El uso de variadores de frecuencia en la industria aumenta constantemente. Su empleo es tarea rutinaria para los equipos de ingeniería y mantenimiento eléctrico.
Pero la instalación de variadores de frecuencia trae consigo también nuevos interrogantes: ¿son realmente necesarios los reactores de línea y de carga? ¿qué beneficios ofrecen? ¿cuándo debo usarlas? ¿sólo reducen los armónicos?
Son estas preguntas las que se abordan e intentan aclarar en esta nota técnica
1. ¿Qué son los reactores?
Los reactores son dispositivos electromagnéticos, que constan de un núcleo de acero y bobinas de cobre que forman un campo magnético. Este campo limita la variación súbita de la corriente, reduciendo así la magnitud de los armónicos y protegiendo el variador de sobretensiones del sistema de energía.
Los reactores pueden ser de línea o de carga, dependiendo de dónde estén instalados. Como se muestra en la Figura 1, cuando se coloca un reactor antes del variador de frecuencia, se denomina reactor de línea. Mientras que un reactor conectado en serie entre el variador y los motores, se denomina reactor de carga.
2. Beneficios de los reactores de línea
Los reactores de línea ayudan a proteger los variadores de las perturbaciones del sistema eléctrico que pueden causar disparos inesperados de las protecciones o daños a los VdF. Además reducen la distorsión armónica que genera el variador en la red eléctrica.
Los reactores de línea deben usarse en las siguientes circunstancias:
a. Cuando el voltaje de entrada de la línea eléctrica pueda contener perturbaciones como sobretensiones, picos, transitorios, etc.
b. Si se desea disminuir la distorsión armónica.
Reducción de disparos intempestivos por sobretensión debido a transitorios de línea
La activación de un banco de condensadores crea un cortocircuito momentáneo durante el cual se absorbe energía de la línea para cargar el condensador. Esto modifica la forma de onda de voltaje.
La magnitud de sobretensión típica se encuentra entre 1,2 y 1,6 veces con una frecuencia de 400-600 Hz. Durante el evento de sobretensión transitoria, por protección, el variador de frecuencia puede desconectarse mostrando un código de falla por sobrevoltaje.
En casos excepcionales se pueden generar incluso daños en los diodos de entrada.
Los reactores de línea proporcionan dos funciones principales que ayudan a minimizar el efecto de los transitorios en los VDF:
- La impedancia del reactor de línea proporciona una caída de tensión que reduce el voltaje del bus de CC, proporcionando así un mayor margen para el disparo por sobrevoltaje.
- Los reactores limitan la magnitud y la velocidad de la sobrecorriente que carga el condensador del bus de CC. En la mayoría de los casos, los reactores de línea de impedancia del 3% son adecuados para reducir los voltajes transitorios.
Reducción de los armónicos de corriente de la línea de entrada de los VDF
Si bien los variadores brindan grandes ventajas en cuanto a ahorro de energía y a mejorar la eficiencia, son la causa número uno de contaminación del sistema eléctrico dentro de las industrias.
La forma de onda de la corriente de entrada de los VdF, a causa del puente rectificador de diodos, resulta un flujo de corriente no sinusoidal con una distorsión armónica total (THD) de entre 90 y 150%, donde predominan los armónicos 5, 7, 11 y 13, tal como se muestra en la Figura 3.
El uso de reactores de línea de impedancia del 5% puede eliminar aproximadamente el 65% de la THD, lo que además de ayudar a cumplir con la norma IEEE 519, reduce la temperatura y el ruido de funcionamiento del motor.
Mejora del factor de potencia
Los variadores de frecuencia suelen tener un factor de potencia bajo, entre 0,6 y 0,65. Sin embargo, esto no significa que los VdF tengan una alta demanda de potencia reactiva. El bajo factor de potencia se debe al alto contenido de armónicos en la forma de onda.
Como se explicó en la sección anterior, los reactores de línea tienen la capacidad de reducir los armónicos de la corriente. Al disminuir los armónicos se obtiene de forma directa una mejora el factor de potencia de la línea.
Para entender más sobre cómo los armónicos influyen en el factor de potencia te recomendamos leer el siguiente artículo: ¿Es lo mismo cos fi y factor de potencia?
3. Beneficios de los reactores de carga
Los reactores de carga o de salida, se instalan después del variador de frecuencia y su función principal es proteger el motor y el cable de acometida. Es siempre recomendable que se ubiquen lo más cerca posible del VdF.
Los reactores de carga son especialmente necesarios cuando el cableado entre el variador y el motor es de longitud considerable.
El variador de frecuencia genera una salida PWM de alta frecuencia, esto combinado con cables largos entre el variador y el motor, pueden producir el efecto de onda reflejada que generan picos altos de voltaje como se muestra en la Figura 4.
Los elevados valores de tensión de estos picos pueden ser causa de deterioro e incluso perforación del aislamiento de las bobinas del motor.
Como regla general, se debe usar un reactor de carga si el cableado del motor se extiende más de 30 metros, pero este valor puede variar según el motor instalado. Por ejemplo, si un motor cumple con la norma NEMA MG-1 Parte 31 (CIV=1488V) es posible tener hasta 100 metros de cableado sin un reactor de carga.
Para distancias superiores a 150m, se recomienda utilizar filtros especiales llamados filtros dV/dt (filtro de paso bajo).
4. Tipos de reactores
Los reactores de línea y de carga se clasifican por su porcentaje de impedancia, que representa la caída de tensión que generan a corriente nominal.
Los más comunes tienen una impedancia del 3% o del 5%.
Reactores con una impedancia del 3% son suficientes para la mayoría de las aplicaciones. Absorben gran parte de los picos de tensión y las sobrecargas de corriente del motor y pueden evitar la mayoría de los disparos intempestivos de los dispositivos de protección.
Cuando hay mayores perturbaciones en la línea, es posible que se necesiten reactores de impedancia del 5%.
Si el objetivo es disminuir el ruido del motor o prolongar su vida útil, se pueden utilizar reactores de impedancia más alta para reducir aún más los armónicos.
