1) Definición de Variador de Velocidad, Conceptos básicos: Control de Velocidad y Torque del Motor:

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1 Variación de Velocidad de Motores de Corriente Alterna: 1) Definición de Variador de Velocidad, Conceptos básicos: Control de Velocidad y Torque del Motor: DEFINICION DE VARIADOR DE VELOCIDAD: ES UN DISPOSITIVO QUE PERMITE CONTROLAR LA VELOCIDAD Y EL TORQUE EN EL EJE DE UN MOTOR ELECTRICO En las aplicaciones industriales modificar la velocidad de un eje implica también disponer del torque necesario para dicha acción. En una intención de clasificar las aplicaciones por el torque requerido a diferentes velocidades de trabajo podríamos agruparlas mayoritariamente en 2 grupos: Cupla constante : Son aquellas aplicaciones que requieren cupla constante en todo el rango de velocidades de operación Cupla cuadrática : Como las aplicaciones de bombas y ventiladores centrífugos.la cupla sigue una ley cuadrática con la velocidad empezando desde 0 (aplicación detenida) hasta cupla máxima a máxima velocidad Un variador de velocidad es el dispositivo que nos permite controlar la velocidad y el torque suministrado por un motor eléctrico a fin de adaptarlos a lo requerido para dicha aplicación. EURO TECHNIQUES VARIACION DE VELOCIDAD-Página 1 de 7

2 2) Tecnología de Variadores existentes en el mercado, Control Escalar y Vectorial Algoritmos, Topologías. Modelizacion de motor. Control de Flujo INVERSORES -TECNOLOGIAS DE CONTROL SE UNIDRIVE MODELIZACION MOTOR SE UNIDRIVE REALIMENTACION POR ENCODER MODELIZACION MOTOR UNIDRIVE A) Control Escalar De una manera simple la cupla entregada en el eje de un motor eléctrico asincrónico trifásico de corriente alterna es directamente proporcional a la tensión de alimentación e inversamente proporcional a la frecuencia de alimentación, mientras que su velocidad es proporcional a la frecuencia de la tensión de alimentación CUPLA = K * V / F donde: K = Constante de proporcionalidad V = Tensión de alimentación F = Frecuencia de alimentación Podríamos por lo tanto imaginar un variador de velocidad para motores de corriente alterna funcionando bajo este principio. Por eje mplo, un convertidor de frecuencia alimentado desde la red publica, con salida trifásica de forma de poder seleccionar la frecuencia de salida desde 0 a 50 HZ a fin de establecer la velocidad del motor y la tensión de salida proporcional a la frecuencia seleccionada (ley V/F) a fin de disponer cupla constante e igual a la nominal en el eje de motor para cualquier velocidad de operación. A frecuencia nominal de salida, la tensión de salida seria la nominal del motor (p/ejemplo si pensamos en nuestro país diríamos 380 volts de salida cuando la frecuencia de salida este en 50 HZ para un motor trifásico Standard conectado en estrella). En un variador construido bajo este principio los ensayos nos demostrarían un excelente comportamiento en el control de la velocidad y torque desde frecuencia nominal hasta el 5% de la velocidad nominal (aproximadamente unas 75 RPM para un motor de 4 polos en una red de 50 HZ). En menores velocidades disminuye ostensiblemente la capacidad de disponer de la cupla nominal, no pudiendo asegurarse el comportamiento en torque debido a que K deja de ser constante en ese rango de velocidad. A fin de permitir el arranque del sistema se permite en esta tecnología de variadores el refuerzo de la tensión de salida desde 0 al 5% de la frecuencia nominal, asegurando disponer del torque necesario. Este valor de refuerzo de tensión es empírico y deberá ajustarse caso por caso en aquellas instalaciones que requieran disponer de torques importantes en baja velocidad. Una vez superado el umbral de velocidad el variador controla el motor erogando, de ser necesario, el torque nominal B) Control Vectorial de Lazo Abierto (Open Loop) Si imaginamos al motor eléctrico con un rotor compuesto por un imán asociado, montado solidario al eje del rotor, de forma que al acercar otro imán (construido por el variador a través del bobinado de estator) la repulsión entre ambos imanes genera el movimiento del eje comprenderemos inmediatamente que el imán construido a través del estator deberá en todo momento tener la posición y la magnitud adecuadas para asegurar la rotación correcta del motor en cualquier estado de carga. EURO TECHNIQUES VARIACION DE VELOCIDAD-Página 2 de 7

