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Choques de elevador KEB dV / dt: proteja su inversión en motor de elevador

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Figura 1: Ciclo de conmutación típico de IGBT

Este artículo proporciona una explicación de los efectos de los altos dV / dt creados por los variadores de frecuencia y ofrece soluciones para proteger los motores de los ascensores.

presentado por KEB America, Inc.

Durante los últimos 20 años, los variadores de frecuencia de CA (VFD) han ganado una amplia aceptación en las aplicaciones de ascensores. En general, los variadores de CA para elevadores brindan un rendimiento de conducción mejorado, una mayor eficiencia del sistema y una confiabilidad avanzada del controlador. Sin embargo, el uso de VFD no está exento de efectos secundarios, uno de los cuales es alto dV / dt o aumentos de voltaje. Este artículo proporciona una explicación de los efectos de la alta dV / dt creada por los VFD y ofrece soluciones para proteger los motores de los ascensores.

¿Qué son los picos dV / dt?

La mayoría de los VFD de elevadores de CA comerciales utilizan una tecnología llamada modulación de ancho de pulso (PWM) para simular una salida de voltaje sinusoidal de CA trifásica. PWM funciona encendiendo y apagando rápidamente los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de salida del variador, modulando el voltaje del bus de CC del variador. Cuando el IGBT está cerrado, el voltaje en el terminal de salida de los VFD aumenta al del bus de CC (Figura 1). El cambio de voltaje no es instantáneo, sino que aumenta hasta el nivel del bus de CC durante un tiempo determinado (TRISE). La velocidad a la que aumenta el voltaje se denomina tiempo de aumento dV / dt y es una característica del diseño del transistor.

Cableado del motor y onda reflejada

El cableado del motor entre el accionamiento del ascensor y el motor tiene una impedancia característica, que depende de la longitud del cable y de las propiedades físicas del material del cable. El cableado del motor actúa como una línea de transmisión y propaga el voltaje de salida del variador al motor. Si la impedancia del motor y el cableado no coinciden, se producirá una reflexión de onda en la carga del motor. Esto da como resultado un exceso de voltaje o un "repique" en los terminales del motor y una onda reflejada de regreso al variador (Figura 2). En el peor de los casos, la onda reflejada podría agregarse a la forma de onda fundamental proveniente del variador, dando como resultado un voltaje significativamente más alto en los terminales del motor. Los cables de motor más largos tienen impedancias más grandes, lo que finalmente aumenta el voltaje en los cables del motor. Por esta razón, es mejor montar el motor y conducir lo más juntos posible.

Cambio de frecuencias

Es deseable operar a frecuencias de conmutación más altas en aplicaciones de elevadores, ya que reduce el ruido audible producido por el VFD, al tiempo que proporciona al motor una forma de onda de corriente de mayor calidad, lo que resulta en menores pérdidas del motor. Cuando los VFD de CA se aplicaron comercialmente por primera vez en aplicaciones de ascensores, los transistores generalmente se ciclaban a una frecuencia de alrededor de 2 kHz. A medida que la tecnología mejoró, se dispuso de transistores con tiempos de subida dV / dt más altos, lo que permitió el funcionamiento a frecuencias de conmutación más altas. Hoy en día, la mayoría de los accionamientos de ascensores funcionan a una frecuencia de conmutación de 8 kHz como estándar, con la opción de funcionar hasta 16 kHz cuando lo requiera la aplicación. Es importante tener en cuenta que las frecuencias de conmutación más altas requieren que los transistores se enciendan y apaguen con más frecuencia, exponiendo el motor a un mayor número de picos de alto voltaje.

Efectos de dV / dt en la vida útil del motor

En resumen, los picos de voltaje de dV / dt altos rompen el aislamiento de un motor y acortan su vida útil. La mayoría de los motores de CA trifásicos producidos en la actualidad tienen "clasificación de inversor", y utilizan cables y aislamiento clasificados para soportar voltajes máximos de al menos 1,600 V. Ciertas aplicaciones de ascensores (480 VCA, cables de motor largos, conmutación de 16 kHz, etc.) son más susceptible a fallas dV / dt y experimentará picos de voltaje que exceden la clasificación de aislamiento del motor. Sin embargo, incluso si los picos dV / dt no exceden la clasificación de aislamiento de 1,600 V, la exposición repetida a picos durante la vida del motor tensionará y debilitará el aislamiento. Con el tiempo, el sistema de aislamiento del motor podría romperse, dando como resultado un cortocircuito fase-fase o fase-tierra en los devanados y una falla catastrófica del motor. Debido a que el voltaje de salida máximo del variador está directamente relacionado con el nivel del bus de CC, los picos de dV / dt serán mayores en instalaciones de 480 VCA en comparación con las de 230 VCA. Se deben tomar precauciones adicionales para mitigar los picos dV / dt en instalaciones de 480 VCA.

