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• Luis Fernando Alvarez Ortiz

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Variadores ELE-08

Objetivo

Con base en esta presentación sobre los variadores de velocidad (VSD) y algunos otros tableros de control, el estudiante debe responder un exámen teórico al finalizarlo.

Introducción Como su nombre lo indica, los variadores de velocidad son unos equipos eléctricos que cambian de manera segura y eficiente, la velocidad en un motor eléctrico AC. En el campo de Caño Limón los variadores son imprescindibles para el control de velocidad en los motores de las bombas electrosumergibles. Con esto se logra controlar la tasa de producción en cada pozo, además de brindar un arranque mas suave al motor en caso de parada. En el campo se usan otros tableros de control (en vez de los variadores) que no varían la velocidad del motor. Estos son usados exclusivamente para el arranque del motor y protección contra sobrecargas.

Contenido Conceptos Básicos

¿Qué es un Variador? Relación Voltios / Hertz Arranque de un motor Ventajas de los VSD Partes

Variadores

ICS GCS Oil Cooled Robicon Perfect Harmony

Otros Tableros de Control Soft Start Switch Board

Conceptos Básicos

¿Qué es un VSD? Los Variadores de Velocidad (Variable Speed Drive o VSD) permiten controlar la velocidad de un motor, al variar el voltaje y la frecuencia aplicada. La velocidad en un motor AC depende del número de polos del motor y la frecuencia de la corriente: Velocidad 

120  f número de polos

Como el sistema eléctrico de Caño Limón tiene una frecuencia fija (f) de 60Hz, un motor eléctrico de 2 polos tendrá una velocidad de: 120  60  3600 rpm 2 Para variar la velocidad de este motor, la única solución es cambiar la frecuencia de la corriente. Para eso se usan los variadores.

Relación V/Hz Para evitar dañar el motor y obtener máximo torque a diferentes velocidades, la relación de voltaje y frecuencia debe permanecer constante. Por ejemplo, si un motor es alimentado por 480VAC @ 60Hz de frecuencia tiene una relación Voltios/Hertz de:

480  7.66 60 Ahora, al variar la frecuencia y el voltaje se obtiene la velocidad del motor deseada, diferente de los 3.600 r.p.m. nominales. V

Hz

V/Hz

rpm

460

60

7,66 3600

400

52

7,66 3120

340

44

7,66 2640

280

37

7,66 2220

220

29

7,66 1740

160

21

7,66 1260

100

13

7,66

780

40

5

7,66

300

Observe que la relación permanecer constante.

V/Hz

debe

Arranque de un motor Los motores usados en los equipos de bombeo electrosumergible son motores AC de inducción (tipo jaula de ardilla).

Porcentaje de Corriente Nominal

600%

100%

Porcentaje de Velocidad

En el demanda arranque de delcorriente motor en se La alta demanda hasta de de la el arranque de un un600% motor corriente es decir, 6 inducción, nominal, es debida a la veces másdedemagnetización la corriente corriente normal operación. (Inrush de current). Esta cantidad de corriente va disminuyendo que el Para disminuira medida la corriente motor va ganando velocidad. requerida por el motor a bajas velocidades, se debe variar la Aunque el arranque de un motor frecuencia de la corriente. dura tan sólo unos segundos, si se tiene otro sistema conectado a éste -por ejemplo, un sistema de iluminación- se produce una caída en la tensión en el sistema (las bombillas se atenúan).

Ventajas de los Variadores Los variadores convierten una bomba electrosumergible en una familia de bombas, al permitir operarla a diferentes velocidades. Incrementa la vida útil del motor al disminuir los choques mecánicos y eléctricos causados por un arranque directo. El variador permite que el arranque se realice progresivamente, aumentando la frecuencia desde 5 o 10Hz hasta la frecuencia de operación.