3 La forma de construir ese imán de estator por así denominarlo, es a través de crear un vector de flujo magnético en el entrehierro del motor o sea que el circuito de salida del variador debe generar en todo instante una onda de salida en tensión y frecuencia para dicho fin. El proceso se conoce como modulación vectorial de etapa de salida del variador a partir de cálculos realizados en la etapa de control microprocesada del variador. Dichos cálculos consisten, entre otros, en determinar la posición del rotor del motor (posición teórica del imán de rotor) y de la magnitud de su flujo a partir de medir las corrientes en el motor y de conocer datos característicos del motor utilizados. Estos últimos son incorporados por el operador al cargar los datos del motor requeridos durante el setup del variador en la puesta en marcha y por un proceso de autotunning o auto sintonía del motor realizada automáticamente por el variador. Debe reflexionarse sobre el hecho de que al cargar valores característicos del motor (velocidad, coseno fi, tension, etc.) en realidad estamos informando al variador los valores que serán utilizados en los algoritmos de control. Valores inexactos o supuestos incorrectos pueden ocasionar un funcionamiento pobre del variador como por ejemplo una mala respuesta dinámica Por este método utilizando los microprocesadores Standard de la industria se logra un excelente control del torque desde la velocidad nominal del motor hasta una velocidad de aproximadamente el 1% de dicha nominal. Visto de otra manera el proceso de control consiste en compensar las alinealidades de K (formula de cupla, capitulo anterior) para cada estado de la aplicación. Este variador que realiza el cálculo del vector de flujo necesario para el motor fue denominado de Control Vectorial. Por antinomia los variadores que lo precedieron (descriptos en capitulo anterior) pasaron a denominarse como Escalares por no utilizar el control vectorial. B) Control Vectorial de Lazo Cerrado (Close Loop) Existen diversas aplicaciones que requieren erogar el Torque nominal con el motor detenido, por ejemplo aplicaciones en medios de transporte vertical como grúas y ascensores, también otros dispositivos industriales como ser bobinadores, debobinadores, tractores de material, etc. Dadas las alinealidades del motor asincrónico cuando gira a baja velocidad, la realización de los cálculos vectoriales consiste en el uso de microprocesadores de mayor capacidad de cálculo y software más complejo. En el estado de arte actual es aun más económico realizar la medición de la posición del rotor en lugar de calcularla a través de algoritmos en el microprocesador. Por lo tanto para control del torque en toda la gama de velocidad (aun detenido) los variadores incorporan la medición, a través de un transductor, de la posición del rotor. Los elementos más comunes utilizados actualmente, debido a su costo y simplicidad, son los encoders incrementales. La inclusión del dispositivo de medición o realimentación de la posición del rotor genera un lazo cerrado de control de la velocidad y el torque del motor que dio su nombre característico a esta tecnología de variadores. Las tecnologías antemencionadas no son las únicas pero quizás las mas comunes en función del estado actual de la tecnología y su costo. Ellas se diferencian entre si fundamentalmente por: *su capacidad para controlar el torque en toda la playa de velocidades del motor. *su velocidad de respuesta Sin embargo dichas diferencias no son un a figura de merito, calidad o confiabilidad. Simplemente tienen rangos de aplicación diferentes y requieren para un funcionamiento satisfactorio una correcta selección en función de la aplicación. EURO TECHNIQUES VARIACION DE VELOCIDAD-Página 3 de 7

4 3) Rangos de Control de Velocidad del Motor eléctrico, Operación a Cupla constante o Potencia Constante. Influencia de la carga, Ventilación del motor eléctrico. Rangos de Velocidad máxima en función del torque de la aplicación y límites mecánicos del motor DEFENICIONES Y CONSIDERACIONES SOBRE EL RANGO DE VELOCIDADES DE OPERACIÓN DEL CONJUNTO DRIVE -MOTOR V(VOLTS) CUPLA LIMITADA BASICAMENTE POR LA CAPACIDAD DEL MOTOR DE EROGAR LA CUPLA NECESARIA O POR LOS VALORES DE SOBREVELOCIDAD MAXIMOS ADMISIBLES POR LA INSTALACION Y/O MOTOR EN EL CASO DE LOS MOTORES ELECTRICOS LAS SOBREVELOCIDADES MECANICAS ADMISIBLES ESTAN EN EL ORDEN DE 1.44 VECES LAS VELOCIDADES NOMINALES A 50HZ Y 1.25 VECES PARA LAS VELOCIDADES