1.- Características del funcionamiento de un Variador de Velocidad

1.- Características del funcionamiento de un Variador de Velocidad de un
motor C.C.
Existe una ecuación fundamental de la
velocidad del motor de CD. Por que permite
predecir fácilmente el desempeño de estos
motores. Por ejemplo si se debilita mucho el
flujo de campo de un motor de CD. El
motor se desbocará. Si en la ecuación tiende
acero la velocidad tiende a infinito.
Igualmente, si se mantienen constantes la
corriente de carga y el flujo y se aumenta el voltaje aplicado a las terminales de la armadura
del motor, aumentará la velocidad en misma proporción
Finalmente, si se fijan el flujo de campo y el voltaje de armaduras y se aumenta la corriente
de armaduras debido a la mayor carga, bajara la velocidad del motor en la misma proporción
que la disminución de la fuerza contra electromotriz
La forma más fácil de variar la velocidad de un motor de corriente alterna es variando su
frecuencia de funcionamiento mediante un regulador electrónico que convierte las
magnitudes fijas de frecuencia y tensión de la red en magnitudes variables.
Ventajas del control de velocidad mediante un variador:
Economía de energía:
Si dejamos que un motor gire más rápidamente de lo que es necesario estaremos
malgastando una cantidad de energía superior a la necesaria.
Algoritmo de control.
El algoritmo de control usado para controlar este sistema, pensado para obtener un control
estacionario estable, es muy sencillo y eficaz. A una frecuencia prefijada se activa un
procedimiento que recupera la información sobre las revoluciones efectuadas desde la última
lectura. Este procedimiento puede ser llamado por una de las interrupciones periódicas del PC,
p.e. la interrupción de usuario del reloj de tiempo real, 0x4a, o la interrupción del temporizador
del sistema, 0x08, cuya frecuencia es variable y podemos adaptar a nuestro propósito. Una vez
conocido el desplazamiento, calculamos la velocidad real y la comparamos con la velocidad
programada. Si la velocidad real es mayor, reducimos el tiempo en alto del pulso de control (ver
Modulación por ancho de pulso), si es menor, aumentamos el tiempo en alto del pulso de control,
y si es la adecuada, no realizamos ningún cambio. Otro proceso periódico, también realizado por
interrupción, debe encargarse de mandar los pulsos de control al motor.
El control de velocidad de motores desde hace tiempo dejo de ser exclusivo de motores de
corriente directa y se aplicó a motores de corriente alterna. Sin embargo, la aparición de
rectificadores controlados ha hecho que adquiera una mayor importancia en motores de corriente
alterna; en motores de inducción se ha obtenido mediante el control de voltaje aplicado al estator
o variando la resistencia en el rotor cuando es de tipo devanado, ambos procedimientos pueden
ser logrados con el rectificador controlado.
Aplicación del rectificador controlado a motores de inducción.
El rectificador controlado se puede utilizar para el control del voltaje aplicado a las terminales del
mismo, colocándolo en serie con las terminales del estator.
También puede ser utilizado en las terminales del rotor para controlar la corriente del mismo, este
segundo método constituye el propósito de este trabajo.
Operación del rectificador controlado.
El funcionamiento del rectificador controlado es esencialmente el de un rectificador en el cual el
comienzo de la conducción puede ser controlado mediante una señal de disparo pequeña
alimentada a la rejilla. La conducción sola puede detenerse reduciendo la corriente a cero o a un
nivel muy bajo. Cuando se utilizan estos dispositivos en corriente alterna, el cese de la
conducción se obtiene fácilmente.
Los variadores de velocidad.
Por otro lado, también existen motores que operan con cargas variables, a veces en función de la
temperatura, otras veces en función de flujo o presión, dependiendo de las necesidades de uso o
de la ocupación y es en estos casos en los que utilizando los variadores de velocidad, se adaptan
los caballos de potencia (Horse Power - HP) del motor a la necesidad, logrando con esto tener
por así decirlo, un motor de potencia variable y por lo tanto un motor que reduce sus
requerimientos de energía eléctrica, obteniendo así ahorros sustanciales.
PARTES DE UN VARIADOR DE FRECUENCIA
Todos los variadores de frecuencia modernos cuentan con las siguientes partes principales:
Circuito Rectificador. Recibe la tensión alterna y la convierte en continua por medio de un
puente rectificador de diodos o tiristores.
Circuito intermedio. Consiste en un circuito LC cuya función principal es suavizar el rizado de la
tensión rectificada y reducir la emisión de armónicos hacia la red.
Inversor. Convierte el voltaje continuo del circuito intermedio en uno de tensión y frecuencia
variable mediante la generación de pulsos. Los variadores modernos emplean IGBT (Isolated
Gate Bipolar Transistor) para generar los pulsos de voltaje de manera controlada. Circuito de
control. El circuito de control enciende y apaga los IGBT para generar los pulsos de tensión y
frecuencia variables. Además, realiza las funciones de supervisión de funcionamiento
monitoreando la corriente, voltaje, temperatura, etc. con teclados e interfaces amigables de fácil
empleo.
