Información Adicional Adicional Comando Eléctrico Industrial César Guirriman Burdiles Otoño 2010
Convertidores de frecuencia Los
convertidores de frecuencia convierten la red de corriente alterna o trifásica con tensión y frecuencia constantes en una nueva red trifásica, cuya tensión y frecuencia son variables. Este accionamiento de la tensión/frecuencia permite regular la velocidad de motores trifásicos de forma continua. El accionamiento también puede controlarse con par nominal en caso de poca velocidad. Convertidores de frecuencia vectoriales Mientras que en los convertidores de frecuencia el motor trifásico se acciona mediante una relación U/f con regulación de la curva característica (tensión/frecuencia), en los convertidores de frecuencia vectorial se realiza mediante una regulación sin sensores, orientada al flujo del campo magnético en el motor. En este caso, la magnitud controlada es la intensidad de motor. De este modo, el par de apriete se regula de forma óptima para aplicaciones muy exigentes (mecanismos de mezcla y agitación, extrusores o dispositivos de transporte).
Montaje
y modo de funcionamiento
Los
convertidores de frecuencia permiten regular la velocidad de forma continuada en motores trifásicos.
El convertidor de frecuencia transforma la tensión y la frecuencia constantes de la red de alimentación en una tensión continua. A partir de esta tensión continua genera para el motor trifásico una nueva red trifásica con tensión variable y frecuencia variable. Para ello, el convertidor de frecuencia toma de la red de alimentación prácticamente sólo potencia activa (cos N ~ 1). La potencia reactiva necesaria para el funcionamiento del motor la suministra el circuito intermedio de tensión continua. De este modo, no se necesitan los dispositivos de compensación cos N del lado de la alimentación.
Hoy en día, el motor trifásico con regulación de la frecuencia es un módulo estándar para la regulación continua de la velocidad y del par, que proporciona un gran ahorro de energía y una elevada rentabilidad, ya sea como accionamiento individual o como parte de una instalación automatizada. En este caso, las posibilidades de una asignación individual o específica de la instalación se determinan mediante la instancia de los onduladores y del proceso de modulación.
PARTES DE UN VARIADOR O CONVERTIDOR DE FRECUENCIA La velocidad de los motores asíncronos no está influenciada por las variaciones de tensión, pero es proporcional a la frecuencia de la corriente de alimentación e inversamente proporcional al número de polos que tiene el estator.
Gracias a estas características, en la actualidad es posible obtener la variación de la velocidad de los motores trifásicos tipo jaula de ardilla, por sistemas electrónicos que varían la frecuencia, mediante los variadores de velocidad. Básicamente un variador de frecuencia están compuestos por un :
Circuito Rectificador : Recibe la tensión alterna y la convierte en continua por medio de un puente rectificador de diodos o tiristores.
Circuito intermedio : Consiste en un circuito LC cuya función principal es suavizar el rizado de la tensión rectificada y reducir la emisión de armónicos hacia la red.
Inversor : Convierte el voltaje continuo del circuito intermedio en uno de tensión y frecuencia variable mediante la generación de pulsos. Los variadores modernos emplean IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor ) para generar los pulsos de voltaje de manera controlada.
Circuito de control : El circuito de control enciende y apaga los IGBT para generar los pulsos de tensión y frecuencia variables. Además, realiza las funciones de supervisión de funcionamiento monitoreando la corriente, voltaje, temperatura, etc. con teclados e interfaces amigables de fácil empleo.
La figura muestra a una red alterna de tres fases que alimenta la entrada la cual es rectificada a CC y filtrada por un filtro L-C. Este Bus de CC alimenta un puente inversor de tres fases, donde es convertida nuevamente a una forma de onda de CA de tres fases, pero a la tensión y frecuencia necesarias para que el motor funcione a la velocidad deseada.
Funcionamiento del variador En la figura se muestran las partes de un variador de frecuencia.
La figura permite ver en forma más clara los pasos de operación de un variador de frecuencia. Los variadores de frecuencia más empleados son los PWM (Modulación de Ancho de Pulsos) que emplean en el circuito de entrada un puente de diodos rectificadores.
En el circuito intermedio existen condensadores y bobinas para disminuir el rizado del voltaje rectificado, además las bobinas ayudan a disminuir el contenido armónico de la corriente generada por el variador de frecuencia y por ende a mejorar el factor de potencia. Algunos fabricante emplean las bobinas de línea en lugar de las bobinas DC del circuito intermedio, pero tienen la desventaja de ocupar más espacio, generar una caída de tensión mayor y disminuir la eficiencia del variador.
