VARIADORES DE VELOCIDAD/ARRANCADORES … POWER... · del estátor corta el rotor, generando...

DEPARTAMENTO TCNICO POWER ELECTRONICS DOC 4220000F

VARIADORES DE VELOCIDAD/ARRANCADORES ESTTICOS:

APLICACIONES, INSTALACIN Y NORMATIVA SOBREREGULACIN Y CONTROL DE MOTORES DE C.A.

1.- PRINCIPIOS DE CONTROL DE LOS MOTORES DE INDUCCINPOWER ELECTRONICS

SECCIN 1: PRINCIPIOS DE LOS MOTORES DE INDUCCIN 11.1.- CONSTITUCIN DE UN MOTOR DE INDUCCIN DE JAULA DE ARDILLA1.2.- BOBINAS DEL ESTTOR1.3.- ACCIN DEL ROTOR1.4.- RELACIN PAR-VELOCIDAD1.5.- CORRIENTE Y VELOCIDAD1.6.- MOTORES ESPECIALES1.7.- CONTROL DE VELOCIDAD EN UN MOTOER DE JAULA DE ARDILLA

SECCIN 2: PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRNICOS 52.1.- ARRANQUE DIRECTO2.2.- PROBLEMAS DEL ARRANQUE DIRECTO2.3.- EFECTO DE LA TENSIN REDUCIDA EN EL ARRANQUE2.4.- MTODOS DE ARRANQUE POR REDUCCIN DE TENSIN2.5.- PRINCIPIOS DE CONTROL DE UN TIRIRSTOR2.6.- ARRANCADORES ELECTRNICOS2.7.- RAMPA DE TENSIN, LMITE DE CORRIENTE EN ARRANQUE

SECCIN 3: PRINCIPOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES C.A. 103.1.- VARIACIN DE LA FRECUENCIA DE ALIMENTACIN3.2.-PORQU V/HZ CONTANTE?3.3.- INCREMENTO DE TENSIN3.4.- DIAGRAMA DE BLOQUES DEL VARIADOR3.5.- CIRCUITO INVERSOR3.6.- MODULACIN DE LA FORMA DE ONDA3.7.- MODULACIN DEL ESPACIO VECTORIAL3.8.- DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DE CONMUTACN3.9.- EL CONTROL ELECTRNICO3.10.- VIGILANCIA DE LA CORRIENTE EN EL MOTOR3.11.-EQUIPOS MONOFSICOS3.12.-REGENERACIN3.13.-TIPOS DE CARGA

SECCIN 4: PRINCIPIOS DEL CONTROL VECTORIAL DEL FLUJO 194.1.- DIFERENCIAS ENTRE EL CONTROL ESCALAR Y EL VECTORIAL4.2.- REPASO DEL MOTOR DE CC4.3.- CONCEPTOS DEL CONTROL VECTORIAL4.4.- CONCEPTO DE ROTACIN DEL SISTEMA DE REFERENCIA4.5.- SNTESIS DE LA CORRIENTE DEL ESTTOR4.6.- CONTROLADORES DE LA SERIE ELITE DE POWER ELECTRONICS4.7.- SERIE ELITE: CONTROL TOTAL DEL PAR Y LA VELOCIDAD

SECCIN 5: ARMNICOS EN SECTORES INDUSTRIALES 235.1.- QU SON LOS ARMNICOS?5.2.- QUIN PRODUCE ARMNICOS?5.3.- CALES SON LOS EFECTOS DE LAS CORRIENTES ARMNICAS DE ENTRADA?5.4.- CMO REPERCUTE LA DISTORSIN DE LA TENSIN SOBRE EL SISTEMA DE

DISTRIBUCIN?5.5.- CALES SON LOS REQUERIMIENTOS LEGALES RESPECTO A LA SUPRESIN DE

ARMNICOS?5.6.- CMO PUEDO REDUCIR LOS ARMNICOS EN MI SISTEMA DE DISTRIBUCIN?

INDICE

APLICACIONES, INSTALACIN Y NORMATIVA SOBRE REGULACIN Y CONTROL DE MOTORES DE C.A. 4220000f

SECCIN 6: COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNTICA EN VARIADORES DE VELOCIDAD 276.1.- QU ES LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNTICA?6.2.- QU PRODUCE RFI EN UN VARIADOR?6.3.- CMO EMITE RFI EL VARIADOR?6.4.- CMO PODEMOS SUPRIMIR LAS RFI?6.5.- QU MEDIDAS DE SUPRESIN DE RFI INCORPORA UN VARIADOR?6.6.- SOBRE EL APANTALLAMIENTO6.7.- SOBRE LAS TIERRAS6.8.- NECESITAR FILTROS ADICIONALES?6.9.- Y LA INMUNIDAD DE MI VARIADOR FRENTE A RFI EXTERNAS?

SECCIN 7: AHORRO DE ENERGA EN BOMBAS Y VENTILADORES 31INTRODUCCIN7.1.- CUNDO SE PRODUCE EL AHORRO7.2.- CARACTERSTICAS DE LA BOMBA Y EL VENTILADOR7.3.- COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA COMO CONSECUENCIA DE LA VARIACIN DE VELOCIDAD7.4.- CARACTERSTICAS DEL MOTOR7.5.- EFECTOS DE LA VARIACIN DE VELOCIDAD EN LAS CURVAS CARACTERSTICAS7.6.- RELACIONES BSICAS7.7.- EFICIENCIAS7.8.- MTODOS DE CONTROL DE FLUJO7.9.- REPRESENTACIN GRFICA DEL DESPILFARRO DE ENERGA7.10.- AHORROS REALES7.11.- INFORMACIN NECESARIA PARA EL CORRECTO ASESORAMIENTO DE AHORRO DE

ENERGA

SECCIN 8: AHORRO DE ENERGA EN UNA ESTACIN CLIMATIZADORA 378.1.- MTODO TRADICIONAL, CON VLVULAS DE 3 VAS8.2.- MTODO OPTIMIZADO, CON VARIADOR Y ARRANCADOR ESTTICO8.3.- AHORRO DE CAUDAL EN LA BOMBA DE AGUA FRA:

8.3.1.-TABLAS DE CAUDAL, POTENCIA Y VELOCIDAD EN LA BOMBA8.3.2.- CLCULO DE AHORRO EN LA INSTALACIN8.3.3.- AHORRO Y AMORTIZACIN

8.4.- CAUDAL DE AIRE EN LOS CLIMATIZADORES8.4.1.- TABLAS DE CAUDAL, POTENCIA Y VELOCIDAD DEL VENTILADOR8.4.2.- CLCULO DEL AHORRO DE LA INSTALACIN8.4.3.- AHORRO Y AMORTIZACIN



1.- PRINCIPIOS DE CONTROL DE LOS MOTORES DE INDUCCINPOWER ELECTRONICS 1

1.1 CONSTRUCCIN DE UN MOTOR DE INDUCCIN DE JAULA DE ARDILLA

En todo motor elctrico podemos distinguir dos partes: rotor y esttor.El rotor est fijado a un eje (fig 1.1), e introducido dentro del esttor mediante rodamientos, de forma que puedegirar libremente.

El rotor se construye con barras cortocircuitadas elctricamente por medio de anillos en los extremos formandola denominada jaula de ardilla.

Cuando el motor se conecta a una fuente de suministro trifsica, el esttor induce unas corrientes en las barrasdel rotor. La interaccin del campo magntico generado entre el rotor y el esttor origina el par y por tanto larotacin del rotor.

Al final del eje del rotor se fija un ventilador, encargado de refrigerar el interior del motor cuando este est girando.

SECCIN 1: PRINCIPIOS DE LOS MOTORES DE INDUCCIN

fig 1.1. Costitucin del motor de jaula de ardilla

ROTOR

ROTOR

VENTILADOR

BOBINA DEL ESTTOR

ESTTOR


POWER ELECTRONICS

1.2 BOBINAS DEL ESTATOR

El esttor se construye con acero perforado, montadocomo un cilindro hueco.La parte interior es un armazn de hierro fundido oaluminio.

Unas bobinas distribuidas en tres fases se distribuyenen las ranuras del interior de la circunferencia.Cada una de las tres bobinas del esttor tienen dosmitades colocadas en posiciones diagonalmenteopuestas respecto al esttor.Las bobinas estn desfasadas 120 entre s(fig 1.3).El sentido de arrollamiento de las bobinas es tal que,cuando la corriente pasa a travs de ellas, se induceun campo magntico a travs del rotor. En este caso,cada bobina tiene dos polos, con lo que el motor serbipolar.

Las bobinas en un esttor de dos polos se muestranen la figura 1.3. Cuando tres bobinas se conectan auna alimentacin trifsica ya sea en configuracinestrella o tringulo, crean un campo magntico queproduce la rotacin. La velocidad de rotacin delcampo est directamente relacionada con la frecuenciade la alimentacin. As, una alimentacin de 50Hzcrea un campo de rotacin de 50 rev/segundo, esdecir, 3000 r.p.m ( figura 1.4)

En el esttor dibujado en la figura 1.4, cada bobinatiene cuatro secciones, desfasadas 90 entre s.Cuando la corriente pasa por cada una de las bobinas,en el esttor se crean dos campos magnticos, conlo que cada bobina tiene cuatro polos y el motor sedenomina tetrapolar.Cuando las bobinas se conectan a una fuente dealimentacin trifsica, el campo magntico gira a lamitad de la frecuencia de suministro. Por lo tanto paraun suministro de 50Hz la velocidad de rotacin delcampo ser de 25 rev/segundo o lo que es lo mismo1500 r.p.m.

De la misma forma, el campo en un esttor de 6 polosgira a un tercio de la frecuencia de alimentacin,(1000 r.p.m. a 50Hz) y para un esttor de 8 polos elcampo gira a un cuarto de la frecuencia de alimen-tacin (750 r.p.m. a 50Hz).

fig 1.2.- Cableado del esttor

fig1.3.- Generacin del campo magntico rotatorio en un motorde dos polos.

2 1.- PRINCIPIOS DE CONTROL DE LOS MOTORES DE INDUCCIN

fig1.4.-Generacin del campo magntico en un esttor tatrapolar.



1.3 ACCIN DEL ROTOR

Cuando aplicamos tensin en bornas del motor, elcampo magntico rotativo generado por las bobinasdel esttor corta el rotor, generando corrientesinducidas en sus barras (figura 1.5).

La frecuencia de la corriente del rotor es proporcionala la diferencia entre la velocidad del rotor y el campomagntico generado por el esttor y se denominafrecuencia de deslizamiento. La corriente del rotorinduce un campo magntico en el rotor que gira a lamisma velocidad que el campo del esttor, siendo lainteraccin entre ambos campos la que produce unpar de giro en el rotor.

