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VARIADORES DE VELOCIDAD
POR QUÉ VELOCIDAD VARIABLE Para entender por qué es necesario el
control de velocidad variable, necesitamos primero entender los requerimientos de los distintos procesos
Los procesos se pueden dividir en 2 grandes grupos: Procesamiento de material Transporte de material
Ambos pueden tener la necesidad de ajustarse al proceso.
Esto es posible gracias a los sistemas de velocidad variable
PROCESOS INDUSTRIALES Industria química Pulpa y Papel, imprenta Alimentos y bebidas Harina de pescado Minería Metales Metalmecánica Plásticos Textiles
PROCESOS NO INDUSTRIALES Plantas de Tratamiento de Agua Sistemas de ventilación y aire
acondicionado Lo que tienen en común estas industrias
es que requieren algún tipo de control usando variadores de velocidad
PROCESAMIENTO DE MATERIAL Material de forma definida
Son manipulados por máquinas como rodillos laminadores, sierras, molinos, etc.
Material de forma indefinida Son procesados por equipo de planta
como centrífugas, extrusoras, prensas, mezcladoras, etc.
TRANSPORTE DE MATERIAL Material Sólido, como contenedores,
metales, madera, minerales, personas, que son transportados por: Grúas, fajas transportadoras, elevadores
Material líquido, como agua, aceite o químicos, transportados por: Bombas
Material gaseoso, como aire o gases, transportados por: Ventiladores, compresores o sopladores
VOLUMEN VARIABLE En la mayoría de procesos existe al menos una variable que
requiere un ajuste del proceso Por esto los procesos variables y volumen de material
necesitan alguna forma de control Hay muchos parámetros involucrados en un proceso, lo más
comunes son entrada, salida y perturbaciones Estos parámetros pueden necesitar mantenerse constante o
variarse de acuerdo a un patrón En ciertos procesos no existen perturbaciones y la entrada es
constante Si la salida se necesita cambiar, entonces la entrada debe
cambiar también, de lo contrario se convierte en perturbación también
La solución es variar la velocidad para poder cumplir con los requerimientos del proceso
METODOS DE CONTROL Un incremento en la capacidad de
producción requiere una reconstrucción del sistema completo y cada control on-off puede ocasionar daños eléctricos y mecánicos
Un sistema simple de control on-off consume adicionalmente más energía y durante el ciclo de vida de la inversión el costo operativo es mucho mayor
El mejor sistema de control es velocidad variable que se ajuste exactamente a las necesidades del proceso
VARIADORES DE VELOCIDAD
Mecánicos: Emplean sistemas de poleas conicas de paso variable o discos excéntricos
Hidráulicos: Se utiliza el principio de la turbina. Variando el volumen de aceite a través de válvulas en el acoplamiento se logra una diferencia de velocidades entre el eje motriz y el eje conducido.
Variadores DC: Se controla el voltaje de alimentación al motor DC
DISTRIBUCIÓN DE MERCADO
Introducción a los Motores Eléctricos
Motores C. C.
MOTOR DC Está compuesto por el
estator y el rotor-armadura
El estator consiste en un bobinado que origina un campo magnético fijo
El rotor-armadura está compuesto por una serie de bobinados que crean un campo magnético conectados a través del conmutador que busca alinearse con el campo del estator produciendose el giro del motor
Ea = k.n.IfIa = ( Va – Ea ) / ( ra + X La )
Te = k.If.IaP = Va.Ia. Eficiencia = Te.n. Eficiencia
VARIADOR DC
VARIADOR DC El variador DC tiene dos componentes:El
convertidor y el regulador El convertidor convierte la energía AC en DC Está compuesto básicamente por SCR que
rectifican el voltaje AC El regulador es la parte lógica que determina
cuánto voltaje y corriente es necesario aplicar al motor
Una vez que se obtiene la orientación del campo, el torque del motor DC se controla fácilmente variando la corriente de armadura y manteniendo la corriente de magnetización constante
VARIADOR DC La ventaja del variador DC es que la velocidad
y el torque son controlados directamente por la corriente de armadura
Control de torque rápido y preciso (lazo de control interno)
Respuesta de velocidad de alta dinámica (lazo de control externo)
La orientación del campo se lleva a cabo a través del conmutador y las escobillas (simple elemento mecánico). No se requiere de un control electrónico complejo
VARIADOR DC Desventajas:
Baja confiabilidad del motor Mantenimiento constante Motor costoso Necesita un encoder como
retroalimentación
VARIADOR DE VELOCIDAD DE MOTOR C.C.
Tipos de frenado:- Regenertivo- dinamico-Inversion de Corriente de Armadura
Frenado RegenerativoSe entiende como el retorno del la energia del motor hacia la fuente de alimentacion AC.La polaridad de la Armadura no cambia pero si la corriente.
