variador de velocidad
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República Bolivariana de Venezuela.Instituto Universitario de Tecnoligia
“Antonio Jose de Sucre”Extension Barquisimeto.
Electronica Industrial
Alumnos:Antonio Isea C.I.17.011.997
Carlos Garrido C.I. 17.505.425Enmanuel Quero C.I. 13.567.343
Seccion “A”Electrónica
Agosto, 2010.
Variador de velocidad.
Los variadores son convertidores de energía encargados de modular la energía que
recibe el motor. Estos dispositivos que permiten variar la velocidad y la acopla de los
motores eléctricos, sobretodo su frenado y para ahorrar energía, lo que repercute
positivamente en una mayor duración del motor, convirtiendo las magnitudes fijas de
frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.
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.
Variador de frecuencia
Un variador de 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. Los variadores de frecuencia son también conocidos como drivers
de frecuencia ajustable (AFD), drivers de CA, microdrivers o inversores. Dado que el
voltaje es variado a la vez que la frecuencia, a veces son llamados drivers VVVF (variador
de voltaje variador de frecuencia).
Existen ciertos factores que deben ser tomados en cuanta al diseñar un sistema de
variación de frecuencia, tales como:
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 (microinterrupciones, fluctuaciones de
tensión, armónicas, factor de potencia, corriente de línea disponible).
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 de potencia.
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 la corriente continua del circuito intermedio en una alterna con
tensión y frecuencia variables mediante la generación de pulsos. Se emplea el
sistema 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 interfaces 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 linealizar la tensión rectificada,
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
fabricantes 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 16kHz, 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 fabricantes 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 deformación de onda es menor.
Hay dos tipos de variadores, par constante y par variable o cuadrático, los primeros se
utilizan en máquinas en las que el par motor no varía con la velocidad y los segundos em
sistemas en los que el par motor es dependiente de la velocidad, ventiladores, bombas
centrífugas, etc.
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`s u
ordenadores. Estas señales (potenciómetro o señales externas de referencia) estaran
aisladas galvánicamente para evitar daños en sensores o controles y evitar ruidos en la
etapa de control
Módulos que lo componen
Tanto los arrancadores como los variadores de velocidad electrónicos se componen de
dos módulos:
- 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.
Principio de funcionamiento
Los dispositivos variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la
velocidad síncrona de un motor de corriente alterna (CA) esta determinada por la
frecuencia de CA suministrada y el número de polos en el estátor, de acuerdo con la
relación:
RPM = (120 x f ) / p
Donde
RPM = Revoluciones por minuto
f = frecuencia de suministro AC (hertz)
p = Número de polos (adimensional)
Las cantidades de polos mas 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. Dependiendo de la ubicaión 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 RPMs 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)
Ejemplo:
Un motor de 4 polos que está conectado directamente a la red de distribución
eléctrica de 60 Hz debería tener una velocidad síncrona de 1800 rpm:
(120 x 60) / 4 = 1800 RPM
Si el motor es un motor de inducción, la velocidad de operación a plena carga
estará sobre los 1750 RPM.
Si el motor está conectado a el variador de velocidad que le proporciona 40 Hz, la
velocidad síncrona será de 1200 RPM:
(120 x 40) / 4 = 1200 RPM
Descripción del VF.
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 esta formado por
dispositivos de conversión electrónicos de estado sólido. El diseño habitual primero
convierte la energía de entrada AC en DC usando un puente rectificador. La energía
intermedia DC es convertida en una señal quasi-senoidal de AC 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 VFD, ellos han sido aplicados para los inversores de todos las tensiones
que hay disponible. Como se menciono anteriormente, los transistores bipolares de
puerta aislada (IGBTs) son usados en la mayoría de circuitos inversores.
Las características del motor AC requieren la variación proporcional del voltaje
cada vez que la frecuencia es variada. Por ejemplo, si un motor esta 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 PWM.
Diagrama de bloque
Arranque de un motor A/C
Se denomina arranque de un motor al régimen transitorio en el que se eleva la
velocidad del mismo desde el estado de motor detenido hasta el de motor girando a la
velocidad de régimen permanente.
