infrme abb acs355
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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE CHILE
SEDE CONCEPCION – TALCAHUANO
TRABAJO DE APLICACIONES DE POTENCIA
CONVERTIDORES DE FRECUENCIA
ABB ASC355
Nombre Alumnos: Ricardo Araneda.
Mauricio contreras.
Profesor : Luis A. Vera.
Asignatura : Aplicaciones de potencia
Fecha : 13/10/2012.
INTRODUCCIÓN
Una gran parte de los equipos utilizados en la industria moderna funcionan a
velocidades variables, como por ejemplo los trenes laminadores, los mecanismos de
elevación, las máquinas-herramientas, etc. En los mismos se requiere un control
preciso de la velocidad para lograr una adecuada productividad, una buena terminación
del producto elaborado, o garantizar la seguridad de personas y bienes. El estudio de
este fenómeno para cada caso particular tiene una gran importancia práctica, ya que la
elección correcta de las características de los motores y variadores a instalar para un
servicio determinado, requieren el conocimiento de las particularidades de éste
producto. La regulación de velocidad puede realizarse por métodos mecánicos, como
poleas o engranajes, o por medios eléctricos. La máquina de inducción alimentada con
corriente C.A., especialmente la que utiliza un rotor en jaula de ardilla, es el motor
eléctrico más común en todo tipo de aplicaciones industriales y el que abarca un
margen de potencias mayor. Pero no basta conectar un motor a la red para utilizarlo
correctamente, sino que existen diversos elementos que contribuyen a garantizar un
funcionamiento seguro.
La fase de arranque merece una especial atención. El par debe ser el necesario para
mover la carga con una aceleración adecuada hasta que se alcanza la velocidad de
funcionamiento en régimen permanente, procurando que no aparezcan problemas
eléctricos o mecánicos capaces de perjudicar al motor, a la instalación eléctrica o a los
elementos que hay que mover. El motor de corriente alterna, a pesar de ser un motor
robusto, de poco mantenimiento, liviano e ideal para la mayoría de las aplicaciones
industriales, tiene el inconveniente de ser un motor rígido en cuanto a su velocidad. La
velocidad del motor asincrónico depende de la forma constructiva del motor y de la
frecuencia de alimentación. Como la frecuencia de alimentación que entregan las
Compañías de electricidad es constante, la velocidad de los motores asincrónicos es
constante, salvo que se varíe el número de polos, el resbalamiento o la frecuencia.
El método más eficiente de controlar la velocidad de un motor eléctrico es por medio de
un variador electrónico de frecuencia. No se requieren motores especiales, son mucho
más eficientes y tienen precios cada vez más competitivos.
El variador de frecuencia regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando
modificar su velocidad. Sin embargo, simultáneamente con el cambio de frecuencia,
debe variarse el voltaje aplicado al motor para evitar la saturación del flujo magnético
con una elevación de la corriente que dañaría el motor.
DESCRIPCIÓN
Los variadores son convertidores de energía encargados de modular la energía que
recibe el motor. Otra definición sería, los variadores de velocidad son dispositivos que
permiten variar la velocidad y la acopla de los motores asíncronos trifásicos,
convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes
variables. Los variadores de velocidad son dispositivos electrónicos que permiten variar
la velocidad y la cupla de los motores asincrónicos trifásicos, convirtiendo las
magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.
Se utilizan estos equipos cuando las necesidades de la aplicación sean:
Dominio de par y la velocidad
Regulación sin golpes mecánicos
Movimientos complejos
Mecánica delicada
El control de los motores eléctricos mediante conjuntos de conmutación “Todo o Nada”
es una solución bien adaptada para el accionamiento de una amplia gama de
máquinas. No obstante, conlleva limitaciones que pueden resultar incomodas en ciertas
aplicaciones.
TIPOS DE VARIADORES DE FRECUENCIA
De acuerdo con la tecnología utilizada, los arreglos de sus componentes y los
componentes utilizados, son varios los tipos de variadores de frecuencia que existen,
básicamente existen tres tipos, CSI, inversión de la corriente de alimentación (Current
Source Inverter), VSI, inversión del voltaje de alimentación (Voltaje Source Inverter) y
PWM, Modulación de Ancho de Pulso (Pulse Width Modulation), Aunque los más
utilizados son estos últimos; por lo que hablaremos solamente de estos.
VARIADOR TIPO MODULACIÓN DEL ANCHO DEL PULSO (PWM)
La "Modulación del ancho del pulso" (PWM) ha sido la tecnología mas usada en los
VDF pues ha dado buenos resultados para controlar motores desde 1/4 h.p. hasta 1000
h.p. debido a su confiabilidad, adaptación y porque genera la menor cantidad de
armónicos a la línea. Aproximadamente 100 fabricantes trabajan con esta tecnología a
Nivel mundial En esta tecnología la sección de inversión es realizada por un puente de
diodos y capacitores de C.D. para crear y mantener un voltaje estable y suavizado en
C.D. Esta operación se realiza usando la tecnología de transistores bipolares de
compuerta aislada (isolated gate bipolar transistor IGBT por sus siglas en inglés) los
cuales regulan el voltaje y frecuencia para simular un voltaje que aunque es cuadrático
es muy similar al senoidal. El mismo término "modulación del ancho del pulso" explica
como cada transición de voltaje alterno es una serie de pulsos cortos de diferente
ancho. Variando el ancho del pulso en cada ciclo el promedio simula la onda senoidal.
