Arrancadores y variadores de velocidad electronicos

Cuaderno Técnico nº 208

Arrancadores y variadores develocidad electrónicos

D. Clenet

Cuaderno Técnico Schneider n° 208 / p. 2

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedades electrotécnicasy electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen una información específica omás amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto o noticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones,los sistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

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La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 208 de Schneider Electric».

Cuaderno Técnico no 208

Daniel CLENETDiplomado en la Escuela Nacional de Ingenieros deBrest en 1969. Después de una primera experienciaen variación de velocidad en la sociedad Alstom,ingresó en 1973 en Telemecanique en la actividad devariadores de velocidad como ingeniero de desarrollo.Ha centrado su trabajo sobre los variadores develocidad para motores de corriente continuadestinados al mercado de máquinas-herramienta,variadores para carretillas de mantenimiento; tambiénha participado en el desarrollo de los primerosvariadores de velocidad para motores asíncronos.Su experiencia en las aplicaciones se deriva de loscontactos con los clientes usuarios y de la actividadcomo jefe de proyecto en el Departamento deAplicaciones Industriales de Schneider Electric. A élse debe el lanzamiento del variador Altivar en USA enlos años 86 a 90.

Trad.: J.M. Giró

Original francés: noviembre 2003Versión española: septiembre 2004

Arrancadores y variadores develocidad electrónicos


Arrancadores y variadores de velocidadelectrónicos

El arranque directo sobre la red de distribución de los motores asíncronos es lasolución más extendida y frecuentemente la más conveniente para una granvariedad de máquinas. Sin embargo, puede presentar inconvenientes que lleguena ser perjudiciales en ciertas aplicaciones e incluso hasta incompatibles con elfuncionamiento deseado de la máquina:

corriente de arranque que puede alterar la marcha de otros aparatos conectadosen la misma red,

sacudidas mecánicas al arrancar, inaceptables para la máquina y para el confort yseguridad de los usuarios,

imposibilidad de controlar la aceleración y deceleración,imposibilidad variar la velocidad.

Los arrancadores y los variadores de velocidad eliminan estos inconvenientes. Latecnología electrónica les ha proporcionado mayor flexibilidad y ha ampliado sucampo de aplicación. Pero todavía queda elegir bien.El objetivo de este Cuaderno Técnico es dar a conocer mejor estos dispositivos parafacilitar su definición durante el diseño de los equipos y para mejorar y, hastasustituir, un conjunto motor-dispositivo de mando y de protección.

1 Recordatorio 1.1 Historia p. 51.2 Revisión: las principales funciones de los arrancadores y p. 5variadores de velocidad electrónicos

2 Los principales modos de funcionamiento y principales tipos de variadores electrónicos p. 72.1 Los principales modos de funcionamiento p. 72.2 Los principales tipos de variadores p. 9

3 Estructura y componentes de los arrancadores y variadores electrónicos p. 113.1 Estructura p. 113.2 Componentes p. 12

4 Variador-regulador para motor de corriente continua p. 154.1 Principio general p. 154.2 Modos de funcionamiento posibles p. 16

5 Convertidor de frecuencia para motor asíncrono p. 175.1 Principio general p. 175.2 Funcionamiento en U/f p. 185.3 Control vectorial p. 195.4 Regulador de tensión para motor asíncrono p. 225.5 Motovariadores síncronos p. 245.6 Motovariadores paso a paso p. 24

6 Funciones complementarias de los variadores de velocidad p. 266.1 Opciones de diálogo p. 266.2 Las funciones integradas p. 266.3 Las tarjetas opcionales p. 27

7 Conclusión p. 28


1 Recordatorio

1.1 Historia

Para arrancar los motores eléctricos y controlarsu velocidad, han sido una primera solución losreostatos de arranque, los variadores mecánicosy los grupos giratorios (especialmente el WardLeonard); posteriormente los arrancadores yvariadores electrónicos se han impuesto en laindustria como la solución moderna, económica,fiable y sin mantenimiento.Un variador o arrancador electrónico es unconvertidor de energía cuya misión es controlarla que se proporciona al motor. Losarrancadores electrónicos se destinanexclusivamente a los motores asíncronos.Forman parte de la familia de los reguladoresde tensión. Los variadores de velocidadaseguran una aceleración y deceleraciónprogresivas y permiten fijar con precisión lavelocidad en las condiciones de explotación.Los variadores de velocidad son similares a losrectificadores controlados para alimentar a losmotores de corriente continua, pero losdestinados a alimentar motores de corrientealterna son convertidores de frecuencia.

Históricamente, el variador para motor decorriente continua fue la primera soluciónpropuesta. Los avances de la electrónica depotencia y de la microelectrónica han permitidola construcción de convertidores de frecuenciafiables y económicos. Los convertidores defrecuencia modernos permiten la alimentaciónde motores asíncronos estándar conprestaciones análogas a los mejoresvariadores de velocidad de corriente continua.Ciertos constructores proponen incluso motoresasíncronos con variadores de velocidadelectrónicos montados en una envolvente conbornes adaptados; esta solución se proponepara conjuntos de baja potencia (algunos kW).Al final de este Cuaderno Técnico se comenta laevolución reciente de los variadores develocidad y la tendencia que siguen losfabricantes. Esta evolución amplíanotablemente la oferta y las posibilidades de losvariadores.

1.2 Revisión: las principales funciones de los arrancadores yvariadores de velocidad electrónicos

Aceleración controlada

La aceleración del motor se controla medianteuna rampa de aceleración lineal o en «S».Generalmente, esta rampa es controlable ypermite por tanto elegir el tiempo de aceleraciónadecuado para la aplicación.

Variación de velocidad

Un variador de velocidad no puede ser al mismotiempo un regulador. En este caso, es unsistema, rudimentario, que posee un mandocontrolado mediante las magnitudes eléctricasdel motor con amplificación de potencia, perosin bucle de realimentación: es lo que se llama«en bucle abierto».La velocidad del motor se define mediante unvalor de entrada (tensión o corriente) llamadoconsigna o referencia. Para un valor dado de laconsigna, esta velocidad puede variar enfunción de las perturbaciones (variaciones de latensión de alimentación, de la carga, de latemperatura).El margen de velocidad se expresa en funciónde la velocidad nominal.

Regulación de velocidad

Un regulador de velocidad es un dispositivocontrolado (figura 1). Posee un sistema demando con amplificación de potencia y un buclede alimentación: se denomina, «bucle abierto».

Motor

Regulador�+

-

Comparador

Consigna�de velocidad

Medida de�velocidad

Fig. 1: Principio de funcionamiento de la regulaciónde velocidad.


La velocidad del motor se define mediante unaconsigna o referencia.El valor de la consigna se comparapermanentemente con la señal de alimentación,imagen de la velocidad del motor. Esta señal lasuministra un generador tacométrico o ungenerador de impulsos colocado en un extremodel eje del motor.Si se detecta una desviación como consecuenciade una variación de velocidad, las magnitudesaplicadas al motor (tensión y/o frecuencia) secorrigen automáticamente para volver a llevar lavelocidad a su valor inicial.Gracias a la regulación, la velocidad esprácticamente insensible a las perturbaciones.La precisión de un regulador se expresageneralmente en % del valor nominal de lamagnitud a regular.

Deceleración controlada

Cuando se desconecta un motor, sudeceleración se debe únicamente al parresistente de la máquina (deceleración natural).Los arrancadores y variadores electrónicospermiten controlar la deceleración mediante unarampa lineal o en «S», generalmenteindependiente de la rampa de aceleración.Esta rampa puede ajustarse de manera que seconsiga un tiempo para pasar de la velocidadde régimen fijada a una velocidad intermediariao nula:

Si la decelaración deseada es más rápidaque la natural, el motor debe de desarrollar unpar resistente que se debe de sumar al parresistente de la máquina; se habla entonces defrenado eléctrico, que puede efectuarsereenviando energía a la red de alimentación, odisipándola en una resistencia de frenado.

Si la deceleración deseada es más lenta quela natural, el motor debe desarrollar un parmotor superior al par resistente de la máquina ycontinuar arrastrando la carga hasta su parada.

Inversión del sentido de giro

La mayoría de los variadores actuales tienenimplementada esta función. La inversión de lasecuencia de fases de alimentación del motorse realiza automáticamente o por inversión de laconsigna de entrada, o por una orden lógica enun borne, o por la información transmitida amediante una red.