FRENADO DINAMICO
Contactor De AcoploEl contactor M desacopla la alimentacion del motor y conecta una resistencia de frenado dinámico
Inversion de Corriente de Armadura
ETAPA DE CONTROL
VARIADOR DC
ETAPA DE CONTROL La Etapa de Control es la parte
inteligente del Variador y se encarga de controlar a la Etapa de Potencia.
La Etapa de Control proporciona el valor preciso de “alfa” a la Etapa de Potencia, necesaria para que el motor trabaje según lo deseado por el operario.
ETAPA DE CONTROL: DIAGRAMA DE BLOQUES
• De la figura anterior se observa que, por lo general, la Etapa de Control esta conformada por:
a.Un bloque de Rampa. b.Dos bloques Controladores. c.Dos Comparadores. d.Un bloque de disparo.
BLOQUE DE RAMPA
El bloque de Rampa se encarga de dar un tiempo de retardo a la orden de Velocidad de Referencia proporcionada por el operario.
Su objetivo es que el motor acelere y desacelere en forma suave para evitar cambios bruscos de corriente en la armadura que podrían dañar su aislamiento.
CIRCUITO RAMPA
TRABAJO DEL BLOQUE DE RAMPA
CONTROLADOR DE VELOCIDAD
•El Controlador de Velocidad recibe dos señales: Velocidad de Referencia y Velocidad Medida.•Su objetivo es comparar las señales, conformarlas (característica P e I), y dar a su salida un valor de voltaje que es el necesario para que (por actuación de la Etapa de Potencia) ambas señales finalmente se igualen el el más breve plazo de tiempo.
CIRCUITO CONTROLADOR VELOCIDAD
•De la figura anterior, se observa que la señal de salida del Controlador de Velocidad viene a ser la señal de entrada del Controlador de Torque (Torque Referencia).•El valor Imáx es el potenciómetro de “Límite de Corriente” que se encarga de proteger a la etapa de potencia y motor contra posibles cortocircuitos
CONTROLADOR DE TORQUE •Recibe dos señales: Torque de Referencia y Torque Medido.•Compara las señales de entrada, las conforma (características P e I) y responde a su salida con una señal hacia el circuito de disparo, el cual es proporcional al ángulo “alfa” necesario para que el motor maniobre su torque y la confronte con la de la carga.•El objetivo final de la confrontación de torques (TD y TL) es que la velocidad del motor se mantenga constante e igual a la Velocidad de Referencia dada por el operario a pesar de variaciones en la carga.
CIRCUITO CONTROLADOR DE TORQUE
BLOQUE DE DISPARO
•Se encarga de proporcionar las señales de disparo a la Etapa de Potencia.•Recibe a su entrada una señal de voltaje DC proporcional al ángulo de disparo “alfa”, la conforma y convierte en pulsos de disparo hacia los terminales Gate-Cátodo de los tiristores.•Observe que también recibe información de “Sincronismo” y señal de “Habilitación”.
CIRCUITO DE DISPARO
VARIADOR Y MOTOR: DIAGRAMA DE BLOQUES
Realimentación por Voltaje de Armadura
Va = Ia.ra + k.n.If
SENSOR DE VELOCIDAD
SENSOR DE CORRIENTE
Técnicas de Control
Control PID
Puesta en marcha de un variador DC
Motores C. A.
CURVA DE MOTOR AC
EL MOTOR AC El motor asíncrono
jaula de ardilla es el más ampliamente utilizado y requiere muy poco mantenimiento
Los dos componentes principales son: El estator
(estacionario) El Rotor (giratorio)
VARIADORES DE VELOCIDADAC
VARIADOR AC Rectificador Circuito
intermedio Inversor Circuito de control
RECTIFICADOR El rectificador en un variador de
frecuencia está formado por diodos, tiristores o una combinación de ambos
Si está formado únicamente por diodos es del tipo no controlado
Si está formado por tiristores es del tipo controlado
Si está formado por una combinación de ambos es del tipo semi-controlado
RECTIFICADOR NO CONTROLADO
RECTIFICADOR NO CONTROLADO El valor medio de
un rectificador no controlado es 1.35 veces el voltaje de entrada
RECTIFICADOR NO CONTROLADO TRIFASICO
RECTIFICADOR CONTROLADO
Regulando el ángulo de disparo se puede controlar el nivel de voltaje del circuito intermedio
El valor medio del voltaje es 1.35 veces el voltaje de entrada por el Cos del ángulo de disparo
CIRCUITO INTERMEDIO Consiste en un circuito de filtrado a través de
condensadores que suaviza el rizado del voltaje proveniente del rectificador
INVERSOR El inversor genera el voltaje y la
frecuencia hacia el motor La mayoría de variadores de
frecuencia modernos emplea IGBT como inversores
DISPARO DE IGBT Los tres pares de switches
generan 8 distintas combinaciones posibles
100,110,010,011,001,101 se orientan hacia cada uno de los vértices del hexágono, mientras que 000 y 111 son vectores nulos
PWM La modulación del
ancho de pulsos es el método más usado para la generación de voltaje trifásico
VOLTAJE PWM
VOLTAJE PWM El voltaje de fase es la mitad del voltaje DC
entre 2, ó la mitad del voltaje de entrada El voltaje de salida es 3 el voltaje de fase, ó
0.866 veces el voltaje de entrada Un inversor PWM que trabaje únicamente
con una onda de modulación de referencia senoidal sólo puede alcanzar 86.6% del voltaje de alimentación
ETAPA DE CONTROL
CHIP MICRO-CONTROLADOR MA828
VARIADOR ESCALAR VENTAJAS
Bajo costo No requiere de dispositivos de retroalimentación Su aplicación está limitada a equipos que no
requieren altos niveles de precisión DESVENTAJAS
No hay orientación del campo Ignora el estado del motor (posición o velocidad) No controla el torque
CONTROL ESCALAR El variador con control escalar
alimenta al motor con un voltaje “senoidal” de acuerdo a una relación V/f predeterminada
Tiene una dinámica de control limitada y baja eficiencia del inversor
Mayormente es usado en aplicaciones muy simples de control de velocidad
VARIADOR AC PWM ESCALAR
¿Qué es el control vectorial?
En una máquina de C.C. se tiene un bobinado de campo y otro de armadura, por lo tanto, pueden controlarse independientemente la corriente de la armadura (par) y la corriente del campo (flujo).
En una máquina de C.A., la corrien-te que circula por el bobinado esta-tórico determina el par y el flujo, por lo tanto, resulta dificultoso controlar por separado el par y el flujo.
El control de la magnitud de la co-rriente no permite realizar una re-gulación independiente. Por ello, debe controlarse la magnitud y la fase de la corriente, es decir, el vector corriente.
El control independiente de las co-rrientes que producen el flujo y el par, permite obtener un desempeño óptimo - entre otros, par con veloci-dad cero, rápida respuesta a varia-ciones de carga, etc.
¿En que consiste el control vectorial?
Para poder controlar el par y el flujo en un motor de C.A. tiene que controlarse la magnitud y el ángulo de fase de la corriente estatórica, es decir, el vector corriente.
Para controlar la fase referida al rotor, tiene que conocerse la posición de éste.
En consecuencia, en el control vectorial completo debe usarse un encoder que suministre al convertidor una información proporcional a la posición del rotor.
Convertidor de C.A. Motor de C.A.Encoder Carga
Alimentación
Información de la posición
CONTROL VECTORIAL La idea del sistema de modulación vectorial
es la de controlar el flujo magnético del motor directamente, obteniendo un variador más eficiente y de mejor dinámica comparado con uno del tipo senoidal
El principio puede ser descrito por una representación vectorial del flujo magnético. Por medio de los seis contactos del inversor se pueden generar 8 vectores de voltaje, de los cuales 2 son nulos
VECTOR VOLTAJE
CONTROL VECTORIAL El vector flujo se puede colocar en cualquier dirección de
acuerdo a la posición de los contactos del inversor Idealmente el vector flujo debe describir una circunferencia En la práctica la circunferencia se forma por medio de
pequeñas etapas Dependiendo de la limitación de conmutación se puede
obtener cualquier patron entre el hexágono básico y una circunferencia
La frecuencia es controlada aplicando los vectores nulos para detener el desplazamiento del vector flujo
El control vectorial se caracteriza por una alta eficiencia pero al mismo tiempo limitado a bajas velocidades.
Está limitado a aplicaciones de baja dinámica
ORIENTACION DE CAMPO El control por orientación de campo puede definirse
como un control de torque por estimación del flujo magnético
El flujo es calculado a partir de un modelo matemático del motor y la corriente del estator o por integración de los voltajes de fase
En la práctica se han desarrollado varios modelos denominados: Control Vectorial de Flujo, Control Vectorial de Campo, Control Vectorial, etc.
La diferencia entre los distintos métodos radica en la manera de la estimación del flujo o cómo es controlada la corriente o el flujo
METODO INDIRECTO La mayoría de los métodos de orientación de campo
antiguos pueden ser considerados como indirectos ya que controlan la corriente para obtener el flujo deseado.
Parámetros de retroalimentación son la corriente del motor y la velocidad o posición del rotor
Los métodos indirectos de control de orientación de campo ofrecen buenas características de torque y velocidad empleando complejos cálculos en tiempo real
Factores limitantes son la susceptibilidad a la variación de los parámetros del motor y retardo para el control de flujo
Tiempos típicos de respuesta son 10 a 20ms
¿En que consiste el control vectorial sin sensor ?
En el control vectorial sin sensor el convertidor calcula la posición del rotor por medio de modelos matemáticos.
Para poder hacer esto el convertidor debe:
•Monitorear con gran exactitud la corriente y tensión de salida.
•Conocer los parámetros del motor (Resistencia rotórica y estatórica, reactancia de dispersión, etc.)
•Conocer la historia del motor; o sea, la carga previa, etc. para poder estimar la temperatura del motor.
