Medidas de la tensión de salida en variadores de velocidad con

Aplicación
Medidas de la tensión de salida en
variadores de velocidad con osciloscopios
digitales ScopeMeter® Serie 190 de Fluke
Por Viditec
La utilización de variadores
par constante con independencia
de velocidad o "inversores de
de la velocidad de rotación real de
frecuencia" se está extendiendo
la máquina.
considerablemente en las insta-
Por todo ello, la utilización de
laciones industriales. Durante los
variadores de velocidad se está
procesos de instalación y man-
extendiendo considerablemente
tenimiento, las medidas de las
en las instalaciones industriales,
tensiones de salida suelen dar
donde ofrecen numerosas ven-
resultados imprevistos. ¿Por qué
tajas como las relacionadas a
ocurre esto y qué se puede hacer
continuación:
para solucionarlo?
• eliminación del desgaste por la
utilización de máquinas asíncronas
Variadores de velocidad
• control eficaz
En general, la maquinaria eléc-
• funcionamiento óptimo para
trica conectada directamente a un
Los nuevos dispositivos semi-
sistema de alimentación monofá-
conductores con capacidad para
sica o trifásica dispone de un inter-
manejar elevadas tensiones y co-
valo muy limitado o incluso nulo
rrientes han abierto las puertas
procesos de instalación y man-
para controlar la velocidad.
para el diseño de variadores de ve-
tenimiento, las medidas de las
locidad o "inversores de frecuencia".
tensiones de salida suelen dar re-
Frente a esta situación, un mo-
niveles de elevada energía
No
obstante,
durante
los
sultados impredecibles. A conti-
tor externo puede ser una alterna-
Estos dispositivos ofrecen ma-
nuación, exponemos las razones
tiva, pero se trata de una máquina
yor flexibilidad para el control de
de estos resultados y la forma en
pesada, ruidosa, cara y que queda-
la velocidad, reducen las pérdidas
que el ScopeMeter serie 190 de
rá expuesta al desgaste.
eléctricas y pueden funcionar a un
Fluke puede medirlos.
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Ingeniería Eléctrica • Abril 2012
Generación de tensión de sali-
Los tiristores o rectificadores
Con la aparición de los se-
controlados de silicio (SCR) solo se
miconductores controlados por
Son varios los métodos para
pueden desactivar cuando la co-
"puerta", surge un método de con-
generar tensión de salida de fre-
rriente de alimentación pasa por
trol completamente nuevo para
cuencia variable.
el valor cero, de ahí que la tensión
los variadores de velocidad. Estos
dispositivos
de salida de estos convertidores
semiconductores se pueden acti-
diseñados al efecto fueron los
no muestre una onda sinusoidal
var y desactivar, por lo que resul-
convertidores de energía auto-
continua sino discontinua (como
tan idóneos para "recortar" seña-
rregulados o de sincronización
se aprecia en la figura 1). En este
les en los sistemas de CC. La figura
mecánica por tiristores.
contexto, si se cambia el ángu-
2 ejemplifica la estructura básica
Estos dispositivos siguen utili-
lo de fase de la discontinuidad,
de estos variadores.
zándose hoy día en inversores de
la potencia de salida se puede
La entrada de alimentación
frecuencia de alta potencia, si bien
controlar eficazmente y utilizar-
monofásica o trifásica se conecta
ya es posible encontrar mejores
se para cambiar la velocidad de
a un conjunto de rectificadores
alternativas para aplicaciones de
la máquina mientras se reduce la
que alimenta una conexión CC in-
menor potencia.
potencia mecánica disponible. Sin
terna. La tensión CC se almacena
embargo, estos convertidores no
en un condensador de gran capa-
permiten modular aleatoriamente
cidad energizado con tensión de
la forma de onda de salida. Para
conexión:
da de frecuencia variable
Los
primeros
resolver esta carencia, se han probado circuitos adicionales, pero
Ub = alimentación √2*U ≈ alimentación 1,41*U
ésta se presenta como una solución costosa que no resulta todo
lo eficaz que cabría esperar.
A continuación, la tensión CC
se aplica a una serie de interrup-
Figura 1: Tensión de salida de convertidores de tipo SCR.
La tensión de salida sin filtrar es claramente discontinua
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conexión no recibe alimentación
y, a continuación, un pulso negativo seguido de otro intervalo en
el que no se aplica tensión para la
generación de pulsos.
En este sencillo supuesto, la
tensión de salida alimentada de
cada una de las conexiones es de
+1/2 Ub o cero (flotante) o -1/2 Ub,
Figura 2: Estructura básica de un variador de velocidad
siendo Ub la tensión de conexión.