1.4 RELACIN PAR VELOCIDAD

Cuando se incrementa la velocidad del motor, ladiferencia entre la velocidad del campo en el esttory las barras del rotor es menor, lo que reduce elcampo rotrico y en consecuencia el par disminuye.Cuando se alcanza la velocidad del campo del esttorno hay campo inducido en el rotor y el par generadoes cero. Estamos en la llamada velocidad desincronismo del motor.En la figura 1.6 aparecen las diferentes velocidadesde sincronismo de acuerdo con el nmero de polosdel esttor para una frecuencia de suministro de50Hz.Cuando aumenta el par de la carga la velocidad delrotor decrece, con lo que aumenta el deslizamiento.Esto provoca que el flujo del esttor corte las barrasdel rotor a mayor velocidad y, por consiguiente, seincremente la corriente en el rotor y el par.Sin embargo con el incremento de la corriente delmotor se produce una cada de tensin suplementariaen la bobinas del estator, que provocar undebilitamiento del campo en el esttor.

En la figura 1.7 se muestra una curva tpica de par/velocidad cuando el motor es excitado con unafuente de alimentacin trifsica.

1.5 CORRIENTE Y VELOCIDAD

Con deslizamientos altos, la velocidad del campomagntico que corta el rotor aumenta, as como lacorriente que circula por l.Esto se ve reflejado en un aumento en la corrientedel esttor. Como en el instante inicial el rotor estinmvil y alimentado con una frecuencia de suministrode 50Hz, la corriente en el esttor puede alcanzarentre 6 y 10 veces la corriente nominal a plena carga.En la figura 1.8 se muestra la curva tpica de corrientey velocidad en un motor de induccin de jaula deardilla.Incluso cuando el motor est sin carga y girandocerca de la velocidad de sincronismo absorbe unasignificativa cantidad de corriente de naturaleza

A: CORRIENTES INDUCIDASEN EL ROTOR

B: INTERACCIN ENTRELOS CAMPOS PARAPRODUCIR PAR

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fig1.5.- Corrientes inducidas en el rotor

fig1.6.- Velocidad de sincronismo segn el nmero de polos.

fig1.7.- Curva par-velocidad de un motor de induccin.

fig1.8.- Curva corriente de lnea-velocidad

SUR

NORTE

direccin del camporotatorio del esttor

ESTTOR

ESTTORPAR

reactiva, destinada a la magnetizacin de la mquina.Estas componentes de magnetizacin crean el flujoen el motor. Esta es la razn por la que un motorsiempre funciona con un factor de potencia por debajode la unidad , tpicamente 0.86 a plena carga.

1.6 MOTORES ESPECIALES

Motor de rotor bobinado: En este tipo de motores,en el rotor se introduce un bobinado trifsico (verfigura 1.9). El bobinado del rotor se puede conectaral exterior por medio de escobillas y anillos rozantes.Este tipo de motores pueden tener resistenciasexteriores colocadas en el circuito del rotor, lo quepermite reducir la corriente absorbida, reduciendo lasaturacin en el hierro y permitiendo un incrementoen el par de arranque. Conforme aumenta la velocidaddel rotor, el valor de las resistencias se reduce hastallegar a cero lo que permite mantener un par alto.La figura 1.10 muestra la curva caracterstica de pary velocidad cuando varan las resistencias del rotor.

Motor de rotor de doble jaula: En este tipo de motorel rotor tiene dos secciones. La exterior est diseadacon un material de resistencia ms elevada que lainterior. Cuando el motor est funcionando a bajavelocidad (mientras arranca), la frecuencia dedeslizamiento es alta y la corriente del rotor tiende acircular por la cara exterior (debido al efecto piel ),con lo que la resistencia efectiva es mayor y enconsecuencia aumenta el par de arranque.Cuando la velocidad del rotor aumenta, la frecuenciade deslizamiento decrece y la corriente del rotorcircula por la zona de baja resistencia del rotor, deforma que las prdidas energticas son menores.

1.7 CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTORDE JAULA DE ARDILLA

En principio un motor de jaula de ardilla es un motorde velocidad fija, pero que puede ser controladaactuando sobre el nmero de polos y la frecuenciade suministro a la que est conectado.La ecuacin de la velocidad de un motor esN= (f x 120 /p) -sdonde:N = Velocidad del motor en revoluciones por minuto

f = Frecuencia de suministro al motor el Hz

p = Numero de polos en el estator

s = Deslizamiento del motor en revoluciones por minuto

De esta ecuacin puede deducirse que la velocidadpuede ser variada de tres formas diferentes:a) Cambiando el nmero de polos.Esto requiere un motor con doble bobinado y ademsla velocidad no vara de forma continua sino que seproduce un salto de una velocidad a otra. Por ejemplo,un motor de 2/8 polos conectado a 50Hz tiene dosvelocidades de sincronismo: 3000 y 750 r.m.p.

fig1.9.- Motor de rotor bobinado.

fig1.10.- Evolucin de la curva par-velocidad variando laresistencia rotrica

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b) Cambiando el deslizamiento.Puede hacerse variando la tensin suministrada almotor, lo que provoca que la curva de par velocidaddisminuya causando un mayor deslizamiento conformeaumenta la carga en el motor. En general, la reduccinde par es proporcional al cuadrado de la reduccinde voltaje. Ver figura 1.10.Para trabajar correctamente este mtodo requiereuna carga con una caracterstica creciente de par yvelocidad. Cualquier variacin en la carga causaruna variacin en la velocidad del motor.

c) Variando la frecuencia de suministro del motor.Este mtodo es el utilizado por los controladores develocidad electrnicos.La figura 1.10 muestra la familia de curvas par-velocidad cuando se modifica la frecuencia dealimentacin.Es el mtodo ms indicado para el control de lavelocidad, por las siguientes razones:Se obtiene un rendimiento elevado en todo el rangode velocidades.Se dispone de una variacin continua (sin saltos) dela velocidad que puede ser controlada elctricamenteva seales de control tales como 0-10Vdc o 4-20mA.Esto hace que los variadores de velocidad paramotores de CA sean ideales para los procesos deautomatizacin.El par disponible en el motor es constante, inclusoa bajas velocidades, lo que nos da la posibilidad detrabajar con cualquier tipo de carga.Se puede trabajar con frecuencias superiores a 50Hz.

POWER ELECTRONICS1.- PRINCIPIOS DE CONTROL DE LOS MOTORES DE INDUCCIN


2.-PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRNICOSPOWER ELECTRONICS

correspondiente al par del motor.Al comenzar el arranque directo este exceso de parpuede ocasionar: shocks mecnicos, deslizamientoen las correas, stress en las trasmisiones ygolpes de ariete en las canalizaciones conectadas abombas.El arranque directo es, bsicamente, un arranqueincontrolado.

El segundo efecto es la enorme sobrecorriente quecircula por el motor (figura 2.3). La corriente dearranque tpica, en el momento del arranque, es deunas seis veces la corriente nominal. Ello es debidoa que, en el arranque, el deslizamiento es mximo yel motor se comporta como un transformador con elsecundario en cortocircuito. Esta sobrecorriente puedeocasionar cadas bruscas de la tensin en lneas depoca capacidad y obliga a dimensionar los contactoresy fusibles adecuados para evitar daos.Las compaas de electricidad normalmente pidenque se tomen medidas para reducir las sobrecorrientesde arranque.

El tercer efecto es el calentamiento adicional delmotor. El calentamiento del rotor es mayor duranteel arranque dado que su resistencia efectiva seincrementa en relacin al funcionamiento normal.Esto es debido a que el denominado "efecto piel"concentra la corriente en la superficie de las barrasdel rotor (en el instante inicial del arranque, lafrecuencia de las corrientes rotricas es 50 Hz,comparados con los 2 3 Hz correspondientes alfuncionamiento normal). El sobrecalentamiento delrotor puede ser importante tras varios arranquesconsecutivos, o con cargas de elevada inercia, ypuede llegar a fundir las barras o los bobinados delrotor.

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2.1 ARRANQUE DIRECTO

Las caractersticas del arranque directo de un motorde induccin pueden ser mejor asimiladas a partir delestudio del circuito equivalente completo del motor(figura 2.1).En el arranque el deslizamiento es mximo (1) y eltrmino RL/s es muy pequeo, por lo queprcticamente es un cortocircuito. La mayor parte dela corriente del esttor circula por el rotor, estandolimitada por las impedancias de los bobinadosestatrico y rotrico.

Asmismo, el efecto de divisor de tensin entre elrotor y el esttor provoca que la inductanciamagnetizante Lm no reciba toda la tensin dealimentacin. As pues, en el arranque, el campo delmotor es ms dbil y el par del motor se reduceaproximadamente al 50% del pico.

Las figuras 2.2 y 2.3 muestran las caractersticas par-velocidad y corriente-velocidad tpicas en un motorde induccin con rotor en cortocircuito (jaula de ardilla).

2.2 PROBLEMAS DEL ARRANQUE DIRECTO

En el arranque directo de un motor de induccin,podemos destacar fundamentalmente tres efectos.

El primero es el exceso de par aplicado (figura 2.2).Incluso si el par resistente inicial de la carga es bajo,durante el arranque directo se producen una serie deoscilaciones bruscas del par (que alcanzan valoresmuy elevados) a medida que la velocidad aumenta.Este exceso de par est representado por el reacomprendida entre la curva del par de carga y la

fig2.1 Esquema equivalente completo de una fase del motor de induccin

fig2.2 Curva par-velocidad fig2.3 Curva corriente-velocidad

SECCIN 2.- PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRNICOS

ROTORESTATOR

I T I RL IRL I S R r

Inductanciamagntica

L m

I m

1-SS

Rr

Rs

Resistencia de carga. sereduce con el incrementode deslizamiento


2.3 EFECTO DE LA TENSIN REDUCIDA EN ELARRANQUE

Se puede demostrar que si la tensin de alimentacinde un motor de induccin es reducida durante elarranque, el par disponible disminuye con el cuadradode la tensin (figura 2.4). Si la tensin aplicada almotor se reduce al 71%, el par disponible se quedareducido al 50% (0.710.71) del valor total. La corrientede arranque tambin se reduce, pero no tanto comoel par.

Cualquier tcnica de arranque basada en la reduccinde la tensin de alimentacin ocasionar que el motorfuncione con un elevado deslizamiento duranteperiodos de t iempo prolongados. Cuando eldeslizamiento es elevado, el par es moderado, elfactor de potencia empeora y el calentamiento delmotor (especialmente del rotor) se incrementa.

Un variador de frecuencia es un mtodo ms efectivode arranque para un motor de induccin. Dado queel variador incrementa la frecuencia de acuerdo conuna rampa prefijada, el motor puede ser aceleradosin que el deslizamiento sea elevado, de forma quela corriente de arranque puede ser minimizada yobtener un par de arranque controlado.Este sistema presenta la ventaja de poder variar lavelocidad de forma continua. El principal inconvenientees el mayor coste inicial del variador.