Los variadores de frecuencia más empleados son los PWM (Modulación de Ancho de Pulsos)
que emplean en el circuito de entrada puente de diodos rectificadores. En el circuito intermedio
poseen condensadores y bobinas para disminuir el rizado del voltaje rectificado, además las
bobinas ayudan a disminuir el contenido armónico de la corriente generada por el variador de
frecuencia y por ende a mejorar el factor de potencia. Algunos fabricante emplean las bobinas de
línea en lugar de las bobinas DC del circuito intermedio, pero tienen la desventaja de ocupar más
espacio, generar una caída de tensión mayor y disminuir la eficiencia del variador.
La sección del inversor utiliza los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) para convertir la
tensión continua del circuito intermedio en una tensión de salida con frecuencia variable. Los
IGBT envían pulsos de duración variable hacia el motor y como respuesta se obtiene una
corriente casi senoidal.
Los IGBT conmutan a una frecuencia entre 2 a 16k Hz, llamada frecuencia portadora. Una
frecuencia portadora alta reduce el ruido acústico del motor pero disminuye la eficiencia y la
longitud permisible del cable hacia el motor. Además, los IGBT generan mayor calor a una
frecuencia portadora más alta. Los IGBT pueden generar altos picos de voltaje que son
potencialmente perjudiciales para el motor. Estos picos se producen por el fenómeno de reflexión
que duplica el voltaje del circuito DC. Cuando mayor es la longitud de los cables, mayor el
efecto de reflexión. Estos picos originan perforaciones en el aislamiento del motor y
gradualmente lo van destruyendo. Algunos fabricante solo permiten una longitud de 7m de cable
hacia el motor. Para contrarrestar este efecto, se emplean las bobinas de motor, permitiendo en
algunos casos una distancia de hasta 300m de cable al motor. Los nuevos IGBT de 3ra
generación controlan mejor la generación de los pulsos de voltaje y por lo tanto el efecto de
reflexión es menor.
Los variadores requieren de señales de control para su arranque, parada y variación de velocidad;
así como enviar señales de referencia a otros dispositivos como PLC u otros variadores. Es
importante que estas señales estén aisladas galvánicamente para evitar daños en los sensores o
controles y evitar la introducción de ruido en el sistema de control.
Los variadores de frecuencia ofrecen una excelente alternativa de automatización de sistemas y
control de energía en todo tipo de aplicaciones. Su empleo se ha incrementado enormemente en
los últimos 10 años por los grandes beneficios que ofrece en el ahorro de energía, costos
operativos y de mantenimiento. Además, si tenemos en cuenta que más del 60% de la energía
eléctrica que se produce se consume en motores eléctricos, las aplicaciones potenciales de los
variadores de frecuencia son enormes.
Lo más importante para determinar si es factible el empleo de un variador de frecuencia, es tener
un profundo conocimiento del proceso a ser controlado; así como conocer las ventajas y
limitaciones comparado con otros sistemas alternativos. Es por lo general un proceso multi
disciplinario que debe involucrar tanto a Ingenieros de Producción, de Proceso, Mantenimiento
mecánico, eléctrico y electrónico, Instrumentistas, etc. iniciado por un deseo de obtener una
ventaja de calidad y economía. Colocar un variador de frecuencia es hacer a un motor eléctrico
"inteligente".
2.- Aplicación del proceso del variador de velocidad.
Los variadores de frecuencia tienen sus principales aplicaciones en los siguientes tipos de
máquinas:
Fajas o cadenas transportadoras. Para poder controlar y sincronizar la velocidad de
producción de la planta de acuerdo al tamaño de producto o para controlar los radios de
dosificación. Ejm: transportadores de botellas o envases.
Bombas Centrífugas. Para realizar un control de caudal determinado o para empleo en
sistemas de presión constante y volumen variable. Es la aplicación ideal para un variador de
frecuencia, porque representa enormes ahorros en consumo de electricidad. Típicamente
reemplazan a sistemas con tanque hidroneumático, tanque elevado, intercambio de calor,
etc.
Ventiladores Centrífugos. Al igual que en el caso de bombas centrífugas, su empleo
representa grandes ahorros de consumo de electricidad. Se emplean por ejemplo en
ventiladores de calderos y hornos, control de presurización de salas de proceso, extractores
de aire, fan coils en sistemas de aire acondicionado, torres de enfriamiento, etc.
Bombas de desplazamiento positivo. Permiten un control exacto de caudal y dosificación
por medio del control de la velocidad. Ejm: bombas de tornillo, de engranajes, bombas de
lóbulos para transporte de chocolate, pulpa de fruta, pasta, slurries, concentrados mineros,
aditivos químicos, etc.