El número de transiciones del positivo al negativo por segundo determina la frecuencia
suministrada al motor. Al tener un mayor número de pulsos en cada medio ciclo, el
ruido asociado a los motores controlados por VDF se reduce, al igual que la onda de
corriente es suavizada y se eliminan los picos. Las velocidades de switcheo o de
resolución de los IGBT`s en un convertidor PWM pueden tener rangos desde 2 kHz
hasta 18 o más kHz. Las ventajas de este método es un excelente factor de potencia
debido al voltaje del bus de C.D. suavizado, no hay disfunciones en la operación del
motor a bajas velocidades, tiene una eficiencia mayor al 92 %, puede controlar varios
motores con un solo VDF, habilidad para sobreponerse a las pérdidas de potencia en
frecuencias de 3 a 5 hz, y un costo bajo. Entre las desventajas, y hay que considerarlas
es el calentamiento del motor y fallas en el aislamiento en algunas aplicaciones debido
a la alta frecuencia de resolución, y la imposibilidad de regeneración; así como
generación de armónicas en la línea, en algunas aplicaciones muy especificas.
Diagrama esquemático del variador tipo modulación del ancho del pulso (PWM)
VARIADORES TIPO FLUJO VECTORIAL.
Existe una tecnología que aunque usa los principios de la modulación del ancho de
pulso ha sido mejorada con microprocesadores de 32 bits llamados inteligentes y que
son usados en los Variadores de Flujo Vectorial o Vector Drives en inglés .Los
variadores de C.A. siempre han estado limitados a aplicaciones de par normal mientras
que las de alto par, y bajas rpm han sido el dominio de los de C.D. Esto ha ido
cambiando recientemente con la introducción de una nueva generación de la tecnología
PWM, el variador de flujo vectorial.
El método de control de par usado en el VDF de flujo vectorial es similar al usado en los
de C.D., incluyendo un amplio rango de velocidades con una rápida respuesta. Este
variador tiene la misma sección de potencia que los PWM, pero usa un sofisticado
control de lazo cerrado del motor al microprocesador del variador de frecuencia. La
posición y velocidad del rotor es monitoreada en tiempo real a través de un
posicionador o codificador digital que determina y controla la velocidad, par y potencia
del motor. Al controlar la sección de inversión en respuesta a las condiciones actuales
de la carga en tiempo real, se obtiene un control excelente del par. Las ventajas de este
tipo de variador son: un excelente control de velocidad, par y potencia, una respuesta
rápida a los cambios de carga, velocidad y par demandados; 100 % de par a velocidad
0; costos de mantenimiento relativamente bajos comparados con los controles y
motores de C.D. El objetivo es controlar el par del motor en lugar de la velocidad y por
lo tanto tienen respuestas más rápidas y precisas a las variaciones del par demandado
por la carga. Para lograr esto, el variador “explora” al motor haciendo un auto
reconocimiento (auto-tuning), inyectándole corriente y voltaje par saber como se
comporta y cuales son sus valores características, para crear un algoritmo o modelo de
sus características de funcionamiento y poder controlarlo de la manera más adecuada.
Esto se puede hacer con carga y sin carga del motor; una vez hecho esto se configura
en la memoria del VDF un modelo matemático del motor con el que se va a trabajar
guardándolo inclusive cuando se desconecta totalmente. Durante la operación, el
modelo recibe la información de la corriente en alterna que el motor demanda en sus3
Fases, los valores de voltaje del bus de C.D. además del estado de los switch de
potencia. Con estos datos se calcula el flujo en el estator, el par, la frecuencia y la
velocidad de cada ciclo; y hay un ciclo cada 10milisegundos. Además de esto el modelo
estima la resistencia en el estator; este valor lo obtiene comparando los datos obtenidos
de la identificación inicial y en la subsecuente operación del mismo. La diferencia en el
modulo de inversión comparada con la tecnología PWM básica es que, esta tiene una
frecuencia de conmutación o comúnmente switcheo fijada de acuerdo a las
necesidades, mientras que en los variadores recientes esta frecuencia de switcheo se
modifica de acuerdo con las necesidades de par de la carga, en este tipo de variadores
se sigue usando la tecnología de IGBT.
Este tipo de variadores de frecuencia es ideal para aplicaciones de una complejidad
mayor que generalmente se controlan con motores de C.D. como extrusoras, grúas,
elevadores, máquinas centrífugas, máquinas de papel, impresoras, maquinaria de
embalaje, embobinado ras, y otras aplicaciones con requerimientos similares. Entre las
ventajas de esta tecnología es eliminar el sobrecosto de los elementos de
retroalimentación o codificación que en la mayoría de los casos representan del 20 al
30 % del costo de la inversión. Otra de las ventajas es una velocidad de respuesta
mayor a los cambios de velocidad y par que los demás variadores incluyendo al de flujo
vectorial, 100 % de par a velocidad 0; así como par constante en todo el rango de
velocidades. En todas las aplicaciones de VDF hay que tener muy presentes el
calentamiento que pueda llegar a sufrir el motor al disminuir la velocidad del ventilador
de enfriamiento acoplado al mismo en la parte posterior. Si el motor va a trabajar en
rangos de velocidad de 0 a 15-20 Hz durante lapsos prolongados, se recomienda
instalar ventilación extra a la del motor para asegurar el enfriamiento adecuado; algunas
marcas manejan el motor con ventilación acoplada pero conectada eléctricamente
independiente a un alimentador de 120 volts. El VDF ha llegado a ser uno de los
métodos de control de motores que más han avanzado tecnológicamente en los últimos
años, disminuyendo costos, tamaños y mejorando la simplicidad de operación y ha
llegado a normalizarse tanto que casi todas las marcas ofrecen las mismas
características de operación; al incluir la electrónica de potencia en base a
microprocesadores como el fundamento de operación, las ventajas adicionales que
ofrecen algunas marcas son mínimas con respecto a otras pero que deben de ser
consideradas al momento de hacer la elección: como el idioma de programación y
lectura; facilidad de programación; datos que aporta el equipo como amperaje, % de
par, potencia, voltajes, status, etc.; pantallas remotas; reactores de choque para
disminuir armónicos; desconectadores internos; fusibles de acción rápida integrados;
control PID ;etc. Lo que realmente hace la diferencia entre un equipo y otro es la calidad
de los componentes que lo integran y el servicio pre y posventa del mismo.
VARIADORES DE FRECUENCIA QUE NO PRODUCEN ARMÓNICAS.