2.4 MTODOS DE ARRANQUE POR REDUCCINDE TENSIN

Todos los mtodos de arranque que vamos a analizaren este apartado reducen la tensin de alimentacinpero no modifican la frecuencia. Como consecuencia,el cociente entre el par y la corriente es reducido.

1) Estrella-tringulo:Este mtodo puede ser utilizado para motores conbobinados 400Vac. En funcionamiento normal, losdevanados estn conectados en tringulo, pero enlos primeros instantes del arranque se conectan enestrella. Esto reduce la tensin en bornes de losdevanados al 57%, y el par de arranque al 33%. Estemtodo tiene la ventaja de mantener constante elcociente entre el par del motor y la corriente.

Este mtodo requiere dos contactores y un relretardado si el arranque es automtico. Durante latransicin de estrella a tringulo el motor estdesconectado durante unos instantes, lo que produceuna prdida momentnea del par y un pico de corrienteen la reconexin (figura 2.5).

2) Autotransformador:Un arranque por autotransformador se realizamediante un autotransformador con varias salidas.Al principio, el motor se conecta a la salida de menortensin, conmutando a continuacin a salidas devoltaje superior a medida que la velocidad se

2.-PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRNICOSPOWER ELECTRONICS6

incrementa hasta llegar a la tensin nominal.Normalmente se realizan dos o tres etapas. Cadaetapa requiere un contactor, que necesita sercontrolado mediante un rel retardado en el caso deun arranque automtico. Este mtodo desconectamomentneamente el motor en cada salto, lo queprovoca picos de corriente y prdidas transitorias depar. Una ventaja de este mtodo es el reducido valorde la corriente debido al efecto transformador.

3) Resistencias estatricas:Este mtodo intercala resistencias en serie con laalimentacin durante el arranque. A medida que elmotor aumenta la velocidad, disminuye el valor delas resistencias y finalmente se cortocircuitan.Un arrancador de este tipo de uso muy extendidoutiliza resistencias lquidas, constituidas por lminasconductoras introducidas en recipientes de carbonatosdico como elementos resistivos. Este mtodo noproporciona muy buenos resultados en lo que serefiere al control de la tensin en los terminales delmotor y es bastante ineficiente debido a las elevadasprdidas en las resistencias durante el arranque.

4) Arrancadores electrnicos:En su forma ms extendida, un arrancador electrnicoest constituido por tres pares de tiristores enantiparalelo intercalados entre la lnea y el motor. Mediante el control del disparo de los tiristores puedeser reducida la tensin aplicada al motor.

fig2.4.- Curvas par-velocidad en funcin de la tensin

fig2.5.- Caractersticas del arranque estrella-tringulo


2.-PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRNICOSPOWER ELECTRONICS 7

2.5 PRINCIPIOS DEL CONTROL DE UN TIRISTOR

Un tiristor es un semiconductor utilizado comointerruptor, con dos terminales de potencia,denominados nodo (A) y ctodo (K), y un terminalde control denominado puerta (G).

Principios de funcionamiento: (figura 2.6)Si la tensin en el ctodo es superior a la del nodo,el tiristor est polarizado en inversa y bloquea el pasode la corriente.

Si la tensin en el nodo es mayor que en el ctodo,el tiristor est polarizado en directa, y bloquea elpaso de la corriente hasta que el terminal de puertarecibe un pulso positivo respecto al ctodo.Este pulso provoca la conduccin del tiristor y lacorriente circula de nodo a ctodo. El tiristor continaconduciendo cuando el pulso deja de aplicarse y lohace hasta que la corriente se anula, momento enel cual recupera su poder de bloqueo.

Conexin en antiparalelo:Una conexin en paralelo de dos tiristores con losterminales invertidos se denomina en antiparalelo.En esta configuracin, los tiristores pueden serutilizados para controlar tensiones alternas.En el semiciclo positivo, SCR1 controla la corrienteque circula hacia la carga. En los semiciclos negativos,SCR2 es el encargado de controlar la corrientecirculante.

Control de fase:Controlando el instante de disparo de los tiristorespodemos controlar el valor eficaz de la tensinaplicada a la carga.La figura 2.8 muestra la tensin aplicada a la cargasegn el instante de disparo de los tiristores as comola tensin en la carga cuando los tiristores soncontrolados con un gran ngulo de disparo. La tensinrealmente aplicada a la carga (en trazo oscuro), escomparativamente pequea.

La figura 2.8.b muestra la tensin en la carga cuandolos tiristores se disparan en el punto medio de cadasemiciclo. La tensin eficaz en la carga es ahora al50 % de la tensin de entrada.

fig2.8.- Control de Fase

fig2.6b.- Caracterstica del tiristor: Curva caractersticaV-I del SCR

fig2.6a.- Caracterstica del tiristor: smbolo y terminales delSCR

fig2.7.- Conexn de tiristores en antiparalelo

La figura 2.8.c muestra la tensin en la carga con unngulo de disparo pequeo. La tensin eficaz es delorden del 80% de la tensin de entrada.

El control de la tensin aplicada a la carga medianteel control del disparo de los tiristores se denominacontrol de fase y es el principio de los arrancadoreselectrnicos de Power Electronics.


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2.6 ARRANCADORES ELECTRNICOS

Los arrancadores de Power Electronics tienen trespares de tiristores en antiparalelo, un par por cadafase de la lnea de alimentacin.

Estos tiristores son controlados mediante pulsosgenerados por la tarjeta de control. Los pulsos dedisparo son aplicados a los tiristores a travs de untransformador de pulsos o un optoacoplador, queproporciona aislamiento galvnico entre los circuitosde control y los de potencia. As pues, el arrancadorpuede ser puesto en marcha o parado y la tensinaplicada al motor controlada automticamente a partirde la tarjeta de control.

Los arrancadores incorporan funciones adicionalestales como la medida de la corriente que circula porel motor, proporcionando una proteccin contrasobrecargas trmicas. Con todo, se requieren fusiblesde entrada a fin de proteger los tiristores y el motorcontra sobrecargas y cortocircuitos.

2.7 RAMPA DE TENSIN, LMITE DE CORRIENTEEN ARRANQUE

La rampa de tensin es un mtodo de arranque enel que se aumenta progresivamente la tensin aplicadaal motor.En la figura 2.10 la tensin de salida del arrancadorefecta una rampa desde 0 al 100% en cuatrosegundos. Sin embargo es conveniente sealar que

8 2.- PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRNICOS

existe un retardo entre el comienzo de la rampa y elmomento en que el motor comienza a girar. El tiempode rampa es ajustable por el usuario.

Normalmente, un nivel de tensin inicial es ajustablepor el usuario, lo que permite fijar el comienzo de larampa. En el ejemplo de la figura 2.10b, el nivel detensin inicial ha sido fijado al 40%, lo que permiteque el motor comience inmediatamente a girar cuandose da la orden de arranque.

El arranque con corriente limitada es un mtodo queslo es uti lizable cuando el arrancador midepermanentemente la corriente de salida. La corrientemxima de arranque es preseleccionada por elusuario. Al principio del arranque, se mantiene larampa de tensin prefijada en tanto la corrientepermanece por debajo del valor mximo prefijado.Llegados a este punto, la rampa de tensin se ajustapara mantener la corriente en este valor o por debajode l.

Este mtodo es utilizable si se desea limitar la corrientemxima en el arranque debido, por ejemplo, a lainsufic iente capacidad de la alimentacin.Asmismo, es tambin un buen mtodo para arrancarcargas de elevada inercia que son aplicadas al motornicamente cuando este gira a la velocidad nominal.Ejemplos: venti ladores, hojas de sierra, etc.

fig 2.9 Extructura de un arrancador


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En la figura 2.11.a se ha seleccionado una corriente lmite del 400%, y el proceso de aceleracin de la carga serealiza sin problemas. Sin embargo, en la figura 2.11.b, la corriente lmite se ha seleccionado al 200%, y en unpunto del ciclo de aceleracin, el par resistente ofrecido por la carga se hace superior al disponible en el eje delmotor. Llegados a este punto, el motor es incapaz de accionar la carga y termina parndose.

92.- PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRNICOS

fig 2.10 Rampa de tensin

fig 2.11. Lmite de corriente en el arranque


SECCIN 3.- PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A.

3.1. VARIACIN DE LA FRECUENCIA DEALIMENTACIN.

En la figura 3.1 podemos ver de qu forma la variacinde la frecuencia de alimentacin repercute en lavelocidad del motor. En ella aparece la familia decurvas par-velocidad del motor alimentado a frecuenciavariable.

3.2. POR QU V/Hz CONSTANTE?

En la figura 3.2 se muestra un circuito equivalente deuna fase de un motor de induccin. En este circuitoequivalente aparecen dos caminos en paralelo parala corriente del motor, por lo que esta se divide endos componentes.Una componente es la corriente de carga, designadacomo IR. Es la componente "real" y circula por el rotor.Esta corriente es generadora de par y por lo tantoaumenta con la carga del motor.La otra componente es la corriente magnetizante,designada como IM. Circula por el esttor y es"imaginaria",es decir, est desfasada 90 respecto ala componente real. La corriente magnetizante es laque genera el flujo en el motor y por lo tanto esconveniente que permanezca constante cuando lacarga vara.

La figura 3.3 muestra las dos componentes de lacorriente como vectores. Podemos ver como el nguloentre la corriente total IT y la corriente de carga IRdisminuye cuando aumenta la carga del motor, lo quemejora el factor de potencia. La corriente magnetizanteIM permanece constante, independientemente de lacarga. Es la corriente magnetizante quien genera elcampo magntico en el esttor, afectando a lacapacidad del motor de producir par.El valor de la corriente magnetizante puede sercalculado mediante la expresin:

IM=

donde: V= tensin de alimentacin

f = frecuencia de alimentacin

L= inductancia magnetizante del esttor

De esta expresin podemos deducir que si reducimosla frecuencia de alimentacin sin disminuir la tensin,la corriente magnetizante aumentar inversamentecon la frecuencia.

Esto conduce a la saturacin magntica del motor sila tensin de alimentacin del motor no es reducidajunto con la frecuencia.As pues, en un controlador electrnico de la velocidad,la tensin de alimentacin del motor debe ser ajustadaen proporcin a la frecuencia, de forma que la corrientede magnetizacin permanezca constante.

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En el ejemplo de la figura 3.4, como la frecuencia desalida est ajustada de 0 a 50 Hz, la tensin de salidaest ajustada del 0 al 100% (esto es, 0 a 400 Vac).Esto asegura que el flujo en el motor permaneceaproximadamente constante. Un funcionamiento deeste tipo recibe el nombre de relacin tensin-frecuencia constante.

Es de remarcar que la frecuencia puede elevarse porencima de 50 Hz, de forma que el motor trabaje ensobrevelocidad. Sin embargo, la tensin del motorno puede aumentarse por encima del 100%, debidoa la limitacin de la tensin de alimentacin. As pues,a partir de 50 Hz, el cociente tensin/frecuenciadisminuye, reducindose el flujo en el motor. Estorepercute en una disminucin del par que el motores capaz de dar a velocidades superiores a 50 Hz.Este fenmeno se denomina debilitamiento delcampo.