La sección del inversor utiliza los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) para convertir la tensión continua del circuito intermedio en una tensión de salida con frecuencia variable. Los IGBT envían pulsos de duración variable hacia el motor y como respuesta se obtiene una corriente casi senoidal. Los IGBT conmutan a una frecuencia entre 2 a 16kHz, llamada frecuencia portadora. Una frecuencia portadora alta reduce el ruido acústico del motor pero disminuye la eficiencia y la longitud permisible del cable hacia el motor. Además, los IGBT generan mayor calor a una frecuencia portadora más alta. Los IGBT pueden generar altos picos de voltaje que son potencialmente perjudiciales para el motor. Estos picos se producen por el fenómeno de reflexión que duplica el voltaje del circuito DC. Cuando mayor es la longitud de los cables, mayor el efecto de reflexión. Estos picos originan perforaciones en el aislamiento del motor y gradualmente lo van destruyendo. Algunos fabricantes sólo permiten una longitud de 7m de cable hacia el motor. Para contrarrestar este efecto, se emplean las bobinas de motor, permitiendo en algunos casos una distancia de hasta 300m de cable al motor. Los nuevos IGBT de 3ra generación controlan mejor la generación de los pulsos de voltaje y por lo tanto el efecto de reflexión es menor. Los variadores requieren de señales de control para su arranque, parada y variación de velocidad; así como enviar señales de referencia a otros dispositivos como PLC u otros variadores. Es importante que estas señales estén aisladas galvánicamente para evitar daños en los sensores o controles y así evitar la introducción de ruido en el sistema de control. En resumen observando la un variador de frecuencia consta de una red alterna de tres fases que alimenta la entrada la cual es rectificada a CC y filtrada por un filtro L-C. Este Bus de CC alimenta un puente inversor de tres fases, donde es convertida nuevamente a una forma de onda de CA de tres fases, pero a la tensión y frecuencia necesarias para que el motor funcione a la velocidad deseada.
LOS
VARIADORES DE VELOCIDAD SE PUEDEN USAR PARA:
a. Mantener una velocidad constante independientemente de la carga, fluctuaciones de la red y temperatura. b. Puesta en marcha o aceleración progresiva y siguiendo una exigencia predeterminada para asegurar el manejo de productos frágiles y en posicionamiento de un móvil. c. Sincronizar, enclavar o combinar entre ellas las velocidades de diferentes máquinas o secciones de una máquina. d. Simplificar las máquinas al reducir o suprimir engranajes y acoples mecánicos. e. Aumentar la vida útil de una máquina, pues a menor velocidad su duración es mayor. f. Variar la velocidad de rotación manteniendo una velocidad lineal.
CRITERIO DE SELECCIÓN El criterio de selección a seguir para la elección del variador de velocidad teniendo en cuenta una técnica de máximo rendimiento son los siguientes : Tipos de carga a maniobrar por el convertidor: esta depende si la carga es constante (cinta transportadora, hormigoneras, etc.) o la carga es variable (ventiladores y bombas ). Tensión de entrada . Intensidad nominal de salida del convertidor con momento constante. Intensidad nominal de salida del convertidor con momento variable. Potencia del motor. Dimensiones del variador. Si posee o no filtro antiparasitario. Rango de frecuencias de salida. Peso del equipo a instalar. Resolución de frecuencia. Factor de sobrecarga con momento constante (tiempo de duración del mismo). Frecuencia de entrada. Temperatura ambiente. Grado de protección.
APLICACIONES TIPICAS DE VARIADORES DE FRECUENCIA Los variadores de frecuencia tienen sus principales aplicaciones en los siguientes tipos de máquinas:
Cintas o cadenas transportadoras: Para poder controlar y sincronizar la velocidad de producción de la planta de acuerdo al tamaño de producto o para controlar los ratios de dosificación. Ejemplo: transportadores de botellas o envases.
Bombas Centrífugas : Para realizar un control de caudal determinado o para empleo en sistemas de presión constante y volumen variable. Es la aplicación ideal para un variador de frecuencia, porque representa enormes ahorros en consumo de electricidad. Típicamente reemplazan a sistemas con tanque hidroneumático, tanque elevado, intercambio de calor, etc.
Ventiladores Centrífugos : Al igual que en el caso de bombas centrífugas, su empleo representa grandes ahorros de consumo de electricidad. Se emplean por ejemplo en ventiladores de calderas y hornos, control de presurización de salas de proceso, extractores de aire, en sistemas de aire acondicionado, torres de enfriamiento, etc.