Actualmente la tecnología en la fabricación de variadores de frecuencia para media y
baja tensión, lleva ya varios años desarrollando variadores de frecuencia que producen
bajos contenidos de armónicas tanto hacia el motor como hacia la línea de
alimentación. Estos variadores de frecuencia, además de proporcionar los beneficios
del control de la velocidad y el ahorro de energía, no provocan distorsiones a la línea de
alimentación ni daños al motor. Por lo cual, para su aplicación no es necesario degradar
la potencia del motor ni sobredimensionar el aislamiento del cable o del motor, para el
caso de media tensión. La forma como se consigue eliminar las armónicas es
instalando transformadores de alimentación con devanados secundarios aislados entre
si y desfasados de cierta forma, que las armónicas se eliminan entre ellas.
Dia
grama de bloques de un variador.
PROBLEMAS QUE SURGEN EN EL ARRANQUE DE MOTORES ASÍNCRONOS.
El pico de corriente en el arranque puede perturbar el funcionamiento de otros
aparatos conectados a la red,
Las sacudidas mecánicas que se producen durante los arranques y las paradas
pueden ser inaceptables para la máquina así como para la seguridad y comodidad de
los usuarios,
Funcionamiento a velocidad constante.
Los arrancadores y variadores de velocidad electrónicos eliminan estos inconvenientes.
Adecuados para motores de corriente tanto alterna como continua, garantizan la
aceleración y deceleración progresivas y permiten adaptar la velocidad a las
condiciones de explotación de forma muy precisa. Según la clase del motor, se
emplean variados de tipo rectificador controlado, convertidor de frecuencia o regulador
de tensión.
FACTORES A TENER EN CUENTA A LA HORA DE DISEÑAR UN SISTEMA DE
REGULACIÓN DE VELOCIDAD .
a) Límites o gama de regulación.
b) Progresividad o flexibilidad de regulación.
c) Rentabilidad económica.
d) Estabilidad de funcionamiento a una velocidad dada.
e) Sentido de la regulación (aumento o disminución con respecto a la velocidad
nominal).
f) Carga admisible a las diferentes velocidades.
g) Tipo de carga (par constante, potencia constante, etcétera).
h) Condiciones de arranque y frenado.
I) Condiciones ambientales (temperatura, humedad, etc.)
j) Tipo de motor (potencia, corriente, voltaje, etc.).
k) Rangos de funcionamiento (vel. máx., mín.)
l) Aplicación momo o multimotor.
m) Consideraciones de la red (micro-interrupciones, fluctuaciones de
Tensión, armónicas, factor de potencia, corriente de línea disponible).
Comparación de las características de funcionamiento que demuestran el gran interés
de los variadores de velocidad de tipo convertidores de frecuencia.
Diagrama par velocidad de un motor alimentado en directo la zona de funcionamiento
del motor en el plano par- velocidad esta limitada a la parte verde de la curva
Diagrama par-velocidad de un motor Alimentado por un convertidor de frecuencia aquí
la zona de funcionamiento del motor en el plano par-velocidad esta representado en
verde.
Esquema de principio de un convertidor de frecuencia.
VENTAJAS DE LA UTILIZACIÓN DEL VARIADOR DE VELOCIDAD EN EL
ARRANQUE DE MOTORES ASÍNCRONOS.
El variador de velocidad no tiene elementos móviles, ni contactos.
La conexión del cableado es muy sencilla.
Permite arranques suaves, progresivos y sin saltos.
Controla la aceleración y el frenado progresivo.
Limita la corriente de arranque.
Control de rampas de aceleración y deceleración regulables en tiempo.
Consigue un ahorro de energía cuando el motor funcione parcialmente cargado, con
acción directa sobre el factor de potencia
Puede detectar y controlar la falta de fase a la entrada y salida de un equipo. Protege
al motor.
Puede controlarse directamente a través de un autómata o microprocesador.
Se obtiene un mayor rendimiento del motor.
Nos permite ver las variables (tensión, frecuencia, rpm, etc…).
INCONVENIENTES DE LA UTILIZACIÓN DEL VARIADOR DE VELOCIDAD EN EL
ARRANQUE DE MOTORES ASÍNCRONOS.
Es un sistema caro, pero rentable a largo plazo.
Requiere estudio de las especificaciones del fabricante
Requiere un tiempo para realizar la programación.
SIMBOLOGÍA
Convertidor de Frecuencia
DIAGRAMA DE BLOQUES
PRINCIPALES FUNCIONES DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD
ELECTRÓNICOS
ACELERACIÓN CONTROLADA
La aceleración del motor se controla mediante una rampa de aceleración lineal o en
«S». Generalmente, esta rampa es controlable y permite por tanto elegir el tiempo de
aceleración adecuado para la aplicación.
VARIACIÓN DE VELOCIDAD
Un variador de velocidad no puede ser al mismo tiempo un regulador. En este caso, es
un sistema, rudimentario, que posee un mando controlado mediante las magnitudes
eléctricas del motor con amplificación de potencia, pero sin bucle de realimentación: es
lo que se llama «en bucle abierto».
La velocidad del motor se define mediante un valor de entrada (tensión o corriente)
llamado consigna o referencia. Para un valor dado de la consigna, esta velocidad puede
variar en función de las perturbaciones (variaciones de la tensión de alimentación, de la
carga, de la temperatura). El margen de velocidad se expresa en función de la
velocidad nominal.
REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD
Un regulador de velocidad es un dispositivo controlado. Posee un sistema de mando
con amplificación de potencia y un bucle de alimentación: se denomina, «bucle
abierto». La velocidad del motor se define mediante una consigna o referencia. El valor
de la consigna se compara permanentemente con la señal de alimentación, imagen de
la velocidad del motor. Esta señal la suministra un generador taco-métrico o un
generador de impulsos colocado en un extremo del eje del motor. Si se detecta una
desviación como consecuencia de una variación de velocidad, las magnitudes aplicadas
al motor (tensión y/o frecuencia) se corrigen automáticamente para volver a llevar la
velocidad a su valor inicial. Gracias a la regulación, la velocidad es prácticamente
insensible a las perturbaciones. La precisión de un regulador se expresa generalmente
en % del valor nominal de la magnitud a regular.