Partes Los variadores se componen de:

• Puente Rectificador (Converter) • Bus DC • Puente Inversor (Inverter) • Tarjetas de control

Y van acompañados de otros equipos fundamentales, como: • Transformador SDT y SUT

Converter El converter o puente rectificador es el encargado de convertir la corriente AC a DC. Recuerde que la corriente continua (DC) no tiene frecuencia. La alimentación proviene del transformador reductor (SDT) que entrega una tensión de 480VAC o 380VAC, según el tipo de variador, a una frecuencia de 60Hz.

Según el modelo del variador, el puente rectificador puede estar compuesto por diodos de potencia o por SCR.

Funcionamiento del Converter Para este ejemplo tomará un puente rectificador con diodos de Los variadores sonsealimentados por tres cables independientes potencia. (sistema trifásico) de la misma tensión, desfasados en 120º.

las tres fases superpuestas entrada. Hay un Observe Cada Hasta Ahora Finalmente, fase este son que del (A, los instante el los sistema Bdiodos continuo y diodos C) de entra de trifásico tiempo relevo la conectados de fase manera (A, (en de ABlos azul), quienes y C) independiente diodos aen tiene los lala conducen diodos en fase dos las diodos de fases C alelectricidad converter. la conducen como fase da una se B muestra La son por electricidad onda salida la los de mayor únicos salida es en cuando una latensión que que figura. sola no esta permiten de señal cambia VDC fase esta (VDC) es tiene fase en launa la conducción, polaridad. respecto en el tensión mayor corriente Así aDC debido voltaje. las se directa, a otras. logra laaEl salida la convertir debido Observe ciclo mayor del se a desfase de tiempo entre cada de ellas. que losde diodos las otras fases cerrados (en estado converter. tensión repite corriente no cambia de alterna nuevo. esta de fase apolaridad. corriente respecto a laspermanecen directa. otras. de no conducción).

Bus DC Para eliminar el rizado o ripple a la salida del converter, se instalan un conjunto de bobinas (inductancias) en serie y de condensadores en paralelo llamado Bus DC. Además de “suavizar” la onda, el bus DC impide cambios bruscos de corriente y tensión. El bus DC es el puente entre el converter e inverter.

Inverter El inverter o puente inversor convierte la corriente DC a AC. Este puede estar compuesto por transistores de potencia o por IGBT, dependiendo del modelo del variador. Para generar la potencia AC en cada fase, los transistores o IGBT son excitados por unos pulsos que emite una tarjeta controladora. De la velocidad con salen estos pulsos depende la frecuencia de la onda AC. De esta manera se logra variar la frecuencia de la corriente AC en la entrada del variador (60Hz) a cualquier valor entre 10 y 120Hz, generalmente.

Tarjeta con SCR

Funcionamiento del Inverter En la figura se muestra un inverter compuesto de transistores. En este caso la potencia AC es una onda de seis pasos.

La potencia de entrada al inverter proviene del Bus DC.

Tarjetas de Control La función de estas tarjetas es controlar los disparos de los transistores, SCR e IGBT según el modelo del variador.

Practica 1

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En un motor AC de inducción, la velocidad depende de: El voltaje y la frecuencia El voltaje y la corriente La frecuencia y el número de polos del motor La corriente y la frecuencia Para convertir la corriente DC en AC, se usa un puente: Conversor (Converter) Inversor (Inverter) Bus DC Rectificador (Rectifier) Un motor de inducción requiere una corriente 6 veces mayor a la nominal en el momento del arranque. Falso Verdadero Para torque constante, la relación Voltios / Hertz en un motor puede variar. Falso Verdadero Haga click aquí para

salir de la práctica

Variadores

ICS

Descripción El ICS (Integrated control system) es un tipo de variador diseñado para trabajar con equipos electrosumergibles. Aparte de controlar la velocidad del motor, el ICS maneja varios parámetros de operación del pozo, como la tasa de producción y la presión de fondo. Características:

•Onda de salida de 6 pasos. •Viene con cubiertas NEMA 1 y NEMA 3 resistentes a las condiciones ambientales. •Opera con 460/360 VAC @ 50/60 Hz.

