Ministerio de Educación Universidad Tecnológica de Panamá Facultad de Ingeniería Eléctrica Lic. En Ingeniería Electromecánica Trabajo escrito VARIADOR DE FRECUENCIA Presentado por: C.I.P Profesor: Noviembre de 2022 Contenido Introducción ........................................................................................................................................ 3 Marco teórico ...................................................................................................................................... 4 Objetivo General ................................................................................................................................. 5 Objetivos Específicos ........................................................................................................................... 5 Concepto de variador de frecuencia ................................................................................................... 6 Principio de funcionamiento ............................................................................................................... 6 Descripción del VFD ............................................................................................................................ 8 Motor del VFD ..................................................................................................................................... 8 Controlador del VFD ............................................................................................................................ 9 ¿Cómo funciona un variador de frecuencia? .................................................................................... 11 Funcionamiento de un variador de frecuencia ................................................................................. 12 Ventajas de uso del variador de frecuencia. ..................................................................................... 13 Desventajas: ...................................................................................................................................... 14 DEFINICIONES Y PARTES DEL VARIADOR........................................................................................... 15 Partes que componen un variador:................................................................................................... 16 Inversor de seis pasos: ...................................................................................................................... 18 Inversor PWM: .................................................................................................................................. 19 SELECCIÓN DE UN VARIADOR DE FRECUENCIA. ............................................................................... 20 Consideraciones Generales: .............................................................................................................. 20 Límite de Corriente y Sistemas de Protección .................................................................................. 23 RESUMEN DE LOS PARAMETROS MAS IMPORTANTES. .................................................................... 24 Conclusiones ..................................................................................................................................... 25 Introducción Los primeros variadores de frecuencia para motores de CA en baja tensión datan de finales de los años 60, aunque todavía eran muy voluminosos y muy caros. En medio siglo la tecnología de estos equipos, también denominados convertidores de frecuencia o variadores de velocidad, ha evolucionado enormemente siendo ahora equipos controlados digitalmente con unas posibilidades enormes de parametrización para ajustar el funcionamiento a las condiciones de la carga y de la aplicación. Es por tanto un equipo que ha sufrido una evolución muy destacada, aunque su función es básicamente la misma: control de la velocidad de un motor eléctrico para la optimización de los movimientos en procesos de fabricación discreta, reducción y optimización del consumo de energía o la disminución de los esfuerzos mecánicos. Marco teórico Sin duda la reducción del consumo energético es una gran ventaja que aportan los variadores de frecuencia. Para ello, estos equipos son capaces, por ejemplo, de controlar la corriente de arranque, la cual puede llegar a ser hasta 7 u 8 veces más elevada que la corriente con la máxima carga. Estos picos de corriente afectan a la longevidad de los devanados y generan una gran cantidad de calor, es decir, de energía desperdiciada. La reducción de los efectos de las perturbaciones de la red eléctrica es otro aspecto destacable de los variadores de frecuencia, junto con un mejor control de la aceleración del motor y la limitación de par ajustable, funciones que contribuyen a su vez a proteger los equipos accionados por los motores. Es debido a esto que mediante la realización de este proceso investigativo podemos profundizar y conocer a los variadores de corriente los cuales hoy en día son muy significativos y esta presentes por doquier en nuestro diario vivir. Objetivo General Objetivos Específicos Concepto