POWER ELECTRONICS3.- PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A.

ROTORESTATOR

I T I R

Inductanciamagntica

L m

I m

RL

Rs

Resistencia de carga. sereduce con el incrementode deslizamiento

fig3.1 Evolucin de la curva par-veocidad cuando vara lafrecuencia de alimentacin.

fig3.2 Circuito equivalente de una fase del motor.

fig3.3 Diagrama vectorial de la corriente en el motor


POWER ELECTRONICS 1111

3.3. INCREMENTO DE TENSIN.

La figura 3.2 muestra un circuito equivalente de unafase de un motor de induccin. Hasta ahora hemosdespreciado los efectos de las impedancias serie delesttor, Rs y XLS. Estas impedancias producen unacada de tensin cuando el motor est en carga, loque determina una reduccin de la tensinefectivamente aplicada al motor. Esto ocasiona eldebilitamiento del campo estatrico y la consiguientedisminucin del par disponible. Este hecho adquieremayor importancia a velocidades bajas, cuando latensin aplicada al motor es as mismo pequea.

Para solucionar este problema, debemos proceder aun incremento de la tensin aplicada al motor. Esdecir, a velocidades bajas la relacin tensin-frecuencia es aumentada, tal como indica la figura3.5. Este incremento se requiere habitualmente cuandola carga necesita un elevado par de arranque, comopor ejemplo cintas transportadoras o cargas de graninercia. Un incremento de tensin excesivo puedeocasionar la saturacin del motor, y por lo tanto lasobrecarga del motor o del variador.

Los ltimos variadores de velocidad inteligentespueden calcular y aplicar de forma automtica elincremento de tensin ptimo.

3.- PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A.

3.4 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL VARIADOR

La figura 3.6 muestra un esquema de bloques simplificado de un variador de velocidad. Las tres fases de laalimentacin llegan a la entrada, donde la tensin es rectificada y posteriormente filtrada a travs de un filtro L-C.Este bus continuo alimenta un puente inversor, el cual trocea la tensin para conseguir un sistema trifsico ala tensin y la frecuencia necesarias para que el motor gire a la velocidad deseada.

3.5 CIRCUITO INVERSOR

El circuito inversor consta de 6 interruptoreselectrnicos (semiconductores), en configuracinpuente trifsico (figura 3.8). En un principio, losinterruptores utilizados eran tiristores rpidos con suscorrespondientes circuitos de conmutacin forzada.Posteriormente fueron sustituidos por transistoresbipolares (montaje Darlington), y actualmente seutilizan Transistores Bipolares de puerta aislada(IGBT).

La conmutacin de los transistores se produce de la

siguiente manera: cuando el transistor superior de

cada fase entra en conduccin, el inferiorcorrespondiente se b loquea y v iceversa. De esta forma tenemos que el punto medio de cadasemipuente conmuta alternativamente del polo positivoal negativo del bus de continua.

Si cada una de las fases conmuta de esta forma,pero con un desfase entre ellas de 120, las tresformas de onda resultantes (VAO, VBO, VCO) sonlas dibujadas en la figura 2.8. Si consideramos latensin entre fases (VAB en la figura), el resultado

es una onda de 6 pulsos o semi-cuadrada.

fig3.4.- Relacin tensin-frecuencia en el variador

fig3.5.- Compensacin de la tensin a velocidades reducidas

fig3.6.- Diagrama de bloques del variador


VBC y VCA tienen la misma forma pero desfasadas120 y 240 respectivamente.

As pues, en la salida del puente inversor tenemos trestensiones trifsicas cuya frecuencia viene dada por lafrecuencia de conmutacin. El valor eficaz de la tensines ajustado por modulacin de la forma de onda. Estose lleva a cabo insertando "huecos" en la onda, comoveremos en el apartado 3.7.

Cuando estas formas de onda se aplican al motor, lainductancia de los bobinados actua de filtro, de maneraque la corriente en el motor es aproximadamentesinusoidal (figura 3.9).

3.6 MODULACIN DE LA FORMA DE ONDA

La figura 3.9 muestra una forma de onda sencilla. Cadainterruptor se ha conmutado a la frecuencia de salidadeseada, con un ciclo de trabajo del 50%.

Sin embargo, en la prctica la forma de onda esmodulada insertando "huecos", de tamao variable. Elpropsito es doble: disminuir el contenido de armnicosde manera que la forma de onda se aproxime a lasenoidal y poder ajustar el valor eficaz de la tensin desalida.

Un mtodo de modulacin a menudo utilizado es la"modulacin sinusoidal" (figura 3.10), en el que unaseal triangular es comparada con una senoidal. Cuandola seal senoidal es mayor que la triangular, el interruptorsituado en la parte superior del semipuente se poneen conduccin. Cuando es la seal triangular la que essuperior a la senoidal, el interruptor inferior recibe ordende conduccin. La forma de onda de la corrienteresultante en el motor es muy prxima a la senoidal,con muy poca distorsin.

La anchura y el nmero de huecos son electrnicamenteajustados para reducir la tensin de salida a medidaque la frecuencia disminuye, tal como se muestra enla figura 3.11.

En los ltimos equipos una nueva tcnica denominadamodulacin del espacio vectorial es utilizada. Con ellase consiguen mejores formas de onda con menosconmutaciones, y ser comentada con ms detalle enel apartado 3.8.

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fig3.8 Formas de onda en la salida del inversor

fig 3.9 Corriente en el motor con tensin semi-cuadrada


fig3.10.- Modulacin y formas de onda del voltaje de salida

fig3.11.- Modulacin tensin de salida



3.7 MODULACIN DEL ESPACIO VECTORIAL.

Un sistema de formas de onda senoidales trifsicaspuede ser representado mediante tres vectoresrotatorios (fasores). La velocidad de rotacin (rev/s)informa sobre la frecuencia, la posicin instantneainforma acerca del estado dentro de un ciclo y lalongitud del vector representa la amplitud de la tensino de la corriente que estn siendo representadas(figura 3.12). La tensin simple (fase-neutro) quedarepresentada por las longitudes de VA-N, VB-N, VC-N, en tanto que la tensin compuesta viene dada porla longitud de los segmentos VA-VB, VB-VC, VC-VA.

En un puente inversor trifsico, intentamos reconstruirseales senoidales, pero no podemos conseguir unaforma de onda perfectamente senoidal dado que notenemos la capacidad de mantener la rotacin deforma continua.

Existen ocho posibles estados de las salidas A, B yC, dependiendo de los IGBT que conduzcan. Dosde esos estados corresponden a un valor nulo de latensin, en tanto que los otros seis corresponden aseis puntos espaciados 60 entre s. En la figura 3.13aparece una tabla que refleja esos ocho estados, ascomo el estado de los interruptores. Movindonosde forma secuencial entre estos seis estados activospodemos generar en la salida una onda semi-cuadrada, como se indica en la figura 3.8

Los ocho estados de la tabla pueden serrepresentados mediante una estructura hexagonal,como se muestra en la figura 3.14. Es de remarcarque el paso de un estado al adyacente, o de unestado activo al nulo, nicamente requiere cambiarel estado de dos IGBT. Este hecho es de granimportancia para lograr la mayor frecuencia deconmutacin posible con un nmero mnimo deinterruptores, a fn de minimizar las prdidas porconmutacin.

Para generar un vector tensin intermedio, esto es,un vector cuya magnitud y desfase no se correspondacon una de las seis esquinas del hexgono, esnecesario modular entre dos estados activosadyacentes (para fijar el desfase) y uno de los estadosnulos (para fijar la amplitud), tal como se muestra enla figura 3.15.

fig3.12.-Vectores trifsicos.

Clave: 0= transistor OFF ; 1=transistor ON ; += salida +Ve ; - = salida -Ve ; 0= salida 0 voltios

estado TR1/4 TR2/5 TR3/6 Va Vb Vc Vab Vbc Vca

0 0/1 0/1 0/1 - - - 0 0 0

1 1/0 0/1 0/1 + - - + 0 -

2 1/0 1/0 0/1 + + - 0 + -

3 0/1 1/0 0/1 - + - - + 0

4 0/1 1/0 1/0 - + + - 0 +

5 0/1 0/1 1/0 - - + 0 - +

6 1/0 0/1 1/0 + - + + - 0

7 1/0 1/0 1/0 + + + 0 0 0

fig. 3.14.- Representacin hexagonal de los estados de salidadel inversor

Clave: 0= transistor OFF ; 1=transistor ON ; += salida +Ve ; - = salida -Ve ; 0= salida 0 voltios


fig. 3.15 Generacin de tensiones intermedias


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Las ventajas de la modulacin del espacio vectorialsobre la modulacin sinusoidal son las siguientes:

Reducido contenido de armnicos en el motor.Esto repercute en una reduccin de las prdidas. La razn estriba en que la frecuencia de conmutacinefectiva es mayor que en la modulacin sinusoidal,para una frecuencia de conmutacin determinada.

Pequeos pares pulsatorios. Los pares pulsatoriosproducidos por las variaciones del flujo magntico enel entrehierro del motor son menores cuando se utilizala modulacin del espacio vectorial.Estas pulsaciones se producen a la frecuencia demodulacin, produciendo un ruido audible (de origenmagnetoestrictivo) en el motor.

Frecuencia de modulacin constante.La modulacin sinusoidal es sncrona, esto es, lafrecuencia de modulacin se ajusta al fundamentalde la frecuencia de salida del inversor. La modulacindel espacio vectorial es asncrona, lo que significaque la frecuencia de modulacin (y en consecuenciala frecuencia del ruido del motor) es constante entodo el rango de frecuencias.

Mejor uso de la tensin de alimentacin.En la modulacin sinusoidal, si accidentalmente laamplitud de la referencia supera la seal portadora(figura 2.10), puede producirse la saturacin de lamodulacin con el consiguiente incremento de ladistorsin en la forma de onda de la tensin.Llevado al extremo, el resultado seran ondas semi-cuadradas.Con la modulacin del espacio vectorial, los lmitesmximos de la tensin de salida sin distorsin vienendeterminados por un crculo inscrito en el hexgono. La mxima tensin sin distorsin es el 115% de laque se puede lograr con moduladores sinusoidales,lo que conlleva un mejor uso de la tensin disponibleen el bus de continua. Sin embargo, a partir de estenivel, las formas de onda de salida pasan a sertrapezoidales.

Adaptacin a la generacin de formas de ondamediante microprocesador.Las tcnicas de modulacin del espacio vectorial sloson realizables en sistemas digitales basados enmicroprocesador. Es posible variar la frecuencia demodulacin para adaptarse a las caractersticas delos IGBT, o utilizar diferentes frecuencias demodulacin para reducir el ruido aparente del motor,como hace la modulacin "Whisperwave" de PDL.