Características técnicas Características del ICS:

Frecuencia de Salida: 10 - 120Hz Tope de frecuencia máx. 40 - 120Hz Límite de frecuencia min. 5 - 60Hz Voltaje salida @ 60Hz 40 - 480VAC Factor de potencia @120Hz 0.96 Voltaje de Entrada 460VAC +/-10% Temperatura Operación: 0 - 50ºC

Partes Un puente rectificador El ICS se compone de: (converter)

Bus DC

Un puente inversor (inverter)

Potencia AC de salida: Por Potencia El La control digital último, control la del AC interfaz de converter entrada: board con lleva ele operario inverter el control esse controlada de hace todos por por los las lasprocesos tarjetas Onda de 6 pasos entre converter dentro operator Onda delinterface senosoidad board variador. e inverter board Esael60Hz. y“cerebro” door board. interface de la operación. board. 10 - 120Hz.

Converter El puente rectificador en los variadores ICS está compuesto de 6 SCR conmutados de forma natural, con un diodo de libre paso.

Inverter Utiliza transistores de potencia para alternar el voltaje positivo y negativo del bus DC y generar una onda de 6 pasos. La frecuencia de la onda de salida está determinada por la velocidad con que se “swichean” los transistores.

Bus DC Es el puente entre el converter e inverter, que transporta la potencia DC.

Contiene bobinas y condensadores sumergidos en aceite, para su refrigeración.

Converter control board (CCB) La tarjeta controladora del converter (CCB) da las señales de disparo a los SCR. Además realiza las siguientes funciones: • • • •

Mide la tensión de cada fase a la entrada. Mide el voltaje en el bus DC. Recibe la señal de temperatura de los interruptores térmicos. Suprime los transitorios de voltaje.

Inverter control board (ICB) Esta tarjeta, envía los pulsos para “switchear” los transistores de potencia en el Inverter. La velocidad de los “swicheos” define la frecuencia de la onda AC generada. • • • •

Acopla las señales entre el inverter y la digital control board. Envía el disparo a los transistores de potencia (6.5VDC). Detecta sobrecorrientes. Mide la corriente a la salida.

Digital control board (DCB) Es el principal bloque de control para el circuito de potencia. Su función es controlar la operación de todo el variador. • Usa un procesador Intel 8087 de 12Mhz • Proporciona salidas digitales hacia las CCB e ICB.

Operator interface board (OIB) Los parámetros de operación del variador son visualizados y/o introducidos por medio de la tarjeta de interfaz al operador (OIB). El panel de control tiene una pantalla de 16 caracteres y un teclado de 25 botones. Funciona con 24VDC.

Door interface board (DIB) Esta tarjeta está acoplada a la Operator Interface Board (OIB) y maneja las entradas y salidas para todos los controles opcionales montados en la puerta del variador, tales como luces de encendido, apagado, botón de arranque, selector de velocidad, etc.

GCS

Descripción El GCS (Graphic control system) es un variador que funciona con los principios básicos del ICS, pero con una interfaz gráfica mucho más amigable. Características: •Onda de salida de 6, 12 o 18 pasos.

•Microprocesador más avanzado que el ICS evita el uso de tantas tarjetas de control. •Comunicación con SCADA o sistemas de telemetría por puertos RS-232 y ModBus RTU. •Mismos tipos de cubierta NEMA 1 y 3

Características técnicas Características del GCS:

Frecuencia de Salida: 10 - 120Hz Máximo Overload: 150% por 60 seg. Relación V/Hz: 0,7 - 10 Voltaje salida @ 60Hz: 40 - 480VAC Eficiencia: >98% Voltaje de Entrada: 460VAC +/-10% Temperatura Operación: 0ºC - 50ºC Frecuencia de Arranque: 3 - 20 Hz Resolución:

0,1Hz

Elementos de potencia Las partes principales del GCS, se muestran a continuación: Transformador de Control del InverterPower Control del Converter Supply Control

Snubber CT

Fusibles

Bus DC Modulos SCR (Converter)

IGBT (Inverter)

Elementos de Control La tarjeta Power Supply suministra la potencia requerida por los elementos de control.

