VARIADORES DE VELOCIDAD/ARRANCADORES ESTÁTICOS: APLICACIONES, INSTALACIÓN Y NORMATIVA SOBRE REGULACIÓN Y CONTROL DE MOTORES DE C.A.

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1 VARIADORES DE VELOCIDAD/ARRANCADORES ESTÁTICOS: APLICACIONES, INSTALACIÓN Y NORMATIVA SOBRE REGULACIÓN Y CONTROL DE MOTORES DE C.A. DEPARTAMENTO TÉCNICO POWER ELECTRONICS DOC 40000F

2 POWER ELECTRONICS 1.- PRINCIPIOS DE CONTROL DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN INDICE SECCIÓN 1: PRINCIPIOS DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN CONSTITUCIÓN DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN DE JAULA DE ARDILLA 1..- BOBINAS DEL ESTÁTOR ACCIÓN DEL ROTOR RELACIÓN PAR-VELOCIDAD CORRIENTE Y VELOCIDAD MOTORES ESPECIALES CONTROL DE VELOCIDAD EN UN MOTOER DE JAULA DE ARDILLA SECCIÓN : PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRÓNICOS ARRANQUE DIRECTO..- PROBLEMAS DEL ARRANQUE DIRECTO.3.- EFECTO DE LA TENSIÓN REDUCIDA EN EL ARRANQUE.4.- MÉTODOS DE ARRANQUE POR REDUCCIÓN DE TENSIÓN.5.- PRINCIPIOS DE CONTROL DE UN TIRIRSTOR.6.- ARRANCADORES ELECTRÓNICOS.7.- RAMPA DE TENSIÓN, LÍMITE DE CORRIENTE EN ARRANQUE SECCIÓN 3: PRINCIPOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES C.A VARIACIÓN DE LA FRECUENCIA DE ALIMENTACIÓN 3..- PORQUÉ V/HZ CONTANTE? INCREMENTO DE TENSIÓN DIAGRAMA DE BLOQUES DEL VARIADOR CIRCUITO INVERSOR MODULACIÓN DE LA FORMA DE ONDA MODULACIÓN DEL ESPACIO VECTORIAL DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE CONMUTACÍÓN EL CONTROL ELECTRÓNICO VIGILANCIA DE LA CORRIENTE EN EL MOTOR EQUIPOS MONOFÁSICOS 3.1.-REGENERACIÓN TIPOS DE CARGA SECCIÓN 4: PRINCIPIOS DEL CONTROL VECTORIAL DEL FLUJO DIFERENCIAS ENTRE EL CONTROL ESCALAR Y EL VECTORIAL 4..- REPASO DEL MOTOR DE CC CONCEPTOS DEL CONTROL VECTORIAL CONCEPTO DE ROTACIÓN DEL SISTEMA DE REFERENCIA SÍNTESIS DE LA CORRIENTE DEL ESTÁTOR CONTROLADORES DE LA SERIE ELITE DE POWER ELECTRONICS SERIE ELITE: CONTROL TOTAL DEL PAR Y LA VELOCIDAD SECCIÓN 5: ARMÓNICOS EN SECTORES INDUSTRIALES QUÉ SON LOS ARMÓNICOS? 5..- QUIÉN PRODUCE ARMÓNICOS? CÚALES SON LOS EFECTOS DE LAS CORRIENTES ARMÓNICAS DE ENTRADA? CÓMO REPERCUTE LA DISTORSIÓN DE LA TENSIÓN SOBRE EL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN? CÚALES SON LOS REQUERIMIENTOS LEGALES RESPECTO A LA SUPRESIÓN DE ARMÓNICOS? CÓMO PUEDO REDUCIR LOS ARMÓNICOS EN MI SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN?

3 POWER ELECTRONICS 1.- PRINCIPIOS DE CONTROL DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN SECCIÓN 6: COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA EN VARIADORES DE VELOCIDAD QUÉ ES LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA? 6..- QUÉ PRODUCE RFI EN UN VARIADOR? CÓMO EMITE RFI EL VARIADOR? CÓMO PODEMOS SUPRIMIR LAS RFI? QUÉ MEDIDAS DE SUPRESIÓN DE RFI INCORPORA UN VARIADOR? SOBRE EL APANTALLAMIENTO SOBRE LAS TIERRAS NECESITARÉ FILTROS ADICIONALES? Y LA INMUNIDAD DE MI VARIADOR FRENTE A RFI EXTERNAS? SECCIÓN 7: AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS Y VENTILADORES 31 INTRODUCCIÓN CUÁNDO SE PRODUCE EL AHORRO 7..- CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA Y EL VENTILADOR COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA COMO CONSECUENCIA DE LA VARIACIÓN DE VELOCIDAD CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR EFECTOS DE LA VARIACIÓN DE VELOCIDAD EN LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS RELACIONES BÁSICAS EFICIENCIAS MÉTODOS DE CONTROL DE FLUJO REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL DESPILFARRO DE ENERGÍA AHORROS REALES INFORMACIÓN NECESARIA PARA EL CORRECTO ASESORAMIENTO DE AHORRO DE ENERGÍA SECCIÓN 8: AHORRO DE ENERGÍA EN UNA ESTACIÓN CLIMATIZADORA MÉTODO TRADICIONAL, CON VÁLVULAS DE 3 VÍAS 8..- MÉTODO OPTIMIZADO, CON VARIADOR Y ARRANCADOR ESTÁTICO AHORRO DE CAUDAL EN LA BOMBA DE AGUA FRÍA: TABLAS DE CAUDAL, POTENCIA Y VELOCIDAD EN LA BOMBA CÁLCULO DE AHORRO EN LA INSTALACIÓN AHORRO Y AMORTIZACIÓN CAUDAL DE AIRE EN LOS CLIMATIZADORES TABLAS DE CAUDAL, POTENCIA Y VELOCIDAD DEL VENTILADOR CÁLCULO DEL AHORRO DE LA INSTALACIÓN AHORRO Y AMORTIZACIÓN

4 POWER ELECTRONICS 1.- PRINCIPIOS DE CONTROL DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN 1 SECCIÓN 1: PRINCIPIOS DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN 1.1 CONSTRUCCIÓN DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN DE JAULA DE ARDILLA En todo motor eléctrico podemos distinguir dos partes: rotor y estátor. El rotor está fijado a un eje (fig 1.1), e introducido dentro del estátor mediante rodamientos, de forma que puede girar libremente. El rotor se construye con barras cortocircuitadas eléctricamente por medio de anillos en los extremos formando la denominada jaula de ardilla. Cuando el motor se conecta a una fuente de suministro trifásica, el estátor induce unas corrientes en las barras del rotor. La interacción del campo magnético generado entre el rotor y el estátor origina el par y por tanto la rotación del rotor. Al final del eje del rotor se fija un ventilador, encargado de refrigerar el interior del motor cuando este está girando. ROTOR ESTÁTOR ROTOR VENTILADOR BOBINA DEL ESTÁTOR fig 1.1. Costitución del motor de jaula de ardilla

5 1.- PRINCIPIOS DE CONTROL DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN POWER ELECTRONICS 1. BOBINAS DEL ESTATOR El estátor se construye con acero perforado, montado como un cilindro hueco. La parte interior es un armazón de hierro fundido o aluminio. Unas bobinas distribuidas en tres fases se distribuyen en las ranuras del interior de la circunferencia. Cada una de las tres bobinas del estátor tienen dos mitades colocadas en posiciones diagonalmente opuestas respecto al estátor. Las bobinas están desfasadas 10º entre sí(fig 1.3). El sentido de arrollamiento de las bobinas es tal que, cuando la corriente pasa a través de ellas, se induce un campo magnético a través del rotor. En este caso, cada bobina tiene dos polos, con lo que el motor será bipolar. fig 1..- Cableado del estátor Las bobinas en un estátor de dos polos se muestran en la figura 1.3. Cuando tres bobinas se conectan a una alimentación trifásica ya sea en configuración estrella o triángulo, crean un campo magnético que produce la rotación. La velocidad de rotación del campo está directamente relacionada con la frecuencia de la alimentación. Así, una alimentación de Hz crea un campo de rotación de rev/segundo, es decir, 3000 r.p.m ( figura 1.4) En el estátor dibujado en la figura 1.4, cada bobina tiene cuatro secciones, desfasadas 90º entre sí. Cuando la corriente pasa por cada una de las bobinas, en el estátor se crean dos campos magnéticos, con lo que cada bobina tiene cuatro polos y el motor se denomina tetrapolar. Cuando las bobinas se conectan a una fuente de alimentación trifásica, el campo magnético gira a la mitad de la frecuencia de suministro. Por lo tanto para un suministro de Hz la velocidad de rotación del campo será de 5 rev/segundo o lo que es lo mismo 10 r.p.m. fig1.3.- Generación del campo magnético rotatorio en un motor de dos polos. De la misma forma, el campo en un estátor de 6 polos gira a un tercio de la frecuencia de alimentación, (1000 r.p.m. a Hz) y para un estátor de 8 polos el campo gira a un cuarto de la frecuencia de alimentación (7 r.p.m. a Hz). fig1.4.-generación del campo magnético en un estátor tatrapolar.

6 POWER ELECTRONICS 1.- PRINCIPIOS DE CONTROL DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN ACCIÓN DEL ROTOR dirección del campo rotatorio del estátor SUR ESTÁTOR Cuando aplicamos tensión en bornas del motor, el campo magnético rotativo generado por las bobinas del estátor corta el rotor, generando corrientes inducidas en sus barras (figura 1.5). NORTE A: CORRIENTES INDUCIDAS EN EL ROTOR ESTÁTOR fig1.5.- Corrientes inducidas en el rotor PAR B: INTERACCIÓN ENTRE LOS CAMPOS PARA PRODUCIR PAR La frecuencia de la corriente del rotor es proporcional a la diferencia entre la velocidad del rotor y el campo magnético generado por el estátor y se denomina frecuencia de deslizamiento. La corriente del rotor induce un campo magnético en el rotor que gira a la misma velocidad que el campo del estátor, siendo la interacción entre ambos campos la que produce un par de giro en el rotor. 1.4 RELACIÓN PAR VELOCIDAD fig1.6.- Velocidad de sincronismo según el número de polos. Cuando se incrementa la velocidad del motor, la diferencia entre la velocidad del campo en el estátor y las barras del rotor es menor, lo que reduce el campo rotórico y en consecuencia el par disminuye. Cuando se alcanza la velocidad del campo del estátor no hay campo inducido en el rotor y el par generado es cero. Estamos en la llamada velocidad de sincronismo del motor. En la figura 1.6 aparecen las diferentes velocidades de sincronismo de acuerdo con el número de polos del estátor para una frecuencia de suministro de Hz. Cuando aumenta el par de la carga la velocidad del rotor decrece, con lo que aumenta el deslizamiento. Esto provoca que el flujo del estátor corte las barras del rotor a mayor velocidad y, por consiguiente, se incremente la corriente en el rotor y el par. Sin embargo con el incremento de la corriente del motor se produce una caída de tensión suplementaria en la bobinas del estator, que provocará un debilitamiento del campo en el estátor. En la figura 1.7 se muestra una curva típica de par /velocidad cuando el motor es excitado con una fuente de alimentación trifásica. fig1.7.- Curva par-velocidad de un motor de inducción. 1.5 CORRIENTE Y VELOCIDAD fig1.8.- Curva corriente de línea-velocidad Con deslizamientos altos, la velocidad del campo magnético que corta el rotor aumenta, así como la corriente que circula por él. Esto se ve reflejado en un aumento en la corriente del estátor. Como en el instante inicial el rotor está inmóvil y alimentado con una frecuencia de suministro de Hz, la corriente en el estátor puede alcanzar entre 6 y 10 veces la corriente nominal a plena carga. En la figura 1.8 se muestra la curva típica de corriente y velocidad en un motor de inducción de jaula de ardilla. Incluso cuando el motor está sin carga y girando cerca de la velocidad de sincronismo absorbe una significativa cantidad de corriente de naturaleza

7 4 1.- PRINCIPIOS DE CONTROL DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN POWER ELECTRONICS reactiva, destinada a la magnetización de la máquina. Estas componentes de magnetización crean el flujo en el motor. Esta es la razón por la que un motor siempre funciona con un factor de potencia por debajo de la unidad, típicamente 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 trifásico (ver figura 1.9). El bobinado del rotor se puede conectar al exterior por medio de escobillas y anillos rozantes. Este tipo de motores pueden tener resistencias exteriores colocadas en el circuito del rotor, lo que permite reducir la corriente absorbida, reduciendo la saturación en el hierro y permitiendo un incremento en el par de arranque. Conforme aumenta la velocidad del rotor, el valor de las resistencias se reduce hasta llegar a cero lo que permite mantener un par alto. La figura 1.10 muestra la curva característica de par y velocidad cuando varían las resistencias del rotor. Motor de rotor de doble jaula: En este tipo de motor el rotor tiene dos secciones. La exterior está diseñada con un material de resistencia más elevada que la interior. Cuando el motor está funcionando a baja velocidad (mientras arranca), la frecuencia de deslizamiento es alta y la corriente del rotor tiende a circular por la cara exterior (debido al efecto piel ), con lo que la resistencia efectiva es mayor y en consecuencia aumenta el par de arranque. Cuando la velocidad del rotor aumenta, la frecuencia de deslizamiento decrece y la corriente del rotor circula por la zona de baja resistencia del rotor, de forma que las pérdidas energéticas son menores. fig1.9.- Motor de rotor bobinado. fig Evolución de la curva par-velocidad variando la resistencia rotórica b) Cambiando el deslizamiento. Puede hacerse variando la tensión suministrada al motor, lo que provoca que la curva de par velocidad disminuya causando un mayor deslizamiento conforme aumenta la carga en el motor. En general, la reducción de par es proporcional al cuadrado de la reducción de voltaje. Ver figura Para trabajar correctamente este método requiere una carga con una característica creciente de par y velocidad. Cualquier variación en la carga causará una variación en la velocidad del motor. 1.7 CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DE JAULA DE ARDILLA En principio un motor de jaula de ardilla es un motor de velocidad fija, pero que puede ser controlada actuando sobre el número de polos y la frecuencia de suministro a la que está conectado. La ecuación de la velocidad de un motor es N= (f x 10 /p) -s donde: 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 ecuación puede deducirse que la velocidad puede ser variada de tres formas diferentes: a) Cambiando el número de polos. Esto requiere un motor con doble bobinado y además la velocidad no varía de forma continua sino que se produce un salto de una velocidad a otra. Por ejemplo, un motor de /8 polos conectado a Hz tiene dos velocidades de sincronismo: 3000 y 7 r.m.p. c) Variando la frecuencia de suministro del motor. Este método es el utilizado por los controladores de velocidad electrónicos. La figura 1.10 muestra la familia de curvas parvelocidad cuando se modifica la frecuencia de alimentación. Es el método más indicado para el control de la velocidad, por las siguientes razones: Se obtiene un rendimiento elevado en todo el rango de velocidades. Se dispone de una variación continua (sin saltos) de la velocidad que puede ser controlada eléctricamente vía señales de control tales como 0-10Vdc o 4-0mA. Esto hace que los variadores de velocidad para motores de CA sean ideales para los procesos de automatización. El par disponible en el motor es constante, incluso a bajas velocidades, lo que nos da la posibilidad de trabajar con cualquier tipo de carga. Se puede trabajar con frecuencias superiores a Hz.