Frenado

Este frenado consiste en parar un motor perosin controlar la rampa de desaceleración. Conlos arrancadores y variadores de velocidad paramotores asíncronos, esta función se realiza deforma económica inyectando una corrientecontinua en el motor, haciendo funcionar deforma especial la etapa de potencia. Toda laenergía mecánica se disipa en el rotor de lamáquina y, por tanto, este frenado sólo puedeser intermitente. En el caso de un variador paramotor de corriente continua, esta función serealiza conectando una resistencia en bornesdel inducido.

Protecciones integradas

Los variadores modernos aseguran tanto laprotección térmica de los motores como supropia protección. A partir de la medida de lacorriente y de una información sobre lavelocidad (si la ventilación del motor dependede su velocidad de rotación), unmicroprocesador calcula la elevación detemperatura de un motor y suministra una señalde alarma o de desconexión en caso decalentamiento excesivo.Además, los variadores, y especialmente losconvertidores de frecuencia, están dotados deprotecciones contra:

los cortocircuitos entre fases y entre fase ytierra,

las sobretensiones y las caídas de tensión,los desequilibrios de fases,el funcionamiento en monofásico.


Los variadores de velocidad pueden, según elconvertidor electrónico, o hacer funcionar unmotor en un solo sentido de rotación, y se llaman«unidireccionales», o en los dos sentidos de lamarcha, y se llaman entonces «bidireccionales».Los variadores son «reversibles» cuandopueden recuperar la energía del motor alfuncionar como generador (modo frenado). Lareversibilidad se obtiene o retornando la energíahacia la red (puente de entrada reversible), odisipando la energía recuperada en unaresistencia con un chopper de frenado.La figura 2 muestra las cuatro situacionesposibles de la gráfica par-velocidad de unamáquina resumidas en la tabla que leacompaña.Hay que indicar que cuando la máquinafunciona como generador recibe una fuerza dearrastre. Este estado se utiliza especialmente

2 Los principales modos de funcionamiento y principales tiposde variadores electrónicos

2.1 Los principales modos de funcionamiento

para el frenado. La energía cinética disponibleen el eje de la máquina, o se transfiere a la redde alimentación, o se disipa en las resistencias,o, para pequeñas potencias, en la mismamáquina, como pérdidas.

Variador unidireccional

Este tipo de variador, la mayor parte de veces noreversible, se emplea para:

un motor cc, con un convertidor directo(ca → cc) con un puente mixto con diodos ytiristores (figura 3a),

un motor ca, con un convertidor indirecto (contransformación intermedia en cc) con un puentede diodos a la entrada seguido de unconvertidor de frecuencia que hace funcionar lamáquina en el primer cuadrante (figura 3b). Enalgunos casos este montaje puede utilizarse enbidireccional (cuadrantes 1 y 3).

Q1

F

1

F

1

F

2

F

2

Q2

Q4Q3

Par

Velocidad

MG

GM

Fig. 2: Los cuatro estados posibles de una máquina en su gráfica par-velocidad.

Sentidos rotación Funcionamiento Par Velocidad Producto Cuadrante-C- -n- C.n

1 (horario) Como motor sí sí sí 1

Como generador sí 2

2 (antihorario) Como motor sí 3

Como generador sí 4


Un convertidor indirecto que tiene un chopper defrenado y una resistencia convenientementedimensionada sirven perfectamente para unfrenado momentáneo (ralentización de unamáquina elevadora cuando el motor debedesarrollar un par de frenado al bajar pararetener la carga).En caso de funcionamiento prolongado del motorcon una carga que lo arrastre, es imprescindibleun convertidor reversible, porque la carga esentonces negativa, por ejemplo, en el motorutilizado al frenar en un banco de pruebas.

Variador bidireccional

Este tipo de variador puede ser un convertidorreversible o no reversible.Si es reversible, la máquina funciona en loscuatro cuadrantes y puede permitir un frenadoimportante.Si es no reversible, sólo funciona en loscuadrantes 1 y 3.

Funcionamiento a par constante

Se denomina funcionamiento a par constantecuando las características de la carga son tales,que, en régimen permanente, el par solicitadoes sensiblemente constante sea cual sea lavelocidad (figura 4). Este modo defuncionamiento se utiliza en las cintastransportadoras y en las amasadoras. Para estetipo de aplicaciones, el variador debe tener lacapacidad de proporcionar un par de arranqueimportante (1,5 veces o más el par nominal)para vencer los rozamientos estáticos y paraacelerar la máquina (inercia).

Funcionamiento a par variable

Se denomina funcionamiento a par variablecuando las características de la carga son talesque en régimen permanente, el par solicitadovaría con la velocidad. Es en concreto el caso delas bombas volumétricas con tornillo deArquímedes cuyo par crece linealmente con lavelocidad (figura 5a) o las máquinas centrífugas(bombas y ventiladores) cuyo par varía con elcuadrado de la velocidad (figura 5b).Para un variador destinado a este tipo deaplicaciones, es suficiente un par de arranquemucho menor (en general 1,2 veces el parnominal del motor). Muy frecuentementedispone de funciones complementarias como laposibilidad de omitir las frecuencias deresonancia correspondientes a las vibracionesindeseables de la máquina. Es imposiblefuncionar más allá de la frecuencia nominal dela máquina porque sería una carga insoportablepara el motor y el variador.

M M

1 2 3a - b -

Fig. 3: Esquema de principio: [a] convertidor directo con puente mixto; [b] convertidor indirecto con (1) puentede entrada de diodos (2) unidad de frenado (resistencia y chopper) (3) convertidor de frecuencia.

P. C. %

P

C

N %0

0

50

100

150

50 100 150

Fig. 4: Curva de funcionamiento a par constante.

P. C. %

PC

N %0

0

50

100

150

50 100 150

P. C. %

PC

N %0

0

50

100

150

50 100 150

a -

b -

Fig. 5: Curva de funcionamiento a par variable.


En este capítulo se citan únicamente losvariadores más frecuentes y los montajestecnológicos más usuales.Existen numerosos esquemas de variadores develocidad electrónicos: cascada hiposíncrona,cicloconvertidores, conmutadores de corriente,choppers... El lector interesado encontrará unadescripción exhaustiva en las obras«Entraînement électrique à vitesse variable»(autores Jean Bonal y Guy Séguier) y «Utilisationindustrielle des moteurs à courant alternatif»(autor Jean Bonal) de Editions Tec et Doc.

Rectificador controlado para motor decorriente continua

Proporciona, a partir de una red de corrientealterna monofásica o trifásica, una corrientecontinua con control del valor medio de latensión.Los semiconductores de potencia constituyenun puente de Graëtz, monofásico o trifásico(figura 7). El puente puede ser mixto(diodos/tiristores) o completo (sólo tiristores).Esta última solución es la más frecuente porquepermite un mejor factor de forma de la corrientesuministrada.El motor de corriente continua más utilizadotiene la excitación separada, salvo parapequeñas potencias, en las que suelen usarsefrecuentemente motores de imán permanente.La utilización de este tipo de variadores develocidad se adapta bien a todas lasaplicaciones. Los únicos límites vienen

impuestos por el propio motor de corrientecontinua, en especial por la dificultad deconseguir velocidades elevadas y la necesidadde mantenimiento (sustitución de las escobillas).Los motores de corriente continua y susvariadores asociados han sido las primerassoluciones industriales. Después de más deuna década, su uso va en constante disminuciónen beneficio de los convertidores de frecuencia.En efecto, el motor asíncrono es a la vez másrobusto y más económico que un motor decorriente continua. Contrariamente a los motoresde corriente continua, los asíncronos se hanestandarizado con envolvente IP55, siendo portanto prácticamente insensibles al entorno(goteo, polvo y ambientes peligrosos).

2.2 Los principales tipos de variadores

MCC

Fig. 7: Esquema de un rectificador controlado paramotor de cc.

P. C. %

P

C

N %0

0

50

100

150

50 100 150

Fig. 6: Curva de funcionamiento a potenciaconstante.

Funcionamiento a potencia constante

Es un caso particular del par variable. Sedenomina funcionamiento a potencia constantecuando el motor proporciona un parinversamente proporcional a la velocidad angular(figura 6).Es el caso, por ejemplo, de una enrolladoracuya velocidad angular debe disminuir poco apoco a medida que aumenta el diámetro de labobina por acumulación de material. Estambién el caso de los motores de huso de lasmáquinas herramienta.El margen de funcionamiento a potenciaconstante es por definición limitado: a bajavelocidad, por la corriente proporcionada por elvariador, y a gran velocidad, por el pardisponible del motor. En consecuencia, el parmotor disponible con los motores asíncronos yla capacidad de conmutación de las máquinasde corriente continua deben ser comprobados.


U

W

VMotor

Rectificador Filtro Ondulador

M3

Fig. 8: Esquema de principio de un convertidor de frecuencia.