NOMINALES A 60HZ OPERACIÓN A OPERACIÓN A POTENCIA CUPLA CONSTANTE CONSTANTE (CUPLA DECRECIENTE) F MINI F NOMINAL F MAXI F (HZ) LIMITES: *TECNOLOGIA DEL DRIVE(V/F,SEMIVECTORIAL,VECTORIAL DE FLUJO) *CALENTAMIENTO DEL MOTOR ELECTRICO POR DISMINUCION DE CAUDAL DEL VENTILADOR INTERNO (ESTE FENOMENO ESTA RELACIONADO AL TIPO DE SISTEMA ACCIONADO : CENTRIFUGO,CUPLA CTE.,OTRO ) INTERNAL MOTOR FAN AIRE F MINI INTERNAL MOTOR FAN AIRE En la operación de motores eléctricos asincrónicos de corriente alterna con variadores de velocidad existen básicamente dos áreas bien delimitadas en función de la velocidad A) Zona de Cupla constante : Desde la velocidad mínima hasta la velocidad nominal del motor Limites de Frecuencia Inferior: Verificar que la frecuencia de operación mínima es compatible con la tecnología del variador elegido (según descripciones de puntos anteriores) Sobrecalentamiento del motor eléctrico Los motores eléctricos tienen generalmente asociados a su eje un ventilador para la refrigeración Al disminuir la velocidad del motor disminuye también la velocidad y por ende el caudal del ventilador. Para un motor eléctrico operando a cupla constante existe un límite de velocidad mínimo en el cual el ventilador propio del motor no asegura la refrigeración poniendo en peligro la vida útil del motor. Este límite depende del motor y la aplicación debiendo verificarse cuidadosamente. Es recomendable en esos casos utilizar elementos de medición de alarma y protección de sobre temperatura en el motor. Velocidades menores del motor requerirán de una ventilación adicional al mismo para asegurar la refrigeración. B) Zona de Potencia constante: El hecho de poder obtener del variador frecuencias mayores que la de una red de suministro eléctrico permite hacer funcionar el motor eléctrico a velocidades mayores que la nominal del motor eléctrico. Limites de Frecuencia Superior: El torque obtenible del motor controlado por el variador disminuirá a medida que incrementemos la frecuencia, debiendo cuidarse de poseer el torque necesario para impulsar la aplicación La tensión de alimentación del inversor de salida del variador proviene de un rectificador interno que rectifica la red de suministro. La tensión de entrada al inversor (salida del rectificador) posee por lo tanto un valor máximo función de la tensión de entrada. Al variador, EURO TECHNIQUES VARIACION DE VELOCIDAD-Página 4 de 7

5 y todo se encuentra calculado para que a tensión de entrada mínima sea aun posible alimentar el motor con su tensión nominal. Por lo tanto en un variador comercial deberíamos trabajar con una tensión de alimentación constante para frecuencias superiores a la nominal y nos seria imposible continuar con la ley V/F, con lo cual podríamos solamente trabajar con cupla decreciente (a potencia constante.) a partir de dicho valor de frecuencia. Posibilidad de perjuicios mecánicos en el motor debido a la sobre velocidad Los motores eléctricos tienen por norma limites de sobre velocidad admisibles para evitar perjuicios mecánicos o disminución de su vida útil. Deberá verificarse que la frecuencia máxima de operación no supere dichos límites o consultar al fabricante del motor en caso de no tener claramente identificado el límite de marcha segura. 4) Perfil de Movimiento, Aceleración, Deceleración. Métodos de frenado, Regeneración y Chopper de freno. Resistencia de freno: Criterios de selección, Tipo, Instalación y Protección. ACELERACION - MARCHA- REINYECCION DC CUPLA VELOCIDAD RECTIFICADOR INVERSOR FRENADO ACEL. MARCHA FRENADO RESISTENCIA DE FRENADO DRIVE TIEMPO EXITEN DIFERENTES POSIBILIDADES DE FRENADO DEL MOTOR ELECTRICO A TRAVES DEL DRIVE: * RAMPA DE FRENADO EN FRECUENCIA,CON REGENERACION SOBRE RESISTENCIA * RUEDA LIBRE * REINYECCION DE CORRIENTE CONTINUA LAS RESISTENCIAS DE FRENADO DEBEN PERMITIR LA DISIPACION DE TODA LA ENERGIA DEVUELTA POR LA CARGA A TRAVES DEL MOTOR ELECTRICO OPERANDO COMO GENERADOR. DICHAS RESISTENCIAS SE CALCULAN PARA REGIMEN TRANSITORIO Y SU VALOR MINIMO ES TAL QUE NO SE SUPERE LA CORRIENTE MAXIMA ADMISIBLE DEL TRANSISTOR DE FRENADO DEL DRIVE Consideremos a la maquina impulsada por el motor reducida a un volante de inercia acoplado al motor Para acelerar dicho volante el motor debe suministrar energía mecánica que recibe del variador en forma de energía eléctrica. El variador tiene incluida rampas ajustables que permiten controlar el incremento y decremento de