8 POWER ELECTRONICS.-PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRÓNICOS 5 SECCIÓN.- PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRÓNICOS.1 ARRANQUE DIRECTO Las características del arranque directo de un motor de inducción pueden ser mejor asimiladas a partir del estudio del circuito equivalente completo del motor (figura.1). En el arranque el deslizamiento es máximo (1) y el término RL/s es muy pequeño, por lo que prácticamente es un cortocircuito. La mayor parte de la corriente del estátor circula por el rotor, estando limitada por las impedancias de los bobinados estatórico y rotórico. Asímismo, el efecto de divisor de tensión entre el rotor y el estátor provoca que la inductancia magnetizante Lm no reciba toda la tensión de alimentación. Así pues, en el arranque, el campo del motor es más débil y el par del motor se reduce aproximadamente al % del pico. Las figuras. y.3 muestran las características parvelocidad y corriente-velocidad típicas en un motor de inducción con rotor en cortocircuito (jaula de ardilla).. PROBLEMAS DEL ARRANQUE DIRECTO En el arranque directo de un motor de inducción, podemos destacar fundamentalmente tres efectos. El primero es el exceso de par aplicado (figura.). Incluso si el par resistente inicial de la carga es bajo, durante el arranque directo se producen una serie de oscilaciones bruscas del par (que alcanzan valores muy elevados) a medida que la velocidad aumenta. Este exceso de par está representado por el área comprendida entre la curva del par de carga y la correspondiente al par del motor. Al comenzar el arranque directo este exceso de par puede ocasionar: shocks mecánicos, deslizamiento en las correas, stress en las trasmisiones y golpes de ariete en las canalizaciones conectadas a bombas. El arranque directo es, básicamente, un arranque incontrolado. El segundo efecto es la enorme sobrecorriente que circula por el motor (figura.3). La corriente de arranque típica, en el momento del arranque, es de unas seis veces la corriente nominal. Ello es debido a que, en el arranque, el deslizamiento es máximo y el motor se comporta como un transformador con el secundario en cortocircuito. Esta sobrecorriente puede ocasionar caídas bruscas de la tensión en líneas de poca capacidad y obliga a dimensionar los contactores y fusibles adecuados para evitar daños. Las compañías de electricidad normalmente piden que se tomen medidas para reducir las sobrecorrientes de arranque. El tercer efecto es el calentamiento adicional del motor. El calentamiento del rotor es mayor durante el arranque dado que su resistencia efectiva se incrementa en relación al funcionamiento normal. Esto es debido a que el denominado "efecto piel" concentra la corriente en la superficie de las barras del rotor (en el instante inicial del arranque, la frecuencia de las corrientes rotóricas es Hz, comparados con los ó 3 Hz correspondientes al funcionamiento normal). El sobrecalentamiento del rotor puede ser importante tras varios arranques consecutivos, o con cargas de elevada inercia, y puede llegar a fundir las barras o los bobinados del rotor. Rs I T L I S L IR I R R r Inductancia magnética L m I m 1-S S Rr Resistencia de carga. se reduce con el incremento de deslizamiento ESTATOR ROTOR fig.1 Esquema equivalente completo de una fase del motor de inducción fig. Curva par-velocidad fig.3 Curva corriente-velocidad

9 6 POWER ELECTRONICS.-PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRÓNICOS.3 EFECTO DE LA TENSIÓN REDUCIDA EN EL ARRANQUE Se puede demostrar que si la tensión de alimentación de un motor de inducción es reducida durante el arranque, el par disponible disminuye con el cuadrado de la tensión (figura.4). Si la tensión aplicada al motor se reduce al 71%, el par disponible se queda reducido al % ( ) del valor total. La corriente de arranque también se reduce, pero no tanto como el par. Cualquier técnica de arranque basada en la reducción de la tensión de alimentación ocasionará que el motor funcione con un elevado deslizamiento durante periodos de tiempo prolongados. Cuando el deslizamiento es elevado, el par es moderado, el factor de potencia empeora y el calentamiento del motor (especialmente del rotor) se incrementa. Un variador de frecuencia es un método más efectivo de arranque para un motor de inducción. Dado que el variador incrementa la frecuencia de acuerdo con una rampa prefijada, el motor puede ser acelerado sin que el deslizamiento sea elevado, de forma que la corriente de arranque puede ser minimizada y obtener un par de arranque controlado. Este sistema presenta la ventaja de poder variar la velocidad de forma continua. El principal inconveniente es el mayor coste inicial del variador. incrementa hasta llegar a la tensión nominal. Normalmente se realizan dos o tres etapas. Cada etapa requiere un contactor, que necesita ser controlado mediante un relé retardado en el caso de un arranque automático. Este método desconecta momentáneamente el motor en cada salto, lo que provoca picos de corriente y pérdidas transitorias de par. Una ventaja de este método es el reducido valor de la corriente debido al efecto transformador. 3) Resistencias estatóricas: Este método intercala resistencias en serie con la alimentación durante el arranque. A medida que el motor aumenta la velocidad, disminuye el valor de las resistencias y finalmente se cortocircuitan. Un arrancador de este tipo de uso muy extendido utiliza resistencias líquidas, constituidas por láminas conductoras introducidas en recipientes de carbonato sódico como elementos resistivos. Este método no proporciona muy buenos resultados en lo que se refiere al control de la tensión en los terminales del motor y es bastante ineficiente debido a las elevadas pérdidas en las resistencias durante el arranque. 4) Arrancadores electrónicos: En su forma más extendida, un arrancador electrónico está constituido por tres pares de tiristores en antiparalelo intercalados entre la línea y el motor. Mediante el control del disparo de los tiristores puede ser reducida la tensión aplicada al motor..4 MÉTODOS DE ARRANQUE POR REDUCCIÓN DE TENSIÓN Todos los métodos de arranque que vamos a analizar en este apartado reducen la tensión de alimentación pero no modifican la frecuencia. Como consecuencia, el cociente entre el par y la corriente es reducido. 1) Estrella-triángulo: Este método puede ser utilizado para motores con bobinados 400Vac. En funcionamiento normal, los devanados están conectados en triángulo, pero en los primeros instantes del arranque se conectan en estrella. Esto reduce la tensión en bornes de los devanados al 57%, y el par de arranque al 33%. Este método tiene la ventaja de mantener constante el cociente entre el par del motor y la corriente. fig.4.- Curvas par-velocidad en función de la tensión Este método requiere dos contactores y un relé retardado si el arranque es automático. Durante la transición de estrella a triángulo el motor está desconectado durante unos instantes, lo que produce una pérdida momentánea del par y un pico de corriente en la reconexión (figura.5). ) Autotransformador: Un arranque por autotransformador se realiza mediante un autotransformador con varias salidas. Al principio, el motor se conecta a la salida de menor tensión, conmutando a continuación a salidas de voltaje superior a medida que la velocidad se fig.5.- Características del arranque estrella-triángulo

10 POWER ELECTRONICS.-PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRÓNICOS 7.5 PRINCIPIOS DEL CONTROL DE UN TIRISTOR Un tiristor es un semiconductor utilizado como interruptor, con dos terminales de potencia, denominados ánodo (A) y cátodo (K), y un terminal de control denominado puerta (G). Principios de funcionamiento: (figura.6) Si la tensión en el cátodo es superior a la del ánodo, el tiristor está polarizado en inversa y bloquea el paso de la corriente. fig.6a.- Característica del tiristor: símbolo y terminales del SCR Si la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo, el tiristor está polarizado en directa, y bloquea el paso de la corriente hasta que el terminal de puerta recibe un pulso positivo respecto al cátodo. Este pulso provoca la conducción del tiristor y la corriente circula de ánodo a cátodo. El tiristor continúa conduciendo cuando el pulso deja de aplicarse y lo hace hasta que la corriente se anula, momento en el cual recupera su poder de bloqueo. Conexión en antiparalelo: Una conexión en paralelo de dos tiristores con los terminales invertidos se denomina en antiparalelo. En esta configuración, los tiristores pueden ser utilizados para controlar tensiones alternas. En el semiciclo positivo, SCR1 controla la corriente que circula hacia la carga. En los semiciclos negativos, SCR es el encargado de controlar la corriente circulante. fig.6b.- Característica del tiristor: Curva característica V-I del SCR Control de fase: Controlando el instante de disparo de los tiristores podemos controlar el valor eficaz de la tensión aplicada a la carga. La figura.8 muestra la tensión aplicada a la carga según el instante de disparo de los tiristores así como la tensión en la carga cuando los tiristores son controlados con un gran ángulo de disparo. La tensión realmente aplicada a la carga (en trazo oscuro), es comparativamente pequeña. La figura.8.b muestra la tensión en la carga cuando los tiristores se disparan en el punto medio de cada semiciclo. La tensión eficaz en la carga es ahora al % de la tensión de entrada. fig.7.- Conexíón de tiristores en antiparalelo La figura.8.c muestra la tensión en la carga con un ángulo de disparo pequeño. La tensión eficaz es del orden del 80% de la tensión de entrada. El control de la tensión aplicada a la carga mediante el control del disparo de los tiristores se denomina control de fase y es el principio de los arrancadores electrónicos de Power Electronics. fig.8.- Control de Fase

11 8.- PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRÓNICOS POWER ELECTRONICS.6 ARRANCADORES ELECTRÓNICOS Los arrancadores de Power Electronics tienen tres pares de tiristores en antiparalelo, un par por cada fase de la línea de alimentación. Estos tiristores son controlados mediante pulsos generados por la tarjeta de control. Los pulsos de disparo son aplicados a los tiristores a través de un transformador de pulsos o un optoacoplador, que proporciona aislamiento galvánico entre los circuitos de control y los de potencia. Así pues, el arrancador puede ser puesto en marcha o parado y la tensión aplicada al motor controlada automáticamente a partir de la tarjeta de control. Los arrancadores incorporan funciones adicionales tales como la medida de la corriente que circula por el motor, proporcionando una protección contra sobrecargas térmicas. Con todo, se requieren fusibles de entrada a fin de proteger los tiristores y el motor contra sobrecargas y cortocircuitos..7 RAMPA DE TENSIÓN, LíMITE DE CORRIENTE EN ARRANQUE La rampa de tensión es un método de arranque en el que se aumenta progresivamente la tensión aplicada al motor. En la figura.10 la tensión de salida del arrancador efectúa una rampa desde 0 al 100% en cuatro segundos. Sin embargo es conveniente señalar que existe un retardo entre el comienzo de la rampa y el momento en que el motor comienza a girar. El tiempo de rampa es ajustable por el usuario. Normalmente, un nivel de tensión inicial es ajustable por el usuario, lo que permite fijar el comienzo de la rampa. En el ejemplo de la figura.10b, el nivel de tensión inicial ha sido fijado al 40%, lo que permite que el motor comience inmediatamente a girar cuando se da la orden de arranque. El arranque con corriente limitada es un método que sólo es utilizable cuando el arrancador mide permanentemente la corriente de salida. La corriente máxima de arranque es preseleccionada por el usuario. Al principio del arranque, se mantiene la rampa de tensión prefijada en tanto la corriente permanece por debajo del valor máximo prefijado. Llegados a este punto, la rampa de tensión se ajusta para mantener la corriente en este valor o por debajo de él. Este método es utilizable si se desea limitar la corriente máxima en el arranque debido, por ejemplo, a la insuficiente capacidad de la alimentación. Asímismo, es también un buen método para arrancar cargas de elevada inercia que son aplicadas al motor únicamente cuando este gira a la velocidad nominal. Ejemplos: ventiladores, hojas de sierra, etc. fig.9 Extructura de un arrancador