Fig. 9: Arrancador para motor asíncrono y forma de onda de la corriente de alimentación.

Convertidor de frecuencia para motorasíncrono

Suministra, a partir de una red de corrientealterna de frecuencia fija, una tensión alternatrifásica, de valor eficaz y frecuencia variables(figura 8). La alimentación del variador puede sermonofásica para pequeñas potencias (orden demagnitud de algunos kW) y trifásica para losmayores. Ciertos variadores de pequeñapotencia aceptan indistintamente tensiones dealimentación mono y trifásicas. La tensión desalida del variador es siempre trifásica. Dehecho, los motores asíncronos monofásicos noson adecuados para ser alimentados medianteconvertidores de frecuencia.Los convertidores de frecuencia alimentan losmotores 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 elfuncionamiento a baja velocidad porque sereduce esta ventilación. Si se requiere estefuncionamiento hay que prever un motor especialcon una ventilación forzada independiente.

Regulador de tensión para el arranque demotores asíncronos

Suministra, a partir de una red de corrientealterna, una corriente alterna de frecuencia fijaigual a la de la red, mediante el control del valoreficaz de la tensión, modificando el ángulo deretardo de disparo de los semiconductores depotencia (dos tiristores montados enantiparalelo en cada fase del motor) (figura 9).


3 Estructura y componentes de los arrancadoresy variadores electrónicos

3.1 Estructura

Los arrancadores y variadores de velocidadelectrónicos se componen de dos módulosgeneralmente montados en una mismaenvolvente (figura 10):

un módulo de control que controla elfuncionamiento del aparato,

un módulo de potencia que alimenta el motorcon energía eléctrica.

El módulo de control

En los arrancadores y variadores modernos,todas las funciones se controlan mediante unmicroprocesador que gestiona la configuración,las órdenes transmitidas por un operador o poruna unidad de proceso y los datosproporcionados por las medidas como lavelocidad, la corriente, etcétera.Las capacidades de cálculo de losmicroprocesadores, así como de los circuitosdedicados (ASIC) han permitido diseñaralgoritmos de mando con excelentesprestaciones y. en particular, el reconocimientode los parámetros de la máquina arrastrada. Apartir de estas informaciones, elmicroprocesador gestiona las rampas deaceleración y deceleración, el control de lavelocidad y la limitación de corriente, generandolas señales de control de los componentes depotencia. Las protecciones y la seguridad sonprocesadas por circuitos especializados (ASIC) oestán integradas en los módulos de potencia(IPM).Los límites de velocidad, las rampas, los límitesde corriente y otros datos de configuración, se

definen usando un teclado integrado o mediantePLC (sobre buses de campo) o mediante PC.Del mismo modo, los diferentes comandos(marcha, parada, frenado...) puedenproporcionarse desde interfaces de diálogohombre/máquina, utilizando autómatasprogramables o PC.Los parámetros de funcionamiento y lasinformaciones de alarma, y los defectos puedenverse mediante displays, diodos LED,visualizadores de segmentos o de cristal líquidoo pueden enviarse hacia la supervisiónmediante un bus de terreno.Los relés, frecuentemente programables,proporcionan información de:

fallos (de red, térmicos, de producto, desecuencia, de sobrecarga),

vigilancia (umbral de velocidad, prealarma,final de arranque).Las tensiones necesarias para el conjunto decircuitos de medida y de control sonproporcionadas por una alimentación integradaen el variador y separadas galvánicamentede la red.

El módulo de potencia

El módulo de potencia está principalmenteconstituido por:

componentes de potencia (diodos, tiristores,IGBT...),

interfaces de medida de las tensiones y/ocorrientes,

frecuentemente de un sistema de ventilación.

Moteur

Rectificador

Convertidor

Encendido

Retorno

Seguridadde retorno

AlimentaciónAjuste�

Orden

Módulo de control Módulo depotencia

Visualisationde estados � �

Tratamientode inform.

Memoria�térmica

Mic

ropr

oces

ador

Relé�

Interfaz depotencia

Interfaz de� �seguridad�

Fig. 10: Estructura general de un variador de velocidad electrónico.


I

+

-

I

+ …�

Diodo TransistorNPN

Tiristor

IGBT MOSGTO

3.2 Componentes

Los componentes de potencia (figura 11) sonsemiconductores que funcionan en «todo onada», comparables, por tanto, a losinterruptores estáticos que pueden tomar dosestados: abierto o cerrado.Estos componentes, integrados en un módulode potencia, constituyen un convertidor quealimenta, a partir de la red a tensión y frecuenciafijas, un motor eléctrico con una tensión y/ofrecuencia variables.Los componentes de potencia son la clave de lavariación de velocidad y los progresos realizadosestos últimos años han permitido la fabricaciónde variadores de velocidad económicos.

Repaso

Los elementos semiconductores, tales como elsilicio, tienen una resistividad que se sitúa entrelos conductores y los aislantes. Sus átomosposeen 4 electrones periféricos. Cada átomo seasocia con 4 átomos próximos para formar unaestructura estable con 8 electrones.Un semiconductor de tipo P se obtieneañadiendo al silicio puro una pequeña cantidadde un elemento que posea 3 electronesperiféricos. Le falta, por tanto, un electrón paraformar una estructura de 8 electrones, lo que seconvierte en un exceso de carga positiva.Un semiconductor de tipo N se obtieneañadiendo un elemento que posea 5 electronesperiféricos. Por tanto, hay un exceso deelectrones, es decir, exceso de carga negativa.

El diodo

El diodo es un semiconductor no controlado quetiene dos zonas P (ánodo) y N (cátodo) y que nodeja circular la corriente más que en un solosentido, de ánodo a cátodo.Conduce cuando el ánodo tiene una tensiónpositiva respecto al cátodo: se comportaentonces como un interruptor cerrado. Por elcontrario, se bloquea y se comporta como uninterruptor abierto si la tensión del ánodo esnegativa respecto a la del cátodo.El diodo posee las siguientes característicasprincipales:

en estado de conducciónuna caída de tensión compuesta por una

tensión umbral y una resistencia interna,una corriente máxima permanente admisible

(orden de magnitud, hasta 5000 A, rms, paralos componentes de mayor potencia),

en estado de bloqueo o no conducción unatensión máxima admisible que puedesobrepasar los 5000 V de pico.

Fig. 11: Los componentes de potencia.

El tiristor

Es un semiconductor controlado constituido porcuatro capas alternadas: PNPN.Se comporta como un diodo al enviar unimpulso eléctrico a un electrodo de mandollamado «puerta» o «gate». Este cierre (oencendido) no es posible si el ánodo está a unatensión más positiva que el cátodo.El tiristor se bloquea cuando la corriente que loatraviesa se anula.La energía para el encendido o conducción quehay que suministrar a la puerta no depende dela corriente a controlar. Además, no esnecesario mantener corriente en la puertadurante la conducción del tiristor.El tiristor posee las siguientes característicasprincipales:

en estado de conducción:una caída de tensión compuesta de una

tensión de umbral y de una resistencia interna,una corriente máxima permanente admisible

(orden de magnitud, hasta 5000 A rms para loscomponentes de mayor potencia).

en estado de bloqueo:una tensión inversa y directa máxima

admisible, (que puede sobrepasar 5000 V depico). En general las tensiones directas einversas son iguales,

un tiempo de recuperación, que es el tiempomínimo durante el cual no se puede aplicar unatensión positiva ánodo-cátodo so pena de quese produzca un reencendido espontáneo,

una corriente de puerta que permite laconducción del componente.


Hay tiristores para funcionar a la frecuencia dered y otros, llamados «rápidos», que puedenfuncionar a algunos kHz, utilizando un circuito deextinción.Los tiristores rápidos tienen a veces lastensiones de bloqueo directo e inversoasimétricas. En efecto, en los esquemasnormales, están generalmente unidos a undiodo conectado en antiparalelo y losfabricantes de semiconductores utilizan estaparticularidad para aumentar la tensión directaque el componente puede soportar en estadode bloqueo. Actualmente, estos componenteshan sido sustituidos por el GTO, los transistoresde potencia y sobre todo los IGBT (InsulatedGate Bipolar Transistor).