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ESTUDIO TEORICO PRCTICO DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE INDUCIN 4220000f

3.8. DISPOSITIVOS ELECTRNICOS DECONMUTACIN.

Los diferentes interruptores electrnicos utilizados enlos inversores de PDL han sido los siguientes:

Tiristores.Transistores bipolares.Transistores bipolares de puerta aislada (IGBT)

Un tiristor es un semiconductor de potencia formadopor una estructura PNPN (ver principio defuncionamiento en el apartado 2.5). Su uso estabamuy extendido en los aos 70. Sin embargo,actualmente se utilizan cada vez menos.

Un tiristor es normalmente bloqueado forzando quela corriente de nodo se anule, aplicando una tensininversa durante un periodo mnimo de tiempo. El tiristor recupera entonces su capacidad de bloqueartensiones directas. Para llevar a cabo la conmutacinforzada, se requieren componentes externos, talescomo inductancias, condensadores y semiconductoresauxiliares, que son caros y voluminosos. La frecuenciamxima de conmutacin de un tiristor dentro de uncircuito inversor ronda los 750 Hz, debido a las altasprdidas de conmutacin (a frecuencias superiores,el rendimiento del inversor disminuye de formaapreciable). Esto significa que la calidad de la ondasinusoidal de salida es baja, lo que producecalentamientos en el motor.

Un transistor bipolar esta compuesto por unaestructura NPN (o PNP). Si hacemos circular unacorriente Ib por la base (figura 3.17), circular unacorriente de colector Ic. El cociente Ic/Ib se denominaganancia de corriente. En los transistores de potenciaesta ganancia est en torno a 10 incluso menos,pudiendo ser incrementada aadiendo otro transistoren configuracin Darlington. La figura 3.18 muestrael esquema de un tpico transistor Darlington de tresetapas de Fuji, utilizado en la etapa inversora de unvariador de velocidad de motores de induccin.a ganancia total es aproximadamente el producto delas ganancias individuales de cada etapa.En la prctica, el transistor de potencia es utilizadocomo un interrruptor. En el caso de un transistorbipolar, para que conduzca se suministra la corrientede base necesaria para obtener una tensin V

CE

reducida - tpicamente 3 V-. Decimos que el transistor est en saturacin.El bloqueo debe hacerse de forma rpida, a fin dedisminuir las prdidas por conmutacin. Esto se lograinstalando bruscamente una corriente inversa en labase, lo que permite extraer las cargas almacenadasen la unin y devuelve el poder de bloqueo alsemiconductor.

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) esel ltimo dispositivo utilizado. Su control se realizapor tensin, en el cual la conmutacin se realizaaplicando tensin al terminal de puerta.


POWER ELECTRONICS

El funcionamiento del IGBT puede ser modelizadoconsiderando que un transistor MOSFET controla untransistor PNP, como muestra la figura 3.19.El IGBT es puesto en conduccin aplicando unatensin positiva (+15V) en la puerta. Para bloquearrpidamente un IGBT se aplica en la puerta unatensin negativa (-5V). El IGBT presenta ventajasimportantes respecto al Darlington, tales como unamenor tensin de saturacin, frecuencias deconmutacin superiores, mayor capacidad desobrecarga y menor demanda de potencia en elcircuito de control.

Los mayores dispositivos utilizados por PDL tienenun rango de 300A y 1200V. Para alcanzar rangosmayores pueden conectarse dos o ms dispositivosde este tipo. Los variadores de velocidad PDL utilizanhasta seis en paralelo.

Las prdidas globales de un transistor en conmutacines la suma de las prdidas en el encendido, enconduccin y en el apagado (figura 3.20). Las prdidasen conduccin pueden ser reducidas reduciendo latensin VCE. Sin embargo esto aumenta el tiemponecesario para bloquear el componente, lo querepercute en mayores prdidas durante el bloqueo.Cuanto mayor es la frecuencia, mayores son lasprdidas en conmutacin. Una frecuencia tpica defuncionamiento es 4 KHz.

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fig3.18.- Darlington de 3 etapas

fig3.19.- Smbolo y circuito equivalente del IGBT

fig3.20.- Prdidas de potencia, Corriente yTensin en la conmutacin del transistor

fig3.17.- Transistor Bipolar


3.9 EL CONTROL ELECTRNICO.

El control electrnico es el cerebro de un variador develocidad. Bsicamente, realiza las siguientesfunciones:

Recibe la seal de velocidad requerida (0-10V 4-20 mA).Recibe las rdenes del usuario: arranque, paro,inversin, etc.Genera las formas de onda moduladas en el espaciovectorial.Conmuta los interruptores de forma adecuada paraaplicar al motor la tensin y la frecuencia que hagagirar al motor a la velocidad deseada.Vigila la corriente en el motor para proteger el variadory el motor frente a sobrecargas.Permite realizar los ajustes necesarios para unaaplicacin: rampas de aceleracin y deceleracin,velocidad mxima y mnima, etc.Proporciona el estado de las salidas: corriente en elmotor, frecuencia, marcha, arranque, indicacin defallo, etc.

3.10 VIGILANCIA DE LA CORRIENTE EN ELMOTOR

El variador de velocidad vigila permanentemente lacorriente del motor. El valor de la corriente medidase utiliza para proporcionar al motor y al mismovariador una proteccin contra sobrecargas.Tradic ionalmente se ha venido uti l izandotransformadores de medida de corriente, que soninutilizables en corriente continua o en bajasfrecuencias. As pues, estos controladores no puedenfuncionar por debajo de 1 Hz. Los ltimos productosutilizan dispositivos de efecto Hall, que pueden medircorrientes continuas o de baja frecuencia, de forma

16 POWER ELECTRONICS3.- PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A.

fig 3.21 Conexiones de cableado para motores de 230/400V

que los controladores pueden funcionar en ese rango.

Los controladores electrnicos permiten un ajuste dela proteccin contra sobrecorrientes. Esta proteccinva desde la simple apertura del circuito tras un tiempode retardo fijo (controladores MD), hasta un modelotrmico por software, el cual tiene en cuenta ladisminucin de la capacidad de refrigeracin del motora velocidades bajas (controladores ASDi, UD3, UDi,MV3, MVi). Algunos modelos vigilan tambin elequilibrio en las tres fases del motor, as como lacorriente de derivacin a tierra.

Normalmente cuando se controla un solo motor apartir de un variador no se requieren proteccionesadicionales. Por el contrario, si se alimentan varioscon un mismo variador es necesario que cada motorl leve instalado su propio rel trmico contrasobrecargas.

3.11 EQUIPOS MONOFSICOS

Hasta ahora nos hemos centrado en los variadoresde velocidad con entrada trifsica 400 Vac, parasuministrar tensiones de salida de 0 a 400 Vac.Sin embargo los motores pequeos se disean conbobinados de 230 Vac, pudiendo ser conectados enestrella con una red de 400 Vac, o bien en tringulopara ser conectados a una red de 230 Vac. Siconectamos el motor en tringulo, la corrienteabsorbida es 1.73 veces la correspondiente a laconexin estrella, para una misma potencia (figura3.21).

fig3.22 Esquema del variador monofsico


230V 230V

230V

VU2 V1

U1

U W

V2

W2 W1

CABLEADO CONEXIN DEL MOTOR 230V

W2 U2 V2

U1 V1 W1

CONECTAR EN TRINGULO LOS TERMINALES

400V 400V

400V

V

U2

V1

U1U W

V2 W2

W1

CABLEADO CONEXIN DEL MOTOR 400V

W2 U2 V2

U1 V1 W1

CONECTAR EN ESTRELLA LOS TERMINALES




3.12 REGENERACIN

Cuando un motor acciona una carga de gran inercia,al disminuir la frecuencia de salida el motor gira porencima de la velocidad de sincronismo, es decir, eldeslizamiento se hace negativo. La misma situacinse presenta cuando desciende una gra.En estas condiciones, el motor se comporta como ungenerador, absorbiendo potencia mecnica de lacarga y devolviendola al variador. La figura 3.23muestra la zona correspondiente a la regeneracin.

En el momento de la regeneracin, la energa esdevuelta al variador a travs de los diodos enantiparalelo del inversor, pero no puede ser devueltaa la red porque el rectificador de entrada esunidireccional en corriente. Como consecuencia, seproduce una elevacin de la tensin del bus decontinua, lo que puede poner fuera de servicio elvariador.Una solucin es instalar un freno dinmico acopladoal bus de continua, el cual est constituido por unaresistencia conectada a un interruptor electrnicoactivado por tensin. Cuando la tensin del bus decontinua sobrepasa el lmite prefijado, el interruptorse activa y la energa de la regeneracin se disipaen la resistencia.

3.13 TIPOS DE CARGA

En general, un motor de induccin puede seralimentado a partir de un variador de velocidad sinafectar significativamente al funcionamiento. Sinembargo, debemos tener en cuenta las siguientesconsideraciones (figura 3.24): Hasta 50 Hz, el mximo par disponible en el motorse mantiene prcticamente constante, lo que significaque la potencia va incrementandose desde 0 Hz hasta50 Hz. Por encima de 50 Hz, el par disponible disminuye,debido a la reduccin de la corriente magnetizante ye l consiguiente debil i tamiento del campo. A bajas velocidades, la efectividad de la refrigeracindisminuye, de forma que el motor no puedeproporcionar el par nominal a bajas velocidades, ano ser que se prevea una refrigeracin adicional. Lafigura 3.24 muestra un ejemplo de esta prdida depar disponible.

Antes de decidir el tamao del motor y del variadorrequer ido, es importante comprender lascaractersticas par-velocidad para cada carga enparticular.

En lo que se refiere a la caracterstica par-velocidad,podemos distinguir cuatro tipos bsicos de carga.

fig 3.23 Tipos de funcionamiento

fig 3.24 Curvas par y potencia frente a velocidad

fig 3.25 Prdida de par debido a la refrigeracin del motor

La figura 3.26 ilustra una carga de potencia constante.El par demandado por la carga aumenta a medida quela velocidad disminuye, de forma que el producto entreel par y la velocidad (por lo tanto, la potencia) permanececonstante. Ejemplos: molinos y tornos.

La figura 3.27 muestra una carga de par constante.En este tipo de carga, el par permanece constante acualquier velocidad. Es una caracterstica muy comn:cintas transportadoras, gras, prensas de imprenta,etc. En este tipo de cargas deben tomarse precaucionescuando se trabaja durante largos periodos de tiempoa bajas velocidades.

La figura 3.28 ilustra una carga para la que el par esproporcional a la velocidad. Ejemplos: mezcladoras,bombas de desplazamiento positivo, compresores, etc.Este tipo de cargas no suelen presentar problemas decalentamiento, y no requieren incrementos de tensininicial.

La figura 3.29 muestra una carga en la que el par esproporcional al cuadrado de la velocidad. Este tipo depar resistente es muy comn, y corresponde a bombascentrfugas y ventiladores. Ms del 70% de las cargasaccionadas con motores controlados por variadores develocidad corresponden a este tipo. El par requerido abajas velocidades es pequeo.

