Variadores de Frecuencia

Caso #2: Control de Velocidad para Motores de Inducción mediante Variadores Electrónicos. I.

Objetivo

Controlar la velocidad de un motor de inducción para diferentes valores de frecuencia (30, 45 y 60 Hz). II.

Equipo



Motor de inducción.

     

Variador Altivar. Cables conectores. Amperímetro. Voltímetro. Torquímetro. Tacómetro.

III.

Procedimiento

1. Realice la conexión en el motor de inducción.

Figura 1. Conexión del variador de velocidad al motor trifásico de inducción.

2. Tome los datos requeridos para frecuencias de 30Hz, 45Hz,55Hz, 60Hz y 80 Hz manteniendo para cada caso la carga y calcule con las formulas presentes en los anexos los valores para las tabla 2.

IV.

Resultados Experimentales

F(Hz) 30 45 55 60 80

ω (rad/s)

900 1350 1650 1800 2400

V (V) 208 208 208 208 208

Tabla N°1 Torque I (A) (Nm) 7.3 8 7,1 8 7,0 8 6.9 8 6,9 8

n (rpm) 823 1300 1612 1765 2305

P Entrada (W) 690 1090 1350 1478 2800

Tabla N°2 Resultados calculados con base en los resultados experimentales a S η(%) P salida(W) (%)

753,98 1130,97 1382,30 1507,96 2010,61

33,68 50,5 61,7 67,37 80,3

50 25 8,33 3.33 33,3

Tabla N°3 La relación para este motor de 230 V es Voltaje Frecuencia Volts/Hz

0 208 208 208 208 208 208 208 208 208 208

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 34,6 69,2 103,8 138,4 173 207,6 207,6 207,6 207,6 207,6

F(Hz) 30 45 55 60 80

Relacion voltaje-Frecuencia 250 200 150 Voltaje

100 50 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100

Frecuencia(Hz)

V.

Análisis de Resultados La colocación de un variador de frecuencias en un circuito permite tener una gama de velocidades disponibles, ya que estos se pueden calibrar en un rango de frecuencias que va desde los 0.5 Hz hasta los 400 Hz, el dispositivo trae un menú el cual al operario puede calibrar el equipo para disponer de 4 velocidades, cada una de estas es proporcional a la frecuencia y utilizar estas según sea la demanda del sistema. Si se observan los resultados obtenidos, y si se compara esta con la obtenida en el laboratorio del motor de inducción con resistencias rotòricas, en el cual se utilizaron resistencias para controlar la velocidad de giro, puede observarse que el método de variador de frecuencia es muy eficiente en comparación con el de resistencias rotòricas, Si bien la eficiencia del motor usando este dispositivo de variación de velocidad no fue la mejor si fue aceptable, ya que hay que considerar que el variador consume energía, pero no afecta de manera muy fuerte la eficiencia de motor. Si se observan el grafico voltaje-frecuencia, se observa cómo se mantiene la relación aun para variaciones de frecuencia, entre más

cercano al valor nominal mayor la eficiencia. Se puede observar de la tabla 1 que al variar la frecuencia hay variaciones de corriente, el deslizamiento cambio para las diferentes frecuencias así como el torque y la velocidad y al variar las mismas se produce un aumento de eficiencia, puesto que la variación de frecuencia como método de control de velocidad dan estos cambios en torque y deslizamiento. Un problema encontrado con éste método radica en que el motor se calienta demasiado debido a la falta de ventilación (a frecuencias menores a la nominal) y por otra parte que la potencia utilizable también se reduce si se quiere que el motor no se sobrecaliente.

VI.

Conclusiones 

La utilización de un variador de frecuencias es un método muy eficiente para variar la velocidad de giro de un motor.



Al aumentar la velocidad de giro, disminuye el par generado por el motor, al disminuir la velocidad de giro el torque aumenta.



La utilización de un variador de frecuencias disminuye la eficiencia del sistema. Los valores de torque y eficiencia son más altos al trabajar en condiciones cercanas a las nominales.





No en todos los motores de inducción se deben o se pueden utilizar variadores de frecuencia.



Existen motores especialmente diseñados para la utilización de variadores de frecuencia.

VII.

Bibliografía

J. Chapman, Stephen. “Máquinas Eléctricas”. Tercer Edición. Editorial: McGrawHill Interamericana S.A. Bogotá, Colombia, 2000. VIII.

Anexos

Formulas utilizadas:



Velocidad del eje:

 

2 * n  rad  60  s 

Cálculo de la velocidad sincrónica nsin c 



120 * fr  rpm  # polos

Cálculo del deslizamiento:

s% 



nsin c  n mec * 100 nsin c

Cálculo de la potencia de salida: Pot mecánica   * 



Cálculo del factor de potencia: Fp = Pent / (V*IL)



Cálculo de la eficiencia:

% 



Pot mecánica *100 Poteléctrca

Calculo de relación voltaje-frecuencia Voltaje / Frecuencia = K (constante)

IX.

Cuestionario previo:

1.Qué es PWM y qué significa? ¿Cómo cambia la frecuencia este variador? 2.¿Cite cinco factores a considerar para la selección de un variador de frecuencia? 3.¿Justifique técnicamente las condiciones mínimas que deben existir para adquirir un variador? 4.¿Qué se entiende por onda portadora?

5. ¿Qué significa control escalar? ¿Qué significa control vectorial? 6.¿Qué cuidados se debe tener cuando un motor opera por encima de su velocidad base? 7.¿Qué cuidados se debe tener cuando un motor opera por debajo de su velocidad base? 8.¿Qué inconveniente existe para un motor estándar operar a menor de 30 hz? 9.¿Describa las cuatro partes de un variador de frecuencia?

10.¿Qué ventajas o desventajas presenta un variador de 12 pulsos con respecto a uno de 6 pulsos? 11.¿Explicar el concepto de la relación Voltios entre frecuencia?

12.¿Qué es un reactor de línea, cuál es su función en un VFD? X.

Ejemplo de Caso. Problema A: Una empresa industrial está interesada en conocer cómo cambian un conjunto de variables eléctricas y mecánicas, cuando el motor opera a las frecuencias de 60, 45 y 30 Hz. Se sabe que el motor es de 3 Hp, 4 polos, 230 v, y operar a torque de 8 Nm a 60Hz. Obtenga la eficiencia y deslizamiento en los tres puntos de operación, no modifique el torque. η(%)

S

(%)

33,68 50,5 67,37

50 25 3.33

F(Hz) 30 45 60

¿A qué frecuencia se debe programar el variador, para que el eje del motor gire a 1650 rpm? A una frecuencia de 55Hz.

Obtenga la relación del voltaje de salida del variador versus la frecuencia.¿Cuál es el significado de la gráfica? La relación que existe es una constante que se mantiene mediante la relación V /F y que mantiene el voltaje del motor para diferentes frecuencias y manteniendo constante el torque hasta un frecuencia nominal de 60Hz.