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VARIADORES DE FRECUENCIA (Versión impresa no controlada) Este documento es para uso interno del personal de WOODGROUP PSN, con fines académicos. Se prohíbe su reproducción parcial o total con otros fines.

Cargo: Técnico Electricista

Elemento: VARIADORES DE FRECUENCIA

Asesor: Sergio González

Asesor interno: Diego Esteban Chaves

Los variadores de frecuencia o velocidad son equipos de control de velocidad para motores AC. A diferencia de un arrancador típico de motores (ver guía de arranque de motores), los variadores están diseñados para controlar la velocidad, proteger y frenar de forma segura los motores. En esta guía se estudiarán a fondo estos componentes, su principio de funcionamiento y sus aplicaciones más conocidas dentro del sector eléctrico.

Después del estudio de esta guía el entrenado deberá ser capaz de:

Entender los motivos por los cuales los reguladores de

frecuencia son necesarios dentro de un sistema eléctrico. Comprender el principio de funcionamiento básico de los

convertidores de frecuencia. Identificar los principales componentes de los variadores de

frecuencia. Saber cuáles son los diferentes tipos de arranque y en qué

industrias se utilizan.

VARIADORES DE FRECUENCIA

1. INTRODUCCIÓN

2. OBJETIVOS

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Para un óptimo entendimiento de esta guía se recomienda el estudio de:

Motores y generadores Fuentes de alimentación y circuitos de potencia. Arrancadores de motores Circuitos polifásicos

3.

4.

Actualmente, se estima que el 65% de la energía consumida por los sectores industriales y comerciales es utilizada para mover motores eléctricos [1]. Adicionalmente, en estos 2 sectores la gran mayoría de motores son motores que funcionan con corriente alterna (CA). Con el objetivo de adaptar los motores CA a un gran número de aplicaciones, es necesario poder controlar aspectos como el torque y la velocidad de los motores. Para variar la velocidad en un motor eléctrico de CA es necesario cambiar el número de polos del motor, modificar su deslizamiento o variar la frecuencia de su alimentación.

Se debe tener presente que la velocidad síncrona de un motor AC

está dada por:

Donde p es el número de polos y f la frecuencia. Es importante analizar que implicaciones tiene cada alternativa de

variación de velocidad. El cambio de número de polos está limitado por el tipo de bobinas fijas en el estator con que se diseñó el motor. El control del deslizamiento se puede realizar variando el voltaje de alimentación al motor o empleando un rotor de resistencia variable. Los 2 sistemas disminuyen considerablemente la eficiencia y la vida útil del motor lo cual representa altos costos operativos y de mantenimiento. Por último, la variación de la frecuencia es el método más eficiente de controlar la velocidad de un motor eléctrico.

3. PRERREQUISITOS

4. DESCRIPCIÓN

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A continuación se presentan algunas características propias de los variadores de frecuencia:

Un variador de frecuencia convencional proporciona valores entre 5 ó 10 Hz hasta 120 Hz. Sin embargo, existen variadores que pueden proporcionar una alimentación de hasta 350 Hz.

Generalmente tienen una entrada trifásica y una salida trifásica.

Cuando la entrada es de una sola fase y la salida trifásica, no es común encontrar variadores de más de 5 kW.

No es común encontrar variadores de frecuencia con salida de una sola fase y potencia de suministro mayor a 1kW.

En variadores donde el suministro es monofásico y la salida al motor trifásica, se requieren dispositivos de almacenamiento de energía como condensadores e inductores. Esto garantiza que la carga trifásica, el variador, sea balanceada.

Se debe resaltar que los motores con menor nivel de exigencias en el mantenimiento son los motores asíncronos de jaula de ardilla. Esto se debe a que carecen de colector, tienen una relación peso-potencia mucho menor que los de continua, y por tanto un coste significativamente más bajo. Por estas razones, dada su capacidad de soportar sobrecargas y su elevado rendimiento, es el motor más atractivo para la industria. Desde hace aproximadamente 20 años, el elevado desarrollo de la electrónica de potencia y los microprocesadores ha permitido variar la velocidad de estos motores, de una forma rápida, robusta y fiable, mediante los reguladores electrónicos de velocidad.

La elección de la instalación de un convertidor de frecuencia como

método de ahorro energético supone:

Reducción del consumo.

Mejor control operativo, mejorando la rentabilidad y la productividad de los procesos productivos.

Minimizan las pérdidas en las instalaciones.

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Ahorro en mantenimiento (el motor trabaja siempre en las condiciones óptimas de funcionamiento).

Antes de ver en detalle los componentes de un variador de

frecuencia, es importante considerar un nuevo tipo de motor que se consigue comercialmente. A este tipo de motor se le conoce como motor alimentado por inversor (Figura 1) y tiene 2 aspectos claves. El primero es que tiene un sistema de ventilación que funciona de forma independiente al eje del motor. De esta forma cuando el motor opere a una baja velocidad con un alto torque, la ventilación será adecuada porque la proporcionará un sistema alterno. La otra característica es el uso de una jaula de baja resistencia lo cual disminuye las pérdidas por disipación y aumenta la eficiencia del motor.