velocidad en función del tiempo, controlando de esa forma el flujo de energía. Durante la rampa de frenado el motor trabajando como generador retira energía mecánica del volante que representa a la maquina, para permitir su frenado. Esa energía es devuelta, en forma de energía eléctrica al variador en proceso denominado regeneración. Dado que el inversor interno del variador es reversible, la energía devuelta o regenerada por el motor es enviada por el inversor a los capacitares del filtro de salida del rectificador de entrada del variador. Los capacitores de filtro son el punto de unión entre el rectificador de entrada y el inversor de salida, suele denominarse a dicha conexión Bus de Corriente Continua. La energía regenerada es función del tiempo o rampa de desaceleración. Dependiendo de las características del frenado y las inercias en juego, los capacitores pueden alcanzar valores elevados e inadmisibles de tensión. A fin de limitar ese proceso los variadores incluyen un chopper de freno que al alcanzarse un valor de tensión prefijado en los capacitares del filtro actúa derivando esa energía proveniente del frenado a una resistencia externa de disipación (a fin de proteger las partes internas del variador). La resistencia de disipación suele denominarse resistencia de freno o frenado Normalmente los capacitares de filtro del rectificador se encuentran a alta tensión (es la tensión de la red de suministro rectificada) Durante el frenado, al actuar la chopper aparece sobre los bornes de la resistencia de freno la tensión de dichos capacitores. EURO TECHNIQUES VARIACION DE VELOCIDAD-Página 5 de 7

6 Debe prepararse la instalación para tal fin, instalando además los medios necesarios de protección a las personas. Si bien los variadores cuentan con protecciones internas en la chopper de freno, en caso de una falla por ejemplo un cortocircuito en la etapa de potencia de la chopper, la resistencia de freno puede quedar conectada permanentemente al Bus de Continua disipando energía excesiva aun cuando no haya frenado, hasta alcanzar temperaturas peligrosas para la instalación. Debe instalarse un protector para este evento consistente en un sensor de temperatura o corriente en la resistencia de freno que interrumpa la alimentación al variador 5) Instalación de Variadores de frecuencia.. Perturbaciones al ambiente, Inmunidad. Normas, Filtros. BLINDAJE Radiación FILTRO DE SALIDA POSIBLES PERTURBACIONES INTRODUCIDAS EN EL AMBIENTE DEBIDO AL USO DE DRIVES DE AC Reinyeccion a la línea Radiación debida a flancos de conmutación FILTROS DE LINEA Efecto de perdida por capacidad distribuida DIMENSIONAMIENTO DE CABLEADO Y DRIVE RFI FILTER FERRITE FILTER INSTALACION RECOMENDADA El inversor del Variador genera la tensión de salida a través de un proceso de modulación de ancho de pulsos en alta frecuencia denominado PWM. Al utilizar variadores la corriente alterna que circula por los conductores del equipo,su alimentación desde la red y la conexión al motor es reemplazada por un tren de pulsos de alta frecuencia que modifican los conceptos tradicionales aplicados a las instalaciones eléctricas industriales La circulación de corrientes importantes de alta frecuencia produce caídas alineales en conductores así como campos electromagnéticos y radiación de energía que pueden perturbar el funcionamiento de equipos cercanos. Coexisten actualmente diversas legislaciones, en distintos países, para establecer limites a las perturbaciones introducidas por los equipos. Quizás la más exigente al respecto sea en la actualidad la norma europea que establece dos niveles de perturbación generada por un variador: *el nivel industrial, que básicamente todo variador debe satisfacer sin la utilización de elementos exteriores, en la medida que el variador sea instalado de acuerdo a las recomendaciones del fabricante. Dichas recomendaciones dan métodos de cableado, protección, instalación y cableado *el nivel domiciliario, mas exigente que el anterior en el cual deben utilizarse generalmente filtros adicionales en la alimentación y salida del variador para limitar las perturbaciones introducidas. Aparte de utilizar los filtros el variador debe ser instalado de acuerdo a las recomendaciones del fabricante El análisis de las perturbaciones generadas por el variador nos lleva a dividir la instalación en 3 partes: Cableado variador-motor: El cable variador motor es realmente una línea e