Contenido INTRODUCCION CORRIENTES Y VOLTAJES ARMONICOS Y SUS CONSECUENCIAS PRINCIPIOS DE ELECTRONICA DE POTENCIA CONVERTIDOR DE FRECUENCIA VARIABLE (VFD) MOTOR ELECTRICO BOMBAS EVALUACION DE LOS AHORROS DE ENERGIA UTILIZANDO VARIADORES DE VELOCIDAD CASOS PRACTICOS Convertidor de frecuencia variable Introducción Tipos de inversores Generalidades sobre modulación Inversores monofásicos • Medio puente • Puente completo Control bipolar Control unipolar Inversor trifásico PWM Convertidor de frecuencia variable Introducción EL control de velocidad de un motor de CA se realiza mediante los convertidores de CD – CA, llamados INVERSORES. Dependiendo de la configuración pueden ser: • • • • monofásicos trifásicos frecuencia fija o variable tensión fija o variable Convertidor de frecuencia variable Introducción Tipos de inversores Generalidades sobre modulación Inversores monofásicos • Medio puente • Puente completo Control bipolar Control unipolar Inversor trifásico PWM APARTADO MONOFÁSICOS Convertidor de frecuencia variable Tipos de inversores Inversor monofásico Aplicaciones generales • EL mayor campo de aplicación de los inversores monofásicos son las UPS a frecuencia y tensión fija. • La aplicación de inversores monofásicos para variadores de velocidad no es común, pues los motores monofásicos necesitan un condensador de arranque, complicando el control para el inversor. • Los sistemas a frecuencia y tensión variables se emplean en equipos resonantes para pruebas dieléctricos en transformadores, reactores y condensadores de media y alta tensión, así como en hornos de inducción. Convertidor de frecuencia variable Tipos de inversores Inversor trifásico Aplicaciones generales • El campo de aplicación es más amplio en inversores trifásicos que en inversores monofásicos. • Las aplicaciones en UPS corresponden a inversores de frecuencia y tensión fija. • Los inversores en variadores de velocidad son sistemas a frecuencia y tensión variable. • En sistemas convertidores de tensión bifásica a tensión trifásica se emplean inversores a frecuencia y tensión fija. APARTADO TRIFÁSICOS Convertidor de frecuencia variable Introducción Tipos de inversores Generalidades sobre modulación Inversores monofásicos • Medio puente • Puente completo Control bipolar Control unipolar Inversor trifásico PWM Convertidor de frecuencia variable Generalidades sobre modulación Ventajas y desventajas del inversor PWM Ventajas • Su tamaño físico es pequeño • Bajo costo • Las pulsaciones de troqué son pequeñas • Operación estable • Produce excelente troqué a bajas velocidades • Puede correr motores de rangos pequeños • El factor de fuerza es básicamente constante a la salida de los rangos de velocidad Desventajas • La capacidad regenerativa es limitada • La eficiencia a bajas velocidades y carga ligera es baja Convertidor de frecuencia variable Técnicas PWM Existen diferentes tipos de técnicas PWM de las cuales se mencionaran: • PWM programado: en este tipo de técnica PWM, el patrón de conmutación es calculado “fuera de línea”, y es programado en una memoria digital en el circuito de control. Este tipo de PWM genera una forma de tensión de salida con bajo contenido armónico, adecuada para UPS. • PWM senoidal: en este tipo de técnica PWM, el