Aplicaciones de LMR

Una falla de motor es particularmente problemática en aplicaciones sin cuarto de máquinas (MRL), porque el motor está ubicado en el hueco del ascensor y no es fácilmente accesible para rebobinarlo o reemplazarlo. Una falla del motor en una aplicación de MRL podría ser costosa de reparar y causar un tiempo de inactividad significativo. Además, las aplicaciones MRL son especialmente susceptibles a picos de dV / dt, porque el motor a menudo no se puede ubicar junto al variador del ascensor y la aplicación requiere largos recorridos de cableado, lo que aumenta la magnitud de los picos de voltaje dV / dt.

Mitigación y filtros dV / dt

Lo primero que puede hacer una persona para proteger el motor de un ascensor de un dV / dt alto es minimizar la longitud del cable entre el accionamiento del ascensor y el motor. Otra opción es reducir la frecuencia portadora del variador, pero esto generalmente no es deseable en aplicaciones de ascensores, ya que introduce ruido audible. Si ninguna de las opciones es posible, un consultor debe considerar especificar un filtro dV / dt (o estrangulador), que disminuirá el tiempo de aumento dV / dt y reducirá los voltajes pico en el motor.

Un filtro dV / dt se coloca directamente en la salida del variador del elevador y limita la tasa de cambio de voltaje (dV / dt) a un nivel característico del diseño del filtro. Es importante que el filtro se coloque lo más cerca posible de la salida del variador para que los picos de voltaje no se propaguen a través del cableado del motor. A menos que las impedancias del motor y del cableado coincidan, el reflejo de la onda estacionaria aún podría ocurrir, pero los efectos negativos se minimizan drásticamente mediante el filtrado de los picos dV / dt.

Filtros KEB dV / dt

KEB ha trabajado en estrecha colaboración con la industria de ascensores durante más de 20 años y actualmente ofrece su segunda generación de filtros de ascensor dV / dt. Los filtros KEB están diseñados específicamente para aplicaciones de ascensores. Algunas de las características de diseño de los filtros de ascensor KEB dV / dt se pueden encontrar en la Figura 6.

Aplicaciones PM / MRL

Es importante tener en cuenta que los reactancias KEB dV / dt están diseñados para tener baja impedancia para no sesgar el modelo de motor interno del variador. Los estranguladores de inductor de salida estándar que tienen una impedancia del 2-3% pueden afectar en gran medida el rendimiento del motor, lo que resulta en una reducción del par máximo, dificultad para alcanzar la velocidad de contrato a plena carga e inestabilidad general del control del motor. Como regla general, KEB recomienda el uso de un filtro dV / dt para todas las aplicaciones MRL en las que el motor se encuentra a más de 40 pies del mando del ascensor.

Preguntas Frecuentes

  • P: ¿Cuándo necesito un filtro dV / dt?
  • R: KEB recomienda el uso de un estrangulador dV / dt para todas las instalaciones donde el motor esté ubicado a 40 pies o más del variador. Se recomienda el uso de un estrangulador dV / dt en instalaciones más cercanas, pero es opcional.
  • P: ¿Puedo utilizar bobinas KEB dV / dt con otras unidades?
  • A: si. Debido a que los reactancias KEB dV / dt tienen baja inductancia, no deberían afectar la capacidad del variador para medir los parámetros del motor durante un ajuste automático o sesgar el modelo interno del motor.
  • P: ¿Puedo usar un estrangulador de motor estándar para mitigar un alto dV / dt en una aplicación de ascensor?
  • R: No se recomienda. La alta inductancia y el acoplamiento capacitivo que se encuentran en estos estranguladores aún resultarán en un alto dV / dt, al tiempo que limitarán el par máximo del motor durante la aceleración.
  • P: ¿Puedo utilizar los estranguladores KEB dV / dt para máquinas sin engranajes PM o con engranajes de inducción?
  • A: si. El estrangulador KEB limita eficazmente los transitorios de voltaje en ambas aplicaciones y no afecta negativamente el funcionamiento de ninguno de los motores.
  • P: ¿Puedo usar reactancias KEB dV / dt para aplicaciones de 230 V o 480 V?
  • A: si. Los estranguladores están diseñados para usarse con voltajes de hasta 550 VCA.
  • P: ¿Cuánto cuesta un estrangulador KEB dV / dt?
  • R: El estrangulador dV / dt suele ser del 1 al 3% del costo del motor del ascensor. Esto representa una pequeña inversión inicial para evitar reparaciones o reemplazos costosos en el futuro.
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