Qué papel xogan as distorsións harmónicas na xeración de calor nos motores?

Impacto da Distorción Armónica no Calor do Motor

1. Aumento das Pérdidas de Cobre

• Principio: No motor, a resistencia dos enrolamentos xera pérdidas de cobre (pérdidas resistentes) na frecuencia fundamental. No entanto, cando as correntes harmónicas fluen polos enrolamentos, o efecto piel tornase máis pronunciado debido ás frecuencias harmónicas superiores. O efecto piel fai que a corrente se concentre preto da superficie do condutor, reducindo a área secção eficaz e aumentando a resistencia, polo que aumentan as pérdidas de cobre.

• Resultado: O aumento das pérdidas de cobre leva directamente a temperaturas máis altas nos enrolamentos do motor, acelerando o envellecemento dos materiais de aislamento e acortando a vida útil do motor.

2. Aumento das Pérdidas de Ferro

• Principio: No núcleo de ferro do motor, as pérdidas de histerese e as correntes parasitas, coñecidas en conxunto como pérdidas de ferro, ocorren na frecuencia fundamental. Cando as correntes harmónicas pasan polo motor, a frecuencia de cambio do campo magnético aumenta, levando a unha maior histerese e a pérdidas de correntes parasitas. Especialmente, as harmónicas de alta frecuencia aumentan significativamente as pérdidas de correntes parasitas porque estas pérdidas son proporcionais ao cadrado da frecuencia.

• Resultado: O aumento das pérdidas de ferro fai subir a temperatura do núcleo de ferro, exacerbando aínda máis o caloreo global do motor, reducindo a eficiencia e a fiabilidade.

3. Aumento de Pérdidas Adicionais

• Principio: Ademais das pérdidas de cobre e de ferro, as harmónicas poden causar outras formas de pérdidas adicionais. Por exemplo, as correntes harmónicas poden xerar forzas electromagnéticas extra entre o estator e o rotor, provocando vibracións mecánicas e pérdidas por fricción. Ademais, as harmónicas poden causar pérdidas mecánicas extra en compoñentes como rolos e ventiladores.

• Resultado: Estas pérdidas adicionais aumentan aínda máis a xeración de calor do motor, podendo levar a rolos sobrecalentados, fallo na lubricación e incluso a averías mecánicas.

4. Aumento de Temperatura Non Uniforme

• Principio: A presenza de correntes harmónicas pode levar a unha distribución non uniforme do campo magnético dentro do motor, causando sobrecalentamento localizado. Por exemplo, certas áreas dos enrolamentos poden transportar densidades de corrente harmónica máis altas, resultando en que esas rexións alcancen temperaturas moito máis altas que outras. Este aumento de temperatura non uniforme acelera o envellecemento dos materiais de aislamento local e aumenta o risco de fallo do motor.

• Resultado: O sobrecalentamento local non só afecta a vida útil do motor, senón que tamén pode levar ao rompimento do aislamento, causando graves fallos eléctricos.

5. Disminución da Eficiencia do Sistema de Refrixeración

• Principio: O sistema de refigeración do motor (como ventiladores e dissipadores de calor) está tipicamente deseñado para manexar a carga térmica na frecuencia fundamental. Cando as correntes harmónicas aumentan a xeración de calor do motor, a capacidade do sistema de refigeración para disipar este calor extra pode ser insuficiente, levando a un aumento continuo da temperatura do motor.

• Resultado: A diminución da eficiencia do sistema de refigeración acentúa aínda máis o problema de caloreo do motor, creando un ciclo vicioso que pode desencadear mecanismos de protección contra o sobrecaloramento ou mesmo queimar o motor.

6. Disminución do Factor de Potencia

• Principio: A presenza de correntes harmónicas reduce o factor de potencia do motor porque as harmónicas non contribúen ao traballo útil, senón que aumentan a potencia reactiva e a potencia harmónica. Un factor de potencia menor significa que o motor debe retirar máis corrente da rede para manter a mesma potencia de saída, o que aumenta as perdas na liña e nas transformadoras, elevando aínda máis a xeración de calor do motor.

• Resultado: A diminución do factor de potencia non só aumenta a xeración de calor do motor, senón que tamén reduce a eficiencia global do sistema de potencia, levando a custos de electricidade máis altos.

Medidas para Reducir o Impacto das Harmónicas no Caloreo do Motor

Para mitigar os efectos das harmónicas no caloreo do motor, pódense tomar as seguintes medidas:

• Instalar Filtros Harmónicos: Utilizar filtros harmónicos pasivos ou activos para absorver ou suprimir as correntes harmónicas no sistema, restabelecendo a forma de onda sinusoidal da tensión da rede e reducindo o impacto das harmónicas no motor.

• Escoller Motores Resistentes a Harmónicas: Algúns motores están deseñados especificamente para resistir mellor as harmónicas, como aqueles con estruturas de enrolamento especiais ou materiais de núcleo que minimizan as pérdidas e o caloreo adicionais causados polas harmónicas.

• Optimizar a Xestión da Carga: Organizar os horarios de produción para evitar executar demasiadas cargas non lineares simultaneamente, reducindo así a xeración de harmónicas.

• Utilizar Modo de Baixas Harmónicas en Controladores de Frequencia Variable (VFDs): Se o motor é accionado por un VFD, seleccionar VFDs con características de baixas harmónicas ou axustar os parámetros do VFD para reducir a saída harmónica.

• Melorar os Sistemas de Refrixeración: Para motores xa afectados por harmónicas, mellorar o sistema de refigeración (por exemplo, aumentando a potencia do ventilador ou mellorando o deseño do dissipador de calor) para aumentar a dissipación de calor e evitar o sobrecaloramento.

• Mantenimento e Monitorización Regulares: Inspeccionar regularmente a condición de funcionamento do motor, monitorizar parámetros como a temperatura, a corrente e o factor de potencia, e abordar os posibles problemas de xeito oportuno para asegurar o rendemento óptimo do motor.

Resumo

A distorción armónica ten un impacto significativo no caloreo do motor, manifestándose principalmente no aumento das pérdidas de cobre, de ferro, de pérdidas adicionais, no aumento de temperatura non uniforme, na diminución da eficiencia do sistema de refigeración e na redución do factor de potencia. Estes factores, en conxunto, levan a temperaturas superiores no motor, acelerando o envellecemento dos materiais de aislamento, acortando a vida útil do motor e podendo causar graves fallos eléctricos e mecánicos. Para reducir o impacto das harmónicas no caloreo do motor, é esencial implementar medidas eficaces de mitigación de harmónicas, optimizar a selección e o mantenimento do motor, e asegurar o funcionamento estable do sistema de potencia.