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• Samuel J. Gamez

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Variadores De Velocidad

Los variadores de velocidad son dispositivos electrónicos que permiten variar la velocidad y la cupla de los motores asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables. Se utilizan estos equipos cuando las necesidades de la aplicación sean:    

Dominio de par y la velocidad Regulación sin golpes mecánicos Movimientos complejos Mecánica delicada

El motor

Los variadores de velocidad están preparados para trabajar con motores trifásicos asincrónicos de rotor jaula. La tensión de alimentación del motor no podrá ser mayor que la tensión de red. A tensión y frecuencia de placa del motor se comporta de acuerdo al gráfico siguiente:

El dimensionamiento del motor debe ser tal que la cupla resistente de la carga no supere la cupla nominal del motor, y que la diferencia entre una y otra provea la cupla acelerante y desacelerante suficiente para cumplir los tiempos de arranque y parada.

El convertidor de frecuencia

Se denominan así a los variadores de velocidad que rectifican la tensión alterna de red (monofásica o trifásica), y por medio de seis transistores trabajando en modulación de ancho de pulso generan una corriente trifásica de frecuencia y tensión variable. Un transistor más, llamado de frenado, permite direccionar la energía que devuelve el motor (durante el frenado regenerativo) hacia una resistencia exterior. A continuación, se muestra un diagrama electrónico típico:

La estrategia de disparo de los transistores del ondulador es realizada por un microprocesador que, para lograr el máximo desempeño del motor dentro de todo el rango de velocidad, utiliza un algoritmo de control vectorial de flujo. Este algoritmo por medio del conocimiento de los parámetros del motor y las variables de funcionamiento (tensión, corriente, frecuencia, etc.), realiza un control preciso del flujo magnético en el motor manteniéndolo constante independientemente de la frecuencia de trabajo. Al ser el flujo constante, el par provisto por el motor también lo será. En el gráfico se observa que desde 1Hz hasta los 50 Hz el par nominal del motor está disponible para uso permanente, el 170% del par nominal está disponible durante 60 segundos y el 200% del par nominal está disponible durante 0,2 seg.

Selección de un variador de velocidad Para definir el equipo más adecuado para resolver una aplicación de variación de velocidad, deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:          

Tipo de carga: Par constante, par variable, potencia constante, cargas por impulsos. Tipo de motor: De inducción rotor jaula de ardilla o bobinado, corriente y potencia nominal, factor de servicio, rango de voltaje. Rangos de funcionamiento: Velocidades máximas y mínimas. Verificar necesidad de ventilación forzada del motor. Par en el arranque: Verificar que no supere los permitidos por el variador. Si supera el 170% del par nominal es conveniente sobredimensionar al variador. Frenado regenerativo: Cargas de gran inercia, ciclos rápidos y movimientos verticales requieren de resistencia de frenado exterior. Condiciones ambientales: Temperatura ambiente, humedad, altura, tipo de gabinete y ventilación. Aplicación multimotor: Prever protección térmica individual para cada motor. La suma de las potencias de todos los motores será la nominal del variador. Consideraciones de la red: Microinterrupciones, fluctuaciones de tensión, armó nicas, factor de potencia, corriente de línea disponible, transformadores de aislación. Consideraciones de la aplicación: Protección del motor por sobre temperatura y/o sobrecarga, contactor de aislación, bypass, rearranque automático, control automático de la velocidad. Aplicaciones especiales: Compatibilidad electromagnética, ruido audible del motor, bombeo, ventiladores y sopladores, izaje, motores en paralelo, etc.

¿Cómo funciona un variador de velocidad alimentado monofásico a cargas trifásicas? El variador recibe la tensión de entrada monofásica, la trata y extrae la tensión trifásica que alimenta el motor. La tensión de entrada se rectifica y se pasa a continua (batería condensadores), sobre esa continua se realiza la regulación PWM sobre 3 fases. En el esquema adjunto la entrada es trifásica pero el concepto se puede aplicar a tensión monofásica solo que la tensión del bus de continua será menor. Los IGBT de salida funcionan con la tensión del bus de continua. La figura siguiente muestra un diagrama de bloques interno, lo cual muestra que no importa si la fuente es trifásica o monofásica, la señal de entrada se convierte a corriente directa, para luego convertirse en un voltaje trifásico. Se debe establecer

que el equipo no puede entregar la misma potencia con una u otra alimentación, lo que se hace es reducir la capacidad del variador, generalmente un tamaño, es decir: Un variador de 5HP puede manejar un motor hasta de 3HP en alimentación monofásica. Sin embargo, lo más recomendado es consultar al fabricante por los variadores para alimentación monofásica.

¿Qué capacidades mínimas y máximas podemos encontrar en lo variadores?

SCHNEIDER ELECTRIC: Red de suministro: acometida de c.a., monofásica en aparatos para motores pequeños de hasta 1,5 kW (2 C.V. aprox), y trifásica, para motores de más potencia, hasta valores de 630 kW o más. Se pueden encontrar desde capacidades mínimas tales como: Variadores de velocidad para máquinas compactas con motor asíncrono trifásico 220 V: 

0.18 a 0.75 kW, 120 V monofásica



0.18 a 2.2 kW, 220 V trifásica



0.18 a 4 kW, 220 V trifásica

Hasta en capacidades de variadores de velocidad con servicios integrados dedicados al proceso Industrial e Instalaciones, para control de motores de 3 fases asíncronos y síncronos de 0,75kW hasta 1,5MW.

ABB:

SIEMENS

¿Problemas comunes en las instalaciones de los variadores de velocidad?

Si los requisitos de la carga mecánica y el comportamiento parecen normales, es posible que exista algún cortocircuito en el bobinado del motor y que ésta sea la causa del aumento de la corriente y del calor y de la disminución del par. Lo que se debe comprobar entonces es el desequilibrio de corrientes, el funcionamiento con una sola fase, el desequilibrio de tensiones y algo que es característico de los variadores de velocidad PWM: las sobretensiones causadas por ondas de tensión reflejadas. Las tensiones altas en el eje del motor (problema asociado también con los variadores de velocidad del tipo PWM) pueden explicar temperaturas excesivas en los cojinetes y el fallo prematuro de éstos. La forma de probar estas condiciones se explica más adelante. La razón de hacer medidas de tensión en los terminales del motor es verificar que la tensión no es demasiado alta ni demasiado baja y que no existen desequilibrios. Si la tensión en el motor es demasiado baja, una causa probable es la existencia de conexiones defectuosas o que la tensión en el bus de continua del variador de velocidad puede ser demasiado baja. A su vez si las tensiones en los terminales del motor son demasiado altas, la tensión en el bus de continua puede ser demasiado alta; lo que podría ser debido a una tensión demasiado alta en la entrada del variador de velocidad. Las causas posibles de los desequilibrios son: que uno de los circuitos de alimentación sólo conduzca parcialmente ó que haya una caída de tensión entre la salida del variador de velocidad y el terminal del motor en una de las fases, a causa de una mala conexión. Si las corrientes del motor están desequilibradas se puede determinar si el desequilibrio se debe al motor o al variador de velocidad cambiando las conexiones de las fases en los terminales del motor.

El funcionamiento con una sola fase es el resultado de perder por completo una de las tensiones de fase aplicadas a un motor de inducción trifásico de CA, y puede ser un problema difícil de detectar. En una aplicación con variador de velocidad esto sería debido, normalmente, a una conexión abierta en cualquier de los extremos del cableado entre el motor y el variador de velocidad o en uno de los conductores del propio cable. También es posible que uno de los IGBT´s, que son los dispositivos que alimentan cada una de las fases del motor, se hayan quedado en circuito abierto. Algunos de los variadores de velocidad del mercado son capaces de detectar esta situación.

¿Qué consideraciones debemos tener al momento de alimentar varios motores con un solo variador?

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La corriente nominal del variador debe ser superior o igual a la suma de las corrientes de los motores a controlar. Prever para cada motor una protección térmica externa. La protección térmica aguas abajo de variadores se debe sobredimensionar. Si los motores son idénticos probar la ley control vectorial en tensión en Lazo abierto entrando una placa motor equivalente y hacer el autoajuste (TUN). Si los motores son de potencias distintas, el ajuste del variador no será el óptimo para los motores de menor potencia. Si el número de motores en paralelo es igual o superior a 3 se recomienda añadir una inductancia de motor entre éstos y el variador. La distancia máxima permitida debe tener en cuenta la suma de todos los tramos de cableado.

¿Cómo podemos reducir los problemas de armónicos generados por los variadores de velocidad? Todos los convertidores electrónicos de potencia utilizados en diferentes tipos de sistemas electrónicos pueden incrementar las perturbaciones armónicas con la inyección de armónicos de corriente directamente hacia la red de distribución. Cargas no lineales incluyen entre otros: Arrancadores suaves, variadores de velocidad, computadores, UPS y otros dispositivos electrónicos como iluminación, material de soldadura y sistemas de alimentación interrumpida.

Los armónicos pueden ser reducidos por la modificación de la red alimentación, el sistema de variación de velocidad y el uso de filtros externos. Los armónicos de corriente dependen de la construcción del variador de velocidad y la carga. Dentro de los factores que incrementan las corrientes armónicas tenemos:  

Ausencia de reactancias en la línea. Alta carga del motor.

Los factores que disminuyen las corrientes armónicas son:   

Inductancias de DC o AC, estándar en los variadores ABB. Mayor número de pulsos en el rectificador. Rectificadores activos

Factores que disminuyen los armónicos de voltaje generados por los armónicos de corriente:   

Transformador de mayor capacidad. Baja impedancia del transformador. Alta capacidad de corriente de corto circuito en la alimentación.

Utilización de reactancias en AC o DC Un variador de velocidad con reactancias de AC o DC es la solución más económica a la hora de reducir armónicos de corriente, sin embargo, el resultado depende del tipo de reactancia utilizado. Algunos aspectos a tener en cuenta en este tipo de soluciones son las caídas de tensión que impactan el sistema y el espacio adicional que ocupan las reactancias, sin embargo, en los variadores ABB de las familias ACS550, ACS800 y ACS880 este último aspecto no es relevante debido a que la reactancia viene incluida en los equipos.

Filtros activos externos El filtro activo compensa los armónicos generados por cargas no lineales generando los mismos componentes armónicos con fases opuestas. Los filtros activos externos son los más utilizados cuando se tienen grupos de variadores.