Figura 1, motor alimentado por inversor (Inverter-fed motor). Tomado de [2]

A continuación se verá en detalle el funcionamiento de un variador

de frecuencia.

4.1 FUNDAMENTOS TECNOLÓGICOS DE LA REGULACIÓN

ELECTRÓNICA DE VELOCIDAD DE MOTORES

Un regulador electrónico de velocidad está formado por circuitos que incorporan drivers de potencia construidos con IGBT (transistor bipolar de puerta aislada), MOSFETs o tiristores (ver guía de fuentes de alimentación y circuitos de potencia). Estos circuitos son controlados con un PWM para mantener el transistor o el tiristor encendido durante cierto tiempo y luego apagarlo. En general tiene los componentes de la Figura 2.

La primera es una etapa rectificadora que transforma la corriente

alterna en continua. En la guía de fuentes de alimentación y circuitos de potencia se mostró como se rectifica una onda y como luego con un condensador de gran tamaño se obtiene una señal DC. Luego a partir de ese Voltaje DC se obtiene la alimentación del motor mediante un inversor que convierte la señal DC en una señal AC. Esta señal AC

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debe tener la frecuencia adecuada para lograr la velocidad esperada en el motor.


El circuito de control comúnmente contiene un microcontrolador que

genera un PWM (Pulse Width Modulation). El PWM es una señal cuadrada caracterizada por un ciclo útil que es el porcentaje de tiempo que la onda permanece en su valor alto. Encendiendo y apagando los drivers del inversor, a la entrada del motor se produce una señal AC de Voltaje que es suavizada por la FEM que induce el motor. Adicionalmente, como el motor es una carga inductiva, la corriente a la entrada del motor toma una forma parecida a una señal AC porque las inductancias evitan cambios abruptos en la corriente. En la Figura 3 se puede observar las formas de la corriente y el Voltaje en un inversor. Además, en la Figura 4 se presentan los transistores que son activados por los drivers en un circuito inversor.


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Figura 4, Circuito Inversor monofásico. Tomado de [3]

Los transistores de la Figura 4 se hacen conmutar con varios PWMs

para producir la modulación de la Figura 3 y de esta forma se logrará una alimentación AC para el motor (Load). La parte positiva de la modulación se logra cuando el transistor 1 y 4 están conmutando. Mientras que la parte negativa se produce cuando los transistores 2 y 3 están conmutando.

La frecuencia de la señal AC se puede variar alterando el reloj que

produce los PWM de los drivers. Este procedimiento lo realiza el bloque de control con base en el valor de referencia que se le ingresa al variador. Adicionalmente, el bloque de medición recibe la medición de velocidad tomada con un tacómetro. De esta forma se puede concluir que el variador de frecuencia es un lazo cerrado de control.

Se debe tener en cuenta que el circuito de la Figura 4 se

implementa 3 veces cuando el inversor alimenta un motor trifásico (Figura 5). El encendido de los transistores es coordinado por el control para producir 3 modulaciones desfasadas 120 grados.

Figura 5, Circuito Inversor trifásico. Tomado de [3]

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El modo de trabajo y el valor de referencia (set point) puede asignarse manual o automáticamente, según las necesidades del proceso. Dada la enorme flexibilidad que ofrecen los reguladores de velocidad, se pueden obtener puntos de trabajo óptimos en todo tipo de procesos, pudiendo ser manejados por ordenador. En algunos casos esto se logra integrando el variador con un PLC, con señales digitales o con una asignación manual.

Además de poderse integrar con facilidad, los variadores de

frecuencia pueden alcanzar el mismo valor de torque, con un bajo deslizamiento, para un alto rango de frecuencia. En la Figura 6 se presentan las curvas para distintos valores de frecuencia. Se puede observar que el torque en b y en c es el mismo sin importar que la celocidad no sea la misma.

Figura 6, Curvas de un motor para distintos valores de frecuencia. Tomado

de [3]

La mayoría de las marcas incluyen dentro del propio convertidor

protecciones para el motor, tales como protecciones contra sobreintensidad, sobretemperatura, fallo contra desequilibrios, defectos a tierra, etc … además de ofrecer procesos de arranque y frenados suaves mediante rampas de aceleración y de frenado, lo que redunda en un aumento de la vida del motor y las instalaciones. Como debe saberse, el uso de los variadores de frecuencia añade un enorme potencial para el ahorro de energía disminuyendo la velocidad del motor en muchas aplicaciones. Además aportan los siguientes beneficios:

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Mejora el proceso de control y por lo tanto la calidad del producto.

Se puede programar un arranque suave, parada y freno (funciones de arrancador progresivo).

Amplio rango de velocidad, par y potencia. (velocidades continuas y discretas).

Bucles de velocidad. Puede controlar varios motores. Factor de potencia unitario. Respuesta dinámica comparable con los drivers de DC. Capacidad de by-pass ante fallos del variador. Protección integrada del motor. Marcha paso a paso (comando JOG).

