Variadores De Frecuencia

Objetivos

Generales

Como objetivo general tenemos que debemos saber el principio de funcionamiento de los variadores de frecuencia es por ello lo importante de estos en la industria, además conocer sus partes y aplicaciones de estos.

Específicos

Saber el principio de funcionamiento de un variador de frecuencia

Conocer las principales partes de un variador

Protecciones

Parámetros y características importantes

Conocer ventajas y desventajas.

Marco teorico:

Los convertidores de frecuencia son dispositivos electrónicos, que permiten el control completo de motores eléctricos de inducción; los hay de c.c. (variación de la tensión), y de c.a. (variación de la frecuencia); los más utilizados son los de motor trifásico de inducción. Se han diseñado en especial, para aplicaciones de industrias de procesos como las industrias de la pulpa y el papel, metalúrgica, minera, cementera, energética, química, petrolífera y del gas.

Los convertidores de frecuencia están disponibles tanto como accionamientos de CA completos como en forma de módulos para satisfacer las demandas de los usuarios, los fabricantes de maquinaria y los integradores de sistemas. Estos convertidores son convertidores de CA de alta flexibilidad que pueden configurarse para satisfacer las necesidades específicas de las aplicaciones industriales. Los convertidores completos y los módulos de accionamiento cubren una amplia gama de potencias y tensiones, incluidas tensiones industriales de hasta 690 V. Los convertidores de frecuencia tienen como característica clave su capacidad de programación, que facilita la adaptación a distintas aplicaciones.

Funcionamiento:

Figura 1 Componentes de un VDF

Se alimenta al equipo con un voltaje de corriente alterna (CA), el equipo primero convierte la CA en corriente directa (CD), por medio de un puente rectificador (diodos o SCR´s), este voltaje es filtrado por un banco de capacitores interno, con el fin de suavizar el voltaje rectificado y reducir la emisión de variaciones en la señal; posteriormente en la etapa de inversión, la cual está compuesta por transistores (IGBT), que encienden y apagan en determinada secuencia (enviando pulsos) para generar una forma de onda cuadrada de voltaje de CD a un frecuencia constante y su valor promedio tiene la forma de onda senoidal de la frecuencia que se aplica al motor.

El proceso de conmutación de los transistores es llamado PWM "Pulse Width Modulation" Modulación por ancho de pulso.

Figura 2 proceso de conmutación de los transistores

Al tener control en la frecuencia de la onda de corriente podemos también controlar la velocidad del motor de acuerdo a la siguiente fórmula:

Nm=120f(1-s)/P (1)

Nm = velocidad mecánica (rpm)

f = frecuencia de alimentación (Hz)

s = deslizamiento

P = número de polos.

Diagrama de Bloques de un variador:

Figura 3 Diagrama de Bloques de un VDF

Rectificador: el comienzo es por la alimentación de suministro la que es en AC, monofásica o trifásica, y mediante diodos rectificadores o tiristores se obtiene un voltaje DC.

Bus de continua: condensadores de gran capacidad (y a veces también bobinas), almacenan y filtran la c.c. rectificada, para obtener un valor de tensión contínua estable, y reserva de energía suficiente para proporcionar la intensidad requerida por el motor.

Salida: desde la tensión del bus de contínua, un ondulador convierte esta energía en una salida trifásica, con valores de tensión, intensidad y frecuencia de salida variables. Como elementos de conmutación, se usan principalmente transistores bipolares (BJT), CMOS o similares, IGBT, tiristores (SCR), GTO. Las señales de salida, se obtiene por diversos procedimientos como troceado, mediante ciclo convertidores, o señales de aproximación senoidal mediante modulación por anchura de impulsos PWM.

Control y E/S: circuitos de control de los diferentes bloques del variador, protección, regulación… y entradas y salidas, tanto analógicas como digitales. Además se incluye el interfaz de comunicaciones con buses u otros dispositivos de control y usuario.

Comunicaciones: estos dispositivos pueden integrarse en redes industriales, por lo que disponen de un puerto de comunicaciones. Cada fabricante facilita el software de control, directo o mediante bus de comunicaciones. Que permitirá el control, programación y monitorización del variador (o variadores) en el conjunto de aparatos de control empleados.

Conceptos básicos sobre variadores para motor trifásico

Como se dijo anteriormente la velocidad en el eje de un motor asíncrono en rpm, depende del número de polos magnéticos del motor, y la frecuencia f (Hz), de la red de suministro.

Los motores se fabrican para una velocidad nominal o de trabajo determinada, pero mediante el variador de frecuencia dicha velocidad puede controlarse de manera progresiva. Por ejemplo, un motor de 50 Hz y 1500 rpm (4 polos), podría girar, con variación de frecuencia entre 5 y 120 Hz a velocidades comprendidas entre:

n =(60•5)/2 = 150 rpm (2)

n =(60•120)/2 = 3600 rpm (3)

El variador puede proporcionar frecuencias de salida superiores a la de trabajo del motor, lo que le hace girar a mayor velocidad que la nominal, Como se ve en la expresión (3). La curva de par, para velocidad de trabajo mayor de la nominal, disminuye, de manera que con velocidad doble (200%) el Torque cae a la mitad del nominal.

