CRL 1-hr: Nov 7 Introduction to Uptime Elements Reliability Framework and Asset Management System

La tecnología de VFD ha cambiado la manera en que la mayoría de nosotros hacemos negocio en una forma u otra. Si no se ha influenciado en una cierta manera con esta nueva tecnología, entonces haga una pausa, su tiempo está viniendo. Todos hemos oído las historias de horror sobre las fallas de motor que ocurrían minutos u horas después de conectar un nuevo Drive, o hemos visto los anuncios que nos empujaban para adquirir el nuevo cableado inversor de uso rudo para prevenir estas fallas relacionadas con el Drive. ¿Qué debe saber y a quién debe preguntar para conseguir respuestas? Antes de que procure contestar a la pregunta, cubramos algunos fundamentos para  sentirnos más cómodos haciendo las preguntas correctas a la gente adecuada.  

El calor excesivo es el primer concepto básico a entender. Una preocupación de los Drives de frecuencia variable (VFD Variable Frequency Drives por sus siglas en ingles) es su propensión de destruir los motores con el recalentamiento. ¿De dónde viene el calor excesivo? El calor resulta de la corriente que atraviesa el motor, que es efectuado por el esfuerzo de torsión. Cuando un motor funciona según fue diseñado liberará cierto esfuerzo de torsión para una entrada de corriente dada. Si la demanda del esfuerzo de torsión cambia (como en variaciones de carga), la demanda actual cambia. Los ingenieros de diseño consideran la cantidad de corriente requerida para proporcionar el esfuerzo de torsión clasificado y después determinar la cantidad de traspaso de calor requerida, para evitar que el motor se recaliente. En un mundo perfecto, a menos que el operador consiga un poco de ayuda con la carga, el motor debe quitar fácilmente el calor desarrollado por la corriente de carga completa. Desafortunadamente, el mundo perfecto existe solamente en un laboratorio. 

Si un motor requiere más corriente de carga completa para liberar el esfuerzo de torsión o los caballos de fuerza (HP Horse Power por sus siglas en ingles), entonces hay un defecto de diseño con el motor o un problema de la energía con el sistema de distribución. Como si estuviéramos en una carrera política para la presidencia, deje al dedo índice comenzar a señalar. "el problema es del motor!" "no, es el Drive el que causa el problema!" ¿Cuántos de nosotros han tenido esa conversación antes? 

A favor de los ingenieros diseñadores de motores, dejen decirles que mucho trabajo se ha puesto en diseñar la capacidad del traspaso de calor y la mayoría del tiempo que usted puede apostar que no es simplemente un problema de diseño del motor. A muchos de nosotros nos dijeron que si ponemos la mano en un motor y esta caliente al tacto, (bastante caliente como para querer quitar la mano) está trabajando muy caliente. Hace años esto habría sido verdad. Sin embargo, ahora los motores se diseñan con marcos extendidos más largos y mucho menos hierro. Un motor 40hp es más pequeño que el que se fabrico hace años. Los motores más viejos podían disipar calor a través de las grandes masas de hierro usadas en su construcción. Hoy, el calor es disipado por transferencia a la superficie del motor. 

Si no es la demanda de la carga o el diseño del motor (y ambas cosas se deben considerar) entonces la atención se debe centrar en la calidad de la energía. La calidad pobre de la energía puede hacer a un motor esbozar una corriente excesiva. El estándar de IEEE 519-1992 para la calidad de la energía indica que la distorsión actual al punto del acoplador común (PCC point of common coupling por sus siglas en ingles) no debe exceder un valor predeterminado. Éste estandard suena claro, pero usted sabe donde en el mundo está el punto del acoplador común? ¿Cuándo fue la última vez que usted identificó donde está el circuito de TC (transformador de corriente), mucho menos, la proporción del TC? 

Con tanto equipo y conocimiento disponible ahora, la especialización se ha convertido en una necesidad en algunas áreas. Incluso con el entrenamiento especializado, los nuevos técnicos todavía carecen de la experiencia necesaria para localizar las fallas a los problemas de la calidad de la energía y del motor. Si la experiencia no se transmite a los nuevos empleados, después desaparece con el retiro y la escuela de golpes duros comienza para los nuevos técnicos. 