El tiristor GTO (Gate Turn Off thyristor)

Es una variante del tiristor rápido que tiene laparticularidad de poder ser bloqueado por supuerta. Se envía una corriente positiva a la puertao «gate», lo que produce el paso a conduccióndel semiconductor a condición de que el ánodoesté a una tensión más positiva que la delcátodo. Para mantener el GTO en estado deconducción y limitar la caída de tensión, lacorriente de puerta debe mantenerse. El bloqueose produce al invertir la polaridad de la corrientede puerta. El GTO se utiliza en los convertidoresde muy gran potencia, porque es capaz decontrolar grandes tensiones e intensidades(hasta 5000 V y 5000 A). Sin embargo, debido alos avances de los IGBT su tasa de mercadotiende a disminuir.El tiristor GTO posee las siguientescaracterísticas principales:

en estado de conducción:una caída de tensión compuesta de una

tensión de umbral y una resistencia interna,una corriente de mantenimiento destinada a

reducir la caída de tensión directa,una corriente permanente máxima admisible,una corriente de bloqueo para provocar el

corte de la corriente;en estado de bloqueo:tensiones inversa y directa máximas

admisibles, normalmente asimétricas, como enel caso de los tiristores rápidos y por los mismosmotivos,

un tiempo de recuperación que es el tiempomínimo durante el cual la corriente de extincióndebe mantenerse so pena de que se produzcaun reencendido espontáneo,

una corriente de puerta que permite elencendido del componente.Los GTO pueden funcionar a frecuencias dealgunos kHz.

El transistor

Es un semiconductor bipolar controladoconstituido por tres capas alternas PNP o NPN.Solamente deja pasar la corriente en un

sentido: del emisor al colector en tecnologíaPNP y del colector al emisor en tecnología NPN.Los transistores de potencia capaces defuncionar con tensiones industriales son deltipo NPN, en montaje «Darlington». El transistorpuede funcionar como amplificador. En estecaso, el valor de la corriente que lo atraviesa esfunción de la corriente de mando que circula porla base. Pero puede también funcionar enconmutación (todo o nada) como un interruptorestático: abierto si no hay corriente de base, ycerrado en saturación. Este segundo modo defuncionamiento es el que se utiliza en loscircuitos de potencia de los variadores.Los transistores bipolares abarcan tensioneshasta 1200 V y soportan corrientes que puedenalcanzar los 800 A.Este componente ha sido sustituidoactualmente en los convertidores por el IGBT.En el modo de funcionamiento que aquí nosinteresa, el transistor bipolar tiene lassiguientes características principales:

en estado de conducciónuna caída de tensión compuesta de una

tensión de umbral y de una resistencia interna,una corriente máxima permanente admisible,una ganancia en corriente (para mantener el

transistor saturado, la corriente inyectada en labase debe ser superior a la corriente que circulapor el componente dividida por la ganancia),

en estado de bloqueo, una tensión directamáxima admisible.Los transistores de potencia utilizados envariación de velocidad pueden funcionar afrecuencias de algunos kHz.

El IGBT

Es un transistor de potencia, controlado por unatensión aplicada a un electrodo llamado puerta«gate» aislada del circuito de potencia, de ahísu nombre «Insulated Gate Bipolar Transistor».Este componente necesita una energía mínimapara hacer circular corrientes importantes.Actualmente es el componente que se utilizacomo interruptor «todo o nada» en la mayorparte de convertidores de frecuencia hastapotencias elevadas (del orden de MW). Suscaracterísticas tensión-corriente son similares alas de los transistores bipolares, pero susprestaciones en energía de mando y lafrecuencia de conmutación son muy superioresa todos los otros semiconductores. Lascaracterísticas de los IGBT avanzan muyrápidamente y actualmente hay modelosdisponibles para alta tensión (> 3 kV) y grandescorrientes (varios centenares de amperios).El transistor IGBT tiene las siguientescaracterísticas principales:

una tensión de mando que permite la puestaen conducción o en bloqueo del componente;

en estado de conducción


una caída de tensión compuesta de unatensión de umbral y una resistencia interna,

una corriente permanente máxima admisible;en estado de bloqueo, una tensión directa

admisible máxima.Los transistores IGBT utilizados en variación

de velocidad pueden funcionar a frecuencias dealgunas decenas de kHz.

El transistor MOS

Este componente funciona de maneracompletamente diferente a los anteriores, esdecir, por modificación del campo eléctrico en unsemiconductor obtenido al polarizar una puertaaislada, de ahí su nombre: «Métal Oxyde Semi-conducteur». Su uso en variación de velocidad selimita a la utilización en baja tensión (variadoresde velocidad alimentados por batería) o de bajapotencia, porque la superficie de silicio necesariapara, en estado de conducción, obtener unatensión de bloqueo elevada con una pequeñacaída de tensión es económicamenteirrealizable.El transistor MOS posee las característicasprincipales siguientes:

una tensión de mando que permite el paso aconducción y el bloqueo del componente;

en estado de conducción:una resistencia interna,una corriente permanente máxima admisible;en estado de bloqueo, una tensión directa

máxima admisible (que puede sobrepasar los1000 V).Los transistores MOS utilizados en variación develocidad pueden funcionar con frecuencias dealgunos centenares de kHz. Se encuentran casisiempre en las fuentes de alimentaciónconmutadas en forma de componentes discretoso de circuitos integrados que incluyen la parte depotencia (MOS), y la de los circuitos de mando yregulación.

El IPM (Intelligent Power Module)

Propiamente hablando, no es unsemiconductor, sino un conjunto de transistoresIGBT. Este módulo (figura 12) agrupa un puenteondulador con transistores de potencia IGBT y laelectrónica de señal para el mando de lossemiconductores, en una misma cápsulacompacta:

7 componentes IGBT, de los cuales 6 sonpara el puente ondulador y 1 para el frenado,

los circuitos de mando de los IGBT,7 diodos de potencia «freewheel» asociados

al IGBT para permitir la circulación de corriente,las protecciones contra los cortocircuitos,

sobreintensidades y sobrecalentamientos,el aislamiento galvánico de este módulo.

El puente rectificador a diodos es el que conmás frecuencia se coloca en este módulo.Este montaje de los IGBT es la mejor manerade solucionar la problemática de su cableado ysu control.

P

N

B

U

V

W

+

_

Resistencia�de frenado

Motor

Entrada�cc

Fig. 12: Módulo IPM (Intelligent Power Module).


4 Variador-regulador para motor de corriente continua

4.1 Principio general

El precursor de los variadores de velocidad paramotores a corriente continua es el grupo WardLeonard.Este grupo, constituido por un motor de arranque,generalmente asíncrono y un generador decorriente continua de excitación regulable,alimenta uno o varios de los motores de corrientecontinua. La excitación se regula mediante undispositivo electromecánico (Amplidyne, Rototrol,Regulex), o mediante un sistema estático(amplificador magnético o regulador electrónico).Actualmente, este dispositivo ha sidocompletamente abandonado en beneficio de losvariadores de velocidad con semiconductoresque efectúan de manera estática las mismasoperaciones y con mejores prestaciones.Los variadores de velocidad electrónicos sealimentan con una tensión fija a partir de una redde corriente alterna y proporcionan al motor unatensión continua variable. Un puente de diodos oun puente a tiristores, generalmente monofásico,permite alimentar el circuito de excitación.El circuito de potencia es un rectificador. Puestoque la tensión a suministrar ha de ser variable,este rectificador debe de ser de tipo controlado,es decir, tener componentes de potencia cuyaconducción pueda ser controlada (tiristores). Lavariación de la tensión de salida se obtienelimitando más o menos el tiempo de conduccióndurante cada semiperíodo. Cuanto más seretarda el encendido del tiristor respecto al cerode la semionda, más se reduce el valor medio dela tensión y por tanto también la velocidad delmotor (recordemos que la excitación de un tiristorse corta automáticamente cuando la corrientepasa por cero).Para los variadores de baja potencia, o losvariadores alimentados por una batería deacumuladores, el circuito de potencia, a vecesconstituido por transistores de potencia(chopper), hace variar la tensión continua desalida ajustando el tiempo de conducción. Estemodo de funcionamiento se denomina PMW(Pulse Width Modulation = Modulación porAncho de Impulso).

Regulación

La regulación consiste en mantener conprecisión la velocidad en el valor exigido a pesarde las perturbaciones (variación del parresistente, de la tensión de alimentación, de latemperatura).