transmisión donde circulan corrientes de alta frecuencia. Como toda línea de transmisión tiene una atenuación (producto de la derivación capacitiva de energía a masa) que reduce la energía transmitida y que alcanza finalmente el motor. En caso de instalaciones donde el motor se encuentre lejos del variador (>100 metros) debe considerarse la utilización de conductores de baja capacidad o sobredimensionar el variador para disponer de la energía necesaria para el motor No debe descartarse la posibilidad de resonancias en una dada frecuencia de operación que se presenten como un cortocircuito al variador, actuando protecciones del mismo. Dicha línea además puede comportase como antena radiante y perturbando por radiofrecuencia otros equipos o instalaciones. Se recomienda minimizar dichos efectos racionalizando el cableado, separando señal de potencia y equipos entre si utilizando conductores blindados con la conexión adecuada a masa, evitando la formación de loops de masa que reducen el efecto del blindaje. EURO TECHNIQUES VARIACION DE VELOCIDAD-Página 6 de 7

7 Instalación del Variador El variador debido a las energías internas en juego puede considerarse como un emisor de radiofrecuencia A fin de limitar este efecto el mismo debería estar inhalado en un gabinete metálico que actué como jaula de faraday previendo la conveniente refrigeración térmica al equipo. Conexión a la red de suministro: Por el conductor de conexión del variador a la red de suministro circulan corrientes pulsantes que producen caídas alineales en dicho cable. El fenómeno e denomina reinyecion a la fuente, existiendo el riesgo de que si hubiera otros equipos conectados a la misma línea vean modificado o perturbado su funcionamiento. La minimización de la reinyeccion a la fuente implica la correcta selección de cableados en cuanto a componentes y distribución. Puede considerarse la utilización de filtros que limiten dicho efecto. Los fabricantes incluyen dichos filtros en los opcionales ofrecidos con el variador. Exis te además el fenómeno de radiación en el cable el cual debe tratarse como en los puntos descriptos anteriormente. 6) Topología de un variador comercial, Inteligencia para el movimiento, Integración al entorno, Comunicaciones. VARIACION DE VELOCIDAD - BLOQUES CONSTITUYENTES FLUJO DE ENERGIA POTENCIA INTEGRACION AL ENTORNO INTELIGENCIA PARA LA REALIZACION DE MOVIMIENTOS CONTROL Y PROTECCION DE LA ETAPA DE POTENCIA COMUNICACIÓN KEYPAD DISPLAY I/O Los puntos analizados anteriormente en este artículo se refieren fundamentalmente a la parte de potencia y su parte de control, elementos básicos constituyentes del variador. El incremento en la utilización de variadores y la utilización de microprocesadores con mayor capacidad han permitido generar una oferta de equipos con mayores posibilidades de uso, brindando mas funciones y prestaciones hasta el punto de generar grupos diferenciados de variadores y modificar las figuras de merito de un cliente para la adquisición del equipo. Podemos agrupar dichas propiedades básicamente en dos grupos: Integración al entorno Tradicionalmente los variadores se comunicaban con el entorno a través del teclado y grupos de entradas salidas analógicas y digitales. La utilización de procesadores más potentes permitió gradualmente incorporar comunicaciones digitales. A fin de facilitar su integración y aumentar su utilización de los variadores los fabricantes proveen la posibilidad de comunicación serial en entorno RS232 y RS485 con multipuertos para protocolos y buses de baja y alta velocidad, conexión en red con otros variadores y dispositivos, buses propietarios para transmisión de señales de sincronización, encoders, control y diálogos especializados. Ya existen equipos para convergencia con PC y publicación de los equipos como pagina Web Inteligencia para la realización de movimientos complejos Los variadores actuales incorporan inteligencia para permitir que el eje del motor realice movimientos complejos como ser posicionamientos precisos, ejes o cardanes virtuales, levas virtuales combinados con diferentes funciones de automatización generando nuevas tecnologías para el control del movimiento y diferentes topologías como la de nodos inteligentes sin necesidad de una unidad central de control, permitiendo movimientos mas veloces y precisos que incrementan las prestaciones de la aplicación. EURO TECHNIQUES VARIACION DE VELOCIDAD-Página 7 de 7