Problemas de baja tensión en inversores: Soluciones y resolución de problemas

Problemas de subtensión de los convertidores de frecuencia

 一、Prefacio

        En el campo de la producción industrial altamente automatizada de hoy en día, los convertidores de frecuencia, como equipos cruciales de control de potencia, se utilizan ampliamente en diversos escenarios, como la regulación de la velocidad del motor, ejerciendo un impacto significativo en la eficiencia de la producción y la calidad del producto. Sin embargo, durante el proceso de funcionamiento real, los convertidores de frecuencia pueden encontrarse con varios problemas, entre los cuales el problema de la subtensión es bastante común y problemático. Puede provocar un funcionamiento inestable del equipo, interrupciones de la producción e incluso daños en el equipo. Por lo tanto, un conocimiento profundo de las causas del problema de subtensión en los convertidores de frecuencia y el dominio de soluciones eficaces son de gran importancia para garantizar la continuidad y la estabilidad de la producción industrial.

二、Causas del problema de subtensión en convertidores de frecuencia.

 (A) Problemas en la fuente de alimentación

1. Fluctuaciones de tensión en la red

         La red eléctrica industrial es un sistema complejo y su tensión no siempre es estable. Durante los periodos de mayor consumo eléctrico, un gran número de equipos funcionan simultáneamente, lo que provoca un fuerte aumento de la carga de la red. Por ejemplo, en las grandes fábricas, cuando se ponen en marcha simultáneamente varias líneas de producción y funcionan al mismo tiempo numerosos equipos eléctricos, como motores y dispositivos de calefacción, la tensión de red disminuye debido a la gran carga. Este descenso puede hacer que la tensión de entrada del convertidor de frecuencia caiga por debajo de su rango de trabajo normal, desencadenando así el problema de subtensión. Además, la puesta en marcha o parada de grandes equipos de la red también producirá caídas o fluctuaciones de tensión. Por ejemplo, la puesta en marcha instantánea de un gran compresor en una fábrica provocará fluctuaciones de tensión evidentes en la red, que afectarán al funcionamiento normal de los convertidores de frecuencia cercanos.

         Además, las averías o los trabajos de mantenimiento en la red eléctrica externa también pueden causar problemas de tensión. Por ejemplo, cuando una subestación lleva a cabo inspecciones de líneas, actualizaciones de equipos o reparaciones de averías, la tensión de alimentación puede cambiar de forma anormal. Es posible que estos cambios no se notifiquen a los usuarios con antelación, dejando al convertidor de frecuencia vulnerable a situaciones de subtensión sin ninguna preparación.

2. Problemas de la línea eléctrica

         Si se producen fallos en las líneas de alimentación eléctrica desde la red hasta el convertidor de frecuencia, esto afectará directamente a la tensión de entrada del convertidor de frecuencia. Los cables utilizados durante mucho tiempo pueden experimentar una disminución del rendimiento del aislamiento y un aumento de la resistencia debido al envejecimiento, la humedad o los daños mecánicos. Cuando la corriente pasa a través de estos cables dañados, según la ley de Ohm (U = IR), se producirá una caída de tensión significativa en las líneas, lo que hará que disminuya la tensión real recibida del convertidor de frecuencia. Este problema de caída de tensión será más pronunciado especialmente en el caso de alimentación a larga distancia o cables de mala calidad.

         Si los componentes de conexión, como interruptores y fusibles, tienen un contacto deficiente o funcionan mal, también se producirán pérdidas de tensión. Por ejemplo, los contactos de un interruptor pueden oxidarse y desgastarse tras un uso prolongado, lo que provoca un aumento de la resistencia de contacto. Al pasar la corriente, se generará una caída de tensión adicional en estas piezas, provocando que la tensión de entrada del convertidor de frecuencia sea insuficiente.