de variador de frecuencia Un variador de frecuencia es un sistema para el control de la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna (AC) por medio del control de la frecuencia de alimentación suministrada al motor. Un variador de frecuencia es un caso especial de un variador de velocidad. Los variadores de frecuencia son también conocidos como drivers de frecuencia ajustable (AFD), drivers de CA o microdrivers. Dado que la tensión (o voltaje) se hace variar a la vez que la frecuencia, a veces son llamados drivers VVVF (variador de voltaje variador de frecuencia). Principio de funcionamiento 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 AC suministrada y el número de polos en el estator, de acuerdo con la relación: Donde RPM = Revoluciones por minuto, f = frecuencia de suministro AC (Hercio), p = Número de polos Las cantidades de polos más frecuentemente utilizadas en motores síncronos o en motores asíncronos son 2, 4, 6 y 8 polos que, siguiendo la ecuación citada, resultarían en 3600 RPM, 1800 RPM, 1200 RPM y 900 RPM respectivamente para motores sincrónicos únicamente y a la frecuencia de 60 Hz, y 3000 RPM, 1500 RPM 1000 RPM y 750 RPM para 50 Hz. Dependiendo de la ubicación geográfica funciona en 50 Hz o 60 Hz. 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 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 tener par en los momentos en los que alcanzase al campo magnético). Esa variación en el ciclo de trabajo hace subir o bajar el valor medio de la señal La forma de variar la frecuencia básicamente consta de cambiar el ciclo de trabajo (tiempo ON y tiempo OFF en un período) de una onda cuadrada periódica, de tal forma que el valor medio de la tensión (el promedio) a lo largo del tiempo varíe entre V máximo y V mínimo La velocidad con que variamos el ciclo de trabajo, o sea su valor medio, será la frecuencia de variación del valor medio. Esto físicamente se logra a través de "llaves electrónicas" de conmutación que son los IGBT (transistores bipolares de compuerta aislada) que actúan como interruptores que al cerrarse y abrirse por medio de un software específico conforman la onda cuadrada, que permite obtener la señal sinusoidal. Descripción del VFD Un sistema de variador de frecuencia (VFD) consiste generalmente en un motor de CA, un controlador y una interfaz operadora. Motor del VFD El motor usado en un sistema VFD es normalmente un motor de inducción trifásico. Algunos tipos de motores monofásicos pueden ser igualmente usados, pero los motores de tres fases son normalmente preferidos. Varios tipos de motores síncronos ofrecen ventajas en algunas situaciones, pero los motores de inducción son más apropiados para la mayoría de propósitos y son generalmente la elección más económica. Motores diseñados para trabajar a velocidad fija son usados habitualmente, pero la mejora de los diseños de motores estándar aumenta la fiabilidad y consigue mejor rendimiento del VFD.(variador de frecuencia). Controlador del VFD El controlador de dispositivo de variación de frecuencia está formado por dispositivos de conversión electrónicos de estado sólido. El diseño habitual primero convierte la energía de entrada CA en CC usando un puente rectificador. La energía intermedia CC es convertida en una señal quasi-senoidal de CA usando un circuito inversor conmutado. El rectificador es usualmente un puente trifásico de diodos, pero también se usan rectificadores controlados. Debido a que la energía es convertida en continua, muchas unidades aceptan entradas tanto monofásicas como trifásicas (actuando como un convertidor de fase, un variador de velocidad). Tan pronto como aparecieron los interruptores semiconductores, fueron introducidos en los Variadores de Frecuencia, siendo aplicados en inversores de todas las tensiones disponibles. Actualmente, los transistores bipolares de puerta aislada (IGBTs)son usados en la mayoría de circuitos inversores. Las características del motor CA requieren una variación proporcional del voltaje cada vez que la frecuencia es variada. Por ejemplo, si un motor está diseñado para trabajar a 460 voltios a 60 Hz, el voltaje aplicado debe reducirse a 230 volts cuando la frecuencia es reducida a 30 Hz. Así la relación voltios/hertzios deben ser regulados en un valor constante (460/60 = 7.67 V/Hz en este caso). Para un funcionamiento óptimo, otros ajustes de voltaje son necesarios, pero nominalmente la constante es V/Hz es la regla general. El método más novedoso y extendido en nuevas aplicaciones es el control de voltaje por Modulación de la Anchura de Pulso (PWM). ¿Cómo funciona un variador de frecuencia? Los variadores se encuentran entre la alimentación y el motor. La energía de la red llega al variador, este regula la energía y la envía al motor. Esto permite enviar tan solo la energía necesaria para que el motor funcione como debe, sin desperdiciar nada. Dentro del variador, la energía pasa a través de un rectificador que transforma la corriente alterna en corriente continua, esta carga los condensadores del convertidor, lo que suaviza la onda de la corriente eléctrica. Así obtenemos una fuente de alimentación limpia. A continuación, la energía pasa de los condensadores, a un inversor, que transforma la corriente continua en corriente alterna de salida, que es la que se transmite al motor. Este paso permite que el convertidor ajuste la frecuencia y la tensión en función de los requisitos del proceso. Funcionamiento de un variador de frecuencia Ventajas de uso del variador de frecuencia. 