La sobre velocidad es útil en aplicaciones que no requieren mucho par, como por ejemplo sierras de disco, pero si altas velocidades. En estos casos es importante tener en cuenta las características de par y temperatura de trabajo del motor. Par transmitido por el eje (par motriz): la fuerza de tracción del motor a través del eje, depende principalmente de las expresiones siguientes:

Figura 4 Relación en sobre-velocidad te torque vs velocidad

El torque en el eje

Como se sabe el torque depende directamente del flujo magnético, por lo que para obtener el control del par, hay que operar sobre este parámetro; por ello, si tenemos en cuenta las relaciones de par y velocidad:

Torque constante = flujo constante,en consecuencia: U/f=cte (4)

Donde:

U = tensión aplicada al inductor (estator)

f = frecuencia en Hz

El factor U/f tiene especial importancia en la forma de configurar un variador, ya que de ahí dependerá el par motriz desarrollado por el motor, sin importar la velocidad de giro. Si U/f es constante, el par dependerá de manera directa de la tensión: T ∝U^2

Figura 5 ejemplos de curvas Torque vs Velocidad para un torque cte

Protección del motor y variador

Los variadores son por lo general equipos costosos que para evitar pérdidas importantes de dinero en la reposición de uno de ellos se deben tener protecciones que lo protejan a él y al motor. Por lo general los VDF proporcionan un valor de intensidad nominal I_N en condiciones de trabajo normales, y permiten cierta sobrecarga un lapso definido de tiempo que va desde ms en el caso de un doble de la I_N (2I_N), y a 1 minuto en caso de sobrecargas que no superen 1.5 veces I_N.

Otras formas en que los VDF se protegen son las siguientes:

Se incluyen las funciones del relé térmico de sobrecarga y propias del variador: falta de fase, temperatura interna, frenado, un ventilador o sistema de refrigeración también es muy importante.

Dispone de señales de alarma (contactos o salidas analógicas), y detecta los fallos de fase, inversión, sobre tensión.

Externamente, es necesario instalar junto al variador un interruptor automático magnético, apropiado a la intensidad nominal a manejar. En los manuales del variador se indica el calibre de la protección, incluidos los fusibles, si se usaran.

Temperatura de trabajo del motor

Como sabemos los motores llevan incorporado un ventilador que tiene como objetivo refrigerar el motor pero al estar instalado en el propio rotor, el ventilador gira a su velocidad, pero con la aplicación de un VDF el motor gira velocidades reducidas y sobre-velocidades, el ventilador pierde eficacia, y en consecuencia, la temperatura del motor puede aumentar excesivamente.

En caso contrario donde la velocidad está sobre la nominal, el ventilador no es tan eficaz pues ya que aumenta la resistencia por rozamiento con el aire, esto provoca un sobreesfuerzo del propio motor, de manera que se necesitaría refrigeración externa.

Frenado:

El frenado del motor, consiste en el descenso controlado de su velocidad, reduciendo la frecuencia aplicada. Se establece en unidades de tiempo.

Rampa lineal de parada: esta consiste en una detención lineal en un determinado tiempo en segundos, este método de detención es usado principalmente en motores con poca carga.

Frenado regenerativo: es un hecho que la inercia de la carga, tiende a hacer girar el motor más rápido que la frecuencia establecida por el variador, por lo que el motor actúa como generador. La energía que retorna al variador, se disipa mediante una resistencia o como se explicó en la visita para sistemas de gran potencia este este superávit es muchas veces usado para otros procesos o inyectado al servicio, mediante variadores específicos con recuperación.

Inyección de c.c.: el variador, puede inyectar durante un breve periodo de tiempo, cierto valor de c.c., que provoca el frenado rápido del motor.

El bloqueo inesperado: este hecho puede ocurrir en la operación de un motor que provocará una intensidad muy elevada, y la parada por sobrecarga del variador, con la activación de alarmas. El restablecimiento podrá ser manual o automático (según programación).

Sentido de giro

El variador puede hacer girar el motor en ambos sentidos, puede ser al conectar las líneas en sentido. También puede hacerse mediante programación, o control externo, sea por pulsadores, autómata o también analógico, aunque estos han ido desapareciendo. El cambio de sentido con un variador de frecuencia nunca será brusco, porque este usa rampas de deceleración, parada y aceleración controladas.

Regulación en lazo abierto o cerrado:

El conjunto variador-motor, se conectan directamente, y el propio variador, basándose en las señales que recibe (intensidad, fases, velocidad, respuesta del motor…) regula todo el proceso según los parámetros fijados. Otra forma de control, es tomando una muestra real del motor (mediante captadores tipo encoder o similares) y realizar el control mediante lazo o bucle cerrado tipo PI, PID.

