.

Todos los estándares para el parpadeo requieren una medición y evaluación que tenga en cuenta el comportamiento dinámico de las luces eléctricas y la sensibilidad del ojo y el cerebro humanos. Las curvas de parpadeo (ver más adelante) se basan en bombillas de luz de filamento de tungsteno. Estos son bastante sensibles al voltaje debido a la relación de la ley cuadrática de voltaje y potencia. Por otro lado, la masa térmica hace que tiendan a suavizar las fluctuaciones rápidas. Por supuesto, las bombillas de filamento se están volviendo poco comunes ahora. Las lámparas fluorescentes tienen una característica diferente con menos efecto suavizante. Las lámparas LED a menudo tienen un regulador, por lo que no se ven afectadas por el voltaje, excepto cuando están diseñadas para usarse con un atenuador. Los estándares pueden actualizarse en el futuro para reflejar el comportamiento de las lámparas modernas, pero el costo de los cambios para reemplazar el equipo de prueba y volver a probar los productos no es bienvenido. Es probable que los límites basados ​​en bombillas de filamento se mantengan durante algunos años.

Interarmónicos

Los interarmónicos son frecuencias no deseadas que no son múltiplos enteros de la frecuencia de suministro, por lo que se encuentran entre armónicos en el espectro. Si están cerca de un armónico verdadero, pueden dar como resultado una modulación aparente de la tensión de alimentación. En una carga resistiva simple como una lámpara de incandescencia, no causan parpadeo porque su frecuencia es alta y la lámpara solo es sensible al promedio de funcionamiento del r.m.s. Voltaje. Sin embargo, un rectificador u otra carga no lineal puede generar frecuencias de suma y diferencia que pueden incluir frecuencias bajas si el interarmónico está cerca de un múltiplo entero de la frecuencia de suministro. La Figura 3 muestra un ejemplo donde el interarmónico es de orden 5.2. La amplitud máxima está visiblemente modulada, pero el r.m.s. el voltaje no lo es, y esto no se medirá como parpadeo. Este tipo de forma de onda puede ocurrir con unidades regenerativas u otros controladores de potencia activa donde la frecuencia de conmutación no está bloqueada en fase con el suministro.

Causas del parpadeo

El parpadeo siempre es causado por una variación de la corriente extraída del suministro, lo que resulta en una variación del voltaje de suministro que luego afecta a otras cargas, incluida la iluminación. Hay muchas fuentes posibles, la lista a continuación muestra algunas de las más comunes.

Eventos individuales:

1. Motores de arranque directo en línea. Esta es, con mucho, la causa más común de las caídas de voltaje individuales. Un motor de inducción consume entre 3 y 5 veces su corriente nominal al arrancar, y el efecto sobre el voltaje empeora por el hecho de que la corriente de arranque retrasa el voltaje en fase, por lo que el voltaje cae en la impedancia de suministro, que suele ser predominantemente inductiva. , es mayor que para una carga resistiva.
2. Arranque de dispositivos electrónicos grandes, como variadores, con corriente de arranque de carga de condensador
3. Arranque de grandes transformadores con magnetización de corriente de entrada
4. Arrancar compresores o bombas con contrapresión, lo que provoca un alto par de arranque

Eventos aleatorios frecuentes:

1. Hornos de arco
2. Soldadoras de arco
3. Maquinaria sujeta a frecuentes picos de carga pesada, p. batidoras, prensas, etc.

Eventos periódicos o casi periódicos:

1. Soldadoras automáticas por puntos
2. Bombas o compresores alternativos, o cargas pulsantes similares.
3. Termostatos u otros controladores que funcionan cambiando la carga, especialmente con interruptores de estado sólido que pueden funcionar con frecuencia.
4. Controladores triac o tiristores de disparo en ráfaga

El efecto de los variadores de velocidad en el parpadeo

La unidad en sí

La única forma en que una unidad puede causar parpadeo en sí misma es a través de la corriente de entrada de carga del condensador cuando se aplica energía. Los variadores de Control Techniques están diseñados para que la corriente de irrupción no supere la corriente de entrada nominal, de modo que la caída de tensión no supere la provocada por el funcionamiento normal a la potencia nominal.

El sistema de control

Si la unidad está en un sistema que hace que la unidad genere una salida de energía que fluctúa rápidamente, esto puede causar un parpadeo. Esto podría deberse a una operación periódica programada oa una estabilidad marginal en un circuito de control de retroalimentación. Cualquier sistema de control debe evaluarse para garantizar que no cause un parpadeo excesivo.