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. (En un arrancador progresivo la regulación del par es difícil, ya que se basa en valores de tensión inicial). - No tiene factor de potencia (cos φ = 1), lo que evita el uso de baterías de condensadores y el consumo de energía reactiva (ahorro económico). - 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. - Protege completamente el motor, el variador y la línea. - El consumo energético se adapta a la exigencia del motor (ahorro de energía). - Mediante contactores externos de bypass (puente) se puede utilizar un solo variador para el control secuencial de varios motores, tanto en arranque como en parada. Desventajas: La instalación, programación y mantenimiento, debe ser realizada por personal cualificado. derivar 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. DEFINICIONES Y PARTES DEL VARIADOR. Red de suministro: acometida de c.a., monofásica en aparatos para motores pequeños de hasta 1,5 kw (2 C.V. aprox), y trifásica, para motores de más potencia, hasta valores de 630 kw o más. Entradas y salidas (E/S ó I/O): diferentes conexiones de entradas y salidas de control; pueden ser digitales tipo todo o nada (contactos, pulsadores, conmutadores, contactos de relé…) o analógicas mediante valores de tensión (0…10 V o similares) e intensidad (4…20 mA o similares). Además puede incluir terminales de alarma, avería, etc. Comunicaciones: estos dispositivos pueden integrarse en redes industriales, por lo que disponen de un puerto de comunicaciones, por ejemplo RS-232, RS-485, red LAN, buses industriales (ProfiBus…) o conexiones tipo RJ-45 o USB para terminales externos y ordenadores. 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. Salida: conexión al motor, generalmente de tres hilos (U-V-W) para conexión directa en triángulo o estrella según la tensión del motor. Partes que componen un variador: 1.- Rectificador: partiendo de la red de suministro de C.A., monofásica o trifásica, se obtiene c.c. mediante diodos rectificadores. La función del rectificador es convertir la señal de voltaje de alimentación de CA a CD y controlar el voltaje que llega al inversor. Los más usados son: Vemos que cada tipo de rectificador tiene diferentes características y posibilidades a la hora de usar el inversor posteriormente. En la actualidad el rectificador más usado es el puente de diodos aunque también podemos encontrar los rectificadores controlados en algunos equipos más complejos. Entre el rectificador y el inversor se usa un bus de continua, que no es más que un circuito LC, para almacenar y filtrar la señal rectificada y así obtener un valor de tensión continua estable. 2.- 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 continua estable, y reserva de energía suficiente para proporcionar la intensidad requerida por el motor. 3.- Etapa de salida: desde la tensión del bus de continua, 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… etc. 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. Transforma la tensión continua que recibe del bus de continua en otra tensión y frecuencia variables usando pulsos. Vamos a describir los dos inversores más usados. Inversor de seis pasos: Para variar la frecuencia de la señal de alimentación al motor se ajusta el tiempo de conducción de los SCR´s para cada uno de los seis pasos, modificando el tiempo de ciclo. Cuando se usan SCR’s en el inversor, se utilizan circuitos complejos de conmutación que no se muestran en la figura y que incluye la lógica de disparo y componentes adicionales de potencia para apagarlos. Esta complejidad se reduce cuando se utilizan IGBT’s (Transistor Bipolar de Puerta Aislada) como interruptores de potencia, como es el caso del siguiente inversor. Inversor PWM: El inversor consiste de seis IGBT’s que se encienden y apagan en una secuencia tal que producen un voltaje en forma de pulsos cuadrados que alimentan al motor. Para variar la frecuencia del motor, el número de pulsos y su ancho se ajustan resultando en un tiempo de ciclo mayor para bajar la velocidad o tiempo de ciclo menor para subir la velocidad. Para cada frecuencia específica hay un número óptimo de pulsos y anchos que producen la menor distorsión armónica en la corriente que se aproxime a la señal senoidal. SELECCIÓN DE UN VARIADOR DE FRECUENCIA. Con frecuencia la selección de un accionamiento resulta poco complicada debido a que el motor ya se encuentra instalado y el requerimiento del rango de velocidad no es excesivo. Sin embargo, cuando se selecciona un sistema de accionamiento en base a fundamentos la consideración cuidadosa de los mismos puede evitar problemas durante su instalación y operación, y también producir ahorros significativos en el costo. Consideraciones Generales: Verificar el rango de corriente