 (B) Motivos relacionados con la carga

1. Impacto del arranque del motor

         Cuando un motor arranca, especialmente en el caso de los motores de alta potencia o los que arrancan con cargas pesadas, la corriente de arranque será extremadamente grande. Esto se debe a que en el momento del arranque del motor, el rotor aún no ha empezado a girar, lo que equivale a un estado de cortocircuito. De acuerdo con el principio electromagnético del motor, la corriente de arranque puede ser varias veces superior a la corriente nominal. Por ejemplo, cuando arranca un motor industrial de gran tamaño, la corriente de arranque puede alcanzar 5 7 veces la corriente nominal. Cuando esta gran corriente fluye a través de las líneas de alimentación, se producirá una caída de tensión significativa en la resistencia interna de la fuente de alimentación y en la resistencia de línea, provocando una caída instantánea de la tensión de entrada del convertidor de frecuencia. Si la capacidad de ajuste de tensión del convertidor de frecuencia es insuficiente o el umbral de protección de tensión es bajo, es fácil que se active la alarma de subtensión.

2. Retroalimentación energética provocada por cambios bruscos de carga

         En algunos escenarios de aplicaciones industriales especiales, la carga puede cambiar repentinamente. Por ejemplo, durante el proceso de descenso de un objeto pesado con una grúa o la desaceleración de una centrifugadora, el motor se encuentra en un estado de generación de energía y convertirá la energía mecánica en energía eléctrica y la realimentará al convertidor de frecuencia. Si el sistema de frenado del convertidor de frecuencia no está configurado correctamente o no puede gestionar con eficacia estas energías de realimentación, la tensión del bus de CC aumentará. Para proteger el equipo, el mecanismo de protección dentro del convertidor de frecuencia puede tomar algunas medidas, como cortar parte del circuito o ajustar el estado de funcionamiento del módulo de potencia. Sin embargo, si no se maneja adecuadamente durante este proceso, la tensión puede caer demasiado rápido más tarde, desencadenando así el problema de subtensión.

 (C) Factores medioambientales

1. Efectos de la temperatura

         Las temperaturas ambientales extremas pueden afectar al sistema de alimentación eléctrica. En un entorno de alta temperatura, la resistencia de la línea de alimentación aumentará con el aumento de la temperatura. Según la fórmula del coeficiente de temperatura de la resistencia (R = R_0(1 + αΔT), donde R_0 es la resistencia inicial, α es el coeficiente de temperatura de la resistencia y ΔT es el cambio de temperatura), esto provocará un aumento de la caída de tensión en la línea. Mientras tanto, las altas temperaturas también pueden afectar al rendimiento de los componentes electrónicos del equipo de alimentación, como los cambios en el valor de capacitancia de los condensadores y los cambios en las características de conducción de los dispositivos semiconductores, que afectan indirectamente a la tensión de alimentación del convertidor de frecuencia.

         En un entorno frío, el rendimiento de algunos sistemas de alimentación de reserva alimentados por baterías puede disminuir. Por ejemplo, la velocidad de reacción química de las baterías de plomo-ácido se ralentiza en un entorno de bajas temperaturas, la capacidad de la batería disminuye y la tensión de salida también disminuirá en consecuencia. Si la fuente de alimentación de reserva del convertidor de frecuencia se ve afectada por las bajas temperaturas, cuando se produzca un problema con la fuente de alimentación principal, es posible que no pueda proporcionar un soporte de tensión suficiente, lo que provocará una situación de subtensión.

2. Interferencias electromagnéticas

         El entorno industrial está lleno de diversas fuentes de interferencias electromagnéticas, como grandes motores, transformadores y equipos de calefacción de alta frecuencia. Los campos electromagnéticos generados por estos equipos pueden acoplarse a las líneas de alimentación eléctrica, afectando a la transmisión de señales de tensión. Por ejemplo, cuando una soldadora de alta frecuencia cercana está trabajando, el campo electromagnético de alta frecuencia que genera puede inducir una tensión adicional en la línea de alimentación del convertidor de frecuencia, interfiriendo con la señal de tensión normal o introduciendo ruido en el circuito de detección de tensión, haciendo que el convertidor de frecuencia juzgue erróneamente el valor de la tensión y active por error la protección contra subtensión.

