THD e ITHD en el diseño de motores PMSM y BLDC

1. THD (Distorsión armónica total)

• Definición: La distorsión armónica total (THD) es la relación entre la suma de las potencias (o valores RMS) de todos los componentes armónicos y la potencia (o valor RMS) del componente de frecuencia fundamental de una señal. Se suele expresar como porcentaje (%).

• Alcance: THD es un término general que puede referirse a la distorsión en una forma de onda de tensión (THDv) o de corriente (THDi). Si no se especifica, el contexto suele determinar a cuál se refiere.

  • Para los amplificadores de audio o la salida de fuentes de alimentación/inversores, "THD" generalmente se refiere a la distorsión de voltaje (THDv) de la señal de salida.

• Importancia: Un valor THD más bajo indica que la forma de onda está más cerca de una onda sinusoidal pura, lo que significa menos distorsión.

  • Equipo de audio: Un THD (voltaje) bajo es crucial para una reproducción de sonido de alta fidelidad, lo que significa que el sonido de salida es muy cercano a la grabación original sin tonos no deseados agregados.

  • Fuentes de alimentación/inversores: Un THD (voltaje) bajo en la salida de CA significa una mejor calidad de energía, lo que tiene menos probabilidades de causar problemas en los electrodomésticos conectados.

​

2. ITHD (Distorsión armónica total de la corriente)

• Definición: ITHD se refiere específicamente a la Distorsión Armónica Total de la forma de onda de la corriente. Mide la relación entre el valor RMS de todas las corrientes armónicas y el valor RMS de la corriente fundamental, expresada como porcentaje. Se suele escribir como THDi o THD-I.

• Alcance: Mide la distorsión presente en la corriente extraída por un dispositivo electrónico de la fuente de energía (por ejemplo, la red eléctrica) o inyectada en la red.

• Importancia: La ITHD es de vital importancia para evaluar el impacto de los dispositivos electrónicos, especialmente las cargas no lineales, en la calidad de la energía.

  • Las cargas no lineales (como las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) en ordenadores y cargadores, rectificadores, variadores de frecuencia (VFD), controladores de LED y reguladores de intensidad) consumen una corriente no sinusoidal, incluso si la tensión de alimentación es una onda sinusoidal perfecta. Esta corriente distorsionada contiene armónicos significativos.

  • Consecuencias de un ITHD alto:

    • Las corrientes armónicas fluyen de regreso a la red eléctrica, distorsionando potencialmente el voltaje de la red y afectando a otros usuarios.

    • Aumento del calentamiento y pérdidas en el cableado, transformadores y conductores neutros.

    • Posible interferencia con los sistemas de comunicación.

    • Factor de potencia general reducido.

    • Posible disparo molesto de disyuntores.

• Estándares: Los organismos reguladores y estándares (como IEEE 519) a menudo imponen límites a la cantidad de corriente armónica (y, por lo tanto, ITHD) que el equipo puede inyectar en la red eléctrica para mantener la estabilidad y la calidad de la red.

​

Fuentes de armónicos en variadores PMSM y BLDC

Son varios los factores que contribuyen a la generación de armónicos en los variadores de motores PMSM y BLDC:

• Conmutación del inversor: La principal fuente de armónicos es la conmutación por Modulación por Ancho de Pulso (PWM) del inversor. La frecuencia de conmutación y la estrategia PWM específica empleada influyen directamente en el espectro armónico.

• Tiempo muerto: El tiempo muerto necesario entre las señales de conmutación en las patas del inversor para evitar cortocircuitos también introduce distorsión de la forma de onda y genera armónicos.

• Componentes no ideales: Las características no ideales de los interruptores electrónicos de potencia, los componentes pasivos y los circuitos de detección pueden contribuir a la distorsión armónica.

• Diseño de motores (especialmente para motores BLDC): La forma de onda trapezoidal de la fuerza contraelectromotriz de un motor BLDC típico, a diferencia de la fuerza contraelectromotriz más sinusoidal de un motor de imanes permanentes (PMSM), genera naturalmente diferentes características armónicas en la corriente cuando se controla con técnicas de conmutación estándar. Incluso en los PMSM, los armónicos espaciales del campo magnético pueden contribuir a los armónicos de corriente.