Sin embargo, durante las aceleraciones o encaso de sobrecarga, la intensidad de corriente nodebe alcanzar un valor peligroso para el motor opara el dispositivo de alimentación. Un bucle deregulación interno del variador mantiene lacorriente en un valor aceptable. Este valor sepuede regular para permitir el ajuste en funciónde las características del motor.La velocidad de consigna se fija mediante unaseñal, analógica o digital, transmitida medianteun bus de terreno o cualquier otro dispositivoque proporcione una tensión imagen de estavelocidad deseada. La referencia puede ser fijao variar durante el curso del ciclo.Estas rampas de aceleración y deceleraciónregulables aplican, de manera progresiva, latensión de referencia correspondiente a lavelocidad deseada; la evolución de esta rampapuede seguir todas las formas deseables. Elajuste de las rampas define la duración de laaceleración y de la deceleración.En bucle cerrado, la velocidad real se midepermanentemente mediante una dinamotacométrica o un generador de impulsos y secompara con la referencia. Si se constata unadesviación, la electrónica de control realiza unacorrección de la velocidad. La gama develocidad se puede extender desde algunasvueltas por minuto hasta la velocidad máxima.En esta horquilla de variación, se obtienenfácilmente precisiones mejores que 1% conregulación analógica y mejores del 1/1000 conregulación digital, teniendo presentes todas lasvariaciones posibles (vacío/carga, variación detensión, de temperatura, etcétera).Esta regulación puede también efectuarse apartir de la medida de la tensión del motor,teniendo en cuenta la corriente que lo atraviesa.Las prestaciones son en este casosensiblemente inferiores, tanto en cuanto amargen de velocidad como en precisión(algunos % entre marcha en vacío y marcha encarga).

Inversión del sentido de giro y frenado porrecuperación

Para invertir el sentido de marcha, hay queinvertir la tensión de inducido. Esto puederealizarse mediante contactores (esta soluciónes actualmente obsoleta) o, consemiconductores, por inversión de la polaridadde salida de los variadores de velocidad o de lapolaridad de la corriente de excitación.


Esta última solución se utiliza poco debido a laconstante de tiempo del inductor.Cuando se desea tener un frenado controlado ocuando la naturaleza de la carga lo impone (parmantenido), hay que reenviar la energía a la red.Durante el frenado, el variador funciona comoondulador; en otras palabras, la potencia quetransmite es negativa.Los variadores capaces de efectuar estas dosfunciones (inversión y frenado por recuperaciónde energía) están dotados de dos puentesconectados en antiparalelo (figura 13). Cadauno de estos puentes permite invertir la tensióny la corriente así como el signo de la energíaque circula entre la red y la carga.

4.2 Modos de funcionamiento posibles

Funcionamiento llamado a «par constante»

Con excitación constante, la velocidad del motores función de la tensión aplicada al inducido delmotor. La variación de velocidad es posibledesde el paro hasta la tensión nominal del motorque se escogen en función de la tensión alternade alimentación.El par motor es proporcional a la corriente deinducido y el par nominal de la máquina puedeobtenerse de forma continua a cualquiervelocidad.

Funcionamiento llamado a «potenciaconstante»

Cuando la máquina se alimenta a tensiónnominal, es posible todavía aumentar suvelocidad, reduciendo la corriente de excitación.En este caso, el variador de velocidad debe detener un puente rectificador controlando quealimente el circuito de excitación. La tensión deinducido se mantiene entonces fija e igual a latensión nominal y la corriente de excitación seajusta para obtener la velocidad deseada.

La expresión de la potencia es:P = E . Isiendo:E su tensión de alimentación,I la corriente de inducido.Por tanto, la potencia, para una corriente deinducido dada, es constante en toda la gama develocidad, pero la velocidad máxima quedalimitada por dos parámetros:

el límite mecánico ligado al inducido y, enparticular, la fuerza centrífuga máxima quepuede soportar el colector,

las posibilidades de conmutación de lamáquina, en general más restrictivas.Por consiguiente, para escoger un motoradecuadamente, hay que solicitar la informacióndel fabricante, en especial en cuanto a su gamade velocidad a potencia constante.

Mcc

Fig. 13: Esquema de un variador con inversor demarcha y con frenado por recuperación de energíapara un motor de cc.


5 Convertidor de frecuencia para motor asíncrono

5.1 Principio general

El convertidor de frecuencia, alimentado atensión y frecuencia fijas por la red, suministraal motor, en función de las exigencias develocidad, alimentación en corriente alterna atensión y frecuencia variables.Para alimentar correctamente un motorasíncrono a par constante, sea cual sea lavelocidad, es necesario mantener el flujoconstante. Por tanto, necesita que la tensión y lafrecuencia varíen simultáneamente y en lasmismas proporciones.

Constitución

El circuito de potencia está constituido por unrectificador y un ondulador, que a partir de latensión rectificada, produce una tensión deamplitud y frecuencia variables (figura 8).Para respetar la directiva CE –ComunidadEuropea– y las normas asociadas, se coloca unfiltro «de red» aguas arriba del puenterectificador.El rectificador consta generalmente de un puenterectificador de diodos y de un circuito de filtroconstituido por uno o varios condensadores enfunción de la potencia. Al conectar el variador, uncircuito limitador controla la intensidad. Ciertosconvertidores utilizan un puente de tiristores paralimitar la corriente de carga de loscondensadores de filtro, que se cargan con unatensión de un valor sensiblemente igual al valorde pico de la senoide de red (alrededor de 560 Ven una red trifásica de 400 V).Nota: A pesar de la existencia de circuitos dedescarga, estos condensadores puedenconservar una tensión peligrosa en ausencia dela tensión de red. Una actuación en el interior deeste tipo de dispositivos debe ser siempreefectuada por personas formadas y queconozcan perfectamente las precauciones deseguridad indispensables a tener en cuenta(circuito de descarga adicional o conocimientodel tiempo de espera).El puente ondulador, conectado a estoscondensadores, utiliza 6 semiconductores depotencia, normalmente del tipo IGBT y diodosasociados en «freewheel».Este tipo de variador está destinado a laalimentación de los motores asíncronos dejaula. Así, el Altivar, de la Marca Telemecanique,permite crear una mini-red eléctrica a tensión y

frecuencia variables capaz de alimentar uno ovarios motores en paralelo. Se compone de:

un rectificador con condensadores de filtro,un ondulador con 6 IGBT y 6 diodos,un chopper o troceador que está conectado a

una resistencia de frenado (en general exterioral equipo),

los circuitos de mando de los transistoresIGBT,

una unidad de control gobernada por unmicroprocesador, que asegura el mando delondulador,

captadores internos para medir la corrientedel motor, la tensión continua en bornes de loscondensadores y, en ciertos casos, lastensiones presentes en el puente rectificador yen el motor, así como todas las magnitudesnecesarias para el control y la protección delconjunto motor-variador,

una alimentación para los circuitoselectrónicos de baja intensidad,Esta alimentación se efectúa mediante unafuente conmutada (switching) conectada en losbornes de los condensadores de filtro paraaprovechar esta reserva de energía. Estadisposición permite al Altivar superar lasfluctuaciones de la red y los cortes de tensiónde corta duración, lo que le confiere notablesprestaciones en presencia de redes muyperturbadas.

La variación de velocidad

La generación de la tensión de salida seobtiene por corte de la tensión rectificada pormedio de impulsos cuya duración, por tantoanchura, se modula de manera que la corrientealterna resultante sea lo más senoidal posible(figura 14).Esta técnica, conocida bajo el nombre de PWM(Pulse Width Modulation = Modulación de Anchode Impulso), condiciona la rotación regular abaja velocidad y limita los calentamientos. Lafrecuencia de modulación que se aplica es uncompromiso: debe de ser suficientementeelevada para reducir el rizado de corriente y elruido acústico en el motor, pero sin queaumenten sensiblemente las pérdidas en elpuente ondulador y en los semiconductores. Laaceleración y la deceleración se regulamediante dos rampas.


1,75

1,50

1,25

10,95

0,75

0,50

0,25

0 50 100 150 200 % 0

1a

ParC/Cn

Fondulador

Fred

1b

3

2

Las protecciones integradas

El variador se autoprotege y protege al motorcontra calentamientos excesivosdesconectándose hasta que se alcanza unatemperatura aceptable.Se desconecta también con cualquierperturbación o anomalía que pueda alterar el

funcionamiento del conjunto, como lassobretensiones o la subtensión, el fallo de unafase de entrada o de salida.En ciertos calibres de rectificadores, elondulador de troceado, el mando y lasprotecciones contra los cortocircuitos estánintegrados en un único módulo IPM –IntelligentPower Module–.

5.2 Funcionamiento en U/f

En este tipo de funcionamiento, la referencia«velocidad» impone una frecuencia alondulador, y por tanto al motor, que es la quedetermina la velocidad de rotación. La tensiónde alimentación está en razón directa con lafrecuencia (figura 15). Este funcionamiento sedenomina frecuentemente funcionamiento con

U/f constante o funcionamiento escalar. Si no seefectúa ninguna compensación, la velocidadreal varía con la carga, lo que limita el margende funcionamiento. Se puede utilizar unacompensación sencilla que tenga en cuenta laimpedancia interna del motor y limite la pérdidade velocidad en carga.

Fig. 15: Características de par de un variador (Altivar 66 - Telemecanique)1.- par útil permanente: (a) motor autoventilado, (b) motor moto-ventilado2.- sobrepar transitorio (< 1,7Cn durante 60 s). (Cn = par nominal)3.- par con sobrevelocidad a potencia constante.

Fig. 14: La modulación de ancho de impulso.

U motor motor

t t


5.3 Control vectorial

Mediante diversos sistemas electrónicos,utilizando el denominado control vectorial deflujo, se mejoran mucho las prestaciones,(figura 16). La mayor parte de los variadores develocidad modernos tienen integrada estafunción en la versión estándar. En la mayorparte de aplicaciones, el conocimiento ovaloración de los parámetros de la máquinapermite omitir el captador de velocidad. En estecaso, se puede utilizar un motor estándar con laúnica condición de evitar su funcionamientoprolongado a baja velocidad.El variador elabora las informaciones necesariasa partir de las medidas de las magnitudespresentes en los bornes de la máquina (tensióny corriente).Este modo de control proporciona prestacionessuficientes sin aumento del coste.Para obtener estos resultados, deben deconocerse ciertos parámetros de la máquina. Alconectar, el operador de la máquina debe, antetodo, introducir las características de la placadel motor en los parámetros de reglaje delvariador, tales como:UNS: tensión nominal del motor,FRS: frecuencia nominal del estator,

NCR: corriente nominal del estator,NSP: velocidad nominal,COS: coseno motor.A partir de estos valores, el variador calcula lascaracterísticas del rotor: Lm, Tr (Lm: inductanciamagnética, Tr: momento del par).

Variador con control vectorial de flujo sincaptador

Al conectarlo, un variador con control vectorial deflujo sin captador (tipo ATV58F -Telemecanique)se autoajusta, lo que le permite determinar losparámetros estatóricos Rs y Lf. Esta medidapuede hacerse con la carga mecánicaacoplada. La duración varía en función de lapotencia del motor (1 a 10 s). Estos valores sememorizan y permiten elaborar los criterios demando.El oscilograma de la figura 17 representa laaceleración de un motor, cargado a su parnominal, alimentado por un variador sincaptador. Hay que indicar que se alcanzarápidamente, tanto el par nominal (menos de0,2 s) como la linealidad de la aceleración. Lavelocidad nominal se alcanza en 0,8 segundos.

1 / g

(d,q)

(a,b,c)

(a,b,c)

(d,q)

VcVbVa

Ia, Ic

s

s

Bucle de �velocidad

Bucle de�corriente en�cuadratura

Bucle de�corriente�directa

Estimación�de�

velocidad

dlim I lim

Consignade velocidad

cons

est

Referencia�de corriente�en cuadraturaqref Vqref

Referencia de�tensión directa

VdrefCorrientemagnetizante

Corrección�velocidad

Compensación�deslizamiento

comcor

Referencia de�corriente directa

I ref

Límites�de tensión

Límites de�corriente

Vdlim Vqlim

Generador�de�

referencias�de tensión

Id

Iq

Ángulo de�defasaje

s

MotorReferencia�

de tensión en�cuadratura

Corrientes directa y�en cuadratura

Fig. 16: Esquema de principio de un variador para control vectorial de flujo.


0 0,2 1

1

2

3

t (s)

1 - corriente motor

2 - velocidad motor

3 - par motor

(d,q)

(a,b,c)

(a,b,c)

(d,q)

VcVbVa

Cálculo de�tensiones y�bucles de�corrientes

Rampa de�velocidad

Cálculo de velocidad�Estimación de deslizamiento�Cálculo ángulo de rotación

Límites de�corriente�

y par

Coder

Estimación y�regulación�

del flujo

Referencia�de corriente�

directa

Motor

Consigna�de velocidad

Rerefencia de�de velocidad

Regulación�de velocidad

cons ref

I

I

I

I

I I

Iqref

�dref

m

Ángulo de�defasajes

Corrientes�directa y en�cuadratura

�d, �q

I I�d, �q

I I�a, �c

Tensiones�directa y en�cuadraturaVd, Vq

Referencia de flujo�(consigna interna)

Φref

�d, �q

Vd, Vqm

m

m ref

ref

s

s

qref

Referencia de corriente�en cuadratura

Velocidad�medida

Fig. 17: Características de la conexión de un motormediante un variador con control vectorial de flujo sincaptador (tipo ATV58F - Telemecanique).

Fig. 18: Esquema de principio de un variador con control vectorial de flujo con captador.

Variador con control vectorial de flujo conbucle cerrado con captador

Otra posibilidad es el control vectorial de flujocon bucle cerrado con captador.Esta aplicación utiliza la transformación de Parky permite el control independiente de la corriente(Id) asegurando el flujo en la máquina y lacorriente (Iq) asegurando el par (igual alproducto Id . Iq). El mando del motor es similaral de un motor de corriente continua.Esta solución (figura 18) respondeadecuadamente a aplicaciones con especialesexigencias como, gran dinámica durante lostransitorios, precisión de velocidad y parnominal en el arranque.Según el tipo de motor, el par nominaltransitorio es igual a 2 ó 3 veces el par nominal.Además, la velocidad máxima llega a alcanzarfrecuentemente el doble de la velocidadnominal, o incluso más si el motor lo permitemecánicamente.Este tipo de control permite también bandaspasantes muy elevadas y prestacionescomparables e incluso superiores a las de losmejores variadores de corriente continua. Encontrapartida, el motor utilizado no es deconstrucción estándar debido a la existencia delcaptador y, si se da el caso, la existenciaespecial de la ventilación forzada.


El oscilograma de la figura figura 19 representala aceleración de un motor, cargado con su parnominal, mediante un variador con controlvectorial de flujo y con captador. La escala detiempos es de 0,1 s/división. Es importante lamejora de prestaciones respecto al mismoproducto sin captador. El par nominal seconsigue en 80 ms y el tiempo de aumento de lavelocidad, en las mimas condiciones de carga,es de 0,5 segundos.En conclusión, la tabla de la figura 20 comparalas prestaciones de un variador en las tresconfiguraciones posibles.

Inversión del sentido de marcha y frenado

Para cambiar el sentido de marcha, una ordenexterna (que puede proceder de una entradadedicada a este fin, o de una señal que circulepor el bus de comunicaciones) provoca lainversión en el orden de funcionamiento de loscomponentes del ordenador, y por tanto, elcambio del sentido de rotación del motor. Hayvarias posibilidades de funcionamiento:

0 0,2 1

1

2

3

t (s)1 - corriente motor2 - velocidad motor3 - par motor

Fig. 19: Oscilograma de puesta en funcionamiento deun motor, cargado a su par nominal, alimentadomediante un variador con control vectorial de flujo(tipo ATV58F - Telemecanique).

1er caso: inversión inmediata de mando delos semiconductoresSi, en el momento de invertir el sentido de giro,el motor está siempre en rotación, esto setraducirá en un deslizamiento importante y lacorriente en el variador pasará a ser la máximacorriente posible (limitación interna). El par defrenado es bajo debido al gran deslizamiento yla regulación interna lleva la consigna develocidad a un valor bajo. Cuando el motoralcanza la velocidad nula, la velocidad seinvierte siguiendo la rampa. El excedente deenergía no absorbido por el par resistente y losrozamientos se disipan en el rotor.

2º caso: inversión del sentido de mando delos semiconductores precedido de unadeceleración con o sin rampaSi el par resistente de la máquina es tal que ladeceleración natural es más rápida que la de larampa fijada por el variador, éste continúaproporcionando energía al motor. La velocidaddisminuye progresivamente y se invierte.Por el contrario, si el par resistente de lamáquina es tal que la deceleración natural esmenor que la de la rampa fijada por el variador,el motor se comporta como un generadorhipersíncrono y devuelve energía al variador;pero la presencia del puente de diodos impideel reenvío de energía hacia la red: loscondensadores de filtro se cargan, la tensiónaumenta y el variador se bloquea. Para evitaresto, hay que disponer de una resistencia,conectada a los bornes de los condensadorespara, mediante un chopper, limitar la tensión aun valor aceptable. El par de frenado sólo quedalimitado por los condensadores del variador develocidad: la velocidad disminuyeprogresivamente y se invierte.Para este cometido, el fabricante del variadorproporciona resistencias de frenadodimensionadas en función de la potencia delmotor y de las energías a disipar. Puesto que,en la mayor parte de casos, el chopper seencuentra incluido en la configuración de origendel variador, un variador capaz de asegurar unfrenado controlado sólo se distingue por laexistencia de resistencias. Por tanto, este modode frenado permite ralentizar un motor hasta suparada sin invertir necesariamente su sentidode rotación.