12 POWER ELECTRONICS.- PRINCIPIOS DE LOS ARRANCADORES ELECTRÓNICOS 9 En la figura.11.a se ha seleccionado una corriente límite del 400%, y el proceso de aceleración de la carga se realiza sin problemas. Sin embargo, en la figura.11.b, la corriente límite se ha seleccionado al 00%, y en un punto del ciclo de aceleración, el par resistente ofrecido por la carga se hace superior al disponible en el eje del motor. Llegados a este punto, el motor es incapaz de accionar la carga y termina parándose. fig.10 Rampa de tensión fig.11. Límite de corriente en el arranque

13 PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A. POWER ELECTRONICS SECCIÓN 3.- PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A VARIACIÓN DE LA FRECUENCIA DE ALIMENTACIÓN. En la figura 3.1 podemos ver de qué forma la variación de la frecuencia de alimentación repercute en la velocidad del motor. En ella aparece la familia de curvas par-velocidad del motor alimentado a frecuencia variable. fig3.1 Evolución de la curva par-veocidad cuando varía la frecuencia de alimentación. 3.. POR QUÉ V/Hz CONSTANTE? En la figura 3. se muestra un circuito equivalente de una fase de un motor de inducción. En este circuito equivalente aparecen dos caminos en paralelo para la corriente del motor, por lo que esta se divide en dos componentes. Una componente es la corriente de carga, designada como I R. Es la componente "real" y circula por el rotor. Esta corriente es generadora de par y por lo tanto aumenta con la carga del motor. La otra componente es la corriente magnetizante, designada como I M. Circula por el estátor y es "imaginaria",es decir, está desfasada 90º respecto a la componente real. La corriente magnetizante es la que genera el flujo en el motor y por lo tanto es conveniente que permanezca constante cuando la carga varía. I T Rs Inductancia magnética L m ESTATOR ROTOR fig3. Circuito equivalente de una fase del motor. I m I R RL Resistencia de carga. se reduce con el incremento de deslizamiento La figura 3.3 muestra las dos componentes de la corriente como vectores. Podemos ver como el ángulo entre la corriente total IT y la corriente de carga IR disminuye cuando aumenta la carga del motor, lo que mejora el factor de potencia. La corriente magnetizante IM permanece constante, independientemente de la carga. Es la corriente magnetizante quien genera el campo magnético en el estátor, afectando a la capacidad del motor de producir par. El valor de la corriente magnetizante puede ser calculado mediante la expresión: donde: IM= V= tensión de alimentación f = frecuencia de alimentación L= inductancia magnetizante del estátor De esta expresión podemos deducir que si reducimos la frecuencia de alimentación sin disminuir la tensión, la corriente magnetizante aumentará inversamente con la frecuencia. Esto conduce a la saturación magnética del motor si la tensión de alimentación del motor no es reducida junto con la frecuencia. Así pues, en un controlador electrónico de la velocidad, la tensión de alimentación del motor debe ser ajustada en proporción a la frecuencia, de forma que la corriente de magnetización permanezca constante. fig3.3 Diagrama vectorial de la corriente en el motor En el ejemplo de la figura 3.4, como la frecuencia de salida está ajustada de 0 a Hz, la tensión de salida está ajustada del 0 al 100% (esto es, 0 a 400 Vac). Esto asegura que el flujo en el motor permanece aproximadamente constante. Un funcionamiento de este tipo recibe el nombre de relación tensiónfrecuencia constante. Es de remarcar que la frecuencia puede elevarse por encima de Hz, de forma que el motor trabaje en sobrevelocidad. Sin embargo, la tensión del motor no puede aumentarse por encima del 100%, debido a la limitación de la tensión de alimentación. Así pues, a partir de Hz, el cociente tensión/frecuencia disminuye, reduciéndose el flujo en el motor. Esto repercute en una disminución del par que el motor es capaz de dar a velocidades superiores a Hz. Este fenómeno se denomina debilitamiento del campo.

14 POWER ELECTRONICS 3.- PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A INCREMENTO DE TENSIÓN. La figura 3. muestra un circuito equivalente de una fase de un motor de inducción. Hasta ahora hemos despreciado los efectos de las impedancias serie del estátor, Rs y XLS. Estas impedancias producen una caída de tensión cuando el motor está en carga, lo que determina una reducción de la tensión efectivamente aplicada al motor. Esto ocasiona el debilitamiento del campo estatórico y la consiguiente disminución del par disponible. Este hecho adquiere mayor importancia a velocidades bajas, cuando la tensión aplicada al motor es así mismo pequeña. fig3.4.- Relación tensión-frecuencia en el variador Para solucionar este problema, debemos proceder a un incremento de la tensión aplicada al motor. Es decir, a velocidades bajas la relación tensiónfrecuencia es aumentada, tal como indica la figura 3.5. Este incremento se requiere habitualmente cuando la carga necesita un elevado par de arranque, como por ejemplo cintas transportadoras o cargas de gran inercia. Un incremento de tensión excesivo puede ocasionar la saturación del motor, y por lo tanto la sobrecarga del motor o del variador. fig3.5.- Compensación de la tensión a velocidades reducidas Los últimos variadores de velocidad inteligentes pueden calcular y aplicar de forma automática el incremento de tensión óptimo. 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 la alimentación llegan a la entrada, donde la tensión es rectificada y posteriormente filtrada a través de un filtro L- C. Este bus continuo alimenta un puente inversor, el cual trocea la tensión para conseguir un sistema trifásico a la tensión y la frecuencia necesarias para que el motor gire a la velocidad deseada. fig3.6.- Diagrama de bloques del variador 3.5 CIRCUITO INVERSOR El circuito inversor consta de 6 interruptores electrónicos (semiconductores), en configuración puente trifásico (figura 3.8). En un principio, los interruptores utilizados eran tiristores rápidos con sus correspondientes circuitos de conmutación forzada. Posteriormente fueron sustituidos por transistores bipolares (montaje Darlington), y actualmente se utilizan Transistores Bipolares de puerta aislada (IGBT). La conmutación de los transistores se produce de la siguiente manera: cuando el transistor superior de cada fase entra en conducción, el inferior correspondiente se bloquea y viceversa. De esta forma tenemos que el punto medio de cada semipuente conmuta alternativamente del polo positivo al negativo del bus de continua. Si cada una de las fases conmuta de esta forma, pero con un desfase entre ellas de 10º, las tres formas de onda resultantes (VAO, VBO, VCO) son las dibujadas en la figura.8. Si consideramos la tensión entre fases (VAB en la figura), el resultado es una onda de 6 pulsos o semi-cuadrada.

15 1 POWER ELECTRONICS 3.- PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A. VBC y VCA tienen la misma forma pero desfasadas 10º y 40º respectivamente. Así pues, en la salida del puente inversor tenemos tres tensiones trifásicas cuya frecuencia viene dada por la frecuencia de conmutación. El valor eficaz de la tensión es ajustado por modulación de la forma de onda. Esto se lleva a cabo insertando "huecos" en la onda, como veremos en el apartado 3.7. Cuando estas formas de onda se aplican al motor, la inductancia de los bobinados actua de filtro, de manera que la corriente en el motor es aproximadamente sinusoidal (figura 3.9). fig3.8 Formas de onda en la salida del inversor 3.6 MODULACIÓN DE LA FORMA DE ONDA La figura 3.9 muestra una forma de onda sencilla. Cada interruptor se ha conmutado a la frecuencia de salida deseada, con un ciclo de trabajo del %. Sin embargo, en la práctica la forma de onda es modulada insertando "huecos", de tamaño variable. El propósito es doble: disminuir el contenido de armónicos de manera que la forma de onda se aproxime a la senoidal y poder ajustar el valor eficaz de la tensión de salida. fig 3.9 Corriente en el motor con tensión semi-cuadrada Un método de modulación a menudo utilizado es la "modulación sinusoidal" (figura 3.10), en el que una señal triangular es comparada con una senoidal. Cuando la señal senoidal es mayor que la triangular, el interruptor situado en la parte superior del semipuente se pone en conducción. Cuando es la señal triangular la que es superior a la senoidal, el interruptor inferior recibe orden de conducción. La forma de onda de la corriente resultante en el motor es muy próxima a la senoidal, con muy poca distorsión. La anchura y el número de huecos son electrónicamente ajustados para reducir la tensión de salida a medida que la frecuencia disminuye, tal como se muestra en la figura En los últimos equipos una nueva técnica denominada modulación del espacio vectorial es utilizada. Con ella se consiguen mejores formas de onda con menos conmutaciones, y será comentada con más detalle en el apartado 3.8. fig Modulación tensión de salida fig Modulación y formas de onda del voltaje de salida

16 POWER ELECTRONICS 3.- PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A MODULACIÓN DEL ESPACIO VECTORIAL. Un sistema de formas de onda senoidales trifásicas puede ser representado mediante tres vectores rotatorios (fasores). La velocidad de rotación (rev/s) informa sobre la frecuencia, la posición instantánea informa acerca del estado dentro de un ciclo y la longitud del vector representa la amplitud de la tensión o de la corriente que están siendo representadas (figura 3.1). La tensión simple (fase-neutro) queda representada por las longitudes de VA-N, VB-N, VC- N, en tanto que la tensión compuesta viene dada por la longitud de los segmentos VA-VB, VB-VC, VC-VA. fig3.1.-vectores trifásicos. En un puente inversor trifásico, intentamos reconstruir señales senoidales, pero no podemos conseguir una forma de onda perfectamente senoidal dado que no tenemos la capacidad de mantener la rotación de forma continua. Existen ocho posibles estados de las salidas A, B y C, dependiendo de los IGBT que conduzcan. Dos de esos estados corresponden a un valor nulo de la tensión, en tanto que los otros seis corresponden a seis puntos espaciados 60º entre sí. En la figura 3.13 aparece una tabla que refleja esos ocho estados, así como el estado de los interruptores. Moviéndonos de forma secuencial entre estos seis estados activos podemos generar en la salida una onda semicuadrada, como se indica en la figura 3.8 estado TR1/4 TR/5 TR3/6 Va Vb Vc Vab Vbc Vca 0 0/1 0/1 0/ /0 0/1 0/ /0 1/0 0/ /1 1/0 0/ /1 1/0 1/ /1 0/1 1/ /0 0/1 1/ /0 1/0 1/ Clave: 0= transistor OFF ; 1=transistor ON ; += salida +Ve ; - = salida -Ve ; 0= salida 0 voltios Los ocho estados de la tabla pueden ser representados mediante una estructura hexagonal, como se muestra en la figura Es de remarcar que el paso de un estado al adyacente, o de un estado activo al nulo, únicamente requiere cambiar el estado de dos IGBT. Este hecho es de gran importancia para lograr la mayor frecuencia de conmutación posible con un número mínimo de interruptores, a fín de minimizar las pérdidas por conmutación. Para generar un vector tensión intermedio, esto es, un vector cuya magnitud y desfase no se corresponda con una de las seis esquinas del hexágono, es necesario modular entre dos estados activos adyacentes (para fijar el desfase) y uno de los estados nulos (para fijar la amplitud), tal como se muestra en la figura fig Representación hexagonal de los estados de salida del inversor Clave: 0= transistor OFF ; 1=transistor ON ; += salida +Ve ; - = salida -Ve ; 0= salida 0 voltios fig Generación de tensiones intermedias

17 PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A. POWER ELECTRONICS Las ventajas de la modulación del espacio vectorial sobre la modulación sinusoidal son las siguientes: Reducido contenido de armónicos en el motor. Esto repercute en una reducción de las pérdidas. La razón estriba en que la frecuencia de conmutación efectiva es mayor que en la modulación sinusoidal, para una frecuencia de conmutación determinada. Pequeños pares pulsatorios. Los pares pulsatorios producidos por las variaciones del flujo magnético en el entrehierro del motor son menores cuando se utiliza la modulación del espacio vectorial. Estas pulsaciones se producen a la frecuencia de modulación, produciendo un ruido audible (de origen magnetoestrictivo) en el motor. Frecuencia de modulación constante. La modulación sinusoidal es síncrona, esto es, la frecuencia de modulación se ajusta al fundamental de la frecuencia de salida del inversor. La modulación del espacio vectorial es asíncrona, lo que significa que la frecuencia de modulación (y en consecuencia la frecuencia del ruido del motor) es constante en todo el rango de frecuencias. Mejor uso de la tensión de alimentación. En la modulación sinusoidal, si accidentalmente la amplitud de la referencia supera la señal portadora (figura.10), puede producirse la saturación de la modulación con el consiguiente incremento de la distorsión en la forma de onda de la tensión. Llevado al extremo, el resultado serían ondas semicuadradas. Con la modulación del espacio vectorial, los límites máximos de la tensión de salida sin distorsión vienen determinados por un círculo inscrito en el hexágono. La máxima tensión sin distorsión es el 115% de la que se puede lograr con moduladores sinusoidales, lo que conlleva un mejor uso de la tensión disponible en el bus de continua. Sin embargo, a partir de este nivel, las formas de onda de salida pasan a ser trapezoidales. Adaptación a la generación de formas de onda mediante microprocesador. Las técnicas de modulación del espacio vectorial sólo son realizables en sistemas digitales basados en microprocesador. Es posible variar la frecuencia de modulación para adaptarse a las características de los IGBT, o utilizar diferentes frecuencias de modulación para reducir el ruido aparente del motor, como hace la modulación "Whisperwave" de PDL DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DE CONMUTACIÓN. Los diferentes interruptores electrónicos utilizados en los inversores de PDL han sido los siguientes: Tiristores. Transistores bipolares. Transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) Un tiristor es un semiconductor de potencia formado por una estructura PNPN (ver principio de funcionamiento en el apartado.5). Su uso estaba muy extendido en los años 70. Sin embargo, actualmente se utilizan cada vez menos. Un tiristor es normalmente bloqueado forzando que la corriente de ánodo se anule, aplicando una tensión inversa durante un periodo mínimo de tiempo. El tiristor recupera entonces su capacidad de bloquear tensiones directas. Para llevar a cabo la conmutación forzada, se requieren componentes externos, tales como inductancias, condensadores y semiconductores auxiliares, que son caros y voluminosos. La frecuencia máxima de conmutación de un tiristor dentro de un circuito inversor ronda los 7 Hz, debido a las altas pérdidas de conmutación (a frecuencias superiores, el rendimiento del inversor disminuye de forma apreciable). Esto significa que la calidad de la onda sinusoidal de salida es baja, lo que produce calentamientos en el motor. Un transistor bipolar esta compuesto por una estructura NPN (o PNP). Si hacemos circular una corriente Ib por la base (figura 3.17), circulará una corriente de colector Ic. El cociente Ic/Ib se denomina ganancia de corriente. En los transistores de potencia esta ganancia está en torno a 10 ó incluso menos, pudiendo ser incrementada añadiendo otro transistor en configuración Darlington. La figura 3.18 muestra el esquema de un típico transistor Darlington de tres etapas de Fuji, utilizado en la etapa inversora de un variador de velocidad de motores de inducción. a ganancia total es aproximadamente el producto de las ganancias individuales de cada etapa. En la práctica, el transistor de potencia es utilizado como un interrruptor. En el caso de un transistor bipolar, para que conduzca se suministra la corriente de base necesaria para obtener una tensión V CE reducida - típicamente 3 V-. Decimos que el transistor está en saturación. El bloqueo debe hacerse de forma rápida, a fin de disminuir las pérdidas por conmutación. Esto se logra instalando bruscamente una corriente inversa en la base, lo que permite extraer las cargas almacenadas en la unión y devuelve el poder de bloqueo al semiconductor. El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es el último dispositivo utilizado. Su control se realiza por tensión, en el cual la conmutación se realiza aplicando tensión al terminal de puerta. ESTUDIO TEORICO PRÁCTICO DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE INDUCIÓN