El conjunto que se pone en marcha es inercial y disipativo, incluyendo en este
último concepto a las cargas útiles, pues consumen energía.
Recordemos que el comportamiento dinámico del conjunto motor-maquina
accionada está regido por la siguiente ecuación diferencial:
Tm - Tr = J . dw / dt
Donde Tm es el par motor, Tr el par resistente, J es el momento de inercia del
conjunto motor-maquina accionada y w es la velocidad angular de dicho conjunto.
Por lo tanto, para que el conjunto comience a girar se necesita que el par motor
supere al par resistente, de manera de generar una aceleración angular de arranque. El
proceso de arranque finaliza cuando se equilibra el par motor con el par resistente,
estabilizándose la velocidad de giro del motor.
Como la cupla motora es el producto de la corriente absorbida por el flujo del
campo magnético, además de un factor que caracteriza al tipo de máquina, este mayor
par de arranque generalmente está asociado a una mayor corriente de arranque, la que
no debe superar determinado límite por el calentamiento de los conductores
involucrados.
Aunque se suele enfocar el diseño de estos sistemas de arranque en atención a las
corrientes y cuplas involucradas, no deben dejarse de lado otros aspectos que también
resultan importantes, como por ejemplo el consumo de energía disipada en forma de
calor y las perturbaciones sobre la red de baja tensión.
Estas perturbaciones incluyen principalmente las caídas de tensión (muy notables
en los elementos de iluminación), que pueden afectar el funcionamiento de otros
elementos conectados a la misma, lo que resulta crítico en las instalaciones con muchos
motores que realizan frecuentes arranques.
Por otro lado, los dispositivos de arranque pueden ser de operación manual o por
contactores. Estos últimos permiten efectuar el mando a distancia del motor con cables
de secciones pequeñas (sólo se requiere la corriente necesaria para la bobina del
contactor), lo que facilita el accionamiento y diseño del dispositivo de control por trabajar
con intensidades reducidas.
Hay varios tipos de arranques de motor, los más empleados en la industria son:
Arranque estrella y triángulo.
Las conexiones de un motor son muy sencillas de realizar, para ello el fabricante
dispone en la carcasa del motor de una caja de conexiones con 6 bornes, en donde
nosotros haremos las conexiones pertinentes, dependiendo de si deseamos una conexión
tipo estrella o una conexión tipo triángulo:
Este tipo de arranque se utiliza para limitar la intensidad absorbida en el momento
de arranque del motor. Si disponemos de un motor de 220 V y lo conectamos, en primer
lugar, en estrella, tendremos una tensión de 127 V, con la cual, obtendriamos una
intensidad 2 veces la nominal. En cambio, si lo hacemos directamente, tendríamos una
intensidad de 5 veces la nominal. Al conectar primero en estrella y después en triángulo,
mediante un temporizador, reducimos el sufrimiento del bobinado al rebajar la intensidad
de absorción.
En la actualidad existen unos equipos llamados arrancadores estrella-triángulo que
realizan este cometido de forma mucho más exacta, pues, lo ideal es que se realice el
cambio de estrella a triángulo cuando el motor halla alcanzado el 80% de su velocidad
nominal.
Arranque con resistencias estatóricas.
Este tipo de arranque se utiliza para reducir la intensidad de arranque. El
funcionamiento es similar al anterior expuesto. Es decir, en una primera instancia, entran
en funcionamiento las resistencias y en una segunda instancia, el motor es alimentado
directamente. Para este proceso se utiliza dos contactores y un temporizador.
Las particularidades más interesantes son que las resistencias tienen un número
limitado de arranques cada X tiempo, que debe ser señalado por el propio fabricante. La
ventaja que tiene este tipo de arranque, es que no hay una caída de tensión, algo que si
sucede con el arranque estrella-triángulo. Se utiliza en motores que deben accionar
máquinas con un par bajo en su arranque.
Esquema
En el esquema, está representado tres fusibles F3, un relé térmico F2, dos
interruptores S1 y S2, un temporizador KA1, y dos contactores KM1 y KM2. En el esquema
de potencia se puede ver la representación de las resistencias estatóricas.
