Variadores de frecuencia (drives)

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hThis information explains the general characteristics of frequency drives

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Variadores de frecuencia (drives)

  1. 1. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SAN JUAN DEL RÍO ANEXO B VARIADORES DE FRECUENCIAB.1. INTRODUCCIÓNEl Variador de Frecuencia (VFD, por sus siglas en inglés), también conocido como Convertidorde Frecuencia, es un sistema electrónico para el control de la velocidad de giro de motoreseléctricos de CA mediante la manipulación de la frecuencia de la energía eléctrica suministradaal motor. Un variador de frecuencia es un tipo específico de Variador de Velocidad oAccionamiento de Velocidad Variable. Figura B.1.- Variador de frecuencia para motor de capacidad fraccionaria.B.2. PRINCIPIO DE OPERACIÓN.Los variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la velocidad mecánica de unmotor de CA (ya sea síncrono o de inducción) es directamente proporcional a la frecuencia dealimentación del motor, e inversamente proporcional al número de polos de la máquina(cantidad que siempre deberá ser par).Para el caso de la máquina síncrona, operará a la denominada velocidad síncrona (n S) deacuerdo con la siguiente relación: nS = 120*f/P (1)Donde: ns = Velocidad síncrona (rpm) f = Frecuencia de alimentación (Hz) P = Número de polos del motor.Tratándose de un motor de inducción (de rotor jaula de ardilla o devanado), la velocidad enflecha será ligeramente inferior, debido a la introducción de un término adicional, eldeslizamiento (s), tal y como se muestra a continuación: nM = 120*f*(1-s)/P (2)MAI- Automatización y Robótica Anexo B 73
  2. 2. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SAN JUAN DEL RÍOdonde s varía entre 0 y 1, aunque suele tener valores bajos (inferiores a 0.05). También puedeser expresado en porcentaje, razón por la cual, antes de utilizarlo en la expresión (2) deberáser convertido a valores adimensionales.Por ejemplo, considere un motor de inducción que cuenta con 6 polos, opera a 60 Hz y sudeslizamiento máximo es del 5 % (0.05). ¿Cuál será su velocidad de operación?Datos: P=6 f = 60 Hz s = 0.05Sustituyendo en la expresión (2) nM = 120*f*(1-s)/P = 120*60*(1-0.05)/6 = 1140 rpm.B.3. ARQUITECTURA DEL VARIADOR DE FRECUENCIAEl sistema de un variador de velocidad generalmente se encuentra constituido por un motor deCA (síncrono o de inducción), un controlador y una interfaz del operador. CONTROLADOR MOTOR Alimentación trifásica M 23.5 Hz 268.0 V INTERFAZ DEL OPERADOR Figura B.2.- Arquitectura del variador de frecuencia. a) Motor: Los motores empleados para trabajar con variadores de velocidad generalmente son los trifásicos de inducción. Aunque existen variadores para motores monofásicos, siempre ha existido preferencia por los motores trifásicos. Los motores síncronos ofrecen ventajas en algunas situaciones, sin embargo los motores de inducción son los más adecuados para la mayoría de las aplicaciones y resultan ser la opción más económica. b) Controlador: El controlador de un variador de frecuencia es un dispositivo electrónico de estado sólido. Generalmente, este dispositivo primeramente convierte la potencia de entrada de CA a potencia intermedia de CD mediante el uso de un rectificador trifásico de onda completa. Posteriormente, esa señal es convertida nuevamente a potencia de salida de CA mediante el uso de un inversor basado en transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT).MAI- Automatización y Robótica Anexo B 74
  3. 3. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SAN JUAN DEL RÍO Figura B.3.- Diagrama eléctrico general de un variador de frecuencia. Con relación a las formas de control de un variador de frecuencia, se tienen las siguientes: - Control escalar: este tipo de control se realiza por modulación de ancho de pulso (PWM = Pulse Width Modulation), que consiste en producir una onda de salida que consta en una serie de estrechos pulsos de voltaje cuyo ancho y separación puede ser modulado, controlando así el valor de la frecuencia y voltaje aplicado. Figura B.4- Control mediante modulación de ancho de pulso (PWM). - Control vectorial: esta clase de control es generalmente llevado a cabo mediante el control vectorial del flujo (FVC = Flux Vectorial Control). - Control directo al torque (DTC = Direct Torque Control). Una situación muy importante que es necesario considerar es el hecho de que debe cuidarse que la relación voltaje/frecuencia (V/Hz) debe mantenerse constante. De noMAI- Automatización y Robótica Anexo B 75