18 POWER ELECTRONICS 3.- PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A. 15 fig Transistor Bipolar fig Darlington de 3 etapas El funcionamiento del IGBT puede ser modelizado considerando que un transistor MOSFET controla un transistor PNP, como muestra la figura El IGBT es puesto en conducción aplicando una tensión positiva (+15V) en la puerta. Para bloquear rápidamente un IGBT se aplica en la puerta una tensión negativa (-5V). El IGBT presenta ventajas importantes respecto al Darlington, tales como una menor tensión de saturación, frecuencias de conmutación superiores, mayor capacidad de sobrecarga y menor demanda de potencia en el circuito de control. Los mayores dispositivos utilizados por PDL tienen un rango de 300A y 100V. Para alcanzar rangos mayores pueden conectarse dos o más dispositivos de este tipo. Los variadores de velocidad PDL utilizan hasta seis en paralelo. Las pérdidas globales de un transistor en conmutación es la suma de las pérdidas en el encendido, en conducción y en el apagado (figura 3.0). Las pérdidas en conducción pueden ser reducidas reduciendo la tensión VCE. Sin embargo esto aumenta el tiempo necesario para bloquear el componente, lo que repercute en mayores pérdidas durante el bloqueo. Cuanto mayor es la frecuencia, mayores son las pérdidas en conmutación. Una frecuencia típica de funcionamiento es 4 KHz. fig Símbolo y circuito equivalente del IGBT fig3.0.- Pérdidas de potencia, Corriente y Tensión en la conmutación del transistor ESTUDIO TEORICO PRÁCTICO DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE INDUCIÓN

19 PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A. POWER ELECTRONICS 3.9 EL CONTROL ELECTRÓNICO. El control electrónico es el cerebro de un variador de velocidad. Básicamente, realiza las siguientes funciones: Recibe la señal de velocidad requerida (0-10V ó 4-0 ma). Recibe las órdenes del usuario: arranque, paro, inversión, etc. Genera las formas de onda moduladas en el espacio vectorial. Conmuta los interruptores de forma adecuada para aplicar al motor la tensión y la frecuencia que haga girar al motor a la velocidad deseada. Vigila la corriente en el motor para proteger el variador y el motor frente a sobrecargas. Permite realizar los ajustes necesarios para una aplicación: rampas de aceleración y deceleración, velocidad máxima y mínima, etc. Proporciona el estado de las salidas: corriente en el motor, frecuencia, marcha, arranque, indicación de fallo, etc VIGILANCIA DE LA CORRIENTE EN EL MOTOR El variador de velocidad vigila permanentemente la corriente del motor. El valor de la corriente medida se utiliza para proporcionar al motor y al mismo variador una protección contra sobrecargas. Tradicionalmente se ha venido utilizando transformadores de medida de corriente, que son inutilizables en corriente continua o en bajas frecuencias. Así pues, estos controladores no pueden funcionar por debajo de 1 Hz. Los últimos productos utilizan dispositivos de efecto Hall, que pueden medir corrientes continuas o de baja frecuencia, de forma que los controladores pueden funcionar en ese rango. Los controladores electrónicos permiten un ajuste de la protección contra sobrecorrientes. Esta protección va desde la simple apertura del circuito tras un tiempo de retardo fijo (controladores MD), hasta un modelo térmico por software, el cual tiene en cuenta la disminución de la capacidad de refrigeración del motor a velocidades bajas (controladores ASDi, UD3, UDi, MV3, MVi). Algunos modelos vigilan también el equilibrio en las tres fases del motor, así como la corriente de derivación a tierra. Normalmente cuando se controla un solo motor a partir de un variador no se requieren protecciones adicionales. Por el contrario, si se alimentan varios con un mismo variador es necesario que cada motor lleve instalado su propio relé térmico contra sobrecargas EQUIPOS MONOFÁSICOS Hasta ahora nos hemos centrado en los variadores de velocidad con entrada trifásica 400 Vac, para suministrar tensiones de salida de 0 a 400 Vac. Sin embargo los motores pequeños se diseñan con bobinados de 30 Vac, pudiendo ser conectados en estrella con una red de 400 Vac, o bien en triángulo para ser conectados a una red de 30 Vac. Si conectamos el motor en triángulo, la corriente absorbida es 1.73 veces la correspondiente a la conexión estrella, para una misma potencia (figura 3.1). 30V U U1 V U V1 W W1 30V 30V V W CABLEADO CONEXIÓN DEL MOTOR 30V W U V U1 V1 W1 V V1 400V 400V V W U W1 U U1 400V W CABLEADO CONEXIÓN DEL MOTOR 400V W U V U1 V1 W1 CONECTAR EN TRIÁNGULO LOS TERMINALES CONECTAR EN ESTRELLA LOS TERMINALES fig 3.1 Conexiones de cableado para motores de 30/400V fig3. Esquema del variador monofásico ESTUDIO TEORICO PRÁCTICO DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE INDUCIÓN

20 POWER ELECTRONICS 3.- PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A REGENERACIÓN Cuando un motor acciona una carga de gran inercia, al disminuir la frecuencia de salida el motor gira por encima de la velocidad de sincronismo, es decir, el deslizamiento se hace negativo. La misma situación se presenta cuando desciende una grúa. En estas condiciones, el motor se comporta como un generador, absorbiendo potencia mecánica de la carga y devolviendola al variador. La figura 3.3 muestra la zona correspondiente a la regeneración. fig 3.3 Tipos de funcionamiento En el momento de la regeneración, la energía es devuelta al variador a través de los diodos en antiparalelo del inversor, pero no puede ser devuelta a la red porque el rectificador de entrada es unidireccional en corriente. Como consecuencia, se produce una elevación de la tensión del bus de continua, lo que puede poner fuera de servicio el variador. Una solución es instalar un freno dinámico acoplado al bus de continua, el cual está constituido por una resistencia conectada a un interruptor electrónico activado por tensión. Cuando la tensión del bus de continua sobrepasa el límite prefijado, el interruptor se activa y la energía de la regeneración se disipa en la resistencia TIPOS DE CARGA fig 3.4 Curvas par y potencia frente a velocidad En general, un motor de inducción puede ser alimentado a partir de un variador de velocidad sin afectar significativamente al funcionamiento. Sin embargo, debemos tener en cuenta las siguientes consideraciones (figura 3.4): Hasta Hz, el máximo par disponible en el motor se mantiene prácticamente constante, lo que significa que la potencia va incrementandose desde 0 Hz hasta Hz. Por encima de Hz, el par disponible disminuye, debido a la reducción de la corriente magnetizante y el consiguiente debilitamiento del campo. A bajas velocidades, la efectividad de la refrigeración disminuye, de forma que el motor no puede proporcionar el par nominal a bajas velocidades, a no ser que se prevea una refrigeración adicional. La figura 3.4 muestra un ejemplo de esta pérdida de par disponible. Antes de decidir el tamaño del motor y del variador requerido, es importante comprender las características par-velocidad para cada carga en particular. fig 3.5 Pérdida de par debido a la refrigeración del motor En lo que se refiere a la característica par-velocidad, podemos distinguir cuatro tipos básicos de carga. ESTUDIO TEORICO PRÁCTICO DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE INDUCIÓN

21 18 POWER ELECTRONICS 3.- PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE C.A. La figura 3.6 ilustra una carga de potencia constante. El par demandado por la carga aumenta a medida que la velocidad disminuye, de forma que el producto entre el par y la velocidad (por lo tanto, la potencia) permanece constante. Ejemplos: molinos y tornos. La figura 3.7 muestra una carga de par constante. En este tipo de carga, el par permanece constante a cualquier velocidad. Es una característica muy común: cintas transportadoras, grúas, prensas de imprenta, etc. En este tipo de cargas deben tomarse precauciones cuando se trabaja durante largos periodos de tiempo a bajas velocidades. La figura 3.8 ilustra una carga para la que el par es proporcional a la velocidad. Ejemplos: mezcladoras, bombas de desplazamiento positivo, compresores, etc. Este tipo de cargas no suelen presentar problemas de calentamiento, y no requieren incrementos de tensión inicial. fig3.6 Carga a potencia constante La figura 3.9 muestra una carga en la que el par es proporcional al cuadrado de la velocidad. Este tipo de par resistente es muy común, y corresponde a bombas centrífugas y ventiladores. Más del 70% de las cargas accionadas con motores controlados por variadores de velocidad corresponden a este tipo. El par requerido a bajas velocidades es pequeño. fig 3.7 Carga a par constante Los cuatro tipos básicos de par resistente que hemos visto son una simplificación de los pares de carga reales. Una carga puede modelizarse como uno de estos pares ideales, o bien la asociación de dos o más de ellos. Para lograr la utilización idónea del motor, es necesario diseñar el sistema de manera que gire lo más cerca posible de la velocidad nominal (correspondiente a Hz), en condiciones normales. Para asegurar esto, hay que seleccionar el número de polos y la relación de transmisión adecuados. Velocidades significativamente inferiores a la nominal suponen una disminución de la potencia que puede desarrollar el motor y, dependiendo del tipo de carga, pueden originar sobrecalentamientos. Velocidades superiores a la nominal reducen el par disponible y también pueden producir sobrecalentamientos, así como un desgaste superior. fig 3.8 Par proporcional a la velocidad fig 3.9 Par proporcional al cuadrado de la velocidad ESTUDIO TEORICO PRÁCTICO DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE INDUCIÓN

22 POWER ELECTRONICS 4.- PRINCIPIOS DEL CONTROL VECTORIAL DEL FLUJO 19 SECCIÓN 4.-PRINCIPIOS DEL CONTROL VECTORIAL DEL FLUJO 4.1 DIFERENCIAS ENTRE EL CONTROL ESCALAR Y EL VECTORIAL Como planteamos en la sección 1, el funcionamiento de un motor de inducción trifásico se basa en la interacción de los campos magnéticos del rotor y del estátor. El estátor genera un campo en el entrehierro que gira a la velocidad síncrona. Este campo induce corrientes polifásicas en el rotor, que a su vez generan un campo magnético giratorio a la velocidad síncrona respecto al estátor. Como consecuencia, de acuerdo con el principio de alineamiento de campos magnéticos, el rotor se ve sometido a un par, tendente a alinear ambos campos. El rotor gira en la misma dirección que el campo magnético del estátor. Cuando la velocidad del rotor se aproxima a la del campo estatórico, la magnitud de las corrientes inducidas en el rotor disminuye. De esta forma el par aplicado al rotor decrece, hasta que a la velocidad de sincronismo el par es nulo. Así pues, en condiciones normales de funcionamiento, el rotor girará a una velocidad ligeramente inferior a la de sincronismo. La diferencia entre la velocidad del campo magnético y la del rotor se denomina deslizamiento. Cuanto mayor es el deslizamiento, mayor es el par que puede ser aplicado a la carga. Si la frecuencia de la tensión de alimentación es variable, la velocidad del campo magnético podrá ser variada y en definitiva podremos variar la velocidad del motor. Esto se lleva a cabo variando simultáneamente la tensión y la frecuencia aplicadas al motor, como ya vimos en la sección. Este tipo de control de motores de inducción se denomina control escalar, siendo utilizable cuando las especificaciones dinámicas son moderadas, siendo el funcionamiento en régimen permanente el principal objetivo. Ello es debido a que este tipo de control fija la amplitud del flujo en el motor, pero no su posición instantánea. En régimen dinámico, cualquier ajuste debe ser realizado de forma suave, pues de lo contrario se pueden producir inestabilidades indeseables. La velocidad del motor es controlada por completo mediante el ajuste de la tensión y la frecuencia de salida, y el par por ajuste del deslizamiento. Cuando se desean prestaciones elevadas, es necesario realizar un control en lazo cerrado del par. Este concepto requiere un control independiente del par y del flujo en el motor. Este tipo de control se denomina control vectorial del campo orientado, o simplemente control vectorial, utilizado por la serie Elite de POWER ELECTRONICS. 4. REPASO DEL MOTOR DE CC El motor de corriente continua con excitación independiente, mostrado en la figura 4.1, es un ejemplo de motor controlado vectorialmente. La corriente de armadura (generadora de par) está en cuadratura con el campo generado por el inductor. Como resultado, las relaciones entre los diferentes parámetros de la máquina son sencillas. El campo magnético es directamente proporcional a la corriente del inductor, y puede ser controlado independiéntemente de la armadura (es decir, el campo y la armadura están desacoplados). El par es proporcional al producto entre la corriente de armadura y el flujo magnético. Si la corriente de inductor se mantiene constante, el par puede ser controlado actuando sobre la corriente de armadura. La respuesta frente a un escalón en la corriente de armadura es rápida y bien amortiguada. La velocidad de la máquina depende de la f.c.e.m ( figura 4.1), que es igual a la tensión de alimentación menos la c.d.t que se produce en la resistencia de armadura Ra. Sin embargo, los motores de cc presentan algunos inconvenientes cuando son comparados con los motores de inducción de jaula de ardilla. Son motores que precisan un elevado mantenimiento, debido a la presencia del colector y las escobillas. Los bobinados de la armadura son complicados y el rebobinado es caro. Normalmente presentan un grado de protección bajo, y la posibilidad de que se generen chispas en las escobillas desaconseja su utilización en ambientes susceptibles de incendio o explosión. El motor de inducción, en comparación, es más sencillo de construir, y es utilizable en inmersión y en ambientes peligrosos. Generalmente, es mucho más robusto mecánicamente, y menos caro que un motor de C.C. de igual potencia. IA If IA RA vf vs EA M f fig Motor de c.c. excitación independiente ESTUDIO TEORICO PRÁCTICO DEL CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES DE INDUCIÓN