Funcionamiento:
S1:
Al pulsar sobre S1, entran en funcionamientoKM1 y KA1. Transcurrido un tiempo KA1,
temporiza y cambia KM1 por KM2, dejando desconectadas las resistencias estatóricas y
conectando el relé térmico de seguridad F2.
S2:
Desconecta a KM2 y F2. Inicio del paro del motor, tiene una inercia.
Arranque en Kusa.
En este tipo de arranque se coloca una sola resistencia en una de las fases, es
indiferente la fase que se elija. El valor de la resistencia debe de suministrarlo el propio
fabricante del motor.
Como todos los tipos de arranques que estamos viendo, tiene la finalidad de
reducir la intensidad de arranque. Se utiliza en motores de pequeña y mediana potencia
que necesitan un reducido par de arranque.
Esquema
Funcionamiento:
S1:
Al pulsar sobre S1, entran en funcionamientoKM1 y KA1. Transcurrido un tiempo KA1,
temporiza y activa KM2, dejando desconectada la resistencia. En esta ocasión, el relé
térmico F2 o Rt, se encuentra conectado en todo momento por que solo hay una
resistencia en una sola fase, las otras dos fases no están protegidas.
S2:
Desconecta todo el circuito. Inicio del paro del motor, tiene una inercia.
Arranque con autotransformador.
Este tipo de arranque mejora al arranque con resistencias estatóricas, al tener un
mejor par y no existir pérdidas por la disipación de calor en las resistencias. Sin embargo,
presenta un inconveniente, el precio, pues resulta más económico el arranque por
resistencias estatóricas. Se emplea el arranque por autotransformador en motores de
gran potencia, y como siempre, con la intención de reducir la intensidad absorbida en el
momento de arranque.
Esquema
El esquema presentado aquí, trata sobre el arranque de un motor sobre dos
puntos. La utilidad de éste tipo de arranque es poder reducir la intensidad durante el
arranque, se usa en máquinas donde el par resistente sea bajo. Se emplea con motores
trifásicos con el rotor en cortocircuito. Como el esquema indica, si accionamos sobre el
pulsador S1 entrarán en juego KA1,KM1 y KM2. Con el temporizador KA1 regularemos el
tiempo necesario para que cuando el motor se encuentre en los valores nominales, se
desconecten KM1 y KM2, conectándose a su vez KM3, entonces el motor estará en
régimen de trabajo habitual. En cambio, si deseamos detener el motor, solo tenemos que
accionar el pulsador S2.
Arranque de motores por dispositivos electrónicos
Los arrancadores electrónicos son una mejor solución que los autotransformadores
gracias a la posibilidad de su arranque suave, permitiendo un aumento en la vida útil de
todas las partes involucradas.
Los mismos consisten básicamente en un convertidor estático alterna-continua-
alterna ó alterna-alterna, generalmente de tiristores, que permiten el arranque de
motores de corriente alterna con aplicación progresiva de tensión, con la consiguiente
limitación de corriente y par de arranque. En algunos modelos también se varía la
frecuencia aplicada.
Al iniciar el arranque, los tiristores dejan pasar la corriente que alimenta el motor
según la programación realizada en el circuito de maniobra, que irá aumentando hasta
alcanzar los valores nominales de la tensión de servicio.
La posibilidad de arranque progresivo, también se puede utilizar para detener el
motor, de manera que vaya reduciendo la tensión hasta el momento de la detención
Estos arrancadores ofrecen selección de parada suave, evitando por ejemplo, los
dañinos golpes de ariete en las cañerías durante la parada de las bombas; y detención por
inyección de corriente continua para la parada más rápida de las masas en movimiento.
Además poseen protecciones por asimetría, contra sobretemperatura y
sobrecarga, contra falla de tiristores, vigilancia del tiempo de arranque con limitación de la
corriente, control de servicio con inversión de marcha, optimización del factor de potencia
a carga parcial, maximizando el ahorro de energía durante el proceso y permiten un
ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes.