Curso de variadores de frecuencia LS IS - Mod1_Temas básicos de variadores y portafolio de...

Ing. Michael Párraga G. Jefe de Producto Electrónica de Potencia

Curso de variadores de frecuencia LS IS

Mod1: Temas básicos de variadores y portafolio de soluciones de EP LS

Temario

Conceptos Básicos - Semiconductores de Potencia: Diodos - Semiconductores de Potencia: IGBT’s -Arquitectura del variador de 6 pulsos

•Circuito de potencia •Circuito de control

-Forma de onda de salida PWM - Tipos de carga: Torque Cuadrático y Torque Constante -Tipos de control: Escalar y Vectorial

Portafolio de soluciones LS IS

2

Semiconductores de Potencia: Diodos

Limita la dirección de corriente en UN SOLO SENTIDO.

3

Semiconductores de Potencia: Diodos

Analogía: “Puertas de Escape”

Las puertas de escape solamente permiten transitar en un solo sentido.

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Semiconductores de Potencia: Diodos Rectificador: Dispositivo utilizado para convertir

corriente alterna en corriente continua.

La señal a la entrada

del diodo es diferente

a la señal a la salida

del diodo

5

Semiconductores de Potencia: IGBT’s El IGBT es un interruptor controlado de Potencia

Insulated Gate Bipolar Transistor

Señal de activación

de baja corriente

Señal de potencia

de alta corriente

Elevada frecuencia

de conmutación

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Semiconductores de Potencia: IGBT’s

Compuerta o GATE

Analogía: “Interruptor termomagnético”

El interruptor deja pasar la corriente cuando se activa la palanca manualmente.

COMPUERTA ACTIVA

DEJA PASAR FLUJO

COMPUERTA DESACTIVA

NO DEJA PASAR FLUJO

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Semiconductores de Potencia

Principales Fabricantes:

8

Arquitectura del variador (genérica)

Circuitos de Potencia

Circuitos de Control (Firmware)

Interfaz

de Operador

Alimentación

1

2 3

9

Arquitectura del variador

DC

AC

AC

DC

Circuitos de potencia

Son 3 BLOQUES claramente diferenciados

Diagrama de bloques SIMPLIFICADO

Rectificador Inversor

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Arquitectura del variador Circuitos de potencia

Son 3 BLOQUES claramente diferenciados

Diagrama de bloques SIMPLIFICADO

Rectificador Inversor

Banco de

condensadores

interno

Alim

enta

ció

n

11


Rectificador:

Compuesto por 6 diodos

Inversor:

Compuesto por 6 IGBT’s


Diagrama de bloques DESARROLLADO

Banco de condensadores interno

(la cantidad de condensadores depende de la potencia)

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Diagrama de bloques DESARROLLADO

Se incluye un circuito de PRE-CARGA compuesto por resistencias para

evitar que la corriente fluya en exceso hacia el banco de condensadores

al momento de energizar el variador.

Luego de que el banco de condensadores es llenado con energía, se

cierra el contactor que está en paralelo con la resistencia.

R

13


En RESUMEN tenemos:

14


Filtro Rectificador Inversor

CIRCUITOS DE POTENCIA


TRATAMIENTO DE LA SEÑAL

El variador de velocidad AC recibe en su entrada un voltaje alterno de

frecuencia fija y entrega en su salida un voltaje alterno de frecuencia

variable.

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Primera Etapa: Rectificador

El rectificador convierte la señal de entrada en una señal continua (pulsante)

De esta manera, un variador de 460VAC tendrá un voltaje de 650VDC en su BUS DC (460 x √2)

Filtro Inversor

BUS DC RECTIFICADOR




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Segunda Etapa: Filtro (DC LINK)

El filtro esta compuesto por condensadores.

La función de esta etapa es disminuir el rizado del BUS DC y suavizar la forma de onda DC.

Inversor

BUS DC RECTIFICADOR FILTRO (DC LINK)




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Tercera Etapa: Inversor

El inversor enciende y apaga para dejar pasar la corriente por ciertos periodos de tiempo. A la salida se genera un “TREN DE PULSOS” de amplitud pico constante y con frecuencia variable.

BUS DC RECTIFICADOR FILTRO (DC LINK) INVERSOR




Voltaje de salida

18



19


VARISTORES

RECTIFICADOR

BANCO CONDENSADORES

INVERSOR

DRIVER

BOARD

ES811

CONTROL

BOARD

ES778

SUPPLY BOARD 24VDCES848

CONTROL

BOARD

CT BOARD

ES819

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Forma de onda de salida PWM • El tren de pulsos de salida se conoce como ONDA PWM.

• PWM significa PULSE WIDTH MODULATION ó Modulación por ancho de pulso.

• Modulación = Modificación.

• Los anchos de pulso son variables (modificados), siendo de corta duración

hacia los extremos y de mayor duración hacia el centro del periodo.

Señal de salida PWM trifásica Señal de entrada

Variador

21

Forma de onda de salida PWM

La modulación se realiza para que la tensión promedio tenga comportamiento

sinusoidal.

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Tipos de Carga

El torque de variación cuadrática es un caso típico de resistencia sobre un fluido.

Cuando un sólido se mueve en un liquido o gas.

Cargas de Torque variable

¿Cómo es el comportamiento del esfuerzo conforme aumenta la velocidad

del sólido dentro del fluido?

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Tipos de Carga

2VelocidadkTorque

El torque requerido incrementa con la velocidad,

usualmente al cuadrado.