23 0 4.- PRINCIPIOS DEL CONTROL VECTORIAL DEL FLUJO POWER ELECTRONICS 4.3 CONCEPTOS DEL CONTROL VECTORIAL La figura 4. muestra un circuito equivalente de una fase de un motor de inducción. La corriente del motor tiene dos componentes: IM(t) corriente magnetizante, generadora de flujo. Esta corriente es principalmente imaginaria, esto es, inductiva. Una pequeña parte es real (resistiva), debido a las pérdidas en el hierro del estátor. IR(t) corriente de carga, generadora de par. Es principalmente real (resistiva), capaz de producir trabajo. Una pequeña parte es imaginaria (inductiva), debido a las inductancias de fugas del rotor y el estátor. El par desarrollado por el motor puede determinarse a partir de la ecuación de Laplace: donde: F= B x I x L F=fuerza B=inducción magnética I=corriente en los conductores L=longitud del conductor del flujo en el entrehierro, posibilitando el control de las dos componentes de la corriente. Algunos controles vectoriales emplean un control directo, incorporando sensores de flujo en el entrehierro para reproducir las señales requeridas. Sin embargo, este método requiere un motor especial y en consecuencia no ha tenido demasiada aceptación. Los controladores más extendidos utilizan un control vectorial indirecto, en el cual la amplitud y la orientación del flujo en el entrehierro se calcula a partir de los parámetros del motor (denominado mapa del motor), y la posición relativa instantánea del rotor es medida mediante un encoder diferencial situado en el rotor. Para obtener respuestas rápidas, es necesario realizar complejos y tediosos cálculos en tiempo real y a alta velocidad. Esto sólamente puede ser llevado a cabo en la práctica utilizando microprocesadores rápidos y potentes. La SERIE ELITE de POWER ELECTOTRONICS es un ejemplo de un moderno Control Vectorial indirecto. 4.4 CONCEPTO DE ROTACIÓN DEL SISTEMA DE REFERENCIA En el caso de un motor de inducción, esta fuerza es aplicada sobre los conductores del rotor. B se establece a partir de la corriente magnetizante, e I(corriente de inductor) depende de la corriente generadora de par. El par resultante puede expresarse como: T = Ka x IM(t) x sen a Debemos señalar que las dos corrientes tienen la misma frecuencia pero no están necesariamente en cuadratura. La diferencia de fase entre las dos corrientes difiere de 90º debido a las inductancias de fuga. El desfase empeora a bajas velocidades y cargas pesadas. La diferencia entre el motor de cc y el motor de inducción es la siguiente: en el motor de inducción, el flujo en el entrehierro es giratorio, en tanto que para el motor de cc es fijo. Asimismo, en el motor de cc, las corrientes del inductor y de armadura circulan por devanados distintos, formando 90º en cuadratura por el colector y las escobillas. En un motor de inducción, no es posible acceder separadamente a las corrientes generadoras de par y de flujo, pues el motor sólo tiene accesible los devanados trifásicos del estátor. La principal función que realiza el control vectorial para solucionar este problema es mantener en cuadratura las componentes de magnetización y de par de la corriente estatórica, desacoplando ambas componentes de forma que sean controlables por separado, incluso en regímenes dinámicos severos. En un motor de inducción, el flujo en el entrehierro gira a la velocidad síncrona. La corriente rotórica y en consecuencia el flujo inducido en el entrehierro gira alrededor del rotor a la velocidad de deslizamiento. Así, la posición angular relativa del flujo rotórico es estacionaria respecto al flujo del estátor. Podemos utilizar un sistema de referencia rotatorio a la velocidad síncrona como referencia general. Con relación a este sistema de referencia, los flujos estatórico y rotórico son estacionarios y su interacción produce par. Para construir este sistema de referencia, se lleva a cabo una transformación matemática lineal que permite pasar de una referencia trifásica estacionaria a un nuevo sistema de referencia con dos ejes generalmente denominados d y q, tal como muestra la figura 4.3. En este sistema de referencia giratorio, variables como las tensiones y las corrientes pasan a ser continuas, sin modulación. Los valores eficaces de IM(t) e IR(t) se transforman en Id e Iq. Así pues la ecuación del par puede reescribirse de la siguiente forma: T = K x Id x Iq Podemos destacar la analogía con el motor de C.C.: Id corresponde a la corriente de inductor, en tanto que Iq corresponde a la corriente de armadura. El control vectorial necesita disponer de una señal de realimentación de la amplitud y la posición instantánea

24 POWER ELECTRONICS 4.- PRINCIPIOS DEL CONTROL VECTORIAL DEL FLUJO SÍNTESIS DE LA CORRIENTE DEL ESTÁTOR Cuando el variador funciona pordebajo de la velocidad nominal, la amplitud de Id es constante, al igual que la corriente de armadura en un motor de cc. El valor de Iq requerido puede entonces determinarse a partir de la referencia de par impuesta. A partir de estos valores, la corriente estatórica puede calcularse de la siguiente forma: I = e(id + Iq ) Iq es función del deslizamiento del rotor. La pulsación de deslizamiento puede ser calculada mediante la expresión: v s = Iq / ( Tr x Id) donde Tr es la constante de tiempo del rotor, definida como Lr/Rr, la cual es función del diseño del motor. Este valor de pulsación puede ser utilizado para calcular la fase instantánea de la corriente estatórica, por integración de la velocidad del rotor (v r) y el deslizamiento generado (v s): donde: q = tan -1 (Id/Iq) j = f(vr r + vr r) dt + q Por combinación de todas estas ecuaciones, pueden calcularse el valor y la fase instantáneos de la corriente estatórica. La precisión de los cálculos depende de la precisión de los parámetros del motor programados en el controlador y del encóder utilizado, de manera que el ajuste correcto del controlador es muy importante si se desean buenas prestaciones. 4.6 EL CONTROLADOR ELITE DE POWER ELECTRONICS El controlador ELITE de POWER ELECTRONICS es un controlador eficaz del par, que sintetiza la corriente estatórica requerida por el motor de inducción para suministrar el par de referencia. La figura 4.4 muestra un esquema de bloques de la estrategia de control. El valor de las corrientes estatóricas es permanentemente calculado por un microcontrolador. Para ello se requiere una información de la posición del rotor, facilitada por un encóder diferencial instalado en el motor. Se necesita programar un mapa del motor en el microcontrolador. El microcontrolador emplea un algoritmo que transforma las corrientes trifásicas medidas a un sistema bifásico equivalente, el cual es comparable a las corrientes de armadura y de inductor en el motor de cc. Estas son comparadas con los valores de referencia necesarios para obtener el par deseado y los errores resultantes son procesados, reconvertidos al sistema trifásico de niveles de tensión de referencia y aplicados al puente inversor. Un lazo interno de control de velocidad opcional permite al ELITE ser configurado, si la aplicación lo requiere, como preciso controlador de velocidad. El encóder se utiliza entonces como un tacómetro de realimentación para el lazo de control. De esta forma, se obtiene un preciso control del par y de la velocidad del motor. La respuesta del motor es muy rápida (típicamente, puede aplicarse a la carga un escalón del 100% en menos de 10ms). 4.7 ELITE: CONTROL TOTAL DEL PAR Y LA VELOCIDAD A diferencia de otros variadores de frecuencia convencionales, el ELITE es, ante todo, un controlador del par. En el modo control del par, una señal de referencia del par deseado fija la salida del par motor que el ELITE intentará instalar en la máquina. El tiempo de respuesta es muy rápido (típicamente se consigue aplicar el 100% del par en 10 ms). Este nivel puede ser positivo o negativo, y es completamente independiente de la velocidad del motor, dentro de los límites de velocidad. Una típica aplicación que requiere un preciso control del par son las bobinadoras, en las que se requiere regular la velocidad manteniendo contante la tensión aplicada a la bobina. Cuando trabajamos en el modo control del par, los límites de velocidad se utilizan para limitar la sobrevelocidad que podría derivarse de una momentánea pérdida de carga (ejemplo: rotura de la bobina en el caso anterior). La referencia de velocidad no es tenida en cuenta cuando trabajamos en modo par. Id Iq fig Sistema de referencia rotatorio El control de velocidad en el ELITE se implementa trabajando en lazo cerrado. Los reguladores PID se utilizan para ajustar la respuesta del lazo de control de velocidad. Una señal de referencia fija la velocidad que el ELITE intentará aplicar al motor. La dirección puede ser positiva o negativa, siendo independiente del par resistente de la carga, dentro de los límites de par. Cuando trabajamos en el modo velocidad, los límites de par se utilizan para limitar los posibles sobrepares que podrían aparecer durante los cambios

25 4.- PRINCIPIOS DEL CONTROL VECTORIAL DEL FLUJO POWER ELECTRONICS o en caso de fallo. Dada la rápida respuesta del lazo de par, se pueden conseguir respuestas rápidad y estables cuando funcionamos en el modo control de velocidad. Todo ello hace del ELITE un controlador de velocidad excepcional para aquellas aplicaciones en las que se requiera una regulación precisa de la velocidad, independiente de la carga, así 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 velocidad al modo par puede ser realizado incluso cuando el ELITE está en funcionamiento. La transición entre ambos modos se realiza de forma suave, sin discontinuidades. El ELITE puede configurarse para pasar automáticamente del modo control del par al modo control de velocidad, durante la deceleración. En estas condiciones se puede detener el motor por debajo de la rampa de control de velocidad, cuando estamos en modo par. fig Estructura de control de la SERIE ELITE

26 POWER ELECTRONICS 5.- ARMÓNICOS EN SECTORES INDUSTRIALES 3 SECCIÓN 5: ARMÓNICOS EN SECTORES INDUSTRIALES QUÉ SON LOS ARMÓNICOS? Se puede demostrar que cualquier forma de onda periódica (repetitiva) puede ser representada como una serie de ondas senoidales de diferentes frecuencias y fases, constituyendo el llamado espectro armónico de la onda. La frecuencia de la onda senoidal predominante se denomina fundamental, y las frecuencias del resto de ondas (armónicos) son un múltiplo entero de esta. El aparato matemático que se utiliza para determinar el contenido de armónicos de una onda se denomina análisis de Fourier, en honor al matemático francés del mismo nombre que investigó este fenómeno. En otros tipos de carga, por el contrario, la corriente absorbida puede ser no sinusoidal, por lo que tendrá un cierto contenido en armónicos. Este tipo de cargas se denominan no lineales. Un ejemplo típico de carga no lineal es un rectificador, el cual utiliza diodos y/o tiristores para convertir la corriente alterna (AC) en corriente continua (DC). Los rectificadores pueden encotrarse en muchos dispositivos electrónicos de potencia, tales como la etapa de entrada de variadores de velocidad para motores de corriente continua y alterna, cargadores de baterías, rectificadores electroquímicos, sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI), etc. En un sistema equilibrado, la onda está centrada en torno a cero y los armónicos son múltiplos "sobrantes" del fundamental. En una onda cuadrada o cuasicuadrada, la amplitud de cada armónico es inversamente proporcional a su orden, es decir, cuanto mayor es la frecuencia, menor es su amplitud. Un ejemplo de forma de onda con un alto contenido en armónicos es una onda cuadrada. El análisis de Fourier correspondiente a una onda de este tipo de frecuencia Hz, muestra que el contenido en armónicos es el siguiente: ORDEN DEL ARMONICO FRECUENCIA AMPLITUD RELATIVA FUNDAMENTAL Hz 100% 3º 1H 33% 5º Hz 0% 7º 3Hz 14% 9º 4Hz 11% orden n n Hz 100/n% La tabla anterior muestra esta onda cuadrada, con el fundamental y los tres armónicos más significativos en los que puede ser descompuesta. En los países más industrializados, la distribución de energía eléctrica se realiza en corriente alterna, siendo las tensiones ondas senoidales trifásicas, es decir, sin presencia de armónicos. Sin embargo, ciertas condiciones de carga pueden provocar una distorsión armónica en las tensiones, produciendo efectos desfavorables en determinados tipos de carga conectados a ella. 5. QUIÉN PRODUCE ARMÓNICOS? El circuito de entrada más utilizado en este tipo de conversión es el rectificador no controlado de seis pulsos, con filtro inductivo. La figura 5. muestra el esquema típico de este rectificador. La presencia del inductor (choque) en la salida del rectificador provoca que las corrientes de línea (ia, ib e ic) tiendan a ser ondas semicuadradas, como muestra la figura 5.3. Esta forma de onda puede esperarse con un valor muy grande de la inductancia. Con valores más pequeños de inductancia, o en condiciones de carga reducida, la corriente presenta más ondulaciones, como se muestra en trazo discontinuo en la figura 5.3. El contenido relativo en armónicos de una onda semicuadrada se recoge en la tabla. Para valores pequeños de inductancia o cargas ligeras, el valor relativo de cada armónico puede ser superior al que se proporciona en esta tabla. Algunos circuitos rectificadores utilizan una inductancia por cada fase de entrada, denominadas reactancias de línea. Las formas de onda de las corrientes de entrada son muy similares a las mostradas en la figura 3, pero su nivel de armónicos es ligeramente diferente. El contenido de armónicos de la corriente de línea que aparece en la figura 5.3 se detalla en la Tabla. Estos son los valores típicos que pueden esperarse en la práctica cuando se utiliza una inductancia elevada. Es de remarcar que los armónicos triples (esto es, los múltiplos de 3), son nulos. Cuando una carga eléctrica se conecta a una fuente alterna de suministro, absorbe corriente. Si la corriente absorbida es también sinusoidal, la carga se denomina lineal, pudiendo estar en fase con la tensión (carga resistiva), en adelanto (carga capacitiva) o en retraso (carga inductiva). La tasa de ditorsión armónica (THD) de una onda puede calcularse como la raiz cuadrada de la suma de los cuadrados de los valores RMS de cada armónico individual, dividido por el valor RMS del fundamental. Por ejemplo, con la onda semicuadrada que acabamos de ver, el cálculo es el siguiente:

