Como las ondas reflejadas dañan el motor de los vehículos eléctricos.
Para comprender qué son las ondas reflejadas, por qué se producen y cómo prevenirlas, es importante comprender el funcionamiento del convertidor de frecuencia (inverter) y los sistemas de aislamiento del motor. Vdc-link (VLL o Vbus) es la tensión de corriente continua que proporciona la batería y con la cual se alimenta la electrónica de conmutación del controlador del motor. Consideramos aquí un esquema eléctrico/electrónico de un vehículo, constituido por la batería, el controlador (electrónica de potencia) y motor.
Este fenómeno que se manifiesta en una sobretensión se conoce como "Efecto de línea de transmisión", "Onda reflejada" u "Onda estacionaria". La onda reflejada en los terminales del motor se puede explicar utilizando la teoría de líneas de transmisión por cable.
La impedancia característica o impedancia transitoria (generalmente escrita Z0) de una línea de transmisión uniforme es la relación de las amplitudes de voltaje y corriente de una sola onda que se propaga a lo largo de la línea; es decir, una onda que viaja en una dirección en ausencia de reflejos en la otra dirección (dirección opuesta). Alternativamente, y de manera equivalente, se puede definir como la impedancia de entrada de una línea de transmisión cuando su longitud es infinita.
Una impedancia que convierte la línea en una línea infinita se conoce como impedancia de sobretensión. Tiene un valor de unos 400 ohmios y un ángulo de fase que varía de 0 a -15 grados para líneas aéreas y alrededor de 40 ohmios para cables subterráneos.La impedancia característica está determinada por la geometría y los materiales de la línea de transmisión y, para una línea uniforme, no depende de su longitud.
Producción de ondas reflejadas.
La sección llamada inversora (inverter) de un variador PWM no produce una onda sinusoidal como voltaje de salida sino que se forma un tren continuo de pulsos como se observa en la figura 1 superior. Estos pulsos de tensión se "transmiten" a los terminales del motor a través del cable que lo conecta al mismo.
La tensión de pulso máxima en los terminales del motor no es necesariamente Vdc-link, sino que depende de la dinámica (configuración) del circuito variador-cable-motor definido por el tiempo de aumento del voltaje de salida del variador, las características de la línea de transmisión, la longitud del cable y la impedancia del motor al voltaje de pulso.
La figura 1 inferior muestra el tren de pulsos en los terminales del motor ha sobretensiones transitorias momentáneas en cada punto de conmutación, hasta el doble de la tensión de pulso Vdc-links del variador. Estas sobretensiones pueden producir valores potencialmente destructivos en el aislamiento del motor.
Descargas parciales
Siempre que la impedancia de sobrevoltaje del cable no coincida con la impedancia de sobrevoltaje del devanado del motor, se produce una onda de voltaje reflectante que dará como resultado picos de voltaje, vistos anteriormente. Aunque esto sucede independientemente de la tecnología de semiconductores de potencia PWM (IGBT, BJT, GTO, etc.) es más grave con las unidades basadas en IGBT de conmutación rápida. Estos picos de voltaje ocurren en cada pulso generado y causarán potencialmente descargas parciales en el devanado del motor.
El voltaje requerido para que ocurra la corona (descarga) se conoce como el voltaje de inicio de corona (CIV). Si el pico de voltaje de la onda reflectante es más alto que el CIV del devanado del motor, es muy probable que se produzca una descarga parcial en el mismo.
Los estándares respectivos definen tanto el límite de la magnitud del voltaje máximo como la rapidez con la que puede variar. El gradiente aceptable es un aumento de 0,1 ms del 10 al 90 % del voltaje desde el estado estable con un pico máximo de 1600 V. Para un motor/ inverter de 460 V, el CIV debe ser de 1600 V o mayor. Según NEMA (MG1 Parte 31). Los cables de motor más cortos contraen los pulsos por encima del nivel CIV.
Las descargas parciales pueden causar daños tanto físicos como químicos. Crea puntos calientes de alta temperatura en el motor y erosiona el aislamiento entre fases, espiras y bobinas dentro del motor. Cuando este aislamiento falla, la corriente puede fluir entre fases provocando el colapso del sistema. En los casos en que los devanados están recubiertos con barnices aislantes, pequeñas burbujas, conocidas como oclusiones, proporcionan el aire necesario para comenzar el proceso de descarga.
Cobertura aislante de los arrollamientos
La rigidez no es proporcional al espesor.
La humedad reduce fuertemente el valor de rigidez dieléctrica y los aislantes son tanto más eficaces cuanto menos higroscópicos son.
La temperatura actúa de manera diversa según se trate de aislantes sólidos o líquidos.
En los aislantes sólidos la rigidez decrece con el aumento de la temperatura.
Algunas soluciones propuestas
.- Los motores deben tener una clasificación CIV mínima, la tensión nominal de funcionamiento debe ser cuatro veces mayor a la temperatura nominal.
.- Seguir las recomendaciones de longitud y tipo de cable proporcionadas por el fabricante. La mayoría de ellos ha realizado pruebas exhaustivas para mitigar las amplitudes de voltaje de onda reflejada y dv/dt creadas por sus productos. Cuando sea posible, ubique el variador y el motor lo más próximos posible.
.- Use reactores y filtros cuando la distancia entre el variador y el motor exceda la longitud de cable recomendada por los fabricantes. Coloque un reactor de salida en el variador o un filtro en el motor para reducir los voltajes pico.
.- Utilizar barnices aislantes con la rigidez dieléctrica apropiada.
Sabemos que para lograr la mayor eficiencia del conjunto motor-controlador, y por ende mayor autonomía, los mismos deben ser diseñados el uno para el otro. De acuerdo a las recomendaciones la menor longitud del cableado entre motor y controlador minimiza la aparición, he aquí dos ejemplos de diseño.
En ambas fotos se observa que el inverter está ubicado a la menor distancia posible, físicamente del motor, de manera que el conexionado sea de mínima longitud.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2024.-
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