•Ser capaz de realizar cálculos con gran rapidez.
A bajas velocidades resulta muy difícil calcular el desempeño del motor y deducir la posición del rotor.
¿Cuáles son las ventajas del control vectorial sin sensor?
•Excelente control de velocidad en lazo abierto sin compensación
del deslizamiento.•Elevado par a baja velocidad sin excesiva sobretensión.
•Menores pérdidas, mayor eficiencia.•Mejor desempeño dinámico - mayor respuesta a variaciones
bruscas de carga.•Operación estable para grandes motores.
•Mejor desempeño en el límite de la corriente con control de
deslizamiento mejorado.
OPERACIÓN SIN SENSOR En la mayoría de aplicaciones es preferible
operar el motor sin ningún sensor en el eje Recientemente se ha logrado mejorar la
performance de operaciones sin sensor a bajas velocidades y 0 rpm
Los factores que contribuyen a esto son los nuevas técnicas de estimación de velocidad y al desarrollo de los métodos directos de control de orientación de campo
CONTROL DIRECTO DE FLUJO Y TORQUE El control directo de torque y flujo es
básicamente un control de orientación de campo En lugar de controlar el flujo y el torque a través
de la corriente, se tiene una mayor aproximación a partir que cada posición de los contactos del inversor está directamente relacionado con un estado electromagnético del motor
Un cambio instantáneo del flujo o torque se logra por una posición determinada del vector voltaje
Una parte esencial de este método es el modelo del motor que estime el torque y flujo actual
CONTROL DIRECTO DE FLUJO Y TORQUE Comparando el valor actual con el valor de referencia se
obtiene un lazo cerrado de control de flujo y torque El vector voltaje se selecciona para mantener el vector
flujo dentro de dos circunferencias límites. Las circunferencias límites representan el flujo de referencia y la histéresis
Solamente hay un flujo físicamente presente en el motor, sin embargo, puede ser representado por dos flujos: el flujo del estator y el flujo del rotor
El torque es creado por la interacción de estos dos flujos. Variando el vector del flujo del estator por medio del vector
voltaje el torque variará rápidamente Cuando el torque es mayor que el de referencia se aplica
el vector de voltaje nulo
CONTROL DIRECTO DE FLUJO Y TORQUE
FRECUENCIA PORTADORA
RADIO FRECUENCIA
EMC Compatibilidad electromagnética, EMC, es la
habilidad de un equipo eléctrico/electrónico para operar sin problemas dentro de un ambiente electromagnético. El equipo no debe interferir o distorsionar la operación de cualquier otro equipo dentro de su vecindad
INMUNIDAD. El equipo eléctrico debe ser inmune a interferencias de baja y alta frecuencia. Fenómenos de alta frecuencia incluyen descarga electrostática, transitorios, rediación electromagnética, disturbios de radio frecuencia. Típicos efectos de baja frecuencia son armónicos de voltaje y desbalance
EMISION. La fuente de emisión de alta frecuencia son los IGBT y el sistema de control, la cual puede ser propagada por conducción o por radiación
SOLUCIONES EMC Los variadores son por lo general
inmunes a emisiones electromagnéticas, de lo contrario serían afectados por ellos mismos
Sólo se requieren manejar las emisiones Las emisiones tienen dos clasificaciones:
Conducidas Radiadas
EMISION ELECTROMAGNETICA
EMISION CONDUCIDA La emisión conducida se puede propagar a
otros equipos a través de todo conductor incluyendo cables, tierra y gabinetes
Las emisiones conducidas se pueden eliminar: Por filtros RFI de alta frecuencia Usar supresores de picos en relés, contactores,
válvulas para atenuar arcos de conexión Usar toroides de ferrita en puntos de conexión
EMISION RADIADA Para prevenir la propagación de emisiones radiadas los
componentes del variador deben formar parte de una caja de Faraday contra emisión de radiaciones
Algunos métodos para asegurar la continuidad de una caja de Faraday son:
Gabinete metálico con un buen contacto entre todas sus partes
Cableado. Usar cables apantallados para fuerza y control por rutas separadas
Emplear conexiones de tierra de alta frecuencia Utilizar toroides de ferrita Emplear si es posible cables trenzados
FILTROS RFI Los filtros RFI son usados para
atenuar los disturbios conducidos derivandolos a tierra
No se deben utilizar filtros RFI si se tiene un sistema de tierra flotante o de alta impedancia de tierra
FILTROS RFI
EFECTOS EN LA INSTALACION DE VARIADORES DE FRECUENCIA
PERDIDA DE AISLAMIENTO El cable del bobinado está cubierto de una
película de esmalte (barniz) con propiedades aislantes
En muchos motores se utiliza papel para proporcionar aislamiento entre el bobinado y el estator y entre las fases
Varios factores afectan la vida del aislamiento como la temperatura, contaminación, voltaje, forma del devanado, etc.