Observe que, al estar conectadas
las tres salidas de igual forma, el
tores dobles que van alimentan-
ya que la velocidad de rotación de
valor medio de cada una es la mi-
do cada una de las tres conexio-
la máquina depende directamen-
tad de la tensión de conexión CC.
nes de la máquina en el terminal
te de la frecuencia del suministro,
Si aplicáramos la forma de
de conexión positivo o negativo.
la velocidad se podrá controlar sin
onda anterior a un filtro paso bajo,
Además, los interruptores pue-
ningún tipo de problema.
el resultado simularía una onda
den estar en modo inactivo (es
La figura 3 muestra las tensio-
sinusoidal con la misma frecuen-
decir, no conductor) y mantener
nes de salida resultantes de cada
cia fundamental que la onda cua-
eficazmente la tensión flotante
una de las tres conexiones de sa-
drada producida por el circuito
en el conector de la máquina al
lida. En las conexiones de la má-
de control (consulte la figura 4).
que estén conectados.
quina, se aprecia un pulso positi-
No obstante, los filtros paso bajo
vo, un intervalo durante el cual la
capaces de admitir los niveles de
Una unidad de control central
activa cada uno de los seis interruptores en el momento oportuno mediante la generación de
pulsos. Las variaciones en la velocidad de conmutación determinan la frecuencia de salida y el
orden en que reciben pulsos las
tres salidas describe la dirección
de rotación de la máquina.
La unidad de control se configura para que la frecuencia de salida
pueda variar en un amplio rango y,
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Figura 3: Tensión de salida para cada conexión de salida individual
cuitos SCR mencionados anteriormente, los de generación de pulsos pueden ya utilizarse en modo
conmutado en todo momento, por
lo que la pérdida de energía en los
interruptores del semiconductor es
mínima, el variador funciona a un
Figura 4: Tensión de salida directa y por filtro paso bajo
nivel óptimo con elevada energía
y la generación de calor es inferior.
energía presentes en los variado-
forma que la corriente (no la ten-
Medidas de la tensión
res de velocidad son instrumentos
sión) que circula por el devanado
A pesar de los evidentes avan-
pesados y costosos.
de la máquina tenga una forma
ces en la eficacia y versatilidad
de onda sinusoidal. Como conse-
del control de velocidad, los téc-
cuencia, el carácter inductivo de
nicos responsables de la instala-
los devanados hace las veces de
ción o el mantenimiento de estos
filtro paso bajo, donde la modula-
variadores siguen enfrentándose
ción por ancho de pulso de la ten-
a una dificultad.
Es por ello que ya han aparecido soluciones alternativas.
La alternativa a los filtros
paso bajo
La alternativa a los filtros paso
sión da como resultado una forma
La tensión de salida se genera
bajo ha surgido de otro avance en
de onda sinusoidal de la corriente.
para producir una corriente con
la electrónica de potencia. En los
En la figura 5, la curva superior
forma de onda sinusoidal a través
sistemas reales, los pulsos nega-
muestra la tensión de salida para
de una carga inductiva, pero la
tivos y positivos no suelen produ-
una sola conexión en la que se dis-
tensión aplicada tiene una forma
cirse mediante la generación de
tingue claramente el efecto de la
de onda totalmente distinta.
un solo pulso de una determinada
variación en el ciclo de trabajo. La
Por tanto, al realizar medidas
polaridad. Al contrario, todos los
curva inferior muestra la tensión de
directas de la tensión de salida,
pulsos se generan activando y des-
salida efectiva por ciclo (T) de inter-
se podrían obtener resultados im-
activando repetidamente el mis-
valo interno en una escala relativa.
previstos porque, al contrario que
mo interruptor a una velocidad de
Del gráfico se puede concluir
en la maquinaria eléctrica, el voltí-
pulsos mucho mayor y con un ciclo
que la tensión de salida efectiva
metro responderá a la tensión de
de trabajo de activación/desactiva-
tiene una forma de onda sinusoi-
salida sin filtrar.
ción variable (consulte la figura 5).
dal. Ahora bien, la tensión de sali-
Esto se debe tanto a la forma
da real del variador de velocidad
de onda de la tensión como a las
El truco ahora consiste en
se asemeja mucho más a la curva
características del diseño de los
cambiar el ciclo de trabajo de tal
superior. Al contrario que los cir-
multímetros digitales.
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Aplicación
lo observado, por ejemplo, en una
pantalla integrada en el propio variador que lea la tensión de salida
efectiva calculada por los controles electrónicos internos.