• Estrategia de control: Los algoritmos de control específicos utilizados para impulsar el motor también pueden influir en el contenido armónico del voltaje y la corriente.

​

Impacto de THD e ITHD en el rendimiento de motores PMSM y BLDC

Los niveles altos de THD e ITHD tienen varios efectos perjudiciales en el rendimiento de los motores PMSM y BLDC y en el sistema de transmisión en general:

• Ondulación de par: Las corrientes armónicas interactúan con el campo magnético del motor y producen pulsaciones de par no deseadas. Esta ondulación de par puede provocar vibraciones, ruido acústico y una menor precisión de control, lo cual es especialmente crítico en aplicaciones que requieren un control de movimiento suave. Los motores BLDC, debido a su fuerza contraelectromotriz trapezoidal y a su conmutación típica de 120 grados, son inherentemente más susceptibles a la ondulación de par causada por armónicos que los motores PMSM accionados con corriente sinusoidal.

• Aumento de pérdidas y reducción de la eficiencia: Las corrientes armónicas causan pérdidas adicionales en el cobre (pérdidas I₂R) en los devanados del motor debido al aumento del valor eficaz de la corriente. También contribuyen al aumento de las pérdidas en el hierro (pérdidas por corrientes de Foucault y por histéresis) en el núcleo del estator. Estas pérdidas adicionales reducen la eficiencia del motor y aumentan la temperatura de funcionamiento, lo que podría acortar su vida útil.

• Sobrecalentamiento: El aumento de las pérdidas debidas a los armónicos provoca temperaturas de funcionamiento más altas tanto para el motor como para los componentes electrónicos de potencia del variador. Esto puede sobrecargar los materiales de aislamiento y provocar fallos prematuros.

• Ruido acústico y vibración: la ondulación del par y las corrientes armónicas contribuyen a aumentar el ruido audible y la vibración mecánica en el motor y el sistema accionado.

• Interferencia electromagnética (EMI): Los bordes de conmutación rápidos y el contenido armónico del voltaje y la corriente pueden generar interferencia electromagnética, afectando potencialmente a otros equipos electrónicos sensibles.

• Calidad de la energía reducida: Desde la perspectiva de la fuente de energía, una ITHD alta significa que el variador de frecuencia consume una corriente distorsionada, lo que puede afectar negativamente la calidad de la tensión de otras cargas conectadas a la misma red eléctrica. Por ello, normas como la IEEE 519 establecen límites a la distorsión armónica que se inyecta de vuelta a la red.

​

Estrategias de mitigación

Para minimizar los impactos negativos de THD e ITHD en diseños de variadores PMSM y BLDC, se emplean diversas técnicas de mitigación, similares a las utilizadas en variadores de motor generales, pero a veces con consideraciones específicas para el tipo de motor:

• Técnicas PWM avanzadas: la implementación de estrategias PWM sofisticadas (por ejemplo, modulación vectorial espacial para PMSM) puede optimizar los patrones de conmutación para reducir armónicos específicos.

• Filtrado: La incorporación de inductores de CA en el lado de entrada (reactores de línea) o en el lado de salida (reactores de motor) del inversor, o el uso de filtros pasivos o activos más complejos, puede ayudar a atenuar las corrientes armónicas.

• Inversores multinivel: el uso de topologías de inversores multinivel puede producir formas de onda de voltaje con menor contenido armónico en comparación con los inversores estándar de dos niveles.

• Mejoras en el algoritmo de control: la implementación de estrategias de control que compensen o supriman activamente los armónicos puede mejorar el rendimiento.

En conclusión, la distorsión armónica total (THD) y, en particular, la ITHD son preocupaciones importantes en el diseño de variadores de velocidad para motores PMSM y BLDC. La naturaleza conmutada del inversor es la principal causa de estos armónicos, que a su vez provocan efectos indeseables como la ondulación del par, la reducción de la eficiencia y el aumento del calor y el ruido. Consideraciones de diseño minuciosas, incluyendo estrategias PWM adecuadas, filtrado y, posiblemente, técnicas de control avanzadas, son esenciales para gestionar la distorsión armónica y garantizar un rendimiento y una fiabilidad óptimos de los sistemas de variadores PMSM y BLDC.