EFECTO DE LA TEMPERATURA La vida del aislamiento
se determina generalmente por el efecto térmico
Todos los aislamientos se deterioran por efecto de la temperatura
Si continuamente se supera la temperatura de diseño el tiempo de vida del aislamiento se vé fuertemente reducido
CONTAMINANTES Los contaminantes reducen la rigidez dieléctrica
del aislamiento, sobre todo cuando se tiene voltajes de alta frecuencia y rápido gradiente
Un motor operando en una sala de bombas puede fallar repentinamente si se le instala un variador de frecuencia
Esto se debe a que el polvo, aceites, cloro, carbón, etc. Pueden determinar un medio para la generación de un arco eléctrico sobre todo bajo presencia de humedad
EFECTOS MECANICOS Cuando se arranca un motor en forma directa se
producen grandes esfuerzos en los bobinados que los van deformando debido al alto torque de arranque
Asimismo, la alta corriente de arranque genera un calentamiento del cable que lo dilata más rápidamente que el estator
Esto produce también un esfuerzo que vá fracturando el aislamiento y dando paso a la humedad y contaminantes para degradar el aislamiento
Cuando se emplean variadores de frecuencia no se producen estos esfuerzos debido a que el voltaje es aplicado lentamente en rampa
VIBRACION Una consecuencia típica de la aplicación de variadores de
frecuencia es la resonancia Generalmente todas las máquinas (bombas, compresores,
centrífugas, etc.) están diseñadas tomando en cuenta la resonancia
Sin embargo, cuando se acoplan a otras máquinas su frecuencia natural disminuye y el riesgo de resonancia aumenta
La excesiva vibración puede ocasionar fatiga en los pernos de soporte, rodamientos y también en el propio bobinado fracturando el aislamiento
Se puede aumentar la frecuencia natural del sistema aumentando su masa, pero también se pueden programar frecuencias de by pass en el variador para evitar trabajar a estas frecuencias
VOLTAJE La rigidez dieléctrica es una característica que
diferencia una material aislante de otro Cuando se aplica un voltaje sobre un material
aislante se produce un esfuerzo dieléctrico También se puede producir un deterioro
gradual del aislamiento producto de voltajes que exceden su nivel de aislamiento
El aislamiento finalmente falla cuando no puede soportar el voltaje aplicado y se produce una corriente de cortocircuito
FRECUENCIA PORTADORA Si se incrementa la frecuencia
portadora la corriente se hace más senoidal
Esto mejora la forma de corriente y se genera menos calor en el motor incrementando su vida
Sin embargo, se generan más pulsos de voltaje y dada una longitud de cable se incrementa el valor del voltaje pico
DEVANADO CONCENTRICO Si cada espira se forma de manera ordenada
en forma concéntrica la bobina se vá formando por capas
Esto asegura que el voltaje entre dos espiras adyacentes sea bajo y que la primera espira nunca estará al lado de la última espira
DEVANADO ALEATORIO Si el devanado es aleatorio no se tiene control
de la posición de ninguna espira Es posible que la primera espira esté en
contacto con la última espira El voltaje entre estas dos espiras es el voltaje
entre fases La mayoría de motores tiene un sistema de
devanado aleatorio
VOLTAJE PICO
TIEMPO DE DISPARO El tiempo de disparo está definido como el
tiempo transcurrido entre el nivel de 10% del voltaje pico hasta el 90% del voltaje pico (IEEE y NEMA MG1)
El tiempo de disparo está determinado por las características del circuito de disparo del inversor como circuitos de amortiguamiento (snubbers), resistencia interna, inductancia y capacitancia de los componentes.
IGBT de tercera generación tienen tiempos de disparo de 0.1 µs, mientras que los IGBT de primera generación tienen tiempos de 0.25 µs
REFLEXION DE VOLTAJE Una onda de voltaje viajando a través de
una línea de transmisión es reflejada desde la transición de la impedancia de la linea y de la impedancia de la carga al final de la línea
Si no hay diferencia de impedancias no hay reflexión de onda
Si hay una gran diferencia la amplitud de la onda reflejada puede acercarse al valor de la onda original
REFLEXION DE VOLTAJE Debido a que la impedancia del motor
es mayor que la impedancia del cable de conexión, la teoría de transmisión de ondas predice una reflexión de voltaje
La impedancia de motores grandes es menor que la de motores pequeños, por lo tanto el efecto de reflexión es menor en motores grandes
LONGITUD CRITICA Valores típicos oscilan entre 25 y 200 pies
para IGBT Si el cable del motor es mayor a la longitud
crítica, el tiempo del pulso en llegar al motor es mayor a la mitad del tiempo de disparo y el voltaje reflejado se suma al siguiente pulso
Si la impedancia del motor es muy grande se puede duplicar fácilmente el voltaje en los terminales del motor
VOLTAJE REFLEJADO
SOBRE OSCILACION La inductancia y
capacitancia de los cables, el motor y el variador pueden formar un circuito resonante donde los pulsos de voltaje pueden formar una sobreoscilación
SOBRE OSCILACION Combinado con el fenómeno de
reflexión se puede obtener voltajes de más del doble del voltaje DC
Para motores de 440V se pueden originar voltajes pico superiores a 1400V
VOLTAJE REFLEJADO El voltaje pico crece
rápidamente hasta la longitud crítica de cable
Luego el crecimiento es más suave
Motores grandes tienen un menor voltaje pico debido a su menor impedancia
La frecuencia de conmutación también afecta el voltaje pico
GRADIENTE DE VOLTAJE
GRADIENTE DE VOLTAJE El gradiente de voltaje es la
velocidad con que se genera el pico de voltaje reflejado
Se define entre el 10% y el 90% del voltaje pico desarrollado
EFECTO CORONA
EFECTO CORONA Campos eléctricos intensos pueden
ionizar el gas (aire-barniz) alrededor del bobinado del motor
Si dos fases del motor pasan una al lado de la otra, pueden ocasionar un arco que vá degradando el aislamiento del motor
Para motores estándar el nivel de aislamiento es de 1000V, y para Inverter Duty Motors es de 1600V, para tensiones de trabajo menores a 600V.