Principio de funcionamiento de la regulación de velocidad.
DECELERACIÓN CONTROLADA
Cuando se desconecta un motor, su deceleración se debe únicamente al par resistente
de la máquina (deceleración natural). Los arrancadores y variadores electrónicos
permiten controlar la deceleración mediante una rampa lineal o en «S», generalmente
independiente de la rampa de aceleración.
Esta rampa puede ajustarse de manera que se consiga un tiempo para pasar de la
velocidad de régimen fijada a una velocidad intermediaria o nula:
Si la deceleración deseada es más rápida que la natural, el motor debe de desarrollar
un par resistente que se debe de sumar al par resistente de la máquina; se habla
entonces de frenado eléctrico, que puede efectuarse
Renviando energía a la red de alimentación, o disipándola en una resistencia de
frenado.
Si la deceleración deseada es más lenta que la natural, el motor debe desarrollar un
par motor superior al par resistente de la máquina y continuar arrastrando la carga
hasta su parada.
INVERSIÓN DEL SENTIDO DE MARCHA
La mayoría de los variadores actuales tienen implementada esta función. La inversión
de la secuencia de fases de alimentación del motor se realiza automáticamente o por
inversión de la consigna de entrada, o por una orden lógica en un borne, o por la
información transmitida a mediante una red.
FRENADO
Este frenado consiste en parar un motor pero sin controlar la rampa de desaceleración.
Con los arrancadores y variadores de velocidad para motores asíncronos, esta función
se realiza de forma económica inyectando una corriente continua en el motor, haciendo
funcionar de forma especial la etapa de potencia. Toda la energía mecánica se disipa
en el rotor de la máquina y, por tanto, este frenado sólo puede ser intermitente. En el
caso de un variador para motor de corriente continua, esta función se realiza
conectando una resistencia en bornes del inducido.
PROTECCIÓN INTEGRADA
Los variadores modernos aseguran tanto la protección térmica de los motores como su
propia protección. A partir de la medida de la corriente y de una información sobre la
velocidad (si la ventilación del motor depende
De su velocidad de rotación), un microprocesador calcula la elevación de
Temperatura de un motor y suministra una señal de alarma o de desconexión en caso
de calentamiento excesivo.
Además, los variadores, y especialmente los convertidores de frecuencia, están
dotados de protecciones contra:
Los cortocircuitos entre fases y entre fase y tierra,
Las sobretensiones y las caídas de tensión,
Los desequilibrios de fases,
El funcionamiento en monofásico.
COMPOSICIÓN DE UN VARIADOR DE FRECUENCIA
Los variadores de frecuencia están compuestos por:
• Etapa Rectificadora. Convierte la tensión alterna en continua mediante
rectificadores de diodos, tiristores, etc.
• Etapa intermedia. Filtro para suavizar la tensión rectificada y reducir la emisión de
armónicos.
• Inversor o "Inverter". Convierte la tensión continua en otra de tensión y frecuencia
variable mediante la generación de pulsos. Actualmente se emplean IGBT´s (Isolated
Gate Bipolar Transistors) para generar los pulsos controlados de tensión. Los equipos
más modernos utilizan IGBT´s inteligentes que incorporan un microprocesador con
todas las protecciones por sobre corriente, sobretensión, baja tensión, cortocircuitos,
puesta a masa del motor, sobre temperaturas, etc.
• Etapa de control. Esta etapa controla los IGBT para generar los pulsos variables de
tensión y frecuencia. Y además controla los parámetros externos en general, etc. Los
variadores mas utilizados utilizan modulación PWM (Modulación de Ancho de Pulsos) y
usan en la etapa rectificadora puente de diodos rectificadores. En la etapa intermedia
se usan condensadores y bobinas para disminuir las armónicas y mejorar el factor de
potencia
El Inversor o Inverter convierte la tensión continua de la etapa intermedia en una
tensión de frecuencia y tensión variables. Los IGBT envían pulsos de duración variable
y se obtiene una corriente casi senoidal en el motor.
La frecuencia portadora de los IGBT se encuentra entre 2 a 16kHz. Una portadora
con alta frecuencia reduce el ruido acústico del motor pero disminuye el rendimiento del
motor y la longitud permisible del cable hacia el motor. Por otra parte, los IGBT´s
generan mayor calor.
Las señales de control para arranque, parada y variación de velocidad
(potenciómetro o señales externas de referencia) estén aisladas galvánicamente para
evitar daños en sensores o controles y evitar ruidos en la etapa de control.
PRINCIPALES TIPOS DE VARIADORES
RECTIFICADOR CONTROLADO MOTOR DE CORRIENTE CONTINÚA
Proporciona, a partir de una red de corriente alterna monofásica o trifásica, una
corriente continua con control del valor medio de la tensión.
Los semiconductores de potencia constituyen un puente de Graëtz, monofásico o
trifásico. El puente puede ser mixto (diodos/tiristores) o completo (sólo tiristores). Esta
última solución es la más frecuente porque permite un mejor factor de forma de la
corriente suministrada. El motor de corriente continua más utilizado tiene la excitación
separada, salvo para pequeñas potencias, en las que suelen usarse frecuentemente
motores de imán permanente. La utilización de este tipo de variadores de velocidad se
adapta bien a todas las aplicaciones. Los únicos límites vienen impuestos por el propio
motor de corriente continua, en especial por la dificultad de conseguir velocidades
elevadas y la necesidad de mantenimiento (sustitución de las escobillas). Los motores
de corriente continua y sus variadores asociados han sido las primeras soluciones
industriales. Después de más de una década, su uso va en constante disminución en
beneficio de los convertidores de frecuencia. En efecto, el motor asíncrono es a la vez
más robusto y más económico que un motor de corriente continua. Contrariamente a
los motores de corriente continua, los asíncronos se han estandarizado con envolvente
IP55, siendo por tanto prácticamente insensibles al entorno (goteo, polvo y ambientes
peligrosos).