patrón de conmutación es generado en línea, y permite variar fácilmente la tensión y frecuencia de salida, haciéndolo ideal para aplicaciones en inversores a frecuencia y tensión variables. En conjunto con la técnica de control vectorial patentada por Siemens, es el esquema más empleado en inversores para variadores de velocidad. Convertidor de frecuencia variable Generalidades sobre modulación VR VD + VD T T T T T VR media - VD tiempo Convertidor de frecuencia variable ¿Pueden obtenerse señales senoidales? + VD VR - tiempo VR media Solo valores VD VD Pasivos VD>VR>0 0 Valores medios muy aproximados Convertidor de frecuencia variable Modulación senoidal-triangular ¿Cuál cerramos? TA- si VControl<VTriangular TA + VD/2 A 0 VD/2 TA+ si VControl>VTriangular DA+ t TA DA - Convertidor de frecuencia variable Modulación continua-triangular TA + VD/2 A t DA+ + - 0 VD/2 VControl VA0 TA - + DA - + - VD/2 + - - -VD/2 El valor medio de la tensión es positivo Convertidor de frecuencia variable Modulación continua-triangular TA + VD/2 t A DA+ + - 0 VD/2 VControl VA0 TA - + DA - - VD/2 + - -VD/2 El valor medio de la tensión es nulo Convertidor de frecuencia variable Modulación continua-triangular TA + VD/2 A t DA+ + - 0 VD/2 VControl VA0 TA DA - + + - - + VD/2 -VD/2 El valor medio de la tensión es negativo Convertidor de frecuencia variable <VA0>TT función de VControl ; VTriangular ; VD VPT VC T1= T1 T2 T1 TT TT/2 VA0 Tt VC TT VPT 4 VD 1 TT T1 T2 T1 2 TT 2 VD/2 VA0 -VD/2 T2=TT/2-2T1 VA0 Tt VD VC 2 VPT Convertidor de frecuencia variable Modulación senoidal-triangular VC VPT tiempo V A0 VD/2 tiempo -VD/2 TT/2 T1 T2 T3 TT Convertidor de frecuencia variable Modulación senoidal-triangular Vcontrol Vtriangular V A0 VD/2 -VD/2 VA0 (t ) Tt VD VC (t ) 2 VPT <VA0>TT Convertidor de frecuencia variable Índice de modulación en amplitud (ma) |VPT| |VPC| ma= |VPC| |VPT| ma<1, Sistemas modulados Convertidor de frecuencia variable Índice de modulación en amplitud (ma) |VPT| |VPC| ma= |VPC| ma<1, Sistemas modulados |VPT| ma>1, Sistemas sobremodulados Las ecuaciones deducidas no son válidas para los sistemas sobremodulados Convertidor de frecuencia variable Índice de modulación en frecuencia (mf ) ft mf= fc mf>21, inversores muy modulados Convertidor de frecuencia variable Índice de modulación en frecuencia (mf ) ft mf= fc mf>21, inversores muy modulados mf<21, inversores poco modulados Deben tomarse algunas precauciones al seleccionar la frecuencia de conmutación en los inversores poco modulados Convertidor de frecuencia variable Consideraciones • Señales sincronizadas • “mf” entero-impar VA0 • Pendientes opuestas Simetría impar>>>Sólo tiene términos seno impares Convertidor de frecuencia variable Consideraciones. Pendientes opuestas (VA0)n ma=0,8 y mf=5 VD /2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 (VA0)n VD /2 0 5 10 15 20 25 armónicos 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 5 10 15 20 25 armónicos Menor contenido armónico a baja frecuencia. Importante para mf<9 Convertidor de frecuencia variable Introducción Tipos de inversores Generalidades sobre modulación Inversores monofásicos • Medio puente • Puente completo Control bipolar Control unipolar Inversor trifásico PWM Convertidor de frecuencia variable