EFECTO CORONA
BOBINAS DE MOTOR Son inductancias que se instalan en serie con el motor Incrementan el tiempo de disparo y con ello la longitud
crítica del cable. Reducen el voltaje pico sólo dentro de la longitud crítica
de cable A menos que se instalen dentro del variador, los
bobinas de motor ocupan mucho espacio Originan una caída de tensión en el motor con lo que
disminuye su eficiencia y factor de potencia Si no son parte del equipo original de fábrica son
difíciles de dimensionar debido al gran espectro de frecuencias de salida del variador
FILTROS SENOIDALES Consiste en circuitos RL o LC filtro pasa bajos Incrementa el tiempo de disparo y disminuye
el gradiente de voltaje mejor que las bobinas de motor
Producen una caída de tensión despreciable menor a 1.5%
Es recomendable su uso para instalaciones de gran longitud de cable de motor
Tienen un costo ligeramente mayor que las bobinas de motor
TERMINACIONES DE CABLE Si la impedancia del cable es igual a la
del motor no se produce reflexión de voltaje
Se dimensiona para cada aplicación pues se requiere conocer la impedancia del motor y la del cable de la instalación
Se colocan en el motor por lo que pueden representar un problema de espacio en su instalación
LONGITUD DE CABLE
ARMONICOS Los armónicos de
corriente y voltaje son creados por cargas no lineales en un sistema de distribución
Todos los convertidores electrónicos de potencia incrementan los disturbios armónicos inyectando corrientes armónicas en el sistema
DEFINICIONES Distorsión
Armónica Total
Factor de Potencia
Factor de Potencia de Desplazamiento
DEFINICIONES
SUMA DE CORRIENTES
FUENTES DE DISTORSION ARMONICA Cargas no lineales comunes son
arrancadores de estado sólido, variadores de frecuencia, computadoras, maquinas de soldar, lámparas electrónicas, UPS
Pueden causar sobrecalentamiento de cables, transformadores, generadores, condensadores, parpadeo de luces, disparo de interruptores, falsa lectura de medidores, etc.
COMO REDUCIR ARMONICOS Los armónicos se pueden
reducir por medio de modificaciones estructurales en el variador de frecuencia o mediante filtros externos
Estas modificaciones pueden ser el uso de rectificadores de 12 o más pulsos, rectificadores controlados o filtros internos al variador de frecuencia
FACTORES Y SUS EFECTOSCAUSAS CONSECUENCIAS
Motor más grande Mayor contenido de armónicos de corriente
Mayor carga en el motor Maryor contenido de armónicos de corriente
Mayor inductancia AC o DC Menor contenido de armónicos de corriente
Mayor número de pulsos del rectificador
Menor contenido de armónicos de corriente
Transformador más grande Menor contenido de armónicos de voltaje
Menor impedancia del transformador
Menor contenido de armónicos de voltaje
Mayor capacidad de cortocircuito del sistema
Menor contenido de armónicos de voltaje
RECTIFICADORES
RECTIFICADOR DE 6 PULSOS El circuito rectificador de 6 pulsos es el más
comúnmente utilizado Consiste en un puente de 6 diodos junto con
un condensador y una inductancia que forman un filtro pasa bajos para suavizar la corriente DC
Simple y costo relativamente bajo pero genera armónicos de 5°, 7° y 11° orden
RECTIFICADOR DE 12 PULSOS Está formado por dos rectificadores de 6 pulsos
en paralelo La entrada está formada por un transformador
de tres bobinados o dos transformadores de dos bobinados con un desfase de 30°
Los armónicos generados están en oposición de fases y eliminados entre sí
En teoría el armónico de menor orden es el 11° Requiere de transformadores especiales muy
costosos
RECTIFICADOR DE 24 PULSOS El rectificador de 24 pulsos está formado
por dos transformadores de tres bobinados cada uno desfasados 30°
Prácticamente se eliminan todos los armónicos de bajo orden
Para variadores de gran potencia y sistemas de variadores múltiples es la solución más económica con la menor distorsión armónica
ESPECTRO DE ARMONICOS
RECTIFICADORES CONTROLADOS Reemplazan el puente de diodos por
tiristores Como el tiristor necesita un pulso de disparo