CONVERTIDOR DE FRECUENCIA PARA MOTOR ASÍNCRONO
Suministra, a partir de una red de corriente alterna de frecuencia fija, una tensión
alterna trifásica, de valor eficaz y frecuencia variables. La alimentación del variador
puede ser monofásica para pequeñas potencias (orden de magnitud de algunos kW) y
trifásica para los mayores. Ciertos variadores de pequeña potencia aceptan
indistintamente tensiones de alimentaciones mono y trifásicas. La tensión de salida del
variador es siempre trifásica. De hecho, los motores asíncronos monofásicos no son
adecuados para ser alimentados mediante convertidores de frecuencia.
Los convertidores de frecuencia alimentan los motores de jaula estándar con todas las
ventajas de estos motores: estandarización, bajo coste, robustez, estanqueidad, ningún
mantenimiento. Puesto que estos motores son auto-ventilados, el único límite para su
empleo es el funcionamiento a baja velocidad porque se reduce esta ventilación. Si se
requiere este funcionamiento hay que prever un motor especial con una ventilación
forzada independiente.
REGULADOR DE TENSIÓN PARA EL ARRANQUE DE MOTORES ASÍNCRONOS
Suministra, a partir de una red de corriente alterna, una corriente alterna de frecuencia
fija igual a la de la red, mediante el control del valor
Eficaz de la tensión, modificando el ángulo de retardo de disparo de los
semiconductores de potencia (dos tiristores montados en anti paralelo en cada fase del
motor).
COMPOSICIÓN
Los arrancadores y variadores de velocidad electrónicos se componen de dos módulos
generalmente montados en una misma envolvente:
Un módulo de control que controla el funcionamiento del aparato,
Un módulo de potencia que alimenta el motor con energía eléctrica.
EL MÓDULO DE CONTROL
En los arrancadores y variadores modernos, todas las funciones se controlan mediante
un microprocesador que gestiona la configuración, las órdenes transmitidas por un
operador o por una unidad de proceso y los datos proporcionados por las medidas
como la velocidad, la corriente, etcétera.
Las capacidades de cálculo de los microprocesadores, así como de los circuitos
dedicados (ASIC) han permitido diseñar algoritmos de mando con excelentes
prestaciones y. en particular, el reconocimiento de los parámetros de la máquina
arrastrada. A partir de estas informaciones, el microprocesador gestiona las rampas de
aceleración y deceleración, el control de la velocidad y la limitación de corriente,
generando las señales de control de los componentes de potencia. Las protecciones y
la seguridad son procesadas por circuitos especializados (ASIC) o están integradas en
los módulos de potencia (IPM). Los límites de velocidad, las rampas, los límites de
corriente y otros datos de configuración, se definen usando un teclado integrado o
mediante PLC (sobre buses de campo) o mediante PC.
Del mismo modo, los diferentes comandos (marcha, parada, frenado...) pueden
proporcionarse desde interfaces de diálogo hombre/máquina, utilizando autómatas
programables o PC.
Los parámetros de funcionamiento y las informaciones de alarma, y los defectos
pueden verse mediante displays, diodos LED, visualizadores de segmentos o de cristal
líquido o pueden enviarse hacia la supervisión
Mediante un bus de terreno. Los relés, frecuentemente programables, proporcionan
información de:
Fallos (de red, térmicos, de producto, de secuencia, de sobrecarga),
Vigilancia (umbral de velocidad, pre-alarma, final de arranque).
Las tensiones necesarias para el conjunto de circuitos de medida y de control son
proporcionadas por una alimentación integrada en el variador y separadas
galvánicamente de la red.
EL MÓDULO DE POTENCIA
El módulo de potencia está principalmente constituido por:
Componentes de potencia (diodos, tiristores, IGBT...),
Interfaces de medida de las tensiones y/o corrientes,
Frecuentemente de un sistema de ventilación.
COMPONENTES DE POTENCIA
Los componentes de potencia son semiconductores que funcionan en «todo o nada»,
comparables, por tanto, a los interruptores estáticos que pueden tomar dos estados:
abierto o cerrado. Estos componentes, integrados en un módulo de potencia,
constituyen un convertidor que alimenta, a partir de la red a tensión y frecuencia fijas,
un motor eléctrico con una tensión y/o frecuencia variables. Los componentes de
Potencia son la clave de la variación de velocidad y los progresos realizados estos
últimos años han permitido la fabricación de variadores de velocidad económicos. Los
elementos semiconductores, tales como el silicio, tienen una resistividad que se sitúa
entre los conductores y los aislantes. Sus átomos poseen 4 electrones periféricos. Cada
átomo se asocia con 4 átomos próximos para formar una estructura estable con 8
electrones. Un semiconductor de tipo P se obtiene añadiendo al silicio puro una
pequeña cantidad de un elemento que posea 3 electrones periféricos. Le falta, por
tanto, un electrón para formar una estructura de 8 electrones, lo que se convierte en un
exceso de carga positiva.
Un semiconductor de tipo N se obtiene añadiendo un elemento que posea 5 electrones
periféricos. Por tanto, hay un exceso de electrones, es decir, exceso de carga negativa.
PRINCIPALES MODOS DE FUNCIONAMIENTO
Los variadores de velocidad pueden, según el convertidor electrónico, o hacer funcionar
un motor en un solo sentido de rotación, y se llaman «unidireccionales», o en los dos
sentidos de la marcha, y se llaman entonces «bidireccionales».
Los variadores son «reversibles» cuando pueden recuperar la energía del motor al
funcionar como generador (modo frenado). La reversibilidad se obtiene o retornando la
energía hacia la red (puente de entrada reversible), o disipando la energía recuperada
en una resistencia con un chopper de frenado.