Los disparos de los SCR y los IBGT, se hace desde las tarjetas de control del Converter e Inverter respectivamente. Observe que a diferencia de los ICS, el GCS usa IBGT en el puente inversor.

Power Supply

Inverter / Converter

Practica 2

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En los variadores ICS, el converter se compone de: SCR IGBT Transistores de potencia Diodos ¿Cuál es la tarjeta que controla todo el variador en los ICS? Converter control board (CCB) Inverter control board (ICB) Digital control board (DCB) Operator interface board (OIB)

En los variadores GCS, la onda de salida es únicamente de 6 pasos. Falso Verdadero Las bobinas y condensadores del bus DC están sumergidas en aceite. Falso Verdadero

Haga click aquí para salir de la práctica

Oil Cooled

Descripción El Oil Cooled es un variador muy similar al ICS, pero todos sus elementos de potencia (inverter, converter y Bus DC) están sumergidos en aceite para una mejor refrigeración.

Características:

•Onda de salida de 6 pasos. •Arranque del motor a baja frecuencia.

Características técnicas Características del Oil Cooled:

Frecuencia de Salida: 4 - 120Hz Máximo Overload: 150% por 60 seg. Relación V/Hz: 1.8 - 12 Voltaje salida @ 60Hz 40 - 460VAC Eficiencia 97% Voltaje de Entrada 460VAC +/-10% Temperatura Operación: -40ºC - 50ºC Frecuencia máxima: 2 - 120 Hz Frecuencia minima:

4 - 60 Hz

Partes Las partes del Oil Cooled son: Sección de Potencia (sumergida en Aceite): • Converter • Inverter • Bus DC Sección Control: • Computer Board • Interface Panel • Regulator Board • VCO Board • Inverter driver board • Isolation Board • Mother Board

Elementos de potencia Los elementos de potencia del Oil Cooled vienen sumergidos dentro de una cuba de aceite. El converter se compone de SCR El inverter está formado por transistores de potencia (BJT). El Bus DC, por capacitores e inductancias.

Elementos de Control El control del variador Oil Cooled se lleva a cabo en la computer board, quien recibe parámetros del interface panel. La Regulator board regula los parámetros de operación en el variador. La VCO Board controla la frecuencia del inverter. La isolation board sensa las tensiones del variador.

Perfect Harmony Robicon

Descripción El Perfect Harmony (Robicon) es un avanzado equipo que reduce drásticamente los armónicos en la salida. Se compone de celdas (módulos) en cada fase que funcionan de manera independiente. La característica principal de este variador es que la onda de salida es casi senosoidal, con una distorsión muy baja comparada con la de seis o doce pulsos. Si una celda llega a fallar, se puede hacer un puente (by-pass) y continuar la operación. El variador viene con un transformador SDT de tipo seco en su interior.

Características técnicas

Características del Robicon:

Frecuencia de Salida: Tope de frecuencia máx. Límite de frecuencia min. Voltaje salida Factor de potencia Voltaje de Entrada Temperatura Operación:

0 - 120Hz 250Hz 0 - 7200VAC 0,95 0 - 40ºC

Partes Las partes principales del Perfect Harmony son:

Tiene Las La Un power atenuador microprocesador tarjetas tarjetas 4 celdas interface de de de enlace en enlace voltaje board serie controla maestro sesirve por esinstalan elcada todo para puente (master fase medir en el entre proceso. un link) (12 los terminal el en comunican voltajes circuito total). Estedese de de Cada conexiones las comunica salida potencia celdas celda de funciona por (celdas) manera con fibra el usuario control segura. ycomo óptica los controladores central. por un (HUB). medio variador deldel teclado independiente. variador. (keypad).