Los cuatro tipos bsicos de par resistente que hemosvisto son una simplificacin de los pares de cargareales. Una carga puede modelizarse como uno deestos pares ideales, o bien la asociacin de dos o msde ellos.

Para lograr la utilizacin idnea del motor, es necesariodisear el sistema de manera que gire lo ms cercaposible de la velocidad nominal (correspondiente a 50Hz), en condiciones normales. Para asegurar esto, hayque seleccionar el nmero de polos y la relacin detransmisin adecuados. Velocidades significativamenteinferiores a la nominal suponen una disminucin de lapotencia que puede desarrollar el motor y, dependiendodel tipo de carga, pueden originar sobrecalentamientos. Velocidades superiores a la nominal reducen el pardisponible y tambin pueden producir sobrecalen-tamientos, as como un desgaste superior.

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fig3.26 Carga a potencia constante



fig 3.27 Carga a par constante

fig 3.28 Par proporcional a la velocidad

fig 3.29 Par proporcional al cuadradode la velocidad



4.- PRINCIPIOS DEL CONTROL VECTORIAL DEL FLUJO

4.1 DIFERENCIAS ENTRE EL CONTROL ESCALARY EL VECTORIAL

Como planteamos en la seccin 1, el funcionamientode un motor de induccin trifsico se basa en lainteraccin de los campos magnticos del rotor y delesttor. El esttor genera un campo en el entrehierroque gira a la velocidad sncrona. Este campo inducecorrientes polifsicas en el rotor, que a su vez generanun campo magntico giratorio a la velocidad sncronarespecto al esttor. Como consecuencia, de acuerdocon el principio de alineamiento de campos magnticos,el rotor se ve sometido a un par, tendente a alinearambos campos. El rotor gira en la misma direccinque el campo magntico del esttor.

Cuando la velocidad del rotor se aproxima a la delcampo estatrico, la magnitud de las corrientesinducidas en el rotor disminuye. De esta forma el paraplicado al rotor decrece, hasta que a la velocidad desincronismo el par es nulo. As pues, en condicionesnormales de funcionamiento, el rotor girar a unavelocidad ligeramente inferior a la de sincronismo. La diferencia entre la velocidad del campo magntico y la del rotor se denomina deslizamiento. Cuanto mayor es el deslizamiento, mayor es el parque puede ser aplicado a la carga. Si la frecuencia dela tensin de alimentacin es variable, la velocidaddel campo magntico podr ser variada y en definitivapodremos variar la velocidad del motor. Esto se llevaa cabo variando simultneamente la tensin y lafrecuencia aplicadas al motor, como ya vimos en laseccin 2.

Este tipo de control de motores de induccin sedenomina control escalar, siendo utilizable cuando lasespecificaciones dinmicas son moderadas, siendoel funcionamiento en rgimen permanente el principalobjetivo. Ello es debido a que este tipo de control fijala amplitud del flujo en el motor, pero no su posicininstantnea. En rgimen dinmico, cualquier ajustedebe ser realizado de forma suave, pues de lo contrariose pueden producir inestabilidades indeseables.La velocidad del motor es controlada por completomediante el ajuste de la tensin y la frecuencia desalida, y el par por ajuste del deslizamiento.

Cuando se desean prestaciones elevadas, esnecesario realizar un control en lazo cerrado del par.Este concepto requiere un control independiente delpar y del flujo en el motor. Este tipo de control sedenomina control vectorial del campo orientado,o simplemente control vectorial, utilizado por la serieElite de POWER ELECTRONICS.

4.2 REPASO DEL MOTOR DE CC

El motor de corriente continua con excitacin inde-pendiente, mostrado en la figura 4.1, es un ejemplode motor controlado vectorialmente.La corriente de armadura (generadora de par) esten cuadratura con el campo generado por el inductor.Como resultado, las relaciones entre los diferentesparmetros de la mquina son sencillas. El campomagntico es directamente proporcional a la corrientedel inductor, y puede ser controlado indepen-dintemente de la armadura (es decir, el campo y laarmadura estn desacoplados). El par es proporcional al producto entre la corrientede armadura y el flujo magntico. Si la corriente deinductor se mantiene constante, el par puede sercontrolado actuando sobre la corriente de armadura.La respuesta frente a un escaln en la corriente dearmadura es rpida y bien amortiguada. La velocidadde la mquina depende de la f.c.e.m ( figura 4.1), quees igual a la tensin de alimentacin menos la c.d.tque se produce en la resistencia de armadura Ra.

Sin embargo, los motores de cc presentan algunosinconvenientes cuando son comparados con losmotores de induccin de jaula de ardilla. Son motoresque precisan un elevado mantenimiento, debido a lapresencia del colector y las escobillas. Los bobinadosde la armadura son complicados y el rebobinado escaro. Normalmente presentan un grado de proteccinbajo, y la posibilidad de que se generen chispas enlas escobillas desaconseja su utilizacin en ambientessusceptibles de incendio o explosin. El motor deinduccin, en comparacin, es ms sencillo deconstruir, y es utilizable en inmersin y en ambientespeligrosos. Generalmente, es mucho ms robustomecnicamente, y menos caro que un motor de C.C.de igual potencia.

vs

EA M

RA

IA If

vf

IA

f

fig 4.1.- Motor de c.c. excitacin independiente

SECCIN 4.-PRINCIPIOS DEL CONTROL VECTORIAL DEL FLUJO

POWER ELECTRONICS

4.3 CONCEPTOS DEL CONTROL VECTORIAL

La figura 4.2 muestra un circuito equivalente de unafase de un motor de induccin.

La corriente del motor tiene dos componentes:IM(t) corriente magnetizante, generadora de flujo.Esta corriente es principalmente imaginaria, esto es,inductiva. Una pequea parte es real (resistiva), debidoa las prdidas en el hierro del esttor.IR(t) corriente de carga, generadora de par.Es principalmente real (resistiva), capaz de producirtrabajo. Una pequea parte es imaginaria (inductiva),debido a las inductancias de fugas del rotor y elesttor.

El par desarrollado por el motor puede determinarsea partir de la ecuacin de Laplace:

F= B x I x L

donde: F=fuerza

B=induccin magntica

I=corriente en los conductores

L=longitud del conductor

En el caso de un motor de induccin, esta fuerza esaplicada sobre los conductores del rotor. B seestablece a partir de la corriente magnetizante, eI(corriente de inductor) depende de la corrientegeneradora de par. El par resultante puede expresarsecomo:

T = Ka x IM(t) x sen

Debemos sealar que las dos corrientes tienen lamisma frecuencia pero no estn necesariamente encuadratura. La diferencia de fase entre las doscorrientes difiere de 90 debido a las inductancias defuga. El desfase empeora a bajas velocidades y cargaspesadas.

La diferencia entre el motor de cc y el motor deinduccin es la siguiente: en el motor de induccin,el flujo en el entrehierro es giratorio, en tanto que parael motor de cc es fijo. Asimismo, en el motor de cc,las corrientes del inductor y de armadura circulan pordevanados distintos, formando 90 en cuadratura porel colector y las escobillas. En un motor de induccin,no es posible acceder separadamente a las corrientesgeneradoras de par y de flujo, pues el motor slotiene accesible los devanados trifsicos del esttor.La principal funcin que realiza el control vectorialpara solucionar este problema es mantener encuadratura las componentes de magnetizacin y depar de la corriente estatrica, desacoplando ambascomponentes de forma que sean controlables porseparado, incluso en regmenes dinmicos severos.

El control vectorial necesita disponer de una seal derealimentacin de la amplitud y la posicin instantnea

20

del flujo en el entrehierro, posibilitando el control delas dos componentes de la corriente. Algunos controlesvectoriales emplean un control directo, incorporandosensores de flujo en el entrehierro para reproducirlas seales requeridas. Sin embargo, este mtodorequiere un motor especial y en consecuencia no hatenido demasiada aceptacin.

Los controladores ms extendidos utilizan un controlvectorial indirecto, en el cual la amplitud y la orientacindel flujo en el entrehierro se calcula a partir de losparmetros del motor (denominado mapa del motor),y la posicin relativa instantnea del rotor es medidamediante un encoder diferencial situado en el rotor.Para obtener respuestas rpidas, es necesario realizarcomplejos y tediosos clculos en tiempo real y a altavelocidad. Esto slamente puede ser llevado a caboen la prctica utilizando microprocesadores rpidosy potentes. La SERIE ELITE de POWERELECTOTRONICS es un ejemplo de un modernoControl Vectorial indirecto.

4.4 CONCEPTO DE ROTACIN DEL SISTEMA DEREFERENCIA

En un motor de induccin, el flujo en el entrehierrogira a la velocidad sncrona. La corriente rotrica yen consecuencia el flujo inducido en el entrehierrogira alrededor del rotor a la velocidad de deslizamiento.As, la posicin angular relativa del flujo rotrico esestacionaria respecto al flujo del esttor.

Podemos utilizar un sistema de referencia rotatorioa la velocidad sncrona como referencia general. Con relacin a este sistema de referencia, los flujosestatrico y rotrico son estacionarios y su interaccinproduce par. Para construir este sistema de referencia,se lleva a cabo una transformacin matemtica linealque permite pasar de una referencia trifsicaestacionaria a un nuevo sistema de referencia condos ejes generalmente denominados d y q, tal comomuestra la figura 4.3.En este sistema de referencia giratorio, variablescomo las tensiones y las corrientes pasan a sercontinuas, sin modulacin. Los valores eficaces deIM(t) e IR(t) se transforman en Id e Iq. As pues laecuacin del par puede reescribirse de la siguienteforma:

T = K x Id x Iq

Podemos destacar la analoga con el motor de C.C.:Id corresponde a la corriente de inductor, en tantoque Iq corresponde a la corriente de armadura.



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4.5 SNTESIS DE LA CORRIENTE DEL ESTTOR

Cuando el variador funciona pordebajo de la velocidadnominal, la amplitud de Id es constante, al igual quela corriente de armadura en un motor de cc. El valorde Iq requerido puede entonces determinarse a partirde la referencia de par impuesta. A partir de estosvalores, la corriente estatrica puede calcularse dela siguiente forma:

I = ee((Id2 + Iq2))Iq es funcin del deslizamiento del rotor. La pulsacinde deslizamiento puede ser calculada mediante laexpresin:

s= Iq / ( Tr x Id))donde Tr es la constante de tiempo del rotor, definidacomo Lr/Rr, la cual es funcin del diseo del motor.

Este valor de pulsacin puede ser utilizado paracalcular la fase instantnea de la corriente estatrica,por integracin de la velocidad del rotor ( r) y eldeslizamiento generado ( s):

= ff((r r + r r) dt + donde:

= tan-1(Id/Iq)

Por combinacin de todas estas ecuaciones, puedencalcularse el valor y la fase instantneos de lacorriente estatrica. La precisin de los clculosdepende de la precisin de los parmetros del motorprogramados en el controlador y del encder utilizado,de manera que el ajuste correcto del controlador esmuy importante si se desean buenas prestaciones.