tanto del VFD, como del motor. El rango de potencia solamente sirve como una guía aproximada. Verificar que se haya seleccionado la tensión de operación correcta. Con entrada trifásica de 230V los variadores operarán con alimentación monofásica o trifásica (excepto para 4 kW); los variadores de de 400V únicamente operarán con una alimentación trifásica. En algunas ocasiones, las unidades con entrada monofásica pueden ser una opción más económica, pero se debe tener en cuenta que las unidades de 230V se dañarán si son operadas a 400V. Verificar el rango de velocidad requerido. La operación sobre frecuencia nominal (50 ó 60 Hz) solamente es posible con un descenso en el torque del motor. La operación a baja frecuencia y alto torque puede ocasionar el sobrecalentamiento del motor debido a la falta de ventilación. Los motores síncronos requieren factor de corrección que usualmente es de 2 a 3 veces. Lo anterior se debe al factor de potencia y por consiguiente, la corriente puede ser muy alta a baja frecuencia. Verificar el funcionamiento con sobrecarga. El Variador limitará muy rápidamente la corriente a 150 ó 200% de la corriente nominal; un motor estándar de velocidad fija aceptará estas sobrecargas. - INTRODUCCIÓN DE DATOS EN EL VARIADOR. CONFIGURACION PARÁMETROS. La mayoría de los Variadores empleados en la industria se controlan a través de las terminales de control y no a través del panel frontal antes mencionado. En esta sección describiremos algunas posibilidades sencillas de control utilizando dichas entradas, así como algunas de las funciones programables que pueden resultar útiles. En todos los casos es necesario conocer el esquema de conexiones del variador las cuales están en las especificaciones de cada fabricante ya que pueden variar. En la figura se muestra el esquema de conexiones del variador SIMOVERT de SIEMENS. Límite de Corriente y Sistemas de Protección El VARIADOR debe protegerse a sí mismo, al motor y al sistema contra sobrecargas y posibles daños. El límite de corriente aquí opera muy rápidamente, limitando la corriente y evitando que se presente alguna corriente elevada. El VARIADOR cuenta con varios niveles de limitación de corriente: Disparo Electrónico. Este es un límite de corriente muy rápido que opera cuando se presenta un cortocircuito (línea a línea, o línea a tierra) en la salida. Este es un disparo de nivel fijo y opera en unos cuantos microsegundos. La Falla F002 es la indicación de este tipo de disparo. Límite de Sobrecarga. Este es un límite rápido que se establece a través de un determinado parámetro y puede ser tan alto como 200% del nivel de corriente nominal establecido. (consultar más adelante), el VFD reducirá su frecuencia de salida después de tres segundos hasta que la corriente descienda al valor determinado. Posteriormente, el límite de sobrecarga de períodos prolongados puede volverse activo después de cierto tiempo. Límite de Sobrecarga de Períodos Prolongados. Este es un límite más lento que permite una sobrecarga de mínimo 60 segundos cuando la corriente está entre el valor establecido. El tiempo real depende de la cantidad de sobrecarga, pero el mínimo son 60 segundos. Después de dicho tiempo, la frecuencia de salida se reduce hasta alcanzar el nivel. Límite Continuo. Este corresponde al nivel establecido. El VARIADOR controlará la corriente hasta dicho nivel después de que las sobrecargas descritas anteriormente hayan terminado. En todos los casos anteriores, con excepción del disparo electrónico, el VARIADOR reducirá la frecuencia de salida para poder reducir la carga. Algunos valores de ocasionarán un disparo en lugar de limitar la corriente. RESUMEN DE LOS PARAMETROS MAS IMPORTANTES. Existen parámetros básicos que se deben configurar en los variadores de frecuencia de manera que el variador de frecuencia realice el mejor control de torque (PAR MOTOR) y velocidad sobre el motor y que además lo pueda proteger ante fallos. Los primeros cinco datos los encontramos en la placa caracteriza del motor y deben ser introducidos en el variador de frecuencia. Conclusiones Para concluir podemos agregar que poder variar la velocidad de un proceso o de un sistema, es una necesidad que se plantea obligatoriamente en la mayoría de los sectores de la industria. Con el respectivo proceso investigativo comprendimos que con la aparición del control electrónico de los motores eléctricos, para variar y regular su velocidad, ha aportado a los procesos industriales grandes ventajas, aumentando sus propias posibilidades y prestaciones y reduciendo su mantenimiento de energía y consumo entre otras. Y es allí donde hace aparición los variadores de frecuencia los cuales significativamente han alcanzado la efectividad y su utilidad actualmente es totalmente factible en los sistemas automatizados los cuales día a día evolucionan. REFERENCIA INFOGRAFICAS https://blogsaverroes.juntadeandalucia.es/depaelca/files/2019/12/Unidad-5VARIADOR-FRECUENCIA.pdf https://new.abb.com/drives/es/que-es-unvariador#:~:text=Un%20variador%20de%20frecuencia%20por,de%20los%20requi sitos%20del%20procedimiento. https://es.wikipedia.org/wiki/Variador_de_frecuencia