para pasar del estado de no conducción al de conducción, el desfase se puede retrasar 90° permitiendo el flujo regenerativo a la red
Tienen un menor factor de potencia que los diodos y generan mayor contenido de armónicos
RECTIFICADORES DE IGBT Permite la rectificación y la
regeneración Permite controlar el voltaje DC y el
factor de potencia independientemente del consumo de potencia
Corriente de forma senoidal con bajo contenido de armónicos
Alto costo
RECTIFICADORES
BOBINAS AC O DC
BOBINAS AC O DC Los armónicos se pueden reducir
empleando bobinas AC o DC lo suficientemente grandes
La tendencia es reducir el tamaño de los variadores así como de las bobinas empleadas y en algunos casos omitirlas
TAMAÑO DE BOBINAS
ARMONICOS DE VOLTAJE
FILTROS ACTIVOS
FILTROS ACTIVOS Estos filtros proporcionan compensación de
acuerdo a los armónicos generados en determinado momento
Generan el mismo nivel de armónicos generados por cargas no lineales en oposición de fase
Son comparativamente caros frente a otros métodos pero son la mejor alternativa contra armónicos generados por muchos variadores pequeños en paralelo
FILTROS ACTIVOS
COMPARACION Rectificador de 6
pulsos sin bobinas. Costo 100%
Rectificador de 6 pulsos con bobinas. Costo 120%
Rectificador de 12 pulsos. Costo 200%
Rectificador de 24 pulsos. Costo 250%
Rectificador activo con IGBT. Costo 250%
COMPARACION
Corriente sin Bobina Corriente con Bobina
COMPARACION
Voltaje sin Bobina Voltaje con Bobina
FALLA DE RODAMIENTOS
FALLA DE RODAMIENTOS Algunas instalaciones nuevas experimentan
un desgaste prematuro de rodamientos después de algunos meses de funcionamiento
La falla puede ser ocasionada por corrientes de alta frecuencia que circulan por los rodamientos
Los variadores de frecuencia ocasionan corrientes pulsantes en los rodamientos que gradualmente van erosionando sus pistas
CORRIENTE EN RODAMIENTOS Para prevenir el daño es necesario formar una ruta a
tierra para que la corriente de alta frecuencia vuelva al variador sin pasar por los rodamientos
La magnitud de la corriente se puede reducir empleando cables simétricos al motor y filtros senoidales
Si la energía de esta corriente pulsante de alta frecuencia es lo suficientemente alta se produce transferencia de material entre los rodajes y las pistas hacia la grasa lubricante
La alta frecuencia de la corriente ocasiona una erosión acelerada y se produce una rápida falla del rodamiento
235
CONSIDERACIONES DE CARGA PARA LA SELECCIÒN DE VARIADORES
236
CONSIDERACIONES DE CARGA
En el proceso de selección de un variador la carga es una consideración primaria.
Se deben considerar las características de velocidad , torque y los requerimientos de potencia del tipo de carga.
Fig. Molino (altos requerimientos de velocidad y torque)
237
CONSIDERACIONES DE CARGALas características de carga, a evaluar:
El tipo de carga asociada a la aplicación.
Cambios bruscos de la magnitud de la carga.
Tamaño de la carga.
Consideración de las cargas inerciales pesadas.
Características del motor .
Rango de velocidad de las cargas pesadas.
Ventiladores, Secadoras, extractores Aire acondicionado
Embalaje/envasePrecintadoras PaletizadorasDepaletizadorasEtiquetadoras
238
TIPOS DE CARGAS
TIPOS DE CARGAS :
Torque constante.
Potencia constante.
Torque variable.
TIPOS DE CARGA TORQUE CONSTANTE.
Torque constante es típico de manejos fijos de volumen
Transportadores, tornillos transportadores, compresores son ejemplos de torque constante.
El torque es constante y la potencia proporcional a la velocidad
240
CARGAS DE TORQUE CONSTANTE
Fig.Prensa de impresión
Es una de las más frecuentes.El torque demandado por la carga es constante a través de todo el rango de velocidad. La carga requiere la misma cantidad de torque a bajas y altas velocidades. Esencialmente son cargas de fricción.
241
CARGAS DE TORQUE CONSTANTE Las características de torque constante son necesarias para
superar la fricción. Considerar: HP = Torque x Velocidad 5 252 Ejemplos: Los transportadores, extrusores, etc.