4.6 EL CONTROLADOR ELITE DE POWERELECTRONICSEl controlador ELITE de POWER ELECTRONICSes un controlador eficaz del par, que sintetiza lacorriente estatrica requerida por el motor deinduccin para suministrar el par de referencia. Lafigura 4.4 muestra un esquema de bloques de laestrategia de control.

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fig.- 4.3.Sistema de referencia rotatorio

IdIq

El valor de las corrientes estatricas es perma-nentemente calculado por un microcontrolador.Para ello se requiere una informacin de la posicindel rotor, facilitada por un encder diferencial instaladoen el motor. Se necesita programar un mapa del motoren el microcontrolador. El microcontrolador empleaun algoritmo que transforma las corrientes trifsicasmedidas a un sistema bifsico equivalente, el cual escomparable a las corrientes de armadura y de inductoren el motor de cc. Estas son comparadas con losvalores de referencia necesarios para obtener el pardeseado y los errores resultantes son procesados,reconvertidos al sistema trifsico de niveles de tensinde referencia y aplicados al puente inversor.

Un lazo interno de control de velocidad opcionalpermite al ELITE ser configurado, si la aplicacin lorequiere, como preciso controlador de velocidad.El encder se utiliza entonces como un tacmetro derealimentacin para el lazo de control. De esta forma,se obtiene un preciso control del par y de la velocidaddel motor. La respuesta del motor es muy rpida(tpicamente , puede aplicarse a la carga un escalndel 100% en menos de 10ms).

4.7 ELITE: CONTROL TOTAL DEL PAR Y LAVELOCIDAD

A diferencia de otros variadores de frecuenciaconvencionales, el ELITE es, ante todo, un controladordel par. En el modo control del par, una seal dereferencia del par deseado fija la salida del par motorque el ELITE intentar instalar en la mquina. Eltiempo de respuesta es muy rpido (tpicamente seconsigue aplicar el 100% del par en 10 ms).Este nivel puede ser positivo o negativo, y escompletamente independiente de la velocidad delmotor, dentro de los lmites de velocidad. Una tpicaaplicacin que requiere un preciso control del par sonlas bobinadoras, en las que se requiere regular lavelocidad manteniendo contante la tensin aplicadaa la bobina.Cuando trabajamos en el modo control del par, loslmites de velocidad se utilizan para limitar lasobrevelocidad que podra derivarse de unamomentnea prdida de carga (ejemplo: rotura de labobina en el caso anterior). La referencia de velocidadno es tenida en cuenta cuando trabajamos en modopar.

El control de velocidad en el ELITE se implementatrabajando en lazo cerrado. Los reguladores PID seutilizan para ajustar la respuesta del lazo de controlde velocidad. Una seal de referencia fija la velocidadque el ELITE intentar aplicar al motor. La direccinpuede ser positiva o negativa, siendo independientedel par resistente de la carga, dentro de los lmitesde par. Cuando trabajamos en el modo velocidad, loslmites de par se utilizan para limitar los posiblessobrepares que podran aparecer durante los cambios



o en caso de fallo. Dada la rpida respuesta del lazo de par, se pueden conseguir respuestas rpidad y establescuando funcionamos en el modo control de velocidad. Todo ello hace del ELITE un controlador de velocidadexcepcional para aquellas aplicaciones en las que se requiera una regulacin precisa de la velocidad, independientede la carga, as como en control de posicionamiento.

La figura 4.4 muestra un diagrama de bloques de la estructura de control del ELITE. El paso del modo velocidadal modo par puede ser realizado incluso cuando el ELITE est en funcionamiento. La transicin entre ambosmodos se realiza de forma suave, sin discontinuidades.El ELITE puede configurarse para pasar automticamente del modo control del par al modo control de velocidad,durante la deceleracin. En estas condiciones se puede detener el motor por debajo de la rampa de control develocidad, cuando estamos en modo par.

22 POWER ELECTRONICS4.- PRINCIPIOS DEL CONTROL VECTORIAL DEL FLUJO

fig.- 4.4.- Estructura de control de la SERIE ELITE


POWER ELECTRONICS 235.- ARMNICOS EN SECTORES INDUSTRIALES

ORDEN DEL ARMONICO FRECUENCIA AMPLITUD RELATIVA

FUNDAMENTAL 50Hz 100%3 150H 33%5 250Hz 20%7 350Hz 14%9 450Hz 11%

orden n 50n Hz 100/n%

5.1.-QU SON LOS ARMNICOS?

Se puede demostrar que cualquier forma de ondaperidica (repetitiva) puede ser representada comouna serie de ondas senoidales de diferentesfrecuencias y fases, constituyendo el llamado espectroarmnico de la onda. La frecuencia de la onda senoidalpredominante se denomina fundamental, y lasfrecuencias del resto de ondas (armnicos) son unmltiplo entero de esta. El aparato matemtico quese utiliza para determinar el contenido de armnicosde una onda se denomina anlisis de Fourier, enhonor al matemtico francs del mismo nombre queinvestig este fenmeno.

En un sistema equilibrado, la onda est centrada entorno a cero y los armnicos son mltiplos "sobrantes"del fundamental. En una onda cuadrada o cuasi-cuadrada, la amplitud de cada armnico esinversamente proporcional a su orden, es decir, cuantomayor es la frecuencia, menor es su amplitud.

Un ejemplo de forma de onda con un alto contenidoen armnicos es una onda cuadrada. El anlisis deFourier correspondiente a una onda de este tipo defrecuencia 50 Hz, muestra que el contenido enarmnicos es el siguiente:

La tabla anterior muestra esta onda cuadrada, con elfundamental y los tres armnicos ms significativosen los que puede ser descompuesta.

En los pases ms industrializados, la distribucin deenerga elctrica se realiza en corriente alterna, siendolas tensiones ondas senoidales trifsicas, es decir,sin presencia de armnicos. Sin embargo, ciertascondiciones de carga pueden provocar una distorsinarmnica en las tensiones, produciendo efectosdesfavorables en determinados tipos de cargaconectados a ella.

5.2 QUIN PRODUCE ARMNICOS?

Cuando una carga elctrica se conecta a una fuentealterna de suministro, absorbe corriente. Si la corrienteabsorbida es tambin sinusoidal, la carga se denominalineal, pudiendo estar en fase con la tensin (cargaresistiva), en adelanto (carga capacitiva) o en retraso(carga inductiva).

En otros tipos de carga, por el contrario, la corrienteabsorbida puede ser no sinusoidal, por lo que tendrun cierto contenido en armnicos. Este tipo de cargasse denominan no lineales. Un ejemplo tpico de cargano lineal es un rectificador, el cual utiliza diodos y/otiristores para convertir la corriente alterna (AC) encorriente continua (DC). Los rectificadores puedenencotrarse en muchos dispositivos electrnicos depotencia, tales como la etapa de entrada de variadoresde velocidad para motores de corriente continua yalterna, cargadores de bateras, rectificadoreselectroqumicos, sis temas de alimentacinininterrumpida (SAI), etc.

El circuito de entrada ms utilizado en este tipo deconversin es el rectificador no controlado de seispulsos, con filtro inductivo. La figura 5.2 muestra elesquema tpico de este rectificador.

La presencia del inductor (choque) en la salida delrectificador provoca que las corrientes de lnea (ia,ib e ic) tiendan a ser ondas semicuadradas, comomuestra la figura 5.3. Esta forma de onda puedeesperarse con un valor muy grande de la inductancia.Con valores ms pequeos de inductancia, o encondiciones de carga reducida, la corriente presentams ondulaciones, como se muestra en trazodiscontinuo en la figura 5.3.

El contenido relativo en armnicos de una ondasemicuadrada se recoge en la tabla 2. Para valorespequeos de inductancia o cargas ligeras, el valorrelativo de cada armnico puede ser superior al quese proporciona en esta tabla.

Algunos circuitos rectificadores utilizan una inductanciapor cada fase de entrada, denominadas reactanciasde lnea. Las formas de onda de las corrientes deentrada son muy similares a las mostradas en lafigura 3, pero su nivel de armnicos es ligeramentediferente.

El contenido de armnicos de la corriente de lneaque aparece en la figura 5.3 se detalla en la Tabla 2.Estos son los valores tpicos que pueden esperarseen la prctica cuando se utiliza una inductanciaelevada.Es de remarcar que los armnicos triples (esto es,los mltiplos de 3), son nulos.

La tasa de ditorsin armnica (THD) de una ondapuede calcularse como la raiz cuadrada de la sumade los cuadrados de los valores RMS de cadaarmnico individual, dividido por el valor RMS delfundamental. Por ejemplo, con la onda semicuadradaque acabamos de ver, el clculo es el siguiente:

SECCIN 5: ARMNICOS EN SECTORES INDUSTRIALES


24 POWER ELECTRONICS5.- ARMNICOS EN SECTORES INDUSTRIALES

ORDEN DEL ARMONICO FRECUENCIA AMPLITUD RELATIVA

FUNDAMENTAL 50Hz 100%3,9,15 0%5 250Hz 32%7 350Hz 14%11 550Hz 7%13 650 Hz 4%

El valor RMS total de una onda distorsionada puedecalcularse como la raiz cuadrada de la suma de loscuadrados de los valores RMS de cada una de lascomponentes, incluida la fundamental y todos losarmnicos.

En el ejemplo anterior, este valor queda:

IRMS = I1 x 1,062

El factor de distorsin es el cociente entre el valorRMS del fundamental y el valor RMS total.IRMS = I

1 / I

RMS

Siguiendo con el mismo ejemplo, tendremos que:

Factor de distorsin = 1/1.062 = 0.941

Existen ciertos dispositivos electrnicos de potenciaque sintetizan tensiones alternas en su salida.En este tipo de convertidores se incluyen losvariadores de velocidad para motores de inducciny los inversores de frecuencia de salida fija utilizadosen los SAI.

Las tensiones de salida de estos equipos presentantambin un cierto nmero de armnicos.Este contenido en armnicos no est relacionado conlos de la corriente de entrada, y puede ser controladomediante las tcnicas de generacin de formas deonda utilizadas. La distorsin armnica de la tensin de salidaocasiona a su vez una distorsin de la onda decorriente, lo que en el caso de un variador de velocidadpuede ocasionar sobrecalentamientos en el motor.

fig. 5.1 Contenido en armnicos de una onda cuadrada

fig. 5.2 Rectificador trifsico no controlado de seis pulsos

fig. 5.3 Corrientes de lnea en la entrada de un rectificador trifsico


POWER ELECTRONICS

resonancia coincide con alguna de las frecuenciasarmnicas, puede aparecer la resonancia,ocasionando un incremento de la corriente a esafrecuencia, lo que a su vez aumenta la distorsin dela tensin y sobrecarga los condensadores y el sistemade distribucin.