Inversores monofásicos Medio puente VD=100V Frecuencia=50Hz ma=0,8 mf=15 ft=750Hz DA+ TA + VD /2 0 + - A 50V TA - VD /2 VA0 DA - VA0 (t ) VA0 (t ) Tt Tt VD VC (t ) 2 VPT 100 0,8 sent 2 -50V tiempo Convertidor de frecuencia variable Medio puente VD=100V Frecuencia=50Hz ma=0,8 mf=15 ft=750Hz TA + VD /2 0 VD /2 DA+ + - A (VA0)n TA DA - Se encuentran en las proximidades de los múltiplos de mf. 60 50 40 30 20 10 1 15 30 45 60 Armónicos Convertidor de frecuencia variable Medio puente Tabla de contenido armónico mf >9 e impar ma h 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 mf mf2 mf4 1,242 0,016 1,150 0,061 1,006 0,131 0,818 0,220 0,601 0,318 0,018 2mf 1 2mf3 2mf5 0,190 0,326 0,024 0,370 0,071 0,314 0,139 0,013 0,181 0,212 0,033 3mf 3mf2 3mf4 3mf6 0,335 0,044 0,123 0,139 0,012 0,083 0,203 0,047 0,171 0,176 0,104 0,016 0,113 0,062 0,157 0,044 4mf 1 4mf3 4mf5 4mf7 0,163 0,012 0,157 0,070 0,008 0,132 0,034 0,105 0,115 0,084 0,017 0,068 0,009 0,119 0,050 1 Fundamental Convertidor de frecuencia variable Medio puente Sobremodulación ma>1 VD=100V ma=1,2 mf=15 (VA0)1>VD/2 (VA0)N VA0 50 Armónicos de baja frecuencia 50 30 10 1 15 30 45 60 Armónicos 50 tiempo Los efectos aparecen en el contenido armónico Convertidor de frecuencia variable Medio puente (VA0)1 VD /2 Sobremodulación ma>1 Sobremodulación Lineal Cuadrada 4/p La señal cuadrada puede • Ecuaciones deducidas interpretarse como no un son caso válidas extremo de sobremodulación • Ecuaciones deducidas válidas • Relación no lineal entre ma y la • Relación lineal entre ma y la fundamental fundamental • El valor de la fundamental • El valor delimitado la fundamental a 2VD/π limitado a VD/2 1 1 3,2 4 ma Convertidor de frecuencia variable Inversores monofásicos Puente completo. Control bipolar TA + VD/2 VD TB + A 0 VD/2 B TA - TB - VAB Convertidor de frecuencia variable Puente completo. Control bipolar TA+ y TB- se cierran a la vez TA + VD/2 VD TB + A 0 VD/2 B TA - VAB TB - VD -VD Convertidor de frecuencia variable Puente completo. Control bipolar TA+ y TB- se cierran a la vez TA + VD/2 TB + TA- y TB+ se cierran a la vez VD A 0 VD/2 B TA - TB - VD -VD Convertidor de frecuencia variable Puente completo. Tensión VAB (Control bipolar) TA + VD/2 VD -0 VD/2 VA0 TB + VD/2 A+ + B TA - TB - + - -VD/2 tiempo VB0 VD/2 -VD/2 VAB VAB=VA0-VB0 tiempo VD -VD tiempo Convertidor de frecuencia variable Puente completo. Tensión VAB (Control bipolar) Señales de control: ma y mf VA0 VD/2 Todos los resultados obtenidos para el medio puente son aplicables cambiando VD/2 por VD -VD/2 tiempo VB0 VD/2 -VD/2 VAB No se ha mejorado el contenido armónico VAB=VA0-VB0 tiempo VD -VD tiempo Convertidor de frecuencia variable Puente completo. Control unipolar Modulación Unipolar Modulación Bipolar VAB VAB tiempo tiempo •No necesita dos fuentes de continua •No necesita dos fuentes de continua •Una sola señal de control •Dos señales de control •Mejora el contenido armónico Convertidor de frecuencia variable Puente completo. Control unipolar: secuencia de disparo VCA VA0 VB0 VAB VCB VD/2 -VD/2 VD -VD tiempo Convertidor de frecuencia variable Puente completo. Control unipolar: contenido armónico (VA0)n VD 1 0.8 0.6 0.4 0.2 ma=0,8 mf =9 1 9 18 VAB Modulación Bipolar 27 Armónicos tiempo (VAB)n VD