Ascensores y elevadores. Permiten un arranque y parada suave del elevador manteniendo el
torque del motor, evitando así que la carga su mueva y se golpee.
Extrusoras y prensas de tornillo. Reemplazan a los sistemas hidráulicos tradicionales
proporcionando una variación amplia de velocidad y control total de torque. Ejm: prensas
de harina de pescado, extrusoras de snaks, pasta, plásticos, etc.
Separadores Centrífugos. Realizan un arranque suave y progresivo de la centrífuga
evitando los picos de corriente y las velocidades de resonancia del sistema.
Otras aplicaciones importantes se dan en laminadoras, prensas mecánicas, compresores de
aire, máquinas textiles, máquinas herramienta, pozos de petróleo, etc.
3.Caracteristicas de funcionamiento de un Variador para motor de CA
Los dispositivos variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la velocidad
síncrona de un motor de corriente alterna (CA) está determinada por la frecuencia de CA
suministrada y el número de polos en el estátor, de acuerdo con la relación:
Donde
RPM = Revoluciones por minuto
f = frecuencia de suministro CA (Hercio)
p = Número de polos (adimensional)
Las cantidades de polos más frecuentemente utilizadas en motores síncronos o en Motor
asíncrono son 2, 4, 6 y 8 polos que, siguiendo la ecuación citada, resultarían en 3000 RPM,
1500 RPM, 1000 RPM y 750 RPM respectivamente para motores sincrónicos únicamente y
a la frecuencia de 50 Hz. Dependiendo de la ubicación geográfica funciona en 50Hz o
60Hz.
En los motores asíncronos las revoluciones por minuto son ligeramente menores por el
propio asincronismo que indica su nombre. En estos se produce un desfase mínimo entre la
velocidad de rotación (RPM) del rotor (velocidad "real" o "de salida") comparativamente
con la cantidad de RPM's del campo magnético (las cuales si deberían cumplir la ecuación
arriba mencionada tanto en Motores síncronos como en motores asíncronos ) debido a que
sólo es atraído por el campo magnético exterior que lo aventaja siempre en velocidad (de lo
contrario el motor dejaría de girar en los momentos en los que alcanzase al campo
magnético)
Los variadores de frecuencia (siglas AFD ,del inglés Adjustable Frecuency Drive; o
bien VFD Variable Frecuency Drive) permiten controlar la velocidad tanto de motores de
inducción (asíncronos de jaula de ardilla o de rotor devanado), como de los motores
síncronos mediante el ajuste de la frecuencia de alimentación al motor.
• Para el caso de un motor síncrono, la velocidad se determina mediante la
siguiente expresión:
Ns = 120 * f / P (4)
• Cuando se trata de motores de inducción, se tiene:
Nm = 120 * f * (1 − s) / P (5)
donde:
Ns = velocidad síncrona (rpm)
Nm = velocidad mecánica (rpm)
f = frecuencia de alimentación (Hz)
s = deslizamiento (adimensional)
P = número de polos.
Como puede verse en las expresiones (4) y (5), la frecuencia y la velocidad son
directamente proporcionales, de tal manera que al aumentar la frecuencia de
alimentación al motor, se incrementará la velocidad de la flecha, y al reducir el valor de la
frecuencia disminuirá la velocidad del eje. Por ello es que este tipo de variadores manipula
la frecuencia de alimentación al motor a fin de obtener el control de la velocidad de la
máquina Estos variadores mantienen la razón Voltaje/ Frecuencia (V/Hz) constante entre
los valores mínimo y máximos de la frecuencia de operación, con la finalidad de evitar la
saturación magnética del núcleo del motor y además porque el hecho de operar el motor a
un voltaje constante por encima de una frecuencia dada (reduciendo la relación V/Hz)
disminuye el par del motor y la capacidad del mismo para proporcionar potencia constante
de salida.
4.- Tipos de variadores de velocidad y configuraciones de velocidad, control manual y
protecciones.
Principales tipos de variadores de velocidad
Rectificador controlado.-suministra corriente continua a partir de una red alterna
monofásica o trifásica y controla el valor medio de la tensión
Regulador de tensión.- suministra tensión alterna a partir de una red alterna monofásica o
trifásica con la misma frecuencia fija de la red y controlando el valor eficaz de la tensión
Convertidor de frecuencia.- suministra tensión alterna a partir de una red alterna
monofásica o trifásica de frecuencia fija, con valor eficaz y frecuencia variables según la
ley u/f constante. Se utiliza como variador de velocidad para motores asíncronos de jaula.