5.5 CUALES SON LOS REQUERIMIENTOSLEGALES RESPECTO A LA SUPRESIN DEARMNICOS?

Si la distorsin de tensin que hemos comentadoanteriormente se produce nicamente en lasinstalaciones del consumidor y no afecta a otrosusuarios, no se limita la distorsin por armnicos.Este podra ser el caso si los otros consumidores seconectan en el primario (11 kV) del transformador dealimentacin. El punto de conexin se denominapunto de acoplamiento comn (PAC).

Por el contrario, si el PAC est en el secundario (400V) del transformador, ninguna distorsin de la tensindebida al consumo de uno de los usuarios debeafectar al resto. Para evitarlo, existen normas quelimitan la distorsin mxima en el PAC. Se puedenrealizar clculos para estimar esta distorsin. Paraefectuar estos clculos, se necesita informacin sobrela corriente de carga total, el valor THD de estacorriente y la inductancia del transformador dealimentacin. Si la distorsin resultante es superiora la autorizada, deben adoptarse las medidasoportunas para reducir el contenido de armnicos.

5.6 CMO PUEDO REDUCIR LOS ARMNICOSE N MI S I ST E MA D E DI ST RI BUC IN ?

1.- Asegurando que la impedancia de red seapequea. Si se disminuye la impedancia de ladistribucin dimensionando e instalando losconductores de forma que se minimicen la resistenciay la inductancia, un valor de corriente determinadoprovocar una cada de tensin comparativamenteinferior en la impedancia de la red. Como resultado,la onda de tensin presentar un nivel THD ms bajo.

2.- Distribuyendo los armnicos generados por lascargas. No deben conectarse todos los equiposperturbadores sobre una misma salida de ladistribucin. Interrelacionando cargas lineales y nolineales, la distorsin de la tensin puede ser reducida.La distorsin armnica de cada equipo no ser inferior,pero un estudio adecuado de la conexin de lasdiferentes cargas no lineales a la distribucin, puedereducir la distorsin en cada salida de distribucin.

3.- Incorporando inductancias de choque a losrectificadores. Si equipamos los rectificadores confiltros de choque, la corriente de entrada ser una

5.3 CUALES SON LOS EFECTOS DE LASCORRIENTES ARMNICAS DE ENTRADA?

El primer efecto de los armnicos de la corriente deentrada es el incremento del valor RMS de estacorriente. Para cargas monofsicas conectadas auna red trifsica con neutro, esto repercutir en unaumento de la corriente eficaz que circula por elneut ro, de ma nera que se r n ecesar iosobredimensionar este conductor.

El segundo efecto es la distorsin de la onda detensin de entrada. Cuantificar esta distorsin no esfcil ya que se requiere conocer las impedancias deltransformador y de la lnea de distribucin. Ladistorsin de la tensin ocasionada por una onda decorriente semi-cuadrada est en funcin de lasimpedancias del circuito.

En el punto de conexin a la alimentacin 11 KV, ladistorsin de la tensin es mnima, ya que lasimpedancias de esta lnea son pequeas. En elsecundario del transformador principal, la distorsinde la tensin es apreciable, debido a la impedancia(resistencia y reactancia del cable) del transformador.En la lnea de alimentacin a la carga, la distorsines ms severa, ya que se aaden las impedanciasde distribucin desde el transformador hasta la carga.

5.4 CMO REPERCUTE LA DISTORSIN DE LATENSIN SOBRE EL SISTEMA DEDISTRIBUCIN?

La deformacin de la onda de tensin puede ocasionarefectos importantes.

En primer lugar, pueden verse afectadas aquellascargas que necesitan la amplitud correcta de la tensinpara funcionar. Por ejemplo, se puede ver afectadala alimentacin monofsica de ordenadores y otrosdispositivos de bajo consumo.

Esta distorsin de la tensin puede incrementar lasprdidas en motores y otros dispositivos magnticos.As mismo, la impedancia de los condensadores parala correccin del factor de potencia disminuye amedida que aumenta la frecuencia. Como la tensindistorsionada contiene armnicos a frecuencias queson mltiplos de la fundamental (50 Hz), la corrientepuede ser mayor de la esperada, lo que sobrecargalos condensadores, produciendo sobrecalentamientose incluso puede llegar a destruirlos.

En las redes de distribucin, pueden producirsefenmenos no deseados de resonancia entre sistemascapacitivos e inductivos. Por ejemplo, se puedeproducir una red resonante entre las inductancias dela red (inductancias de fugas de transformadores yde las propias lneas) y los condensadores para lacorreccin del factor de potencia. Si la frecuencia de

255.- ARMNICOS EN SECTORES INDUSTRIALES


POWER ELECTRONICS26

onda semi-cuadrada.Algunos variadores de velocidad importados noincorporan filtros de choque de forma standard, porlo que la produccin de armnicos es muy elevada.Si no instalamos una inductancia de choque en elbus de continua, se deben aadir en la parte dealterna. Estos choques deben presentar una reactanciaentre el 3% y el 5% de la representada por la carga.

4.- Instalar un sistema de distribucin de 12 pulsos.Si repartimos la entrada rectificadora del equipoconversor de potencia entre dos puentes rectificadores,y las tensiones de entrada de cada puente estndesfasadas 30 elctricos entre s, tericamentepodemos eliminar todos los armnicos inferiores al11 (ver figura 5.4).Para ello, se requiere un transformador con doblesecundario, uno conectado en estrella y el otro entringulo. Cada secundario alimenta la mitad de lacarga, de forma que sus respectivas corrientes estarndesfasadas 30.Estas corrientes se suman en el primario deltransformador, como se muestra en la figura 5.5. La onda resultante se denomina de 12 pulsos.Se puede demostrar que los armnicos 5 y 7 hansido eliminados, siendo el 11 el primero significativo.

Si la carga est compuesta por varios receptorespequeos (por ejemplo, variadores de velocidad) conrectificadores standard (6 pulsos), se conectan lamitad al secundario en estrella, y la otra mitad altringulo. Si las cargas estn convenientementeequilibradas, se eliminarn los armnicos 5 y 7.

5.- Filtros adecuados para armnicos. Un filtro dearmnicos es una red inductancia-condensador enconexin serie, ajustados de forma que se produzcala resonancia a la frecuencia del armnico quequeremos eliminar. El factor Q de la red debe elegirsecuidadosamente de forma que se eliminen lasfrecuencias elegidas (la de cada uno de los armnicosms importantes), sin sobrecargar los componentesdel filtro. Normalmente es suficiente disponer filtrospara los armnicos 5 y 7.

En resumen...

Los armnicos son ondas senoidales que sesuperponen a la corriente y la tensin cuyasfrecuencias son un mltiplo de la frecuenciafundamental. Las cargas no lineales como losrectificadores de alterna a continua producen corrientesarmnicas. La amplitud de cada armnico es unafraccin de la fundamental de la corriente de carga.

En el caso de los variadores de velocidad para motoresde induccin, los armnicos de corriente originadospor un puente rectificador trifsico con filtro inductivosern pese a todo importantes. Sin embargo, loscircuitos rectificadores sin inductancias de continuao de lnea originarn unos niveles ms elevados de

corrientes armnicas.El primer efecto de los armnicos en un sistema dedistribucin de corriente alterna es el incremento delvalor RMS de la corriente que circula por losconductores y los transformadores. Esta corriente"extra" no es real (productora de trabajo), y sinembargo o bl ig a a sobredimension ar lostransformadores y los conductores a fin de prevenirsobrecalentamientos.

El segundo efecto de los armnicos en el sistema esla distorsin de la tensin. Esta distorsin puedeproducir efectos perniciosos sobre cargas magnticas(motores y transformadores) y capacitivas (correccindel factor de potencia). El nivel de distorsin originadoest en funcin de la impedancia del sistema : cuantomayor es la impedancia, ms distorsin se produce.

Existen normativas que limitan el valor mximo de ladistorsin de tensin permitida en el punto deacoplamiento comn con un consumidor colindante.La distorsin armnica total puede estimarseconociendo: La cantidad y la potencia de las cargas rectificadorasconectadas al sistema. Los valores de las impedancias y la potencia decortocircuito de los transformadores de distribucin.

Si se proporciona esta informacin, el equipo deIng eni eros d e Apl i cac ion es d e POWERELECTRONICS puede proporcionar una estimacinde la distorsin que se producir en el punto comnde conexin, para una instalacin planificada de susvariadores de velocidad.

5.- ARMNICOS EN SECTORES INDUSTRIALES

fig. 5.4 Rectificador de 12 pulsos

fig. 5.5 Corrientes en un rectificador de 12 pulsos



6.1. QU ES LA COMPATIBILIDADELECTROMAGNTICA?

La compatibilidad electromagntica, o EMC, es unconcepto asociado con cualquier equipo electrnico.Es una medida de la habilidad del equipo para nogenerar interferencias por radiofrecuencia (RFI), ascomo una medida de su inmunidad frente a lasemisiones RFI producidas por otros equipos. Esteartculo aborda el problema de las EMC en relacina los variadores de velocidad para motores de CA.

6.2. QU PRODUCE RFI EN UN VARIADOR?

La mayora de los variadores modernos de velocidadpara motores de CA presentan dos etapas deconversin de la energa, como se muestra en lafigura 1.

La etapa rectificadora consta de un puente rectificadory un filtro, cuya finalidad es obtener un nivel decontinua intermedio por rectificacin directa de laslneas de entrada. Este bus de continua alimenta laetapa inversora, constituida por un puente trifsicorealizado mediante seis interruptores electrnicos depotencia. Accionando los interruptores de maneracoordinada, el bus de continua se reconvierte en unsistema trifsico de corriente alterna, que es conectadoal motor.

En la mayora de los variadores modernos la etapainversora utiliza IGBT como interruptores. La tensinde salida y la frecuencia se controlan utilizando lastcnicas de modulacin del ancho del pulso (PWM)a frecuencias de conmutacin elevadas (4 kHz ysuperiores). Los IGBT tienen tiempos muy cortos depaso de bloqueo a conduccin y viceversa, lo queminimiza las prdidas por conmutacin y proporcionarendimientos elevados en la convers in.

En la figura 2 se muestra una imagen simplificada dela tensin de salida.

El anlisis de Fourier muestra que esta forma de ondaest constituida de una frecuencia fundamental y unespectro de armnicos, mltiplos de la frecuencia deconmutacin, cuya amplitud est en proporcin inversaa su frecuencia. La rpida conmutacin de losinterruptores provoca pendientes abruptas en latensin, lo que en conjuncin con la elevada frecuenciade conmutacin genera un abultado espectro dearmnicos.

Los armnicos de mayor frecuencia (es decir, aquellosmayores a 100 kHz) pueden "escapar" del variador,acoplando los cables de control y los d

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