27 4 5.- ARMÓNICOS EN SECTORES INDUSTRIALES POWER ELECTRONICS El valor RMS total de una onda distorsionada puede calcularse como la raiz cuadrada de la suma de los cuadrados de los valores RMS de cada una de las componentes, incluida la fundamental y todos los armónicos. En el ejemplo anterior, este valor queda: IRMS = I 1 x 1,06 El factor de distorsión es el cociente entre el valor RMS del fundamental y el valor RMS total. IRMS = I 1 / I RMS fig. 5.1 Contenido en armónicos de una onda cuadrada Siguiendo con el mismo ejemplo, tendremos que: Factor de distorsión = 1/1.06 = fig. 5. Rectificador trifásico no controlado de seis pulsos Existen ciertos dispositivos electrónicos de potencia que sintetizan tensiones alternas en su salida. En este tipo de convertidores se incluyen los variadores de velocidad para motores de inducción y los inversores de frecuencia de salida fija utilizados en los SAI. Las tensiones de salida de estos equipos presentan también un cierto número de armónicos. Este contenido en armónicos no está relacionado con los de la corriente de entrada, y puede ser controlado mediante las técnicas de generación de formas de onda utilizadas. La distorsión armónica de la tensión de salida ocasiona a su vez una distorsión de la onda de corriente, lo que en el caso de un variador de velocidad puede ocasionar sobrecalentamientos en el motor. fig. 5.3 Corrientes de línea en la entrada de un rectificador trifásico ORDEN DEL ARMONICO FRECUENCIA AMPLITUD RELATIVA FUNDAMENTAL Hz 100% 3º,9º,15º 0% 5º Hz 3% 7º 3Hz 14% 11º 5Hz 7% 13º 6 Hz 4%

28 POWER ELECTRONICS 5.- ARMÓNICOS EN SECTORES INDUSTRIALES CUALES SON LOS EFECTOS DE LAS CORRIENTES ARMÓNICAS DE ENTRADA? El primer efecto de los armónicos de la corriente de entrada es el incremento del valor RMS de esta corriente. Para cargas monofásicas conectadas a una red trifásica con neutro, esto repercutirá en un aumento de la corriente eficaz que circula por el neutro, de ma nera que se rá n ecesario sobredimensionar este conductor. El segundo efecto es la distorsión de la onda de tensión de entrada. Cuantificar esta distorsión no es fácil ya que se requiere conocer las impedancias del transformador y de la línea de distribución. La distorsión de la tensión ocasionada por una onda de corriente semi-cuadrada está en función de las impedancias del circuito. En el punto de conexión a la alimentación 11 KV, la distorsión de la tensión es mínima, ya que las impedancias de esta línea son pequeñas. En el secundario del transformador principal, la distorsión de la tensión es apreciable, debido a la impedancia (resistencia y reactancia del cable) del transformador. En la línea de alimentación a la carga, la distorsión es más severa, ya que se añaden las impedancias de distribución desde el transformador hasta la carga. 5.4 CÓMO REPERCUTE LA DISTORSIÓN DE LA TENSIÓN SOBRE EL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN? La deformación de la onda de tensión puede ocasionar efectos importantes. En primer lugar, pueden verse afectadas aquellas cargas que necesitan la amplitud correcta de la tensión para funcionar. Por ejemplo, se puede ver afectada la alimentación monofásica de ordenadores y otros dispositivos de bajo consumo. Esta distorsión de la tensión puede incrementar las pérdidas en motores y otros dispositivos magnéticos. Así mismo, la impedancia de los condensadores para la corrección del factor de potencia disminuye a medida que aumenta la frecuencia. Como la tensión distorsionada contiene armónicos a frecuencias que son múltiplos de la fundamental ( Hz), la corriente puede ser mayor de la esperada, lo que sobrecarga los condensadores, produciendo sobrecalentamientos e incluso puede llegar a destruirlos. En las redes de distribución, pueden producirse fenómenos no deseados de resonancia entre sistemas capacitivos e inductivos. Por ejemplo, se puede producir una red resonante entre las inductancias de la red (inductancias de fugas de transformadores y de las propias líneas) y los condensadores para la corrección del factor de potencia. Si la frecuencia de resonancia coincide con alguna de las frecuencias armónicas, puede aparecer la resonancia, ocasionando un incremento de la corriente a esa frecuencia, lo que a su vez aumenta la distorsión de la tensión y sobrecarga los condensadores y el sistema de distribución. 5.5 CUALES SON LOS REQUERIMIENTOS LEGALES RESPECTO A LA SUPRESIÓN DE ARMÓNICOS? Si la distorsión de tensión que hemos comentado anteriormente se produce únicamente en las instalaciones del consumidor y no afecta a otros usuarios, no se limita la distorsión por armónicos. Este podría ser el caso si los otros consumidores se conectan en el primario (11 kv) del transformador de alimentación. El punto de conexión se denomina punto de acoplamiento común (PAC). Por el contrario, si el PAC está en el secundario (400 V) del transformador, ninguna distorsión de la tensión debida al consumo de uno de los usuarios debe afectar al resto. Para evitarlo, existen normas que limitan la distorsión máxima en el PAC. Se pueden realizar cálculos para estimar esta distorsión. Para efectuar estos cálculos, se necesita información sobre la corriente de carga total, el valor THD de esta corriente y la inductancia del transformador de alimentación. Si la distorsión resultante es superior a la autorizada, deben adoptarse las medidas oportunas para reducir el contenido de armónicos. 5.6 CÓMO PUEDO REDUCIR LOS ARMÓNICOS E N M I SI ST E M A D E DI ST RI BUC IÓN? 1.- Asegurando que la impedancia de red sea pequeña. Si se disminuye la impedancia de la distribución dimensionando e instalando los conductores de forma que se minimicen la resistencia y la inductancia, un valor de corriente determinado provocará una caída de tensión comparativamente inferior en la impedancia de la red. Como resultado, la onda de tensión presentará un nivel THD más bajo..- Distribuyendo los armónicos generados por las cargas. No deben conectarse todos los equipos perturbadores sobre una misma salida de la distribución. Interrelacionando cargas lineales y no lineales, la distorsión de la tensión puede ser reducida. La distorsión armónica de cada equipo no será inferior, pero un estudio adecuado de la conexión de las diferentes cargas no lineales a la distribución, puede reducir la distorsión en cada salida de distribución. 3.- Incorporando inductancias de choque a los rectificadores. Si equipamos los rectificadores con filtros de choque, la corriente de entrada será una

29 6 POWER ELECTRONICS 5.- ARMÓNICOS EN SECTORES INDUSTRIALES onda semi-cuadrada. Algunos variadores de velocidad importados no incorporan filtros de choque de forma standard, por lo que la producción de armónicos es muy elevada. Si no instalamos una inductancia de choque en el bus de continua, se deben añadir en la parte de alterna. Estos choques deben presentar una reactancia entre el 3% y el 5% de la representada por la carga. 4.- Instalar un sistema de distribución de 1 pulsos. Si repartimos la entrada rectificadora del equipo conversor de potencia entre dos puentes rectificadores, y las tensiones de entrada de cada puente están desfasadas 30º eléctricos entre sí, teóricamente podemos eliminar todos los armónicos inferiores al 11 (ver figura 5.4). Para ello, se requiere un transformador con doble secundario, uno conectado en estrella y el otro en triángulo. Cada secundario alimenta la mitad de la carga, de forma que sus respectivas corrientes estarán desfasadas 30º. Estas corrientes se suman en el primario del transformador, como se muestra en la figura 5.5. La onda resultante se denomina de 1 pulsos. Se puede demostrar que los armónicos 5 y 7 han sido eliminados, siendo el 11 el primero significativo. Si la carga está compuesta por varios receptores pequeños (por ejemplo, variadores de velocidad) con rectificadores standard (6 pulsos), se conectan la mitad al secundario en estrella, y la otra mitad al triángulo. Si las cargas están convenientemente equilibradas, se eliminarán los armónicos 5 y Filtros adecuados para armónicos. Un filtro de armónicos es una red inductancia-condensador en conexión serie, ajustados de forma que se produzca la resonancia a la frecuencia del armónico que queremos eliminar. El factor Q de la red debe elegirse cuidadosamente de forma que se eliminen las frecuencias elegidas (la de cada uno de los armónicos más importantes), sin sobrecargar los componentes del filtro. Normalmente es suficiente disponer filtros para los armónicos 5º y 7º. corrientes armónicas. El primer efecto de los armónicos en un sistema de distribución de corriente alterna es el incremento del valor RMS de la corriente que circula por los conductores y los transformadores. Esta corriente "extra" no es real (productora de trabajo), y sin em bargo o blig a a sobredimension ar los transformadores y los conductores a fin de prevenir sobrecalentamientos. El segundo efecto de los armónicos en el sistema es la distorsión de la tensión. Esta distorsión puede producir efectos perniciosos sobre cargas magnéticas (motores y transformadores) y capacitivas (corrección del factor de potencia). El nivel de distorsión originado está en función de la impedancia del sistema : cuanto mayor es la impedancia, más distorsión se produce. Existen normativas que limitan el valor máximo de la distorsión de tensión permitida en el punto de acoplamiento común con un consumidor colindante. La distorsión armónica total puede estimarse conociendo: La cantidad y la potencia de las cargas rectificadoras conectadas al sistema. Los valores de las impedancias y la potencia de cortocircuito de los transformadores de distribución. Si se proporciona esta información, el equipo de Ing eni eros d e Apli cacion es d e POWER ELECTRONICS puede proporcionar una estimación de la distorsión que se producirá en el punto común de conexión, para una instalación planificada de sus variadores de velocidad. En resumen... Los armónicos son ondas senoidales que se superponen a la corriente y la tensión cuyas frecuencias son un múltiplo de la frecuencia fundamental. Las cargas no lineales como los rectificadores de alterna a continua producen corrientes armónicas. La amplitud de cada armónico es una fracción de la fundamental de la corriente de carga. fig. 5.4 Rectificador de 1 pulsos En el caso de los variadores de velocidad para motores de inducción, los armónicos de corriente originados por un puente rectificador trifásico con filtro inductivo serán pese a todo importantes. Sin embargo, los circuitos rectificadores sin inductancias de continua o de línea originarán unos niveles más elevados de fig. 5.5 Corrientes en un rectificador de 1 pulsos