Bombas de desplazamiento positivo: Permiten un control exacto de caudal y dosificación por medio del control de la velocidad. Ejemplo: bombas de tornillo, de engranajes, bombas de lóbulos para transporte de chocolate, pulpa de fruta, pasta, concentrados mineros, aditivos químicos, etc.
Ascensores y elevadores : Permiten un arranque y parada suave del elevador manteniendo el torque del motor, evitando así que la carga su mueva y se golpee.
Extrusoras y prensas de tornillo :
Reemplazan a los sistemas hidráulicos tradicionales proporcionando una variación amplia de velocidad y control total de torque. Ejemplo: prensas de harina de pescado, pasta, plásticos, etc.
Separadores Centrífugos : Realizan un arranque suave y progresivo de la centrífuga evitando los picos de corriente y las velocidades de resonancia del sistema. Otras aplicaciones importantes se dan en laminadoras, prensas mecánicas, compresores de aire, máquinas textiles, máquinas herramienta, etc. Lo más importante para determinar si es factible el empleo de un variador de frecuencia, es tener un profundo conocimiento del proceso a ser controlado; así como conocer las ventajas y limitaciones comparado con otros sistemas alternativos. Es por lo general un proceso multi disciplinario que debe involucrar tanto a Ingenieros de Producción, de Proceso, Mantenimiento mecánico, eléctrico y electrónico, Instrumentistas, etc. iniciado por un deseo de obtener una ventaja de calidad y economía. Colocar un variador de frecuencia es hacer a un motor eléctrico "inteligente" .
VENTAJAS TÉCNICAS Y ECONÓMICAS: Control vectorial: Este revolucionario método de control permite sobrecarga de par hasta en un 200%, sin comprometer excelentes respuestas transitorias de velocidad. Esto, junto con un tiempo de respuesta muy corto de control del par permite que los equipos puedan se utilizados en aplicaciones dominadas por accionamientos de corriente continua.
Relación peso - potencia: En el caso de los variadores de velocidad, posee un amplio rango de potencias como puede ser desde su más pequeño (de 0.25 kW ) hasta los mas grandes (de 90 kW) con un peso aproximado de 1.9 kg hasta 90 kg. Esta relación lo hace muy importante dentro del mercado industrial. Además de esto va unido a un rango de temperatura de trabajo amplio de hasta los 50 C. °
Grado de protección: Los variadores de velocidad o convertidores de frecuencia usando un diseño especial en su cubierta protectora consiguen un grado de protección ambiental homologado hasta un IP 56, con lo cual nos dice que nuestro dispositivo podrá trabajar en las condiciones de ambientes polusionados y húmedos.
Mejor diseño: Solo subsisten unas pocas aplicaciones, en donde es necesario variar la velocidad de un motor y un convertidor de frecuencia, y esta no suponga una mejora importante en la respuesta de la máquina y un ahorro significativo en los costos de mantenimiento del equipamiento en general, como es el caso de las industrias alimenticias y las industrias de bebidas donde es necesaria una velocidad de trabajo muy precisa y que esta sea confiable desde el punto de vista que sea inalterable en el tiempo. Se utilizan estos equipos dejando afuera todas las costosas instalaciones de corriente continua.
RECOMENDACIONES DE INSTALACIÓN Cableado : En los cables de control, utilizar cable trenzado y blindado para los circuitos de consigna. Debe haber una separación física entre los circuitos de potencia y los circuitos de señales de bajo nivel. La tierra debe ser de buena calidad y con conexiones de baja impedancia. Cables con la menor longitud posible. El variador debe estar lo más cerca posible del motor. Cuidar que los cables de potencia estén lejos de cables de antenas de televisión, radio, televisión por cable o de redes informáticas
Gabinete: Metálico o al menos en una bandeja metálica conectada a la barra de tierra. En los manuales de uso de los variadores se hacen las recomendaciones en cuanto al tamaño.
Ventilación: Debe estar de acuerdo al calor disipado por el equipo a potencia nominal. Se proveen, como opcionales, ventiladores adicionales y kits de montaje de ventilación que garantizan una protección IP54 sin perder la posibilidad de una buena disipación.
Puesta a tierra: La tierra debe ser de buena calidad y con conexiones de baja impedancia. Se deberá realizar la conexión a tierra de todas las masas de la instalación, así como las carcazas de los motores eléctricos. El sistema de puesta a tierra deberá tener una resistencia de un valor tal que asegure una tensión de contacto menor o igual a 24V en forma permanente.