La calidad de la energía ha sido empujada recientemente a la luz, por la desregulación de servicios y la popularidad en los Drives de corriente directa y corriente alterna (AC DC). Con la desregulación, la competencia entre los proveedores de servicios ha aumentado la preocupación de multas por altos niveles de distorsión. ¿Cómo puede esta distorsión ser reducida al mínimo? ¿Qué equipo se requiere, y es la preocupación puramente financiera o está el equipo en riesgo? 

Primero, debemos entender de lo que realmente estamos hablando cuando hablamos de problemas de la calidad de la energía. El voltaje y la corriente de distorsión armónica, los picos de voltaje, el desequilibrio del voltaje y el factor de la energía son algunas de las muchas preocupaciones al discutir la calidad de la energía. Aunque todos éstos son importantes, nos centraremos en apenas algunos, comenzando con la distorsión armónica. 

La distorsión armónica suena siempre como un concepto muy profundo. Llega a ser más elemental si usted conoce desde sus fundamentos básicos. La referencia más común de este asunto es la Distorsión Armónica Total (de ahora en adelante THD Total Harmonic Distortion por sus siglas en ingles). THD es la proporción del significado de la raíz cuadrada del contenido armónico al valor del significado de la raíz cuadrada de la cantidad fundamental, expresado como porcentaje del fundamento. Aún más simple, es  el valor del RMS de la señal con la línea de frecuencia (fundamental) removido. Una Onda sinusoidal perfecta de 60 Hz tendrá 0% de THD. Así que cualquier otra cosa que no sea la línea de frecuencia fundamental (60 Hz) será considerada una distorsión armónica. 

Lo que sigue es una representación gráfica que demuestra las diferencias básicas entre la señal fundamental 60Hz y los armónicos de la señal de 60 Hz.

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La distorsión armónica no es difícil de entender si usted recuerda que la distorsión está abarcada de señales con excepción de la fundamental de 60 Hz, así como múltiplos armónicos de esa misma señal de 60 Hz. Las etiquetas de la señal en los cuadros 2 y 3 identifican cada una de las tres fases. Estas figuras nos ayudarán en el siguiente asunto de nuestro análisis: armónicos positivo, negativo y cero de la secuencia.

Las secuencias armónicas positiva, negativa y cero, existen en todos los sistemas trifásicos. Las secuencias armónicas positivas crean un campo magnético en la dirección de la rotación. El campo magnético desarrollado por el armónico fundamental (60 Hz) debe estar en la dirección de la rotación. Si no, el motor funcionaría al revés. Por lo tanto, el fundamental es un armónico positivo de la secuencia. Esto se ilustra en los cuadros 2 y 3 por el orden de la secuencia de la fase 1 después del patrón 1.2.3.

Las secuencia armónicas negativas desarrollan campos magnéticos en la dirección opuesta de la rotación. Esto reduce el esfuerzo de torsión y aumenta la demanda actual total requerida para una carga dada. La rotación del campo magnético desarrollado por el segundo armónico está en orden invertido (según lo visto en el cuadro 2). En vez de avanzar en la orden de 1.2.3, la 2da secuencia armónica es 3.2.1. Esto es en orden de reversa y es por lo tanto una secuencia armónica negativa.

Aún hay un tercer armónico llamado un armónico de secuencia cero. Esto crea una señal monofásica que no produce un campo magnético de rotación de ninguna clase. Aunque esta señal no realiza ningún trabajo verdadero, puede todavía aumentar la demanda actual de corriente y generar calor. El cuadro 3 ilustra las 3 fases en la 3er señal armónica al tope de cada una o "en fase." Estas corrientes fluirán de nuevo al transformador de la fuente y se acumularán en la parte neutral, creando calor excesivo en el transformador al igual que en la parte neutral por igual.

Aunque parece difícil de entender, las secuencia armónicas son más fácil de entender estudiando la relación básica entre ellas. Según lo considerado en la tabla 1, la secuencia positiva, negativa y cero simplemente se repite una y otra vez.