Figura 6 Variador lazo abierto o con servosistema

Ventajas y desventajas de un variador

Ventajas

Evita picos o puntas de intensidad en los arranques del motor. (Muy pronunciados en el arranque directo, en estrella-triángulo y medios con arrancadores progresivos).

El par se controla totalmente a cualquier velocidad, lo que evita saltos o bloqueos del motor ante la carga.

evita el uso de baterías de condensadores y el consumo de energía reactiva.

Comunicación mediante bus industrial, lo que permite conocer en tiempo real el estado del variador y el motor, así como el historial de fallos (facilita el mantenimiento).

Los arranques y paradas son controlados, y suaves, sin movimientos bruscos.

El consumo energético se adapta a la exigencia del motor (ahorro de energía).

Desventajas:

La instalación, programación y mantenimiento, debe ser realizada por personal calificado. deriva ruidos e interferencias en la red eléctrica, que podrían afectar a otros elementos electrónicos cercanos.

Para aplicaciones sencillas puede suponer mayor inversión, que un sistema simple (contactor-guardamotor), si bien a la larga se amortiza el gasto suplementario, por el ahorro energético y de potencia reactiva que aporta el variador.

Las averías del variador, no se pueden reparar in situ (hay que enviarlos a la casa o servicio técnico). Mientras tanto debe disponerse de otro variador equivalente, o dejar la instalación sin funcionamiento.

Conclusiones

La experiencia que nos otorga las salidas como esta es importantísima, pues no solo nos enseñan nuevos conocimientos sino que también nos muestra la gama de especialidades en las que podemos ejercer cuando salgamos al mundo laboral.

Siendo más específicos lamentablemente en esta sección no pudimos ver el funcionamiento in cito de los variados VDF con los que ABB cuenta en su laboratorio. Pero de acuerdo a lo que entiendo del tema y a lo que se expuso en la charla en ABB puedo concluir entre otras cosas lo siguiente:

Los VDF son dispositivos electrónicos, que permiten el control completo de motores eléctricos de inducción; los hay de c.c. (variación de la tensión), y de c.a. (variación de la frecuencia); los más utilizados son los de motor trifásico de inducción. Se han diseñado en especial, para aplicaciones de industrias donde estos tienen como misión variar la frecuencia de la corriente de alimentación. Se realizan basándose en tiristores que forman contactores estáticos. Se configura con un convertidor alterna/continua y un convertidor continua/alterna de velocidad variable entre 0 Hz y la frecuencia de red.

En los motores asíncronos de corriente alterna la velocidad de giro no depende de la tensión de alimentación sino de la frecuencia de la red.

El variador de frecuencia permite la variación de velocidad total desde 0 [r.p.m] a la velocidad nominal del motor a par constante. Permite la ausencia de sobre intensidades por transitorios. Hace innecesario elementos de protección del motor.

El Control DTC describe que el control del par y de la velocidad se basan directamente en el estado electromagnético del motor, de forma similar al motor de CC, pero de forma contraria a la manera en la que los accionamientos PWM convencionales utilizan la frecuencia y tensión de entrada. El DTC es la primera tecnología que controla las variables de control "reales" de par y de flujo del motor.

Anexo

Control Directo del Par

Como se vio en la visita se hiso un énfasis especial al DTC por lo cual es importante ver algunos aspectos de esta tecnología de accionamiento de CA. Que tienen como objetivo sustituir a los métodos tradicionales de accionamiento los PWM de bucle abierto o cerrado

¿Porque puede llegar a reemplazar los PWM? las respuesta es porque El Control Directo del Par describe la manera en la que el control del par y de la velocidad se basan directamente en el estado electromagnético del motor, de forma similar al motor de CC, pero de forma contraria a la manera en la que los accionamientos PWM convencionales utilizan la frecuencia y tensión de entrada. El DTC es la primera tecnología que controla las variables de control "reales" de par y de flujo del motor. Con esto nos ahorramos el modulador, tenemos un control preciso con bajas frecuencias con linealidad del par, una respuesta mucho más rápida, además el DTC ofrece un control preciso del par sin necesidad de utilizar un dispositivo de retroalimentación. Y como sui fuera poco es un aporte en el ahorro energético ejemplo de eso: con una carga del 25% hay hasta un 10% de mejora del uso eficaz de la energía total. Con una carga del 50% la mejora puede ser del 2%.

El diagrama de bloques muestra que el DTC tiene dos secciones fundamentales: el bucle de control del par y el bucle de control de la velocidad.

Paso 1 Medición de la tensión y la corriente

Paso 2 Modelo de Motor adaptable

Paso 3 Comparador de par y comparador de flujo

Paso 4 Selector de pulsos óptimos

Paso 5 Regulador de la referencia del par

Paso 6 Regulador de la velocidad

Paso 7 Regulador de la referencia de flujo

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