Celdas Todas las celdas son mecánica y eléctricamente idénticas, de manera que se pueden intercambiar. Cada celda se comunica con el control maestro por medio de un cableado de fibra óptica. Cada celda tiene su propio conversor, bus DC e inversor.

Elementos de Control Los elementos de control en el Robicon, son:

Tarjeta del Microprocesador

Fusibles del motor de Transformadores de Voltaje extracción de aire caliente

HUB de fibra óptica

Comparación de Salidas El Perfect Harmony tiene una onda de salida de 18 o 24 pulsos, lo cuál lo hace muy superior a los variadores de 6 o 12 pulsos. La onda de salida es virtualmente senosoidal. Otra característica muy importante es que el Perfect Harmony mantiene el factor de potencia por encima de 0.94, sin importar la frecuencia de salida.

Teclado La interface teclado/pantalla se utiliza para accesar los parámetros de control y funciones al variador. Están organizados en grupos, haciendo uso de los menús.

LED’s de diagnóstico

Pantalla (Display)

Teclador (Keypad)

Otros Tableros de Control

Soft Start (Arrancador Suave)

Descripción El arrancador suave (Soft Start) controla la cantidad de potencia que recibe el motor en el encendido y apagado. Una vez el motor ya ha sido arrancado, sólo puede operar a la frecuencia de la corriente (60Hz) sin posibilidad de variar su velocidad. El arrancador suave se compone de un puente rectificador trifásico con 6 SCR conectados en antiparalelo.

Partes El controlador En Cada la figura, fase del se arrancador DIGIFIRE muestran los (L1, es 6elSCR L2 encargado yconectados L3) tiene de un en enviar antiparalelo. transformador los pulsos Cada de par de SCR corriente y tiene una protección un contactor porque sobrecarga, los releva (by que pass) se verán cuando mas el disparo a los SCR. motor ya ha arrancado. adelante.

Partes Un arrancador suave se compone de: Transformador de Voltaje Breaker de 480V Transformadores de Corriente Contactor de Potencia Módulos SCR Transformador de Voltaje Master Board Auxiliary Board Relé Centrigard

Protección por sobrecarga Centrigard® Indica en pantalla las corrientes de cada fase y permite de ajuste de los límites de baja y alta corriente.

Vortex® Limita el voltaje y la corriente por alto y bajo nivel. Tiene protección para evitar el arranque cuando el equipo de fondo gira en sentido contrario (Back spin)

Switch Board (Arrancador Directo)

Descripción El arrancador directo (Switch Board) es un interruptor que permite el paso de la corriente al motor del equipo de fondo. Como su nombre lo indica el arranque es directo, lo que genera un gran esfuerzo mecánico y eléctrico en el motor, debido a los altos valores de torque y corriente necesarios para arrancarlo. El Switch Board contiene fusibles de y algún otro tipo de protección por sobrecarga (Centrigard o Vortex). No contiene elementos de estado sólido como SCR, IBGT, diodos o transistores.

Partes Un arrancador directo se compone de:

Seccionador Fusibles Transformadores de Corriente Transformadores de Control Fusibles de Transformadores de control

Salida al motor Relé Back Spin Contactor en Vacío

Practica 3

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¿Que NO tiene sumergido en aceite el variador Oil Cooled? Inverter Converter Bus DC Tarjetas de Control Normalmente, ¿Cuantas celdas en serie tiene un Robicon Perfect Harmony por cada fase? 2 3 4 5 El Switch Board permite un arranque suave del motor. Falso Verdadero La onda de salida del Perfect Harmony es de 18 o 24 pulsos. Falso Verdadero Haga click

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FIN