三、Soluciones al problema de la subtensión en convertidores de frecuencia

 (A) Soluciones para problemas en el lado de la fuente de alimentación

1. Estabilización de la tensión de alimentación

         En lugares donde la tensión de red fluctúa con frecuencia, se puede instalar un regulador automático de tensión (AVR). El regulador toma muestras de la tensión de entrada y utiliza componentes como transformadores y tiristores para ajustar automáticamente la tensión de salida y mantenerla dentro de un rango estable. Por ejemplo, para un entorno de red con un rango de fluctuación de tensión de ±15%, un AVR adecuado puede estabilizar la tensión de salida dentro de ±2%, proporcionando una fuente de alimentación fiable para el convertidor de frecuencia.

         Para equipos clave con requisitos extremadamente altos de estabilidad de tensión, puede utilizarse un sistema de alimentación ininterrumpida (SAI). El SAI no sólo puede proporcionar una salida de tensión estable cuando la tensión de la red fluctúa, sino que también puede seguir suministrando energía al convertidor de frecuencia durante un periodo de tiempo cuando se corta la alimentación de la red, garantizando que el equipo se apague de forma segura y ordenada, evitando daños en el equipo e interrupciones de la producción causadas por cortes repentinos de energía. A la hora de elegir un SAI, la capacidad y las características de salida deben determinarse en función de las características de potencia y carga del convertidor de frecuencia.

2. Mantenimiento y optimización de líneas eléctricas

         La inspección y el mantenimiento periódicos de los cables de alimentación son medidas importantes para evitar el problema de la subtensión. Compruebe el aspecto de los cables para detectar cualquier signo de daño o envejecimiento, especialmente en las uniones de los cables, para asegurarse de que están firmemente conectados, sin holguras, oxidación, etc. En el caso de cables muy envejecidos o dañados, deben sustituirse a tiempo. Mientras tanto, se puede optimizar el trazado de la línea para intentar acortar la longitud de las líneas de alimentación, reducir la resistencia de la línea y disminuir la caída de tensión.

         Inspeccione y mantenga periódicamente los componentes de conexión, como los interruptores de potencia y los fusibles. Limpie los contactos de los interruptores, compruebe su estado de desgaste y sustituya los contactos que estén muy desgastados. Asegúrese de que la corriente nominal y la tensión de los fusibles cumplen los requisitos del circuito y de que las conexiones son fiables para reducir las pérdidas de tensión innecesarias.

 (B) Soluciones para problemas relacionados con la carga

1. Optimización del proceso de arranque del motor

         Para motores con grandes corrientes de arranque, se puede adoptar la tecnología de arranque suave. Un arrancador suave controla el ángulo de conducción de los tiristores para aumentar gradualmente la tensión terminal del motor, haciendo que el motor arranque lentamente, limitando así la corriente de arranque. Por ejemplo, utilizando el método de arranque con rampa de tensión, durante el proceso de arranque, la tensión del motor aumenta gradualmente hasta la tensión nominal de acuerdo con el tiempo de rampa establecido, lo que puede limitar la corriente de arranque dentro de un rango razonable, reduciendo eficazmente el impacto en la tensión de red durante el arranque y disminuyendo el riesgo de subtensión en el convertidor de frecuencia.

         Además, también se pueden considerar los métodos de arranque tradicionales, como el arranque estrella-triángulo y el arranque autotransformador reductor. El método de arranque adecuado debe seleccionarse en función de la situación específica del motor. Al seleccionar el motor, deben tenerse en cuenta las características de la carga y elegir un motor con la potencia y el par de arranque adecuados para evitar un impacto excesivo en la tensión del convertidor de frecuencia durante el arranque del motor.