Cargas de Torque variable

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Tipos de Carga

Cargas de Torque Constante

25

Tipos de Carga

El torque requerido por la carga es constante

a través de todo el rango de velocidad.

Cargas de Torque Constante

26

Tipos de Carga

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Control Escalar (V/F)

Curva Voltaje Vs. Frecuencia

30 60 Hz 0 V

460 V

230 V

I =

V

Z

¿ Por qué tengo que reducir el voltaje cuando reduzco la frecuencia?

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I = V

Z

Control Escalar (V/F)

60 Hz

460 V

60 Hz

Corriente

60 Hz

Impedancia

Voltaje

Trabajando más allá de los 60Hz

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Control Vectorial Internamente, los variadores vectoriales tienen un modelo matemático del motor.

l 2 l 1 R s i s

V s M R R S

El modelo matemático incluye valores de resistencia estatorica,

inductancia estatorica e inductancia mutua.

Estos valores son leídos por el variador mediante un proceso llamado “Auto

sintonización.”

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Control Vectorial

Con el control vectorial mide constantemente la corriente del estator y

la velocidad del rotor. Estas señales son alimentadas dentro del

modelo matemático del motor, el cual esta almacenado dentro de la

memoria del microprocesador del variador.

Mediante el modelo matemático se calcularan los componentes que

representan el torque y el flujo magnético.

Esto mejora la dinamica del variador y posibilita obtener mayor

exactitud de velocidad y mayor capacidad de torque.

Algoritmo:

31

Control Vectorial

l 2 l 1 R s i s

V s M R R S

Corriente

de Torque

Corriente de Flujo

60 Hz

Corriente

Algoritmo:

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Portafolio de soluciones

iG5A S t a r v e r t

Compacto y Versátil

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Variador de frecuencia iG5A.

Rango de potencia: 1-30HP.

Rango de tensión: 220VAC y 440VAC.

Tipo de control: Escalar y vectorial.

Capacidad de sobrecarga: 150% (60s).

Temperatura de trabajo: -10°C a 50°C.

Tarjetas electrónicas barnizadas.

Más de 50 funciones de control.

Software de comunicación con PC

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Control automático de procesos PID.

36


Suspensión/Reactivación (Sleep/Wake).

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Tipo estándar

Tipo normal Tipo comunicación

Carcasa

Función de seguridad No disponible

Filtro EMC

(tipo compacto)No disponible

E/S

Entrada multifunción 8 puntos 4 puntos

Tren de pulso No disponible

ComunicaciónRS485

(LS bus/ Modbus RTU)

DeviceNet

Ethernet IP & Modbus TCP (RS-485 incorporada)

CANopen

Tipo estándar (normal) Tipo estándar (comunic.)

S ólo Ethernet IP & Modbus TCP

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Variadores de frecuencia IG5A

39

iS7 S t a r v e r t

Control orientado a procesos

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Variador de frecuencia iS7.

Rango de potencia: 1-250HP.

Rango de tensión: 220VAC y 440VAC.

Tipo de control: Escalar y vectorial.

Capacidad de sobrecarga: 150% (60s).

Temperatura de trabajo: -10°C a 50°C.

Tarjetas electrónicas barnizadas.

Más de 50 funciones de control.

Software de comunicación con PC

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Variador de frecuencia iS7. Control vectorial de lazo cerrado, permite una precisa relación velocidad / torque

En todo rango de velocidad cero , se genera un torque (más del 250%) mediante

el procesamiento de pulsos de 200kHz realizado por la tarjeta dedicada de encoder.

Rango de regulación de velocidad 1000:1

Capacidad de torque instantáneo 250%

Respuesta de control de 60 Hz

42

Variador de frecuencia iS7.

Parametros y navegación orientado a procesos

Comodidad para los usuarios a través de las interfaces amigables

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Variador de frecuencia iS7

Tipo estándar

Tipo normal Tipo comunicación

Carcasa

Función de seguridad No disponible

Filtro EMC

(tipo compacto)No disponible

E/S

Entrada multifunción 8 puntos 4 puntos

Tren de pulso No disponible

ComunicaciónRS485

(LS bus/ Modbus RTU)

DeviceNet

Ethernet IP & Modbus TCP (RS-485 incorporada)

CANopen

Tipo estándar (normal) Tipo estándar (comunic.)

S ólo Ethernet IP & Modbus TCP

iS7

Entrad

a

Digitales 8

NPN / PNP Available

Analógica (V) -10 ~ +10 [V]

Analógica (I) 0 ~ 20 [mA]

Tren de pulsos Opcional

Salida

Relé 2

Colector abierto 1

Analógica (V) 0 ~ 10 [V]

Analógica (I) 0 ~ 20 [mA]

Comunic

Integrad

a RS - 485

LS BUS / MODBUS-

RTU

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Ranuras para módulos de expansión

Profibus DP DeviceNet CANopen CC-link Ethernet IP / Modbus-TCP LonWorks R-Net

PLC Card Extension I/O card Extension I/O card 2 Synchronous Card S/W Download

Tarjeta de E/S

Ranura 1

Encoder Card -Closed loop control -Pulse train reference -L.D. / O.C. -200kHz Max. input Freq. -Signal loss detection

Position Sync. Card

Tarjeta de Control

Ranura 2

Ranura 4

Ranura 3

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Familia de Variadores Startvert – Baja tensión

Monofásico

200V

Trifásico

200V/400V

kW

kW

iC5

iG5A

iS7

iG5A

iP5A

400V class

200V class

400V class

200V class

400V class

200V class

v/f

v/f

46

Gracias …

47

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