Fig. 20: Conjunto de prestaciones de un variador en las tres configuraciones posibles(tipo ATV58F - Telemecanique).

Control escalar Control vectorial de flujosin captador con captador

Gama de velocidades 1 a 10 1 a 100 1 a 1000

Banda pasante 5 a 10 Hz 10 a 15 Hz 30 a 50 Hz

Precisión de velocidad ± 1% ± 1% ± 0,01%


0 10 10050 F (Hz)

a b

C

Cn

Fig. 21: Par de un motor asíncrono con cargaconstante alimentado con un convertidor defrecuencia[a] - zona de funcionamiento a par constante,[b] - zona de funcionamiento a potencia constante.

Frenado de ralentización por inyección decorriente continua

Puede hacerse fácilmente un frenado económicohaciendo funcionar la etapa de salida delvariador como chopper que inyecta una corrientecontinua en los arrollamientos. El par de frenadono está controlado y el frenado es poco eficaz,sobre todo a grandes velocidades, y por tanto, larampa de deceleración tampoco está controlada.Sin embargo, es una solución práctica paradisminuir el tiempo de parada natural de unamáquina. Puesto que la energía se disipa en elrotor, este modo de funcionamiento debe serocasional.

Los posibles modos de funcionamiento

Funcionamiento a «par constante»Como la tensión suministrada por el variadorpuede cambiar, y en la medida en que el flujo dela máquina es constante, (razón U/f constante o,mejor todavía, con el control vectorial de flujo), elpar motor será aproximadamente proporcional ala corriente y será posible hacer funcionar lamáquina en toda su gama de velocidades(figura 21). Sin embargo, no es posible elfuncionamiento prolongado a par nominal y abaja velocidad más que si el motor tieneventilación forzada, lo que requiere un motorespecial. Los variadores modernos disponende circuitos de protección que proporcionan unaimagen térmica del motor en función de lacorriente, de los ciclos de funcionamiento y de lavelocidad de rotación: por tanto, la protección delmotor queda completamente asegurada.

Funcionamiento a «potencia constante»Cuando la máquina se alimenta a su tensiónnominal, es posible todavía aumentar suvelocidad, alimentándola con una frecuencia

superior a la de la red de distribución. Sinembargo, puesto que la tensión de salida delconvertidor no puede sobrepasar la de la red, elpar disponible disminuye en función inversa alaumento de la velocidad (figura 21). Más allá desu velocidad nominal, el motor ya no funciona apar constante, sino a potencia constante(P = Cw), en tanto que la característica naturaldel motor lo permita.La velocidad máxima está limitada por dosparámetros:

el límite mecánico que depende del rotor,la reserva de par disponible.

Para una máquina asíncrona alimentada atensión constante, el par máximo varía con elcuadrado de la velocidad; el funcionamiento a«potencia constante» sólo es posible en unmargen limitado de velocidad determinado porla característica del par propio de la máquina.

5.4 Regulador de tensión para motor asíncrono

Este dispositivo de variación de tensión,utilizado para alumbrado y calefacción, sólopuede utilizarse con motores asíncronos decaja resistente o de anillos (figura 22). Estosmotores asíncronos son la mayor parte deveces trifásicos, y sólo ocasionalmentemonofásicos para pequeñas potencias (hastaalrededor de 3 kW). Si no es imprescindible unpar de arranque elevado, el regulador se utilizafrecuentemente como arrancador ralentizadorprogresivo; además, permite limitar la corrientede conexión, y por tanto la caída de tensión y lassacudidas mecánicas debidas a la apariciónbrusca del par motor.Entre las aplicaciones más frecuentes puedencitarse el arranque de bombas centrífugas y losventiladores, las cintas transportadoras, lasescaleras automáticas, los centros de lavadoautomático de coches, las máquinas equipadascon correas... y como variación de velocidad, en

los motores de muy baja potencia o en losmotores universales, como en los utilizados enlas herramientas eléctricas portátiles. Pero paraciertas aplicaciones, como la variación develocidad de pequeños ventiladores, losreguladores han desaparecido casicompletamente para dejar paso a losconvertidores de frecuencia, más económicos yen fase de explotación.En el caso de las bombas, la función deralentización permite también eliminar losgolpes de ariete.Pero, la elección de este dispositivo de variaciónde velocidad requiere ciertas precauciones. Enefecto, cuando hay deslizamiento, las pérdidasen el motor son proporcionales al par resistentee inversamente proporcionales a la velocidad;ahora bien, el principio de funcionamiento de unregulador consiste en reducir el par motorreduciendo la tensión, para equilibrar el par


resistente con la velocidad deseada. El motor dejaula resistente (figura 22b) debe por tanto sercapaz, a baja velocidad, de disipar estaspérdidas (los pequeños motores de hasta 3 kWresponden generalmente bien en estascondiciones). Para mayores potencias, hay queutilizar normalmente un motor moto-ventilador.Para los motores de jaula, las resistenciasasociadas deben estar dimensionadasadecuadamente para soportar los ciclos defuncionamiento. La decisión la debe tomar unespecialista que seleccionará el motor enfunción de sus ciclos de funcionamiento.En el mercado se pueden encontrar tres tipos dearrancadores: o con una sola fase controladapara pequeñas potencias, o con dos fasescontroladas (la tercera queda en conexióndirecta). Los dos primeros sistemas sólo seutilizan en ciclos de funcionamiento poco severosdebido a que su tasa de armónicos es mayor.

Principio general

El circuito de potencia consta de 2 tiristores porfase montados en oposición (figura 9). Lavariación de tensión se consigue haciendo variarel tiempo de conducción de estos tiristores a lolargo de cada semiperíodo. Cuanto más seretrasa el disparo, menor es el valor de la tensiónresultante.El disparo de los tiristores se controla medianteun microprocesador que efectúa además lassiguientes funciones:

controla las rampas de subida en tensión yde disminución de la tensión ajustables; larampa de deceleración sólo podrá seguirse siel tiempo de deceleración natural del sistemaarrastrado es mayor;

limitación de corriente graduable;sobre par de arranque;control de frenado por inyección de corriente

continua,

C

Cr lineal

Cr = kN2

C

a - b -

N1

NS

NS

N2

N máx

0

Un = 100 %

U

U4 N máx

ua Un

Un

4

3

2

1

U2 = 85 %

U1 = 65 %

00N N

Fig. 22: Par disponible de un motor asíncrono alimentado con tensión variable y cuyo receptor presenta un parresistente parabólico (ventilador).[a] - motor de rotor en cortocircuito,[b] - motor de rotor resistente.

protección de los variadores contra lassobrecargas,

protección del motor contra elsobrecalentamiento, debido a sobrecargas o aarranques demasiado frecuentes,

detección de desequilibrios de red, deausencia de fase o de defectos en los tiristores.El cuadro de mando tiene un display quepermite visualizar diversos parámetros defuncionamiento para ayudar en la instalación,explotación y mantenimiento.Ciertos reguladores, como el Altistart(Telemecanique) pueden controlar el arranque yla deceleración:

de un solo motor,de varios motores simultáneamente, dentro

del límite de su calibre,de varios motores sucesivamente por

conmutación. En régimen permanente, cadamotor se alimenta directamente de la redmediante un contactor.Sólo el Altistart dispone de un dispositivo,patentado, que mediante una estimación del parmotor, permite efectuar aceleraciones ydesaceleraciones lineales, y si es necesario,limitar el par motor.

Inversión del sentido de giro y frenado

La inversión del sentido de giro se efectúa porinversión de la secuencia de fases de entradadel arrancador. El frenado se efectúa entonces acontracorriente y toda la energía se disipa en elrotor de la máquina. Por tanto, esta forma defuncionamiento debe ser intermitente.

Frenado de ralentización por inyección decorriente continua

Puede efectuarse un frenado económicohaciendo funcionar la etapa de salida delarrancador como rectificador que inyecta de esta


5.5 Motovariadores síncronos

Principio general

Los motovariadores síncronos (figura 23) estánformados por un convertidor de frecuencia y unmotor síncrono de imán permanente concaptador.Estos motovariadores se destinan a máquinasespecíficas como los robots o las máquinas-herramienta, en las que se requiere un pequeñovolumen del motor, aceleraciones rápidas y unaamplia banda pasante.

El motor

El rotor del motor está hecho con imanespermanentes de tierras raras para obtener uncampo elevado en un volumen reducido. Elestator tiene un arrollamiento trifásico. Estosmotores, para realizar aceleraciones muyrápidas, pueden soportar importantes corrientesde sobrecarga. Tiene también, estos motores,un captador para indicar al variador la posiciónangular de los polos del motor para asegurar laconmutación de los arrollamientos.