30 POWER ELECTRONICS 6.- COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉRICA EN VARIADORES DE VELOCIDAD 7 SECCIÓN 6: QUÉ ES LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA? 6.1. QUÉ ES LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA? La compatibilidad electromagnética, o EMC, es un concepto asociado con cualquier equipo electrónico. Es una medida de la habilidad del equipo para no generar interferencias por radiofrecuencia (RFI), así como una medida de su inmunidad frente a las emisiones RFI producidas por otros equipos. Este artículo aborda el problema de las EMC en relación a los variadores de velocidad para motores de CA. 6.. QUÉ PRODUCE RFI EN UN VARIADOR? La mayoría de los variadores modernos de velocidad para motores de CA presentan dos etapas de conversión de la energía, como se muestra en la figura 1. La etapa rectificadora consta de un puente rectificador y un filtro, cuya finalidad es obtener un nivel de continua intermedio por rectificación directa de las líneas de entrada. Este bus de continua alimenta la etapa inversora, constituida por un puente trifásico realizado mediante seis interruptores electrónicos de potencia. Accionando los interruptores de manera coordinada, el bus de continua se reconvierte en un sistema trifásico de corriente alterna, que es conectado al motor. En la mayoría de los variadores modernos la etapa inversora utiliza IGBT como interruptores. La tensión de salida y la frecuencia se controlan utilizando las técnicas de modulación del ancho del pulso (PWM) a frecuencias de conmutación elevadas (4 khz y superiores). Los IGBT tienen tiempos muy cortos de paso de bloqueo a conducción y viceversa, lo que minimiza las pérdidas por conmutación y proporciona rendimientos elevados en la conversión. En la figura se muestra una imagen simplificada de la tensión de salida. El análisis de Fourier muestra que esta forma de onda está constituida de una frecuencia fundamental y un espectro de armónicos, múltiplos de la frecuencia de conmutación, cuya amplitud está en proporción inversa a su frecuencia. La rápida conmutación de los interruptores provoca pendientes abruptas en la tensión, lo que en conjunción con la elevada frecuencia de conmutación genera un abultado espectro de armónicos. Los armónicos de mayor frecuencia (es decir, aquellos mayores a 100 khz) pueden "escapar" del variador, acoplando los cables de control y los de potencia, y causando interferencias y problemas de funcionamiento en otros equipos CÓMO EMITE RFI EL VARIADOR? Existen tres procedimientos mediante los cuales las emisiones de RFI escapan del variador e interfieren con su "víctima", mostrados en la figura 3. Las RFI pueden ser radiadas desde el variador, en forma de radiación electromagnética. No se requiere un medio físico entre el variador y su víctima, ya que este tipo de emisión se puede llevar a cabo incluso en el vacío. La RFI radiada es comparativamente sencilla de eliminar mediante técnicas de apantallamiento. El campo de acción de las RFI radiadas disminuye rápidamente a medida que nos alejamos del variador. Las RFI también pueden ser conducidas desde el variador. La conducción se puede efectuar a través de los cables de potencia de salida hacia el motor y a través de los cables de la línea de entrada al variador. La RFI conducida por estos cables puede a su vez ser radiada sobre los cables adyacentes si no se adoptan las medidas adecuadas de supresión. La forma de onda en los cables de salida del variador es la mostrada en la figura. La RFI debida a esta forma de onda es difícil de prevenir, por lo que estos cables deberían ser apantallados. La RFI sobre los cables de entrada viene generada, principalmente, por los interruptores del inversor, y es conducida hacia atrás a través del bus de continua y del rectificador. Las emisiones de RFI en la entrada pueden empeorar a causa del contenido en armónicos de la corriente de entrada, debidos al rectificador y el diseño del filtro. Estas emisiones pueden suprimirse de una forma relativamente simple utilizando inductancias 6.4. CÓMO PODEMOS SUPRIMIR LAS RFI? Las emisiones de RFI desde el variador pueden minimizarse prestando una atención particular a los siguientes puntos: Diseño del variador. Si el variador dispone de filtros de entrada, las emisiones de RFI conducidas a través de los cables de entrada probablemente se hayan eliminado. Puesta a tierra. La puesta a tierra es necesaria desde el punto de vista de la seguridad para conducir las corrientes de defecto en caso de producirse un fallo a tierra. Sin embargo, las medidas a adoptar en la puesta a tierra para suprimir RFI son diferentes. Las corrientes conducidas por una tierra de este tipo son de frecuencias elevadas, de manera que el cableado y su trazado deben estar adaptados a las altas frecuencias. Apantallamiento. El apantallamiento ayuda a suprimir las RFI radiadas. El armario del variador debe incorporar una pantalla realizada mediante las técnicas de blindaje apropiadas. De la misma forma, el apantallamiento de los cables de salida al motor es

31 8 6.- COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉRICA EN VARIADORES DE VELOCIDAD POWER ELECTRONICS habitualmente necesario, así como el de los cables de control para prevenir RFI locales y externas que puedan perturbar el funcionamiento correcto del variador. Filtros. Los filtros están normalmente constituidos por unas inductancias en serie (choques), que presentan una alta impedancia a las corrientes de RFI, y condensadores en paralelo con la tierra para facilitar un camino de baja impedancia. Los filtros permiten que las RFI sean derivadas a tierra y reconducidas a la fuente. Si los filtros que el variador incorpora "de serie" no fueran suficientes, existen módulos de filtros adicionales (de entrada y de salida) que pueden ser conectados al equipo. fig Diagrama de bloques de un variador fig. 6..-Tensión de slaida del variador 6.5. QUÉ MEDIDAS DE SUPRESIÓN DE RFI INCORPORA UN VARIADOR? La supresión de las RFI de entrada puede efectuarse de diversas formas (figura 4). Los choques contra RFI pueden ser tres bobinas de pequeño valor montadas en las líneas de entrada como se indica en la figura 4, con condensadores conectados a tierra. Alternativamente, para el filtrado de RFI en medias y altas potencias, se pueden añadir inductancias en el bus de continua (la mitad de la inductancia total en cada polo del bus). Otra posibilidad es no utilizar inductancias en continua y emplazar tres inductancias de elevado valor en cada una de las fases de entrada. fig Focos de emisión de RFI La supresión de RFI es más efectiva si el neutro de la estrella de los condensadores está puesto a tierra. Sin embargo, puede darse la circunstancia de estar obligados a aislar de tierra este punto si los diferenciales situados aguas arriba del variador son accionados por las corrientes capacitivas derivadas a tierra. 6.6 SOBRE EL APANTALLAMIENTO El objetivo del apantallamiento es el de prevenir que el equipo emita o se vea afectado por radiaciones electromagnéticas indeseables. Las tres partes principales que requieren apantallamiento son: El variador. Recuérdese que el variador es la principal fuente de interferencias. Normalmente un variador debe ir equipado con las pantallas adecuadas cuando se suministra con su armario. Sin embargo, si el variador no dispone de un armario propio y es alojado en el interior de otro distinto, deben adoptarse ls medidas oportunas de apantallamiento. Esto incluye el blindaje de todos los paneles, con baja impedancia a altas frecuencias. Puede necesitarse la eliminación de la pintura para mejorar la conductividad. fig Estructura de las tierras para un variador

32 POWER ELECTRONICS 6.- COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉRICA EN VARIADORES DE VELOCIDAD 9 Los cables del motor. Es muy recomendable utilizar un cable apantallado, y es esencial para longitudes de cable superiores a 1m. Se recomienda cable tripolar con pantalla neutra, o cable de acero blindado, con la pantalla puesta a tierra en los dos extremos. No deben existir roturas en la pantalla entre el variador y el motor. La carcasa del motor. Normalmente la carcasa del motor supone una efectiva pantalla RFI, conectada con el variador via la pantalla de los cables del motor. Las tres pantallas -armario, pantalla de los cables y carcasa del motor- deben unirse siempre para que formen una única pantalla SOBRE LAS TIERRAS En cualquier local, debe establecerse un único punto de baja impedancia a tierra, al cual se conectan todas las tierras independientes y la tierra de entrada. Sin embargo la tierra de retorno del cable del motor debe conectarse a la tierra del variador, no al embarrado del local. En general, los objetivos esenciales de una buena puesta a tierra son: 1.-Asegurar que las corrientes de tierra de alta frecuencia circulan sólamente por los recorridos definidos..-minimizar el área encerrada por estos recorridos. 3.-Asegurar que ningún circuito sensible comparte recorrido con estas corrientes. La figura 5 muestra una buena disposición de tierras para un variador. Con referencia a un sistema de este tipo, se pueden destacar las siguientes consideraciones: 1.- Utilice cable apantallado, con la pantalla conectada a la tierra del motor y del variador..-se ha establecido una única conexión entre la tierra del variador y la tierra general del local, sin que ningún otro equipo comparta la tierra del variador. 3.-Asegúrese de que la carcasa del motor está correctamente conectada a la tierra del variador, mediante cable apantallado. Si no fuera así, la carcasa del motor puede convertirse en una fuente de RFI, por acoplamiento capacitivo entre las masas metálicas y la instalación de tierra. 4.- No se han instalado equipos sensibles a menos de 300mm del variador y los cables de entrada y salida. 5.-La conexión "0V" del sistema de control está conectada a tierra en un sólo punto. 6.-Es de destacar que aparece un filtro extra en la entrada del variador. Si el variador no se suministra con el filtro de entrada adecuado, este filtro puede resultar necesario. Consultar la sección siguiente en lo que respecta a las recomendaciones para su instalación NECESITARÉ FILTROS ADICIONALES? Generalmente, si el variador se ha suministrado con los filtros de entrad incorporados, no se requieren filtros adicionales. Sin embargo, si se presentan problemas de RFI en la entrada a pesar de que se hayan observado todas las recomendaciones anteriores, se puede llegar a necesitar un filtro adicional de entrada. Este filtro debe instalarse de acuerdo con las instrucciones del fabricante, que se pueden resumir como se indica a continuación: 1.- El filtro debe montarse en el mismo cuadro que el variador. Debe unirse a este cuadro, eliminando la pintura si es necesario..- El filtro debe conectarse tan cerca como sea posible de la entrada del variador. Utilizar cables entre el variador y el filtro que no excedan de 300mm. Si no fuera posible, deben utilizarse cables especiales con buenas características en altas frecuencias. 3.- Separar el cableado entre el variador y los filtros de entrada del resto. Por ejemplo, no se deben instalar los cables de entrada al filtro(donde este ya ha actuado) y los de salida (donde el filtro no ha actuado) en el mismo mazo. Es posible que se necesite un filtro de salida entre el variador y el motor por una o varias de las razones siguientes: 1.- No se puede instalar cable apantallado..- Para reducir los efectos de un cableado excesivamente largo. Circuitos inductivos asociados con largos tendidos de cable pueden originar oscilaciones importantes en la forma de onda de la tensión aplicada al motor, lo que a su vez somete a un stress importante los aislamientos del motor. La adición de un filtro de salida puede reducir los sobrepicos originados por las oscilaciones, así como disminuir la proporción de las corrientes de salida absorbidas por la capacidad de los cables. Las recomendaciones de instalación de un filtro de salida son las mismas que para un filtro de entrada Y LA INMUNIDAD DE MI VARIADOR FRENTE A RFI EXTERNAS? Un diseño correcto del variador debe ser insensible a las RFI radiadas. El armario del variador forma una pantalla que constituye la primera línea de defensa, siempre y cuando se sigan las recomendaciones sobre la puesta a tierra. Entre las medidas utilizadas en los circuitos de control del variador para proporcionar inmunidad frente a RFI se encuentran el uso de planos de masa en las tarjetas electrónicas, redes RC o RL en los niveles bajos de tensión de entrada y de salida, y numerosos condensadores de desacoplo instalados en los circuitos.

33 30 POWER ELECTRONICS 6.- COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉRICA EN VARIADORES DE VELOCIDAD Sin embargo las conexiones a los terminales de control pueden suponer puntos de entrada de ruidos, por lo que será necesario adoptar las medidas adecuadas para reducirlo. El apantallamiento de los cables de control es importante para reducir el ruido en los circuitos de control. La mayor parte del ruido es recogido por los cables de control que discurren a través de campos eléctricos que varían de forma muy rápida. Para disminuir el acoplo capacitivo en este cable, utilice un cable apantallado, con la pantalla puesta a tierra solamente en uno de los extremos. No utilice la pantalla como referencia "0V". control junto a los cables de potencia a distancias inferiores a 300 mm. Para largos recorridos (mayores de 10 m), incremente esta distancia en proporción a la longitud del recorrido. Si los cables de control y de potencia deben cruzarse, el cruce debe efectuarse con un ángulo tan próximo como sea posible de 90º. El ruido puede también inducirse si el cable atraviesa campos magnéticos que varían rápidamente. Este fenómeno puede contrarrestarse poniendo a tierra la pantalla en los dos extremos. Sin embargo, esto crea otras dificultades. Alternativamente, se pueden trenzar los cables de control, de forma que cualquier ruido que se induzca será de modo común, y podrá ser eliminado con un correcto diseño del circuito de entrada. Se debe evitar la puesta a tierra de la pantalla en los dos extremos, ya que pueden producirse lazos de tierra (por ejemplo, corrientes de circulación de baja frecuencia generadas por las pequeñas diferencias de potencial entre los puntos de tierra en cada extremo del cable). Así mismo, la pantalla puede eventualmente conducir corrientes de defecto que pueden ocasionar la destrucción del cable. Así pues, ponga a tierra la pantalla únicamente en un extremo, y asegúrese de que el aislamiento del cable es el adecuado. La puesta a tierra del punto "0V" necesita una especial atención. Muchos variadores permiten mantener flotante el punto "0V" respecto a la tierra, eliminando la unión correspondiente. A menudo este punto está ya desacoplado de tierra mediante un condensador adecuado, de manera que permanece puesto a tierra para las frecuencias RFI. Por razones de seguridad y de supresión de ruidos el punto "0V" debería estar puesto a tierra únicamente en un punto. La unión con la tierra debería eliminarse si: a) El punto "0V" está puesto a tierra en cualquier otro punto, por ejemplo en el sistema de control externo. b) Varios equipos están conectados a un único sistema de control. En este caso, conecte a tierra el punto "0V" sólo en el sistema de control de uno de los variadores. c) El sistema de control tiene otro punto de conexión a tierra. Por ejemplo, si varios equipos funcionan con sus entradas de referencia conectadas en serie con la misma fuente de control 4-0 ma, deberían eliminarse las uniones apropiadas para no cortocircuitar las entradas de referencia. El recorrido de los cables de control debe realizarse cuidadosamente. Evite hacer circular los cables de