Para propósitos generales, los controladores de variadores AC de frecuencia ajustable son
fabricados en tres tipos: Voltaje de Entrada Variable (VVI), Entrada de Fuente de Corriente
(CSI) y Modulación por Ancho de Pulso (PWM). Cada uno tiene ventajas características
especificas.
Voltaje de Entrada Variable (VVI).Aunque este diseño fue común en la década de los 70s y comienzos de los 80s, es hoy en
día limitado para aplicaciones especiales tal como variadores que desarrollan alta velocidad
(400 a 3 000 Hz).
El diseño VVI, recibe voltaje AC de la planta, lo rectifica y controla, desarrollando un
voltaje DC variable hacia el amplificador de potencia (etapa inversora). El amplificador de
potencia invierte el voltaje DC variable a frecuencia variable y voltaje variable AC. Esto
puede ser realizado por transistores de potencia o SCRs.
La salida de voltaje desde una unidad VVI es frecuentemente llamada “onda de seis
pulsos”. El VVI fue uno de los primeros variadores AC de estado sólido que tuvo
aceptación general. Ver figura 3-5.
Inversor Fuente de Corriente (CSI).Se usa en variadores con potencias mayores a 50HP. Las unidades CSI se encuentran bien
situadas para el manejo de bombas y ventiladores como una alternativa de ahorro de
energía para el control de flujo.
Capaces de trabajar con eficiencias cercanas a los variadores DC, el diseño CSI ofrece
economía sobre las unidades VVI y PWM para aplicaciones en bombas, ventiladores y
similares. El CSI ofrece capacidad de regeneración. Con una sobre carga, el controlador
alimenta energía de retorno al sistema AC. Ver figura 3-5.
Modulación por Ancho de Pulso (PWM).Muchas unidades PWM (frecuentemente llamadas “variadores V/Hz”) ofrecen operación a
cero velocidad. Algunos proporcionan rango de frecuencias cercanos a 200:1. Este amplio
rango es posible pues el controlador convierte voltaje de entrada AC a un voltaje DC fijo
por medio del rectificador de potencia.
Luego de este amplificador, el voltaje DC es modulado por medio de un inversor para
producir pulsos de diversos anchos, para variar el voltaje efectivo. A pesar que el voltaje es
modulado, la forma de onda de la corriente es cercana a una onda senoidal, mucho mejor
que cualquier otro sistema. Las unidades PWM usan transistores de potencia IGBT’s.
Observando las formas de onda de corriente de la figura 3-5, deducimos que el variador
tipo PWM es el que proporciona mejor calidad de corriente al motor AC, logrando que
trabaje con mejor eficiencia y produciendo un control de torque más fino. Son por lo tanto
los más usados en la actualidad
La onda de voltaje producida por el variador tipo PWM se denomina “Seno PWM” y es
producto del trabajo a gran velocidad (llegando hasta 20 kHz) de los transistores IGBT, los
cuales son comandados por medio de un sofisticado circuito de control micro
computarizado.
5.- Tipos de Aplicaciones de los Variadores de velocidad
Los variadores de frecuencia tienen sus principales aplicaciones en los siguientes tipos de
máquinas:
• Transportadoras. Controlan y sincronizan la velocidad de producción de acuerdo al tipo
de producto que se transporta, para dosificar, para evitar ruidos y golpes en transporte de
botellas y envases, para arrancar suavemente y evitar la caída del producto que se
transporta, etc.
• Bombas y ventiladores centrífugos. Controlan el caudal, uso en sistemas de presión
constante y volumen variable. En este caso se obtiene un gran ahorro de energía porque el
consumo varía con el cubo de la velocidad, o sea que para la mitad de la velocidad, el
consumo es la octava parte de la nominal.
• Bombas de desplazamiento positivo. Control de caudal y dosificación con precisión,
controlando la velocidad. Por ejemplo en bombas de tornillo, bombas de engranajes. Para
transporte de pulpa de fruta, pasta, concentrados mineros, aditivos químicos, chocolates,
miel, barro, etc.
• Ascensores y elevadores. Para arranque y parada suaves manteniendo la cupla del motor
constante, y diferentes velocidades para aplicaciones distintas.
• Extrusoras. Se obtiene una gran variación de velocidades y control total de de la cupla
del motor.
• Centrífugas. Se consigue un arranque suave evitando picos de corriente y velocidades de
resonancia.
• Prensas mecánicas y balancines. Se consiguen arranques suaves y mediante velocidades
bajas en el inicio de la tarea, se evitan los desperdicios de materiales.
• Máquinas textiles. Para distintos tipos de materiales, inclusive para telas que no tienen
un tejido simétrico se pueden obtener velocidades del tipo random para conseguir telas
especiales.
• Compresores de aire. Se obtienen arranques suaves con máxima cupla y menor consumo
de energía en el arranque.
• Pozos petrolíferos. Se usan para bombas de extracción con velocidades de acuerdo a las
necesidades del pozo.