Con respecto a la velocidad los convertidores suelen permitir dos

tipos de control:

Control manual de velocidad. La velocidad puede ser establecida o modificada manualmente (display de operador). Posibilidad de variación en el sentido de giro.

Control automático de velocidad. Utilizando realimentación se puede ajustar la velocidad automáticamente. Esta solución es la ideal para su instalación en aplicaciones en las que la velocidad demandada varía de forma continua.

4.2 FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÍNCRONO

ALIMENTADO POR CONVERTIDORES DE FRECUENCIA

Los inversores con circuito intermedio de tensión son los más usados en aplicaciones prácticas, siendo su campo predominante el de las pequeñas y medianas potencias. Un inversor se elige en función de parámetros tales como:

Accionar a un solo motor o varios. Banda necesaria de regulación y su precisión. Consecuencias sobre la red eléctrica del convertidor

adoptado. ¿Tiene sentido económico prever un retorno de energía?

(Frenado regenerativo). Velocidad de respuesta para adaptarse a los cambios de

consigna.

Para aprovechar al máximo el motor hay que controlarlo de modo que el flujo se aproxime lo más posible al nominal para el cual ha sido diseñado.

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Una forma de lograr que el flujo sea constante de manera

aproximada, es hacer que la tensión y la frecuencia varíen de forma proporcional.

Sin embargo esto es sólo aproximado, y a medida que las

frecuencias van bajando los flujos disminuyen también por lo que el par para bajas frecuencias disminuye de forma importante.

En general en aquellos inversores con circuito intermedio de

tensión, para el control del par electromagnético del accionamiento se emplean los siguientes métodos:

Regular la tensión del estator en función de la frecuencia.

(Control V/f).

Regulación mediante la descomposición vectorial de la intensidad del estator sobre unos ejes orientados con el flujo magnético. (Control vectorial).

4.3 CONTROL V/F

Con este método la tensión de alimentación evoluciona proporcionalmente a la frecuencia. Cuando V/f es constante el motor funciona de forma aproximada con flujo constante en los regímenes permanentes. Este tipo de control es más fácil de llevar a la práctica en un convertidor y se suele emplear cuando los requisitos de regulación son de baja velocidad.

4.4 PROCESOS INDUSTRIALES Y REGULACIÓN DE

VELOCIDAD

Para estimar el ahorro es necesario conocer el proceso industrial en que se pretende instalar el regulador de velocidad. No todos los procesos ahorran energía, incluso hay procesos en que la energía no aumenta con la velocidad. Con el fin de identificar puntos de ahorro en la industria, vamos a ver a continuación las cargas típicas que nos podemos encontrar. En la mayoría de los procesos, se tendrán combinaciones de varios de estos tipos.

PAR CONSTANTE

En la industria la mayor parte de las máquinas empleadas

funcionan a par constante, este par es independiente de la velocidad de la máquina y en el arranque usualmente hay un sobre par, más elevado que el par normal. Los equipos más comunes con este tipo de

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arranques son, los de elevación, las grúas, los transportadores en las minas, etc.

PAR CRECIENTE LINEALMENTE CON LA VELOCIDAD

En estas máquinas el par varía proporcionalmente con la velocidad,

o sea a más velocidad el par aumenta y la potencia aumenta mucho con respecto al aumento de velocidad, las mezcladoras son buenos ejemplos de este tipo de máquinas.

PAR CRECIENTE CON EL CUADRADO DE LA VELOCIDAD

El par y la potencia aumentan significativamente con la velocidad,

buenos ejemplos son: las bombas centrífugas y los ventiladores.

POTENCIA CONSTANTE La potencia es independiente de la velocidad, se requiere poco par

pero gran potencia, por eso se puede usar un accionamiento menor, por ejemplo, una máquina de bobinados o una prensa de un periódico.

BIBLIOGRAFÍA

[1]. Brittian, L. W., Electrical Variable Frequency Drives For Commercial and Industrial Maintenance Personnel, 2011 [2]. http://www.jcmeh.com/templates/en_T_articel/index.aspx?nodeid=306&page=ContentPage&contentid=1378 [3]. Hughes, A. Electric Motors and Drives: Fundamentals, types and applications (3rd Edition). Newnes, 2006 [4]. FRAILE MORA, JESUS (2008). MÁQUINAS ELÉCTRICAS (6ª Edición). MCGRAW-HILL / INTERAMERICANA DE ESPAÑA, S.A. [5]. http://www.fra.utn.edu.ar/download/carreras/ingenierias/electrica/materias/planestudio/quintonivel/electronicaII/apuntes/variadores_de_frecuencia.pdf

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[6]. Siskind, Charles S. (1963). Electrical Control Systems in Industry. New York: McGraw-Hill, Inc.

1 16-04-13 Proyecto EASY Sergio Bacca

Rev. Fecha Motivo de su emisión

Preparado Revisado Aprobado Cliente

Número de documento:

CO-ELE27

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