La figura muestra las cuatro situaciones posibles de la gráfica par-velocidad de una
máquina resumida en la tabla que le acompaña.
Hay que indicar que cuando la máquina funciona como generador recibe una fuerza de
arrastre. Este estado se utiliza especialmente para el frenado. La energía cinética
disponible en el eje de la máquina, o se transfiere a la red de alimentación, o se disipa
en las resistencias, o, para pequeñas potencias, en la misma máquina, como pérdidas.
LOS CUATRO ESTADOS POSIBLES DE UNA MAQUINA EN SU GRAFICA PAR-
VELOCIDAD
VARIADOR UNIDIRECCIONAL
Este tipo de variador, la mayor parte de las veces no reversible, se emplea para:
Un motor C.C., con un convertidor directo (C.A.-c.c.) con un puente mixto con diodos
y tiristores.
Un motor C.A., con un convertidor indirecto (con transformación intermedia en cc)
con un puente de diodos a la entrada seguido de un convertidor de frecuencia que hace
funcionar la máquina en el primer cuadrante. En algunos casos este montaje puede
utilizarse en bidireccional (cuadrantes 1 y 3).
VARIADOR UNIDIRECCIONAL
a) Convertidor completo con puente mixto. b) Convertidor indirecto (1) puente de
entrada de diodo (2) unidad de frenado resistencia y chopper (3) convertidor de
frecuencia.
Un convertidor indirecto que tiene un chopper de frenado y una resistencia
convenientemente dimensionada sirven perfectamente para un frenado momentáneo
(ralentización de una máquina elevadora cuando el motor debe desarrollar un par de
frenado al bajar para retener la carga).
En caso de funcionamiento prolongado del motor con una carga que lo arrastre, es
imprescindible un convertidor reversible, porque la carga es entonces negativa, por
ejemplo, en el motor utilizado al frenar en un banco de pruebas.
VARIADOR BIDIRECCIONAL
Este tipo de variador puede ser un convertidor reversible o no reversible. Si es
reversible, la máquina funciona en los cuatro cuadrantes y puede permitir un frenado
importante. Si es no reversible, sólo funciona en los cuadrantes 1 y 3.
FUNCIONAMIENTO A PAR CONSTANTE
Se denomina funcionamiento a par constante cuando las características de la carga son
tales, que, en régimen permanente, el par solicitado es sensiblemente constante sea
cual sea la velocidad.
Este modo de Funcionamiento se utiliza en las cintas transportadoras y en las
amasadoras. Para este tipo de aplicaciones, el variador debe tener la capacidad de
proporcionar un par de arranque importante (1,5 veces o más el par nominal) para
vencer los rozamientos estáticos y para acelerar la máquina (inercia).
Curva de funcionamiento a par constante
FUNCIONAMIENTO A PAR VARIABLE
Se denomina funcionamiento a par variable cuando las características de la carga son
tales que en régimen permanente, el par solicitado varía con la velocidad. Es en
concreto el caso de las bombas volumétricas con tornillo de Arquímedes cuyo par crece
linealmente con la velocidad o las máquinas centrífugas (bombas y ventiladores) cuyo
par varía con el cuadrado de la velocidad. Para un variador destinado a este tipo de
aplicaciones, es suficiente un par de arranque mucho menor (en general 1,2 veces el
par nominal del motor). Muy frecuentemente dispone de funciones complementarias
como la posibilidad de omitir las frecuencias de resonancia correspondientes a las
vibraciones indeseables de la máquina. Es imposible funcionar más allá de la
frecuencia nominal de la máquina porque sería una carga insoportable para el motor y
el variador.
a) Bombas volumétricas con tornillo de Arquímedes cuyo par crece linealmente con la
velocidad, b) Las máquinas centrífugas (bombas y ventiladores) cuyo par varía con el
cuadrado de la velocidad.
FUNCIONAMIENTO A POTENCIA CONSTANTE
Es un caso particular del par variable. Se denomina funcionamiento a potencia
constante cuando el motor proporciona un par inversamente proporcional a la velocidad
angular.
Es el caso, por ejemplo, de una enrolladora cuya velocidad angular debe disminuir poco
a poco a medida que aumenta el diámetro de la bobina por acumulación de material. Es
también el caso de los motores de huso de las máquinas herramienta.
El margen de funcionamiento a potencia constante es por definición limitado: a baja
velocidad, por la corriente proporcionada por el variador, y a gran velocidad, por el par
disponible del motor. En consecuencia, el par motor disponible con los motores
asíncronos y la capacidad de conmutación de las máquinas de corriente continua deben
ser comprobados.
Curva de funcionamiento a potencia constante.
MARCAS MÁS CONOCIDAS
ABB.
TELEMECANIQUE (SCHNEIDER).
TOSHIBA.
WOODGROUP.
SCHLUMBERGER.
SIEMENS.
DANFOSS
PRINCIPALES PROVEEDORES
VARIADORES ABB TIPO MAQUINARIA GENERAL
LÍNEA ACS355
COSTO DE EQUIPOS
Los valores dependerán de acuerdo a las características de cada uno de los variadores
ya sea en potencia máxima en KW, HP, Corriente; El valor del precio esta en dólares
que actualmente esta evaluado en $ 471.21
PRECIOS
Variador de frecuencia pwm $ 20.000 a 600.000.
Variador de frecuencia tipo flujo vectorial $ 25.000 a 800.000.
Variador de frecuencia danfoss de 0.37KW $ 100.000.
Variador de frecuencia Mitsubishi de 5.5 KW $ 180.000.
Variador de frecuencia de 11 KW $ 400.000.
APLICACIONES DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA
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 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.
CONVERTIDORES DE FRECUENCIA ABB ACS355
DISEÑO
Conexiones de alimentación e interfaces de control. El siguiente diagrama proporciona
una visión general de las conexiones. Las conexiones de E/S son parametrizables.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El ACS355 es un convertidor que se puede montar en pared o en armario para controlar
motores asíncronos de inducción de CA y motores síncronos de imanes permanentes.