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Las frecuencias armónicas son sobre todo el resultado de las cargas no lineales (Switching) tales como las computadoras, iluminación fluorescente, y Drives de Frecuencia Variable (VFD). La presencia de armónicas en un sistema de distribución da lugar a calor excesivo por el incremento en la demanda de corriente. Una carga diseñada para tirar 100 amperios en carga completa puede provocar 120 amperios si la distorsión armónica es alta. Esta corriente adicional puede conducir al daño del aislamiento y posiblemente a una falla catastrófica. Los secuencia de armónicos cero excesiva se acumulará de vuelta en el transformador, conduciendo a una sobrecargar y una posible falla. Esta alta secuencia de corriente cero regresa a la fuente a través del conductor neutral y, si es excesiva, puede generar calor substancial e incluso fuego. En un esfuerzo por evitar tales acontecimientos catastróficos, muchas compañías están modificando sus sistemas de distribución. Instalando transformadores tipo K, diseñados para manejar cargas más grandes causadas por la secuencia armónica cero, y aumentando el tamaño de la mili pulgada de su hilo neutro para acomodar niveles de corriente más grande, son dos actividades populares. Aunque estos esfuerzos no hacen nada para disminuir los armónicos, reducen el riesgo de falla. Para remover los armónicos se requiere la instalación de mecanismos de filtrado, tales como filtros de secuencia cero. Un ejemplo de corriente de secuencia cero se muestra en la figura 4.

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IEEE 519 El estándar IEEE519 de calidad de la energía nos da referencias profundas a los niveles legales de distorsión armónica que deben existir a través de nuestras plantas. Desafortunadamente, tan profundos como son, sigue siendo difícil determinar su aplicación a las situaciones individuales. Simplemente analicemos, la distorsión del voltaje es la preocupación primaria. En los estándares, a la corriente distorsionada se le presta menos atención que al voltaje, y es gobernada por las pautas específicas al punto del acoplador común (PCC Point of Common Coupling por sus siglas en ingles).El PCC es un modo en el sistema para uso general de la distribución donde la fuente común se divide para proveer a clientes individuales. Los estándares se diseñan para evitar que la mala calidad de la energía de un cliente, influya en otra persona. Esto llega a ser más relevante mientras aumenta la demanda para una mejor calidad de la energía.

Las pautas generales, según lo indicado en la tabla 3.3.1 de IEEE 519-1992, recomiendan el voltaje <5% THD para los sistemas que funcionan a menos de 6.9kv. Recomiendan más aún que la distorsión armónica individual del voltaje sea de < 3%. La figura 5 muestra un ejemplo de niveles inaceptables de la distorsión del voltaje. Estos altos niveles armónicos se pueden considerar como pulsos en la señal del voltaje que monta la frecuencia fundamental (figura 6).

Ahora que hemos cubierto los fundamentos de cómo el calor excesivo se puede generar por calidad pobre de la energía, examinemos cómo los Drives de Frecuencia Variable pueden afectar su calidad de energía.

Algunos de los VFD más nuevos, que utilizan transistores bipolares aislados de la entrada (IGBTs Insulated Gate Bi-polar Transistors pos sus siglas en ingles), puede exceder rápidamente la línea de voltaje en menos de un microsegundo. Los sistemas más viejos de aislamiento clase B no pueden tolerar este tiempo de subida acelerado y fallarán rápidamente. Los motores diseñados para el trabajo invertido se recomiendan cuando se utilizan Drives para suministrar energía. La longitud de cable excesiva entre el drive y el motor puede crear un gran desajuste de de la impedancia. Conduciendo a altos voltajes en la caja de conexión del motor. La distancia apropiada del cable es especificada por el fabricante del Drive.

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Según lo considerado en la figura 7 la interrupción general del sistema de un Drive consiste en tres secciones (rectificador, almacenaje o banco, y secciones del inversor).

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La sección del rectificador convierte la señal de AC en una señal DC. El banco del capacitor almacena esta potencia DC, y la sección del inversor la convierte en una salida variable de AC. Los Drives se diseñaron para operar motores DC con principios similares. Con la DC, la fuerza de la señal de salida se regula en vez de la frecuencia. El enfoque estará ahora en los Drives de AC.

Las clasificaciones comunes de los VFD disponibles ahora, son Inversores Variables del Voltaje, Inversores de Corriente Variables, e Inversor Modulado de Pulso Ancho. Cada uno funciona diferente, con sus ventajas y desventajas. Comencemos con el Inversor de Voltaje Variable del (VVI Variable Voltage Inverter por sus siglas en ingles).