  4. 4. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SAN JUAN DEL RÍO respetarse esta situación pueden presentarse problemas con la potencia entregada al motor, así como la posible saturación de flujo magnético en el núcleo del motor. Por ejemplo, si un motor se encuentra diseñado para operar a 460 V y 60 Hz, el voltaje de operación debe ser reducido a 230 V si la frecuencia de operación se cambia a 30 Hz. De esta forma, la razón de volts a hertz mantendrá un valor constante (460 V/60 Hz = 230 V/30 Hz = 7.67 V/Hz). Por otra parte, se cuenta con un microprocesador que gobierna la operación total del variador de frecuencia. Aunque la mayor parte de parámetros del microprocesador son inaccesibles para el usuario, algunos de ellos necesitan ser ajustados o configurados por el usuario del dispositivo. c) Interfaz del operador: La interfaz del operador proporciona un medio para el arranque y paro del motor, así como para ajustar su velocidad de operación. Otras funciones adicionales que permite la interfaz pueden ser el cambio del sentido de giro del motor, ajustes de la aceleración y desaceleración, cambio entre modos de operación manual y automático, modificación de los parámetros del motor, etc. La interfaz del operador frecuentemente incluye una pantalla de visualización alfanumérica, LEDs indicadores, perillas y algunos instrumentos de medición. Por lo general, esta interfaz se encuentra en la parte frontal del variador.B.4. FUNCIONAMIENTOCuando un variador de frecuencia hace arrancar a un motor, inicialmente le aplica bajafrecuencia y baja tensión al motor. La frecuencia de arranque típica es de alrededor de 2 Hz omenos. Al arrancar un motor a esa baja frecuencia se evita la presencia de las elevadascorrientes que se presentan cuando el motor se arranca directo a la línea (tensión plena). Unavez que el motor arranca, el controlador del variador eleva los valores de voltaje y corriente aen forma controlada, describiendo una pendiente positiva la curva velocidad vs. tiempo..Gracias a este método de arranque, el variador le permite desarrollar al motor alrededor del150 % del par nominal de plena carga tomando únicamente el 150 % de la corriente nominal.Cuando el arranque se realiza directo a la línea, las corrientes de arranque pueden ir del 400%hasta el 1000% de la corriente nominal. Velocidad, rpm Operación normal (velocidad constante) Tiempo, s Rampa Rampa de de aceleración desaceleración Figura B.5- Arranque, operación normal y paro de un motor empleando un variador de frecuencia.MAI- Automatización y Robótica Anexo B 76
  5. 5. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SAN JUAN DEL RÍOCon el variador de frecuencia la secuencia de parado es exactamente lo contrario que la dearranque. Primeramente se reducen los valores de frecuencia y voltaje en forma proporcional,describiendo una recta de pendiente negativa la característica velocidad vs. tiempo. Una vezque la frecuencia se aproxima a cero, el motor es desconectado. Parte de la energía cinéticaque aún conserva el rotor puede emplearse para generar un par de frenado, a fin de ayudar adetener el eje del motor en forma rápida.B.5. VALORES COMERCIALESLos variadores de frecuencia se encuentran disponibles para operar con la mayoría de motorestrifásicos comerciales. Los variadores diseñados para operar a tensiones que van desde 110V hasta 690 V se clasifican como unidades de bajo voltaje, y pueden controlar motores concapacidades que van desde 0.2 kW (o ¼ HP) hasta 750 kW (o 1000 HP). Los variadores demediano voltaje se encuentran diseñados para operar a tensiones comprendidas entre 2400 Vhasta 10 kV y se emplean para controlar motores de 375 kW (o 500 HP) o superiores. En laactualidad se fabrican unidades variadoras de frecuencia para motores tan grandes como 5600kW (4200 HP)Marcas comerciales.Dentro de las principales marcas que manufacturan variadores de velocidad, se encuentran lassiguientes:  ABB  Yaskawa  Telemecanique  General Electric  Siemens  Baldor.  Cutler-Hammer.  Allen-Bradley.B.6. REFERENCIAS.MALONEY, T. “Electrónica Industrial Moderna” (quinta edición). Pearson Educación. México,2006.http://es.wikipedia.org/wiki/Variador_de_velocidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Variador_de_velocidadhttp://www.baldordistribuidora.com/frameinversores01.htmMAI- Automatización y Robótica Anexo B 77
  6. 6. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE SAN JUAN DEL RÍOMAI- Automatización y Robótica Anexo B 78

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