La figura siguiente muestra el diagrama simplificado del circuito principal del
convertidor. El rectificador convierte la tensión de CA trifásica en tensión de CC. El
banco de condensadores del circuito intermedio estabiliza la tensión de CC. El inversor
vuelve a convertir la tensión de CC en tensión de CA para el motor de CA. La chopper
de frenado conecta la resistencia de frenado externa al circuito de CC intermedio
cuando la tensión del circuito excede su límite máximo.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL EQUIPO
TENSIONES
El ACS355 está disponible en dos rangos de tensión:
2 = 200 a 240 V
4 = 380 a 480 V
Rendimiento
Aproximadamente del 95 al 98% a
potencia nominal, según el tamaño y
las opciones del convertidor.
Conexiones de alimentación e interfaces de control
El siguiente diagrama proporciona una visión general de las conexiones. Las
conexiones de E/S son parametrizables.
Configuración ED del disipador (NPN conectado)
CONFIGURACIÓN ED DE ORIGEN (PNP CONECTADO) CON FUENTE DE
ALIMENTACIÓN EXTERNA
INSTALACIÓN ELÉCTRICA
COMPROBACIÓN DEL AISLAMIENTO DEL CONJUNTO
CONVERTIDOR
No realice ninguna prueba de tolerancia a tensión ni de resistencia al aislamiento (por
ejemplo, alto potencial o mega-óhmetro) en ninguna parte del convertidor de frecuencia,
dado que tal prueba puede causar daños al convertidor. El aislamiento de cada
convertidor de frecuencia se ha comprobado entre el circuito de potencia y el chasis en
fábrica. Además, existen circuitos limitadores de tensión en el interior del convertidor
que cortan automáticamente la tensión de prueba.
CABLE DE POTENCIA DE ENTRADA
Compruebe que el aislamiento del cable de potencia de entrada es de conformidad con
la normativa local antes de conectarlo al convertidor de frecuencia.
MOTOR Y CABLE DE MOTOR
Compruebe el aislamiento del motor y del cable de motor de la forma siguiente:
1. Compruebe que el cable de motor esté conectado al motor y desconectado de los
terminales de salida U2, V2 y W2 del convertidor.
2. Mida la resistencia de aislamiento entre los conductores de las distintas fases y del
conductor de protección de tierra, con una tensión de medición de 500 V CC. La
resistencia de aislamiento de un motor ABB debe sobrepasar los 100 Mega-ohmios
(valor de referencia a 25 °C o 77 °F). En cuanto a la resistencia de aislamiento de otros
motores, véanse las instrucciones del fabricante.
CONEXIÓN DE LOS CABLES DE ALIMENTACIÓN
DIAGRAMA DE CONEXIONES
Conecte a tierra el otro extremo del conductor PE en el cuadro de distribución.
2) Utilice un cable de conexión a tierra por separado si la conductividad de la pantalla
del cable es insuficiente (menor que la conductividad del conductor de fase) y no existe
un conductor de conexión a tierra de estructura simétrica en el cable.
Para obtener más información sobre CC común, véase Guía de aplicaciones de CC
comunes del convertidor ACS355.
Nota:
No utilice un cable de motor de estructura asimétrica.
Si existe un conductor de conexión a tierra con estructura simétrica en el cable de
motor, además de la pantalla conductora, conecte el conductor de conexión a tierra al
terminal de conexión a tierra en los extremos del motor y del convertidor de frecuencia.
Tienda el cable de motor, el de potencia de entrada y los cables de control por
separado.
CONEXIÓN A TIERRA DE LA PANTALLA DEL CABLE DE MOTOR EN EL
EXTREMO DEL MOTOR
Para minimizar las interferencias de radiofrecuencia:
Conecte el cable a tierra trenzando la pantalla del modo siguiente: diámetro > 1/5 ·
longitud
Conecte a tierra la pantalla del cable a 360° en la placa de acceso al interior de la
caja de terminales del motor.
PROTECCIÓN DEL CONVERTIDOR, CONTRA SOBRECARGAS TÉRMICAS Y
CORTOCIRCUITO
Disponga la protección de acuerdo con las indicaciones siguientes.
PROTECCIÓN DE LOS CONTACTOS DE LAS SALIDAS DE RELÉ
Las cargas inductivas (relés, contactores, motores) causan oscilaciones de tensión
cuando se desconectan.
Equipe las cargas inductivas con circuitos de atenuación de ruidos (varistores, filtros RC
[CA] o diodos [CC]) para minimizar las emisiones EMC durante la desconexión. Si no se
eliminan, las perturbaciones pueden conectar de forma capacitiva o inductiva con otros
conductores en el cable de control y ocasionar un riesgo de fallo en otras partes del
sistema. Instale el componente de protección tan cerca de la carga inductiva como sea
posible. No instale componentes de protección en el bloque de terminales de E/S.
SELECCIÓN DE LOS CABLES DE CONTROL
Todos los cables de control analógico, así como el cable utilizado para la entrada de
frecuencia, deben estar apantallados.
Utilice un cable de par trenzado con apantallamiento doble (Figura a, p. ej. JAMAK de
Draka NK Cables) para las señales analógicas. Emplee un par apantallado
individualmente para cada señal. No utilice un retorno combinado para señales
analógicas diferentes.
La mejor alternativa para las señales digitales de baja tensión es un cable con
Pantalla doble, aunque también puede utilizarse cable de varios pares trenzados con
pantalla única o sin apantallar (figura b). Sin embargo, para la entrada de frecuencia,
debe utilizarse siempre un cable apantallado.
Las señales analógicas y digitales deben transmitirse por cables separados.
Las señales controladas por relé, siempre que su tensión no sea superior a 48 V,
pueden transmitirse a través de los mismos cables que las señales de entrada digital.
Se recomienda que las señales controladas por relé sean transmitidas como pares
trenzados.
Nunca mezcle señales de 24 V CC y 115/230 V CA en el mismo cable.