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El ejemplo anterior demuestra la salida del voltaje y de la corriente de la sección del inversor de un VVI, designado a veces como un inversor de la fuente del voltaje (VSI Voltage Source Inverter por sus siglas en ingles). Este tipo de Drive controla el voltaje de la salida, según lo considerado en los 6 pasos que ocurren a través de un solo ciclo de la forma de onda del voltaje. La señal actual es el producto de la relación entre el voltaje controlado del Drive y la impedancia del motor.

Un Inversor de Corriente Variable (ICV) funciona bajo los mismos principios que el VVI excepto que controla la corriente de salida. En el caso de el ICV la señal del voltaje es entonces el producto de la relación entre la corriente controlada del drive y la impedancia del motor.

Aunque es fácil ver la influencia de seis pulsos que ambos, el Voltaje Variable y los ICV tienen en el motor, también necesitamos estar enterados de su impacto en un sistema sin filtro de la distribución contracorriente desde el Drive. En la figura 5, usted vio un 5to y 7mo armónico alto que influenciaba la línea lateral del Drive. Una vez más IEEE 519 tiene pautas a seguir para reducir al mínimo los efectos armónicos sobre el sistema de la distribución. Esto se puede lograr a través de una línea de reactores o filtros, esto deberá discutirlo lo mejor posible con su fabricante del Drive. La figura 8 es un ejemplo de la influencia del Drive en la corriente de línea lateral.

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El tercer tipo de Drive que se analizará es una nueva clase de Drives, conocido como Inversor Modulado de Pulso Ancho (de ahora en adelante PWM Pulse Width Modulated Inverters por sus siglas en ingles). Los Drives de PWM utilizan la tecnología de IGBT mencionada anterior. Los tiempos de subida rápidos, tan bajo como .1 microsegundo, pueden dañar rápidamente las clases más viejas de aislamiento. Se amplifica esto cuando la impedancia del arranque del motor es perceptiblemente más alta que la impedancia del cable, causando que el voltaje doble ocurra. Las longitudes de cable incorrectas son una causa de desajuste de la impedancia. Consecuentemente, la especificación de la NEMA MG-31 se ha reescrito requiriendo aislamiento del motor conforme a las señales del VFD, de soportar los pulsos de 1600 volts que ocurrían en un .1 microsegundo o mayores.

La figura 9 demuestra el voltaje y la relación actual en la salida de un Drive de PWM.

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La figura 10 demuestra la línea a la salida neutral del voltaje de un Drive de PWM.

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La diferencia principal entre un PWM y otras clases de Drives es que éstos no varían la amplitud de la salida del voltaje. En lugar, varían la frecuencia en la cual se pulsa el voltaje de la salida. Controlando los tiempos por intervalos de la alta frecuencia de la salida del voltaje, el aspecto de una forma de onda sinusoidal es logrado. Aunque el voltaje de la salida es muy errático, el resultado de la onda es extremadamente liso.

Conclusión.

Es un hecho de que un VFD puede dañar el sistema del aislamiento de su motor. Sin embargo, con una comprensión mejor, usted debe poder prevenir la avería anticipada que muchos han visto. A menos que usted tenga un motivo para sustituir el motor, usted no debe instalar un Drive de PWM a un antiguo sistema de aislamiento clase B. Los fabricantes de Drives han aumentado la eficacia con la tecnología de PWM para entregar una onda de corriente limpia a su motor. Pero esa corriente viene con el costo de tiempo de recuperación rápidamente.

Manténgase cerca de su fabricante de Drives y desarrolle una comprensión de las limitaciones en el lugar para la instalación del VFD. Esto incluye cosas tales como longitud de cable, frecuencias de modulación, y afinidad de la impedancia del motor y del circuito. Pregunte que recomendaciones tienen de filtros para asegurar un sistema de distribución limpio. Considere evaluar otras especificaciones de las instalaciones para la influencia armónica provenientes del VFD. También comunique sus planes para instalar sistemas de Drives con su taller mecánico. Consiga las observaciones de los técnicos de dicho taller en las expectativas de los sistemas de aislamiento de motor. ¿El motor cumple con los estándares de la norma NEMA para el uso con los Drives? ¿Debe usted utilizar el nuevo cable inversor?

La tecnología VFD no va a desaparecer, sino que continuará mejorando. Justo como el aislamiento del motor, conseguirá mejorar a través del tiempo. La información y la comunicación es la llave para lograr una vida más larga en el motor y un sistema de distribución óptimo.

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