La guía esencial para topologías VFD de media tensión y aplicaciones industriales

El papel crucial de los VFD de media tensión en la eficiencia industrial y el control de procesos

Variadores de frecuencia variable de media tensión (MV VFD) son dispositivos electrónicos de potencia esenciales que se utilizan para controlar la velocidad de rotación, el par y la dirección de motores de CA que funcionan a voltajes que generalmente oscilan entre 1 kV y 15 kV. A diferencia de los VFD de bajo voltaje, los variadores de media tensión manejan requisitos de energía significativamente mayores, que a menudo van desde cientos de kilovatios hasta más de 100 megavatios, lo que los convierte en componentes críticos en aplicaciones industriales y de servicios públicos a gran escala.

El principal beneficio de implementar VFD de media tensión es el considerable ahorro de energía que se logra al hacer coincidir con precisión la velocidad del motor con la carga requerida, particularmente en aplicaciones de par variable como bombas y ventiladores. Además, ofrecen un control de proceso superior, reducen la tensión mecánica durante el arranque del motor y proporcionan valiosas características de calidad de energía, como corrección del factor de potencia y mitigación de armónicos.

Topologías avanzadas y diseño arquitectónico de VFD de media tensión

La arquitectura interna de los VFD de media tensión es notablemente más diversa y compleja que la de sus homólogos de bajo voltaje debido a la necesidad de manejar altos voltajes y mitigar la distorsión armónica. Los variadores de MT generalmente emplean un diseño de tres etapas: un convertidor (rectificador) para transformar CA en CC, un enlace de CC para almacenamiento y suavizado de energía, y un inversor para convertir la CC nuevamente en energía CA de frecuencia variable para el motor.

Topologías de inversores multinivel para una mejor calidad de salida

Para producir una forma de onda de salida más sinusoidal y "amigable para el motor" y limitar el tiempo de aumento de voltaje ( ) que puede dañar el aislamiento del motor, los VFD de media tensión suelen utilizar topologías de inversor de varios niveles. Estos diseños sintetizan el voltaje de salida de CA en múltiples pasos (niveles) en lugar de dos, lo cual es común en los variadores de bajo voltaje. Dos topologías multinivel destacadas incluyen:

• Puente H en cascada (CHB): esta popular topología de fuente de voltaje utiliza múltiples celdas de puente H de bajo voltaje conectadas en serie por fase. Cada celda tiene su propio rectificador de entrada y la salida combinada proporciona una forma de onda de varios pasos de alta calidad. CHB a menudo requiere un complejo transformador de entrada de desplazamiento de fase de múltiples devanados, que generalmente está integrado en el paquete del variador.
• Punto neutro fijado (NPC): la topología NPC de 3 niveles está bien establecida y utiliza diodos o interruptores activos para fijar el voltaje de salida a un punto neutro, creando tres niveles de voltaje. Ofrece un diseño compacto y es adecuado para tensiones de hasta aproximadamente 4,16 kV. También se utilizan variantes avanzadas como Active Neutral Point Clamped (ANPC) o NPC de nivel superior.

Arquitecturas de inversor de fuente de corriente (CSI) frente a inversor de fuente de voltaje (VSI)

Los VFD de MV también se pueden clasificar en términos generales según su componente de enlace de CC:

• Inversor de fuente de voltaje (VSI): este es el enfoque más moderno y ampliamente utilizado, que emplea capacitores en el enlace de CC para almacenar y regular un voltaje de CC constante. Los variadores VSI utilizan IGBT en la sección del inversor y son conocidos por su buen rendimiento dinámico. Las topologías multinivel como CHB y NPC son variantes de VSI.
• Inversor de fuente de corriente (CSI): una tecnología madura que utiliza un inductor grande en el enlace de CC para mantener una corriente CC constante. Los variadores CSI suelen utilizar tiristores de apagado de puerta (GTO) o dispositivos más modernos como SGCT (tiristores conmutados de puerta simétrica) en el inversor. Son robustos y se utilizan frecuentemente en aplicaciones de gran potencia o con motores síncronos.

Aplicaciones críticas en industrias clave

La robustez, la alta capacidad de potencia y el control preciso que ofrecen los VFD de media tensión los hacen indispensables en varios sectores exigentes.

La siguiente tabla resume las aplicaciones MV VFD comunes y los beneficios de control de procesos que ofrecen:

Consideraciones sobre mitigación de armónicos y calidad de la energía

Una consideración técnica importante para los VFD de media tensión es la gestión de la distorsión armónica, que puede afectar negativamente a la red eléctrica y a otros equipos conectados. Los diseños de MV VFD abordan esto inherentemente a través de sus configuraciones de múltiples impulsos y múltiples niveles.

La sección de entrada de un VFD de media tensión normalmente utiliza un rectificador de diodo de pulsos múltiples (por ejemplo, de 18 o 24 pulsos) acoplado con un transformador desfasador. Aumentar el recuento de pulsos minimiza la magnitud de los armónicos de orden bajo inyectados nuevamente en la línea de servicios públicos. Además, algunas unidades modernas emplean Active Front Ends (AFE), que reemplazan los rectificadores pasivos con interruptores activos (IGBT). Los AFE son esencialmente un segundo inversor que puede:

• Controle y elimine activamente la distorsión armónica, logrando un factor de potencia de entrada cercano a la unidad (cerca de 1,0).
• Permitir el frenado regenerativo, donde la energía cinética del motor se devuelve a la línea eléctrica, una característica crítica para cargas como grúas y transportadores cuesta abajo.

La implementación de VFD de media tensión requiere un diseño y una coordinación cuidadosos a nivel del sistema para garantizar el cumplimiento de los estándares de servicios públicos (como IEEE 519) y maximizar la confiabilidad del sistema y los beneficios operativos.