Para ilustrar todo lo anterior,
probamos varias marcas y modelos de multímetros en las mismas
condiciones y con el variador configurado de igual forma en todos
Figura 5: Tensiones de salida de variador por modulación de ancho
los casos.
de pulso (simplificado)
Por lo general, estos instrumentos se diseñan para medir la
tinta polaridad contribuyan por
igual a la lectura.
amplitud de una onda sinusoidal
Si observamos la tensión de sa-
en la frecuencia de alimentación,
lida de la figura 5, la tensión media
es decir, en los valores de 50 o
por ciclo T (tras la rectificación) es
60 Hz. Como contraposición, la
directamente proporcional al ciclo
tensión de salida del variador de
de trabajo de la forma de onda y a
velocidad es una onda cuadrada
la tensión de conexión CC, por lo
de alta frecuencia y su ciclo de tra-
que los cambios constantes en la
bajo cambia continuamente. Sin
misma obedecen a la variación en
embargo, la amplitud máxima de
el ciclo de trabajo.
la onda cuadrada es fija. Y por úl-
En la mitad de un ciclo de la
timo, son dos las polaridades que
corriente resultante, la tensión
hay que tener en cuenta.
media será:
Tabla 1: – Lectura de la tensión CA
con varios multímetros digitales
La mayoría de multímetros están diseñados para responder a la
Umed = d * Umáx = d * ( 1/2 Ub )
presentan en la tabla 1 y son real-
tensión máxima, de pico a pico o
media aplicada, se utilizan para
medidas de la tensión CA. una
Los resultados obtenidos se
Donde: "d" = ciclo de trabajo,
que oscila del 0 al 100%.
mente dispares: desde 143 hasta
1.000 V.
gran parte de estos instrumen-
El resultado es una lectura en
tos cuenta con un rectificador de
volts que podría diferir considera-
Realización de medidas correctas
doble onda en la entrada para
blemente del valor previsto en los
La forma correcta de medir la
asegurar que las tensiones de dis-
terminales de la máquina, según
tensión de salida para esta situa-
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ción concreta es tener en cuenta la
velocidad de muestreo y una ima-
un ciclo sencillo ocupa aproxi-
aplicación específica del variador.
gen digital de la forma de onda se
madamente 6,3 divisiones, la base
La maquinaria eléctrica obtiene
almacena en la memoria para un
de tiempos es de 5 ms, por lo que
análisis más exhaustivo.
un ciclo sencillo tarda unos 31,5 ms.
potencia de la corriente circulante
por el devanado, mientras que la
Para ello, los ScopeMeter de la
tensión aplicada se destina prin-
serie 190 cuentan con una función
1 / 31,5 ms = 32 Hz
cipalmente al flujo de la corriente.
exclusiva para la medida de la ten-
Si lo desea, puede utilizar los
Teniendo en cuenta este hecho,
sión (“medidas Vpwm”) que les per-
cursores para marcar un ciclo de
los variadores de velocidad aplican
mite analizar la señal digitalizada y
esta forma de onda de salida.
una tensión discontinua de alta fre-
calcular la frecuencia fundamental.
cuencia para producir una corriente
Esto dará como resultado la misma
Conclusión
con forma de onda sinusoidal. Esta
forma de onda que la producida
Los variadores de velocidad
corriente pasa por los devanados de
por la corriente de salida del va-
ofrecen numerosas ventajas a los
la máquina con una frecuencia re-
riador. A partir de esta forma de
diseñadores, instaladores y usua-
gulada por la unidad de control y la
onda, se calcula el valor efectivo
rios de maquinaria industrial.
polaridad de la tensión conmutada.
para mostrarse como lectura Vpwm.
Para el técnico de mantenimien-
Por tanto, si deseamos conocer la
La figura 6 muestra la pantalla
to y el encargado de la instala-
tensión de salida efectiva del varia-
del ScopeMeter con la amplitud
ción, la dificultad subyace en la
dor, debemos considerar únicamen-
pico a pico y la tensión de salida
medida de las tensiones de sa-
te la componente de la frecuencia
efectiva de un variador represen-
lida. Solo con un equipo de me-
fundamental de la tensión aplicada.
tadas como pequeños cuadros en
dida preparado específicamente
la parte superior.
para estas tensiones de salida se
Este valor se puede obtener
La frecuencia de salida será
tras numerosas medidas de la ten-
La frecuencia de salida efecti-
obtendrán lecturas fiables, afines
sión aplicada y mediante la gene-
va de la forma de onda visualiza-
a la lectura calculada en el propio
ración de un gráfico detallado de
da se puede determinar fácilmen-
variador. El ScopeMeter serie 190
la forma de onda de la tensión en
te en el ejemplo que se describe a
de Fluke resulta especialmen-
la memoria digital del instrumento,
continuación:
te indicado para los trabajos de
donde puede calcularse y mostrar-
instalación y mantenimiento de
se la amplitud de la componente
estos variadores de velocidad, y
de la frecuencia fundamental.
está dotado de todas las funcio-
Esto es precisamente lo que
nes de medida necesarias.
sucede en los tres últimos instrumentos de la tabla 1, incluidos los
ScopeMeter series 190B y 190C de
Fluke, en los que las tensiones de
Figura 6: Medida de la potencia de
entrada se digitalizan a una alta
salida en variadores con el Fluke 199C
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