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

La carga

Arranque de motores

El convertidor elimina por completo la caída repentina de tensión provocada por el arranque del motor. La frecuencia y el voltaje del motor no solo aumentan de forma controlada para limitar la corriente del motor, sino que también la corriente de entrada del variador es proporcional a la potencia de salida, no a la corriente de salida, por lo que la corriente de entrada aumenta solo a medida que el motor aumenta. aumenta la velocidad. Hay aplicaciones en las que vale la pena un variador simplemente por su ventaja de arrancar sin causar una caída de voltaje excesiva, si la alternativa fuera un refuerzo costoso del sistema de suministro.

Cargas pulsantes como bombas alternativas

El variador tiene una energía almacenada muy limitada en su capacitor de enlace de CC, que no es suficiente para suavizar un ciclo de parpadeo, por lo que si la potencia de carga fluctúa, la corriente de entrada del variador fluctúa de la misma manera. A menos que se tomen medidas especiales, el variador no compensará una carga fluctuante.

Por lo general, la unidad simplemente no hace ninguna diferencia en el nivel de parpadeo causado por una carga pulsante, pero es posible que una unidad empeore este efecto :

• En primer lugar, al reducir la velocidad, puede reducir la frecuencia de pulsación por debajo del punto crítico de 25 Hz, donde el parpadeo se vuelve perceptible.
• En segundo lugar, si el sistema de accionamiento está configurado para proporcionar un control de velocidad estrecho con un par de carga pulsante, puede mejorar la fluctuación de potencia, ya que evita que el motor se ralentice y acelere en el ciclo de par. Esto reduce el beneficio de la energía almacenada en la inercia de la máquina, incluido el volante si está instalado. A menos que exista una razón muy particular para controlar la velocidad de cerca dentro del ciclo de torque, no es recomendable usar control de velocidad de bucle cerrado o compensación de deslizamiento con una carga pulsante. De hecho, es mejor dejar que la velocidad varíe con el par para aprovechar la energía mecánica almacenada.

Si se debe usar control de velocidad de lazo cerrado, es mejor implementar un controlador predominantemente integral con una ganancia baja. De esta manera, la velocidad promedio 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 contraria a la intuición, ya que tendemos a pensar que un variador de velocidad ofrece un control de velocidad rápido y preciso, pero en realidad el control de acción rápida reduce el beneficio del volante u otra inercia en el almacenamiento de energía.

La discusión anterior se aplica a un motor de inducción. Con un motor de imanes permanentes, la velocidad está estrechamente regulada de forma inherente y las pulsaciones de par se reflejan directamente como potencia de entrada sin ninguna posibilidad de que el deslizamiento del rotor produzca alguna reducción. Es posible programar un algoritmo de control especial en un variador que permita deliberadamente que la velocidad caiga dinámicamente a medida que aumenta el par, dentro de un ciclo de rotación, mientras mantiene la velocidad promedio a largo plazo en el valor deseado. Esto tiende a mantener constante la potencia (potencia =par x 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 generar ahorros de costos útiles en el diseño de la maquinaria en algunas aplicaciones, por ejemplo, una bomba o compresor alternativo de varios cilindros podría reemplazarse por uno de un solo cilindro.

Límites de parpadeo

El parpadeo se mide utilizando un "flickermeter" definido en la norma IEC 61000-4-15. Los límites para el equipo se establecen en estándares como IEC 61000-3-3 e IEC 61000-3-11.

La medida del parpadeo es de la fluctuación del voltaje de suministro. Para una prueba de producto, el sistema de prueba debe incluir una impedancia de suministro de red simulada, que se define en la norma. Los límites en IEC 61000-3-3 se basan en un suministro de 230 V 50 Hz con una impedancia de (0,4 + j0,25) W, que simula un suministro muy "débil", es decir, uno con una corriente de cortocircuito baja.

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

Reducción del parpadeo

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

Los métodos convencionales incluyen el uso de bombas alternativas de cilindros múltiples para suavizar el torque y volantes.

Cuando sea inevitable una gran pulsación de energía, la conexión de suministro debe realizarse eléctricamente cerca de la fuente de alimentación de entrada del sitio para evitar la caída de voltaje en los cables compartidos con otras cargas. Los circuitos de iluminación también deben conectarse por separado cerca de la fuente de alimentación entrante.

En casos extremos puede ser necesario instalar un nuevo suministro con menor impedancia. En vista del alto costo, vale la pena explorar la posibilidad de que el uso creativo de unidades de velocidad variable pueda evitar el costo.