El variador

En su constitución, el variador es similar a unconvertidor de frecuencia: funciona de formasimilar.Está constituido también por un rectificador y unondulador transistorizado para modulación deancho de impulsos (PWM) que reconstruye lacorriente de salida a su forma sinusoidal.Es frecuente encontrar varios variadores de estetipo alimentados por una misma fuente decorriente continua. Así, en una

Fig. 23: Fotografía de un motovariador síncrono(Variador Lexium + motor, Schneider Electric).

manera una corriente continua en losarrollamientos. El par de frenado no estácontrolado y el frenado es poco eficaz, sobretodo a grandes velocidades, y por tanto, larampa de deceleración tampoco está

máquina-herramienta, cada variador controla unmotor que arrastra un eje de la máquina.Una fuente de alimentación de corrientecontinua, común, alimenta en paralelo a todosestos variadores.Este tipo de instalación permite poner adisposición del conjunto la energía procedentedel frenado de uno de los ejes.Como en los convertidores de frecuencia, unaresistencia de frenado asociada a un chopperpermite evacuar la energía de frenado en exceso.Las funciones de control electrónico y las brevesconstantes de tiempo mecánicas y eléctricas,permiten aceleraciones y, muy frecuentemente,bandas pasantes muy elevadas, a la vez queuna gran dinámica de velocidad.

5.6 Motovariadores paso a paso

Principio general

Los motovariadores paso a paso se componende una etapa de electrónica de potencia, similaren su diseño a la de un convertidor defrecuencia, y de un motor paso a paso(figura 24). Funcionan en bucle abierto (sincaptador) y están destinados a aplicaciones deposicionamiento.

El motor

El motor puede ser de reluctancia variable, deimanes permanentes o una combinación de losdos (Cuaderno Técnico n° 207 «Introducción alos motores eléctricos»).

controlada. Sin embargo, es una soluciónpráctica para disminuir el tiempo de paradanatural de una máquina. Puesto que la energíase disipa en el rotor, este modo defuncionamiento debe ser ocasional.


+ cc

- cc

Motor

Q1a Q2a Q3a Q4a

Q2b Q1b Q4b Q3b

Fig. 24: Esquema de principio de un variador para motor bipolar paso a paso.

El variador

En su constitución, el variador es similar a unconvertidor de frecuencia (rectificador, filtro y unpuente formado por semiconductores depotencia).Sin embargo su funcionamiento essustancialmente diferente, puesto que suobjetivo es inyectar una corriente constante enlos arrollamientos. A veces utiliza la modulaciónpor ancho de impulso (PWM) para conseguir lasmejores prestaciones, en especial el tiempo desubida de corriente (figura 25), lo que permiteampliar su margen de funcionamiento.El funcionamiento en micropasos (figura 26)permite multiplicar artificialmente el número deposiciones posibles del rotor generandoescalones sucesivos en las bobinas durantecada secuencia. Las corrientes en las dosbobinas se asemejan a dos corrientes alternasdefasadas 90°. El campo resultante es lacomposición vectorial de estos campos creadospor las dos bobinas. Así, el rotor toma todas las

t

t

Uu

i

n

U/R

1 paso

Fig. 25: Gráfica de la corriente resultante mediantecontrol PWM (modulación de ancho de impulso).

posiciones intermedias posibles. La gráficarepresenta las corrientes de alimentación de lasbobinas B1 y B2; las posiciones del rotor quedanrepresentadas por el vector.

0,86

0,5

B1 1B1

B2

2B2

t

t

Fig. 26: Diagrama, curvas de intensidad y principio de escalonamiento para un control en «micropasos» de unmotovariador paso a paso.


6 Funciones complementarias de los variadores de velocidad

6.1 Opciones de diálogo

6.2 Las funciones integradas

Para abarcar eficazmente una gran número deaplicaciones, los variadores tienen una cantidadimportante de ajustes y reglajes, como:

el tiempo de las rampas de aceleración ydeceleración,

la forma de las rampas (lineales, en S o en U),los cambios de rampas que permiten

obtener varias rampas de aceleración o dedeceleración para conseguir, por ejemplo, unaaproximación muy suave,

la reducción del par máximo controlado poruna entrada lógica o por una consigna,

la marcha paso a paso,la gestión del mando de un freno para

aplicaciones de elevación,la elección de velocidades preseleccionadas,la existencia de entradas sumadoras que

permiten sumar consignas de velocidad,la conmutación de referencias presentes en

la entrada del variador,la presencia de un regulador PI para

servocontrol simple (de velocidad o de caudal,por ejemplo),

la parada automática al producirse un cortede red, pero efectuando el frenado del motor,

la recuperación automática con búsqueda dela velocidad del motor para un rearranque alvuelo,

la protección térmica del motor a partir de unaimagen generada en el variador,

la posibilidad de conexión de sondas PTCintegradas en el motor,

la omisión de la frecuencia de resonancia dela máquina (la velocidad crítica se obvia paraque resulte imposible su utilización),

el bloqueo temporizado a baja velocidad enaplicaciones como bombeado en las que elfluido participa en su refrigeración para evitar elagarrotamiento.Estas funciones, aunque propias de variadoressofisticados, se encuentran con frecuencia enlas versiones estándar (figura 27).

Para poder asegurar un funcionamiento correctodel motor, los variadores tienen integrado uncierto número de captadores para supervisiónde la tensión, de las corrientes «motor» y de suestado térmico. Estas informaciones,indispensables para el variador, pueden serútiles para el usuario.Los nuevos variadores y arrancadores tienenintegradas funciones de diálogo que utilizanbuses de terreno. Además, es posible generarinformaciones que pueden ser utilizadas por unautómata y un supervisor para controlar lamáquina. De la misma manera, lasinformaciones que envía el autómata retornanpor el mismo canal.

De entre estos datos, se pueden citar:las consignas de velocidad,las órdenes de marcha y de paro,los ajustes iniciales del variador o las

modificaciones de estos ajustes durante laoperación,

el estado del variador (marcha, parado,sobrecarga, defecto),

las alarmas,el estado del motor (velocidad, par,

intensidad, temperatura).Estas opciones de comunicación se utilizantambién para enlazar con un PC para podersimplificar los ajustes de puesta en servicio(telemando) y almacenar los ajustes iniciales.

Fig. 27: Fotografía de un variador que incluyenumerosas funciones integradas (ATV58H -Telemecanique).


6.3 Las tarjetas opcionales

Para las aplicaciones más complejas, losfabricantes ofrecen tarjetas opcionales quepermiten o funciones particulares, por ejemplo,el control vectorial de flujo con captador, otarjetas específicas para una aplicaciónconcreta. Entre ellas, por ejemplo:

tarjetas de «conmutación de bombas» parainstalar económicamente una estación debombeo que, con un único variador alimentesucesivamente varios motores,

tarjetas «multi-motores»,tarjetas «multi-parámetros» que permiten

cambiar automáticamente los parámetrospredefinidos del variador,

tarjetas específicas desarrolladas bajodemanda de un usuario particular.Ciertos fabricantes disponen también detarjetas-autómata, integradas en el variador quefacilitan aplicaciones simples. Entonces, eloperador dispone de instrucciones deprogramación de entradas y salidas para larealización de pequeños automatismospequeños, cuando no se justifica la existenciade un autómata.


7 Conclusión

La elección de un variador de velocidad dependeespecialmente de la naturaleza de la cargaarrastrada y de las prestaciones previstas. Portanto, cualquier elección o estudio deben depasar por un análisis de las exigenciasfuncionales de los equipos y de las prestacionesexigidas por el motor en sí mismo.La documentación de los fabricantes devariadores de velocidad utiliza siempre términoscomo par constante, par variable, potenciaconstante, control vectorial de flujo, variadorreversible... Estos conceptos caracterizan todoslos datos necesarios para deducir el tipo devariador el más adaptado a cada necesidad.

Una elección incorrecta del variador puede llevara un funcionamiento decepcionante. Asimismo,hay que tener en cuenta la gama de velocidadesnecesaria para escoger convenientemente elconjunto variador-motor.Todas las informaciones reunidas en esteCuaderno Técnico deben ayudar a hacer unabuena elección al facilitar la consulta de ladocumentación de los fabricantes, o, lo que esmás seguro todavía, dirigiéndose con toda laprecisión técnica a los especialistas paraseleccionar el variador que ofrezca mejorrelación precio/prestaciones.

Arrancadores y variadores de velocidad electronicos

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