Fig. Carga de torque constante
• Torque = lb – pie • Velocidad = RPM• 5 252 = constante de proporcionalidad
242
CARGAS DE POTENCIA CONSTANTE
Fig. Esmeriladora (carga de potencia constante)
La potencia demandada por la carga es constante dentro del rango de velocidad. La carga requiere alto torque a baja velocidad. De la ecuación anterior se ve que si la potencia se mantiene constante, el torque disminuirá si la velocidad se incrementa.
243
CARGAS DE POTENCIA CONSTANTE La velocidad y el torque son inversamente proporcionales. Ejemplos : Los bobinadores con accionamiento central ,
mandriles de máquinas – herramientas, un torno que requiere baja velocidad para corte grueso y alta velocidad para corte fino,
Usualmente se requieren torques de arranque muy altos para una rápida aceleración.
Fig. Carga de potencia constante
244
CARGAS DE TORQUE VARIABLE
El torque es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad.
La potencia típicamente es proporcional a la velocidad al cubo.
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CARGAS DE TORQUE VARIABLEEjemplos de cargas con torque variable son los ventiladores centrífugos, bombas y sopladores.
Este tipo de carga requiere mucho menos torque a baja velocidad que a altas velocidades.
Fig. Bomba centrífuga (carga de torque variable)
TORQUE CUADRATICO. El torque cuadràtico es el tipo de carga más común. Aplicaciones típicas son las bombas y ventiladores centrífugos.
El torque es cuadrático y la potencia es proporcional al cubo de la velocidad
POTENCIA CONSTANTE. Una carga de potencia constante es típica en el bobinado con cambio en el de diámetro del material.
La potencia es constante y el torque es inversamente proporcional a la velocidad
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TIPOS DE CARGA
Características de potencia y torque Ejemplos de aplicación
Potencia constante. El torque varía inversamente con la velocidad.
Herramientas de corte de metal que operan en un amplio rango de velocidades.Algunas extrusoras, mezcladoras, máquinas especiales donde la operación de baja velocidad puede ser continuada.
Torque constante. La potencia varia con la velocidad
Maquinaria en general, montacarga, transportadores, prensas de impresión, etc.Representan el 90% de las aplicaciones.
Con exponente al cuadrado.
La potencia varía como la velocidad al cuadrado.El torque varía con la velocidad.
Bombas de desplazamiento positivo, algunas mezcladoras y extrusoras.
Con exponente al cubo.
La potencia varía como la velocidad al cubo.El torque varía como la velocidad al cuadrado.
Todas las bombas centrífugas y algunos ventiladores (la potencia en los ventiladores puede variar como la quinta potencia de la velocidad).
Cargas de alta inercia. Típicamente asociadas con máquinas que usan volantes para proveer energía a la mayoría de aplicaciones (levantar, prensar, etc.).
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Cuando se selecciona un variador primero se determina el tipo (AC o DC) en función a las consideraciones de carga que se tendría, la tensión, corriente y potencia requerida; en función a esto debe seleccionar el variador adecuado previamente se deben conocer de cada marca las capacidades nominales (rango de potencia) y las especificaciones de entrada y de salida, para determinar si cumplen con los requerimientos.
SELECCIÓN DE VARIADORES
TORQUE ALTO DE ARRANQUE. En ciertas aplicaciones es
necesario un alto torque a baja velocidad
Aplicaciones típicas son extrusoras y bombas de tornillo
TORQUE DISPONIBLE Para dimensionar el variador se debe considerar
el torque disponible en el motor considerando su capacidad térmica
El motor es autoventilado. Al bajar la velocidad baja la capacidad de ventilación del motor
Este tipo de comportamiento limita el torque disponible del motor a bajas velocidades
Si el motor cuenta con ventilación independiente es posible disponer del pleno torque a baja velocidad
TORQUE CON VARIADOR
FACTORES IMPORTANTES Entradas y salidas digitales y/o analógicas Función de reversa Rampas de aceleración y deceleración Ajustes de la relación V/f Torque de arranque Frecuencias de by pass Compensación de deslizamiento Arranque en giro Protección térmica electrónica Protección contra cortocircuito y falla a tierra Controlador PID Protección del gabinete
FACTORES IMPORTANTES Frecuencia de conmutación
regulable Entrada y salida de pulsos/frecuencia Bobinas contra armónicos Filtro RFI Protocolos de comunicación Display alfanumérico
APLICACIONES Presión positiva de ambientes Presurización de Escaleras de escape Ventilación de estacionamientos Presión constante en sistemas de bombeo Volumen variable en sistemas de bombeo de agua helada Torres de enfriamiento Bombas dosificadoras Centrífugas Lavadoras Transportadores Extrusoras Bobinadoras
SISTEMAS DE BOMBEO
SISTEMAS DE BOMBEO
TORRE DE ENFRIAMIENTO
CENTRIFUGAS
TRANSPORTADORES
TRANSPORTADORES
TEXTILES
SINCRONIZACION
ASCENSORES
AS-i