CABLE DE RELÉ
El cable de relé con apantallado metálico trenzado (p. ej., ÖLFLEX de LAPPKABEL) Ha
sido probado y ratificado por ABB.
CABLE DEL PANEL DE CONTROL
El cable que conecta el panel de control con el convertidor en el funcionamiento a
distancia no debe sobrepasar los 3 m (10 ft). En los kits opcionales del panel de control
se utiliza el tipo de cable probado y ratificado por ABB.
RECORRIDO DE LOS CABLES
El cable de motor debe instalarse apartado de otros recorridos de cables. Con varios
convertidores de frecuencia, los cables de motor pueden tenderse en paralelo, uno
junto a otro. Se recomienda que el cable de motor, el cable de potencia de entrada y los
cables de control se instalen en bandejas separadas. Debe evitarse que el cable de
motor discurra en paralelo a otros cables durante un trayecto largo, para reducir las
interferencias electromagnéticas producidas por los cambios rápidos en la tensión de
salida del convertidor de frecuencia. En los puntos en que los cables de control deban
cruzarse con los cables de Potencia, asegúrese de que lo hacen en un ángulo lo más
próximo posible a los 90 grados.
Las bandejas de cables deben presentar una buena conexión eléctrica entre sí y
respecto a los electrodos de conexión a tierra. Pueden usarse sistemas con bandejas
de aluminio para nivelar mejor el potencial. A continuación se muestra un diagrama del
recorrido de los cables.
CONDUCTOS PARA CABLES DE CONTROL
No se permite a menos que el cable de 24 v este aislado para 230 v o aislado con un
revestimiento de aislamiento para 230 v
Introduzca los cables de tensión 230v y 24v en la bandeja por separado hasta llegar al
gabinete.
TIPOS DE CABLES DE POTENCIA
Cables de motor
Cable apantallado simétrico: tres conductores de fase con un conductor PE concéntrico
o de estructura simétrica y un apantallamiento.
Cables de motor (también recomendados para cables de alimentación)
A continuación se presentan otros tipos de cable de potencia que pueden usarse con el
convertidor.
Nota: Se necesita un conductor PE independiente si la conductividad del
apantallamiento del cable no es suficiente para su objetivo.
Permitidos como cables de alimentación Sistema de cuatro conductores: tres
conductores de fase y uno de protección.
PANTALLA DEL CABLE DE MOTOR
Para actuar como conductor de protección, el apantallamiento debe tener la misma
sección transversal que los conductores de fase cuando están hechos del mismo metal.
Para suprimir las emisiones de radiofrecuencia por radiación y conducción, la
Conductividad de la pantalla debe ser como mínimo una décima parte de la
Conductividad del conductor de fase. Los requisitos se consiguen fácilmente Utilizando
una pantalla de cobre o aluminio. Abajo se indica el mínimo exigido para la pantalla de
cables de motor en el convertidor. Se compone de una capa concéntrica de hilos de
cobre. Cuanto mejor sea la pantalla y cuanto más cerrada esté, menores serán el nivel
de emisiones y las corrientes de los cojinetes.
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS PROGRAMABLES
Drive Windows Light 2 es una herramienta de puesta en marcha y mantenimiento de
uso sencillo para convertidores de frecuencia ACS350. Puede utilizarse en modo fuera
de línea, que permite ajustar los parámetros en el despacho incluso antes de ir al
emplazamiento en cuestión. El navegador de parámetros permite verlos, editarlos y
guardarlos. La función de comparación de parámetros posibilita comparar sus valores
entre el convertidor de frecuencia
Y el archivo. El subconjunto de parámetros le permite crear sus propias series de
parámetros. Naturalmente, el control del convertidor de frecuencia es una de las
características de Drive Windows Light. Con esta herramienta de software, es posible
supervisar hasta cuatro señales simultáneamente. Ello puede hacerse en formato
gráfico y numérico. Y, finalmente, es posible ajustar cualquier señal para detener la
supervisión desde un nivel predefinido.
HERRAMIENTA DE PROGRAMACIÓN DE SECUENCIAS
Drive Windows Light 2 permite al usuario crear y manipular parámetros de
programación secuenciales que se configuran en el ACS350. La programación se
realiza en un editor gráfico que muestra cada paso. La programación de secuencias
permite realizar una programación específica de cada aplicación. Esta nueva y sencilla
manera de pre-ajustar secuencias reduce la necesidad de un control lógico
programable (PLC) externo. En aplicaciones simples, el PLC externo puede obviarse.
CARACTERÍSTICAS DEL DRIVE WINDOW LIGHT
Herramienta de programación de secuencias para el ACS350
Edición, guardado y descarga de parámetros
Supervisión gráfica y numérica de señales
Control del convertidor de frecuencia
Asistentes para la puesta en marcha Requisitos de Drive Windows Light
Windows NT/2000/XP/Vista
Puerto serie libre en un PC
Conector disponible en el panel de control
DRIVE WINDOW LIGHT
CONCLUSION
Los Variadores de frecuencias tienen un gran uso en la industria nacional, por que su
costo ha experimentado una baja al incorporar elementos de tecnología cada vez mas
avanzados y ofrecen mejores prestaciones para control de motores de inducción.
Para determinar un variador de frecuencia, el parámetro mas importante es la potencia
eléctrica, pero de acuerdo a su aplicación es importante además conocer otros
parámetros, numero de partidas por horas y la estimación del torque de partida, la
altura y temperatura ambiente, parámetros muy importante en la practica y que muchas
veces no son tomados en cuenta por falta de información. En efecto los equipos están
diseñados para trabajar hasta una altura de 1000 metros sobre el nivel del mar y sobre
esta altura comienza a presentar comportamientos extraños.
En el ámbito industrial, se puede concluir que tanto el método analítico como el uso de
tablas entregados por el fabricante, del análisis de los casos se concluye que ambos
métodos son igualmente validos y efectivos.
Principal aporte.