2. Mejora del frenado y de la gestión de la retroalimentación de energía

         De acuerdo con las características de la carga y la potencia del motor, la unidad de frenado y la resistencia de frenado deben configurarse razonablemente. En equipos como grúas y centrifugadoras en los que existe realimentación de energía, calcule con precisión el valor de la resistencia y la potencia de la resistencia de frenado para garantizar que la unidad de frenado pueda consumir oportuna y eficazmente la energía realimentada por el motor. Por ejemplo, para un motor de grúa de potencia específica, mediante un cálculo preciso, seleccione una resistencia de frenado con un valor de resistencia y una potencia adecuados, y compruebe regularmente su estado de funcionamiento, como si el cable de la resistencia está roto o la temperatura es anormal.

         En el caso de algunos sistemas de gran tamaño con elevados requisitos de realimentación de energía, puede considerarse la posibilidad de utilizar la tecnología de frente activo (AFE) o las unidades de realimentación de energía. Estas tecnologías pueden retroalimentar la energía eléctrica retroalimentada por el motor a la red, realizando el flujo bidireccional de energía, no sólo resolviendo el problema de la subtensión sino también mejorando la eficiencia de utilización de la energía.

 (C) Medidas para hacer frente a los factores medioambientales

1. Control y protección de la temperatura

         En un entorno de altas temperaturas, debe llevarse a cabo una disipación eficaz del calor para el equipo de alimentación y el convertidor de frecuencia. Pueden instalarse sistemas de aire acondicionado, equipos de ventilación o radiadores para garantizar que el equipo funcione dentro de un rango de temperatura adecuado. Para los cables expuestos a un entorno de alta temperatura, se pueden utilizar cables resistentes a altas temperaturas o aislar los cables para reducir el impacto de la temperatura en la resistencia del cable.

         En un entorno frío, deben tomarse medidas de calentamiento para el sistema de alimentación de reserva alimentado por batería. Por ejemplo, coloque la batería de almacenamiento en una caja aislada e instale un dispositivo de calentamiento para garantizar que la batería de almacenamiento pueda mantener un buen rendimiento en un entorno de baja temperatura y proporcionar un soporte de tensión estable para el convertidor de frecuencia cuando sea necesario.

2. Protección contra interferencias electromagnéticas

         Deben utilizarse cables apantallados para las líneas de alimentación del convertidor de frecuencia, y la capa de apantallamiento debe estar debidamente conectada a tierra. Los cables apantallados pueden reducir eficazmente las interferencias de los campos electromagnéticos externos en las señales de tensión. Mientras tanto, se pueden instalar filtros en las líneas de alimentación para filtrar las señales de interferencia de alta frecuencia. Por ejemplo, mediante el uso de un filtro de paso bajo, se puede bloquear la entrada de interferencias electromagnéticas de alta frecuencia en el circuito de alimentación del convertidor de frecuencia, garantizando la precisión de la detección de tensión y reduciendo la activación falsa de la protección contra subtensión causada por interferencias electromagnéticas.

 四、Resumen

        El problema de la subtensión de los convertidores de frecuencia es una cuestión compleja en la que intervienen múltiples factores, desde las fluctuaciones de tensión y los fallos de línea en el lado de la fuente de alimentación, hasta los impactos del arranque del motor y los problemas de realimentación de energía relacionados con la carga, pasando por las influencias de la temperatura y las interferencias electromagnéticas en los factores ambientales. Cada uno de estos eslabones puede desencadenar una situación de subtensión. Mediante un análisis en profundidad de estas causas, hemos propuesto una serie de soluciones específicas, entre las que se incluyen la estabilización de la tensión de alimentación, la optimización de las líneas, la mejora del manejo del arranque y el frenado del motor, el tratamiento de los cambios de temperatura ambiental y la protección contra interferencias electromagnéticas, etc. En la producción industrial real, los técnicos deben considerar exhaustivamente diversos factores y, según el entorno de producción específico y las características de los equipos, aplicar de forma flexible estas medidas para prevenir y resolver eficazmente el problema de subtensión de los convertidores de frecuencia, garantizar el funcionamiento estable de los convertidores de frecuencia y, de este modo, asegurar el buen desarrollo de todo el proceso de producción, reducir las pérdidas económicas y los retrasos en la producción causados por fallos de los equipos, y mejorar la fiabilidad y la eficiencia de la producción industrial.