Modulación Unipolar 1 0.8 0.6 0.4 0.2 ma=0,8 mf=9 1 9 18 VAB 27 Armónicos Se anulan los armónicos en las cercanías de la frecuencia detiempo la triangular y sus múltiplos impares (mf, 3mf,..) Convertidor de frecuencia variable Puente completo Medio puente o puente completo con control bipolar: tabla de contenido armónico mf >9 e impar ma h 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 mf mf2 mf4 1,242 0,016 1,150 0,061 1,006 0,131 0,818 0,220 0,601 0,318 0,018 2mf 1 2mf3 2mf5 0,190 0,326 0,024 0,370 0,071 0,314 0,139 0,013 0,181 0,212 0,033 3mf 3mf2 3mf4 3mf6 0,335 0,044 0,123 0,139 0,012 0,083 0,203 0,047 0,171 0,176 0,104 0,016 0,113 0,062 0,157 0,044 4mf 1 4mf3 4mf5 4mf7 0,163 0,012 0,157 0,070 0,008 0,132 0,034 0,105 0,115 0,084 0,017 0,068 0,009 0,119 0,050 1 Fundamental Convertidor de frecuencia variable Puente completo Puente completo con control unipolar: tabla de contenido armónico mf >9 e impar ma h 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 mf mf2 mf4 1,242 0 0,016 0 1,150 0 0,061 0 1,006 0 0,131 0 0,818 0 0,220 0 0,601 0 0,318 0 0,018 0 2mf 1 2mf3 2mf5 0,190 0,326 0,024 0,370 0,071 0,314 0,139 0,013 0,181 0,212 0,033 3mf 3mf2 3mf4 3mf6 0,335 0 0,044 0 0,123 0 0,139 0 0,012 0 0,083 0 0,203 0 0,047 0 0,171 0 0,176 0 0,104 0 0,016 0 0,113 0 0,062 0 0,157 0 0,044 0 4mf 1 4mf3 4mf5 4mf7 0,163 0,012 0,157 0,070 0,008 0,132 0,034 0,105 0,115 0,084 0,017 0,068 0,009 0,119 0,050 1 Fundamental Convertidor de frecuencia variable Introducción Tipos de inversores Generalidades sobre modulación Inversores monofásicos • Medio puente • Puente completo Control bipolar Control unipolar Inversor trifásico PWM Convertidor de frecuencia variable Inversor trifásico M Motores Equipos industriales de potencias superiores a 2KW (aprox.) • Sistemas de alimentación • Equipos de soldadura • Etc. Convertidor de frecuencia variable Inversor trifásico Inversor 1 Inversor 2 Inversor 3 Convertidor de frecuencia variable Inversor trifásico con modulación PWM VD/2 TA + A 0 VD/2 Neutro (si fuera necesario) TB + TA - TC + B TB - C TC - Convertidor de frecuencia variable Inversor trifásico con modulación PWM Tensión entre fases VCA(t) VD/2 -VD/2 VD/2 VCC(t)) Señales de control desfasadas 120º VCB(t)) FB=120º VA0 VB0 VD VB0 2 -VD/2 VD VAB FB VD V ma A0 2 (VAB)1 0.8 -VD ma tiempo VAB 2 VA0 120 sen 2 Convertidor de frecuencia variable Contenido armónico Empleando mf múltiplo de 3 se obtienen señales idénticas desfasadas 120º en cada semipuente. Como resultado los armónicos múltiplos de 3 son eliminados (VAB)n VD AB 1 3 a m = × VD 2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 (VA0)n 60 50 40 30 20 10 1 (V ) 15 30 45 60 Armónicos Contenido armónico de un semipuente m a=0,8 m f =15 0 15 27 30 33 Armónicos Contenido armónico de la tensión entre fases Convertidor de frecuencia variable Contenido armónico de la tensión entre fases ma h 1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0,122 0,245 0,367 0,490 0,612 0,010 0,037 0,080 0,116 0,200 0,227 0,027 0,085 0,007 0,096 0,124 0,029 0,005 0,021 0,135 0,005 0,192 0,008 0,108 0,064 0,064 0,051 0,010 0,195 0,011 0,111 0,020 0,038 0,096 0,042 0,073 0,030 Fundamental mf 2 mf4 2mf1 2mf5 3mf2 3mf4 4mf1 4mf5 4mf7 0,100 mf múltiplo de 3, impar y mayor que 9