34 POWER ELECTRONICS 7.- AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS Y VENTILADORES CON VARIADORES DE VELOCIDAD 31 SECCIÓN 7: AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS Y VENTILADORES INTRODUCCIÓN Los convertidores de frecuencia amplían el campo de regulación allí donde las condiciones de caudal fluctúan o donde hay necesidad de controlar la presión, la temperatura, el nivel etc. En aplicaciones donde intervienen bombas y ventiladores, tales como estaciones de bombeo, grupos de presión, sistemas de regadío o concentraciones de monóxido de carbono u oxígeno, climatización etc. ya podemos mantener un parámetro constante en función de la velocidad de la bomba o el ventilador. No obstante la decisión de usar un convertidor de frecuencia en una determinada aplicación debe de estar basada en un completo entendimiento del impacto de este sobre la instalación. Las principales ventajas de la regulación mediante convertidor de frecuencia son: Mantener siempre constante el parámetro a controlar, control continuo. Reducción de la potencia absorbida por el motor en función de la disminución de la velocidad de la bomba o ventilador. Compensación de la potencia reactiva del motor. Disminución de las averías mecánicas y eléctricas. Reducción del coste de la obra civil en los sistemas de bombeo. En este documento nos vamos a centrar exclusivamente en el estudio del factor económico más relevante a tener en cuenta: El consumo de energía. 7.1 CUÁNDO SE PRODUCE AHORRO En aplicaciones donde el requerimiento de par es proporcional al cuadrado de la velocidad y la carga no requiere que la bomba o ventilador trabaje a la máxima velocidad de forma continuada, se puede obtener una reducción en el consumo de energía. Este tipo de carga es común en aplicaciones de bombas centrífugas y ventiladores. En estos casos, la potencia consumida es proporcional al cubo de la velocidad en el eje de la bomba o ventilador y el flujo (caudal) es aproximadamente proporcional a la velocidad en el eje. De esta forma se pueden conseguir significantes ahorros de energía a través de la variación de la velocidad, en contraposición con los métodos más tradicionales como el de estrangulación de válvulas o el de bypass. 7. CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA Y EL VENTILADOR Las especificaciones de las bombas a una velocidad fija están normalmente representadas en las gráficas por varias curvas, el eje X representa el flujo o caudal ( Q ) así como la potencia y el rendimiento, en el eje Y se representa la presión ( P ) o altura ( H ). Los ventiladores tienen los mismos elementos constructivos que las bombas centrífugas, incluso su modo de funcionamiento es idéntico, cumpliendo las leyes de semejanza; la diferencia está en el hecho de que los ventiladores están destinados a gases, los cuales tienen unas características físicas (viscosidad, peso específico, densidad ) inferiores a los líquidos. En consecuencia, las características y los cálculos son idénticos para bombas centrífugas y ventiladores. La única diferencia es que en el caso de los ventiladores en vez de dar una altura manométrica en metros dan una presión total medida en Pascales o en Milímetros de columna de agua. La presión total de los ventiladores es igual a la suma de la presión estática ( Fuerza que ejerce el aire sobre las tuberías en sentido perpendicular ) más la presión dinámica ( Fuerza que provoca el movimiento del aire y se manifiesta en el mismo sentido que la dirección de éste). Normalmente las curvas características de un ventilador vienen dadas por la presión estática y el caudal. Las equivalencias de presión en los diferentes sistemas son : 1 mm.c.a. = Pa 1Kg/Cm = 10 m.c.a. = Pa 1 atm = Pa 1 bar = 100 Pa 7.3 COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA COMO CONSECUENCIA DE LA VARIACIÓN DE VELOCIDAD. El efecto de variar la frecuencia es esencialmente el mismo que el de variar la velocidad. Si se cambia la velocidad, el caudal, la presión, la potencia y la eficiencia serán cambiadas de acuerdo con las Leyes de Semejanza. Estas leyes demuestran que el caudal es proporcional a la velocidad, la presión es proporcional al cuadrado de la velocidad y la potencia en el eje es proporcional al cubo de la velocidad.

35 3 7.- AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS Y VENTILADORES CON VARIADORES DE VELOCIDAD POWER ELECTRONICS Por lo tanto, podemos expresar las siguientes ecuaciones: Q1/Q = (n1/n) H1/H = (n1/n) P1/P = (n1/n) 3 Estas relaciones están bien ilustradas en el siguiente ejemplo: Cierta bomba eleva a una altura de 10 m a dicha altura saca un caudal de 100 l/s y tiene una rendimiento hidráulico del 80%. En estas condiciones la potencia hidráulica será aproximadamente de 13. Kw. Si se redujese la frecuencia un 10% sobre la nominal (Hz), ocurriría lo siguiente: fig Curvas típicas en bombas y ventiladores a velocidad fija. El caudal descendería a =90l/s. (fig.1&) La altura de elevación se reducirá a =8.1m. (fig.1) La potencia hidráulica disminuye a =89.4Kw. (fig.). Si se conectasen los puntos correspondientes a las diferentes velocidades ( como muestra la fig. 1) la curva resultante será para una eficiencia hidráulica constante. Tales curvas poseen la forma de H= kq. En consecuencia cualquier punto sobre la curva de una bomba se acercara al origen a lo largo de la parábola mientras se mantiene su eficiencia hidráulica conforme la frecuencia tiende a cero. fig. 7..-Cambio de la curva conforme desciende la velocidad 7.4 CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR A la hora de elegir un equipo del mercado, ya sean variadores de velocidad, bombas o cualquier otro tipo de equipo, un factor a tener en cuenta es el del rendimiento. En el caso que nos ocupa, los variadores, el rendimiento viene a ser del 96 al 98%. Puede darse la paradoja que el de menor rendimiento sea el mejor equipo, ya que un rendimiento por ejemplo de un 97% a plena carga puede deberse a que el equipo incorpore filtros de armónicos y de radio frecuencias, en los cuales se puede producir una caída de tensión y por lo tanto una pérdidas en forma de calor, pero que son necesarios para un correcto funcionamiento de la instalación. Debemos asegurarnos que el equipo suministrado incorpore dichos filtros. En el caso de la eficiencia del motor sí que puede haber diferencias significativas a la hora de elegir un variador de velocidad u otro, ya que, dependiendo de la frecuencia de conmutación del equipo tendremos más o menos cantidad de armónicos en el motor. fig Cambio de las curvas de eficiencia y potencia conforme desciende la velocidad Si el equipo dispone de tiristores GTO la frecuencia de conmutación de este no sobrepasará los 0.9khz y dispondremos de 30% de distorsión armónica en el motor, con lo que la eficiencia de este bajará y tendremos que sobredimensionarlo. Si por el contrario el equipo dispone de Transistores fig Curvas características de bombas a varias velocidades (n) del eje.

36 POWER ELECTRONICS 7.- AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS Y VENTILADORES CON VARIADORES DE VELOCIDAD 33 IGBT en el inversor, las frecuencias de conmutación pueden ser de hasta 16KHz y la distorsión armónica será menor del 5% por lo que no hará falta sobredimensionar el motor. Visto lo anteriormente expuesto, en el caso de trabajar con variadores de velocidad lo realmente importante será la eficiencia combinada entre el variador y el motor. Es irrelevante tener un rendimiento en el variador elevado, si el rendimiento variador-motor es bajo. En las figuras que se muestran a continuación podemos observar las diferentes formas de onda de intensidad dependiendo del tipo de inversor. 7.5 EFECTOS DE LA VARIACIÓN DE VELOCIDAD EN LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS La figura 7.6 muestra la relación entre la altura y el flujo o caudal a velocidades menores de la nominal. Como se puede ver en la familia de curvas H-Q, reduciendo la velocidad en el eje disminuye la altura y el caudal para una bomba dada. De esa manera, reduciendo el valor del caudal, disminuye la potencia como se muestra en la familia de curvas P-Q. 7.6 RELACIONES BÁSICAS Fundamentalmente la potencia consumida por una bomba es el producto de la altura (estática y dinámica), el flujo de la bomba, la densidad del fluido, y la gravedad (9.81 m/s ) dividido por el rendimiento. POTENCIA (W): r x g x H x Q x h -1 Donde: ρ = Densidad (Kg/m 3 ) g = Gravedad (9.81m/s ) H = Altura (m) Q = Flujo (m 3 /s) η= Potencia salida bomba/potencia eje bomba Nota: la densidad del agua limpia es 1000 Kg/m 3 Para poder calcular el ahorro que se obtiene en una bomba con el uso de un variador de velocidad necesitaremos conocer las curvas de caudal-altura y rendimientos de dicha bomba. Ver el programa de cálculo de bombas POWERPUMP de Power Electronics. 7.7 EFICIENCIAS Los sistemas de control por estrangulamiento de válvula tienen unos rendimientos muy reducidos cuando los hacemos trabajar a bajas presiones, sin embargo, controlando la bomba con un convertidor de frecuencia logramos hacerla trabajar cerca del nivel óptimo para todas las variaciones de caudal requeridos. En la figura 7.7 se hace referencia a las curvas reales de una bomba en la que podemos ver distintos niveles de caudal para distintas velocidades, además se puede observar que variando la velocidad de la bomba siempre nos encontramos en los niveles óptimos de rendimiento. 7.8 MÉTODOS DE CONTROL DEL FLUJO Son cuatro los sistemas más comunes que existen en la actualidad y en los cuales nos hemos basado: A) CONTROL DE VÁLVULA En este sistema, las bombas permanecen a velocidad constante, el caudal es reducido al cerrar una válvula de control situada en la línea, de este modo, reducimos la sección transversal de la tubería o conducto. Cuando cerramos la válvula aumentamos la presión fig Curvas reales de la bomba

37 34 POWER ELECTRONICS 7.- AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS Y VENTILADORES CON VARIADORES DE VELOCIDAD al reducir el diámetro de paso y esta energía es disipada en forma de calor en la válvula de control. El estrangulamiento de la válvula no produce una pequeña disminución del caudal hasta que esta no se ha cerrado considerablemente, de ahí que la relación entre el caudal y el nivel de cierre de la válvula no sea lineal. Este método de control es ineficiente en cuanto al uso de potencia, además de introducir otros problemas como calentamiento del fluido, cavitación y turbulencias, los que tan sólo añaden ineficiencia al sistema. B) MARCHA Y PARO (ON-OFF) Este tipo de control se suele utilizar en sistemas donde se necesita una determinada cantidad de flujo constante durante cierto período de tiempo. Las bombas son controladas normalmente con dispositivos electromecánicos convencionales, que introducen esfuerzos en el suministro de energía y en los motores eléctricos. Además producen problemas en el sistema hidráulico por las sobrepresiones en el arranque y los golpes de ariete en la parada. fig Ejemplo de estrangulamiento de válvula C) CONTROL CON BY-PASS Este método emplea un by-pass alrededor de la bomba para regular el caudal. Es, en cierta medida, el menos eficiente de los métodos, ya que la bomba siempre trabaja a su máxima potencia sin tener en cuenta el nivel de flujo requerido en todo momento. D) MÉTODO DE VARIACIÓN DE VELOCIDAD Este método se lleva a cabo mediante la instalación de un convertidor de frecuencia en el motor de la bomba. Con este sistema, la reducción de presión es proporcional al cuadrado de la velocidad, lo que implica un control más lineal que en los sistemas citados anteriormente, obteniéndose un efecto favorable sobre la eficiencia. El consumo de energía desciende drásticamente ya que la potencia es proporcional al cubo de la velocidad en el eje de la bomba, y a su vez, el flujo es proporcional a la velocidad en el eje. fig Ejemplo de control de By-Pass 7.9 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL DESPILFARRO DE ENERGÍA Por ley, el producto de la altura y el flujo nos da el consumo de energía de una bomba o ventilador, esto bien puede representarse sobre las curvas de altura/flujo como el rectángulo formado por el punto operacional y los ejes. De esta forma somos capaces de realizar una comparación del consumo de energía entre un sistema de válvulas y otro de variación de velocidad que emplee un convertidor de frecuencia. En la figura 7.9 se puede apreciar lo anteriormente citado, el rectángulo sombreado refleja la energía desperdiciada en el sistema de válvulas. fig Ejemplo de control de velocidad

38 POWER ELECTRONICS 7.- AHORRO DE ENERGÍA EN BOMBAS Y VENTILADORES CON VARIADORES DE VELOCIDAD AHORROS REALES La potencia consumida durante un cierto período es una combinación de las distintas necesidades de potencia de cada flujo multiplicado por el tiempo de funcionamiento de estos, para el sistema de control existente. Obtenidas las necesidades, se puede realizar una comparación con las empleadas por un convertidor de frecuencia. fig Pérdida de potencia en un sistema de válvulas El siguiente ejemplo de un motor para una bomba de 400kW. En primera instancia controlada por válvulas y posteriormente mediante un variador UDi-830 (para permitir posibles inexactitudes y un escenario en el peor de los casos asumiremos una altura fija para el ejemplo con variador), nos mostrará dicha comparación en cifras. SISTEMA DE VÁLVULAS HORAS DE OPERACIÓN FLUJO (M3/S) DENSIDAD (KG/M3) ALTURA m g m/s EF BOMBA % EF MOTOR % EF VARIADOR % KW ENTRADA KW/ AÑO 6 X X X X TOTAL kwh/año CONVERTIDOR DE FRECUENCIA HORAS DE OPERACIÓN FLUJO (M3/S) DENSIDAD (KG/M3) ALTURA m g m/s EF BOMBA % EF MOTOR % EF VARIADOR % KW ENTRADA KW/ AÑO 6 X X X X TOTAL kwh/año AHORRO DE ENERGÍA Diferencia entre el sistema de válvulas y variador de velocidad: ESTRANGULAMIENTO VARIADOR TOTAL AHORRO: kwh