Variadores de Velocidad

VARIADORES DE VELOCIDAD Y ARRANCADORES ELECTRONICOS

Jose M. Mansilla 2011 1

VARIADORES DE VELOCIDAD Y ARRANCADORES ELECTRONICOS Índice

PÁGINA

-METODOS DE ARRANQUE DE MOTORES -PRINCIPALES VENTAJAS -DEFINICION -PRINCIPALES TIPOS DE VARIADORES -FUNCIONAMIENTO DE UN CONVERTIDOR -CARACTERISTICAS Y FUNCIONES DE LOS VARIADORES -CONCEPTOS BASICOS -CABLEADO DEL VARIADOR Y ASIGNACION DE ENTRADAS Y SALIDAS -REGLAJE DE PARAMETROS -CONEXIÓN DE MOTORES EN PARALELO -PERTURBACIONES AL AMBIENTE, INMUNIDAD, NORMAS, FILTROS -REDUCTORES MECANICOS

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VARIADORES DE VELOCIDAD Y ARRANCADORES ELECTRONICOS Métodos de arranque de motores Existen muchos métodos de arranque para los motores asíncronos los más empleados son: -Arranque directo. -Arranque estrella-Triangulo. -Arranque rotorico (por resistencias). -Arranque por convertidor de Frecuencia. Este último arranque es con el que se obtiene mejor relación Par-Corriente, es el de menor gasto energético ya que consume solo lo que necesita en cada momento. Además evitan inconvenientes que a largo plazo son perjudiciales para los motores, las maquinas y la instalación como son; las sacudidas mecánicas en los arranques y los picos de tensión. PRINCIPALES VENTAJAS -Aceleración controlada. Se puede controlar el tiempo de arranque y forma de la rampa. -Variación de velocidad. La consigna o referencia de velocidad viene dada por una entrada de tensión o corriente. Es un sistema de lazo abierto. -Regulación de velocidad. En los sistemas de lazo cerrado el variador envía una consigna de velocidad al motor y este a su vez, a través de un generador de impulsos, un encoger, un resolver o de una Dinamotacométrica, compara la señal y la corrige evitando así desajustes debido a perturbaciones. -Deceleración controlada. Se puede controlar el tiempo y la forma de la rampa de parada independientemente de la aceleración. Esta puede ser más rápida o más lenta que la parada natural del motor. -Protección del motor. El variador en todo momento controla y protege de ausencia de fase, cortocircuito, exceso de corriente y de temperatura entre otras cosas. -Inversión del sentido de giro del motor.

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DEFINICIÓN Si tenemos la formula:

Donde

N=Velocidad de giro del motor f= Frecuencia p= Numero de pares de polos r.p.m.= Revoluciones por minuto

De la formula anterior se deduce que la velocidad máxima a la que puede girar un motor es de 3000 r.p.m. ya que la cantidad mínima de polos que puede tener es uno y la frecuencia de distribución en España es de 50Hz, lo cual si lo pasamos a la formula:

Esta formula es con el dato de pares de polos, si fuese número de polos multiplicaríamos la frecuencia por 120 en lugar de 60. Las velocidades nominales a 50hz son:

Siendo los más comunes los de 1500 y 3000 vueltas. Se deduce que podemos variar la velocidad del motor de dos maneras distintas: -Modificando el número de polos del motor -Modificando la frecuencia Cambiar el número de polos es algo complicado, caro, aumenta el tamaño del motor cuantos más polos tenga este y además se limita a unas cuantas selecciones de velocidades, por lo que la solución ideal es modificar la frecuencia.

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PRINCIPALES TIPOS DE VARIADORES Los variadores son convertidores de corriente encargados de regular la energía eléctrica que recibe el motor, en función de la potencia o la velocidad que queremos obtener. Los principales tipos son: -De rectificador controlado Con una alimentación alterna monofasica o trifásica, modifican el ángulo de retardo de la tensión en el cebado de los semiconductores de potencia. Este tipo de variadores se utiliza sobre todo para motores de corriente continua de excitación separada. -Convertidor de frecuencia A partir de una tensión alterna varia la frecuencia, ya que la velocidad y la frecuencia son directamente proporcionales. Es el más usado como variador de velocidad para motores de jaula asíncronos. -Variador de tensión Controlan el valor eficaz de la tensión. La forma de trabajo es parecida a los de rectificador controlado pero estos se usan normalmente como arrancadores progresivos para motores de jaula asíncronos Que no requieran un par de arranque elevado y en motores asíncronos de resistencias rotóricas o de anillos.

Los variadores se basan en el Control Vectorial de Flujo esto es modificación de la tensión a la vez que la frecuencia y la potencia. La tensión de salida del variador no puede ser mayor que la de red por esto una vez alcanzada la velocidad nominal a par constante si seguimos aumentándola seria a Potencia constante.

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FUNCIONAMIENTO DE UN CONVERTIDOR Este es el diagrama de funcionamiento de un variador de frecuencia:

Fig.1 La etapa de rectificación. Transforma la tensión de la red de alimentación de c.a. en tensión de c.c. pulsatoria mediante una configuración en puente rectificador de diodos o de tiristores. La etapa de inversión. Transforma la tensión continua obtenida tras la rectificación en alterna de la frecuencia deseada. Se usa el método PWM que trabaja con una señal de referencia llamada portadora. Esta señal marca la rapidez de conmutación de los IGBTS (transistores y Mosfet)

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Los variadores están compuestos de: Un modulo de control que es donde conectamos y gestionamos los elementos de mando y que puede tener alimentación independiente. Un modulo de potencia donde están alojados los componentes electrónicos de regulación: transistores, diodos, tiristores, etc.

Fig.2 Diagrama de un Variador de frecuencia con Modulación de Ancho de Pulso (PWM).

Los Variadores PWM (Modulación de ancho de pulsos) http://es.wikipedia.org/wiki/PWM son los más tecnológicamente avanzados y los que mejor resultado están dando, se basan en el control de disparo de los transistores controlando:

D es el ciclo de trabajo τ es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso) T es el período de la función

Aunque también se emplea mucho el convertidor de frecuencia controlado por tiristores. Los dos se basan en hacer circular corriente secuencialmente a los devanados de dos en dos; 1º S,R , 2º T,R, 3ºT,S, 4º R,S 5º R,T 6º S,T y así continuamente

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Funcionamiento en lazo abierto o cerrado Un control de lazo abierto es aquel que aplica una función a la señal de entrada del control, sin tener en cuenta ninguno de los datos anteriores. Un control de lazo cerrado dispone de una función de realimentación. Esto quiere decir que la salida del control depende de la entrada y de las anteriores salidas

CARACTERISTICAS Y FUNCIONES DE LOS VARIADORES Debemos saber que: -Variación de Tensión; No altera la velocidad de sincronismo, la disminución de tensión reduce el par motor, aumenta el deslizamiento y la corriente absorbida. -Variación de Frecuencia; Es proporcional a la velocidad del variador. -El par motor existe cuando una corriente inducida pasa por el rotor. -Para ello debe haber un movimiento relativo entre los conductores y el campo, esto es el Deslizamiento. Estos conceptos los veremos más detallados en el apartado Conceptos Básicos. Para un funcionamiento óptimo del motor de C.A. la variación de voltaje debe ser proporcional a la de la frecuencia, por ejemplo si un motor está diseñado para trabajar a 400V a 50 Hz tenemos una constante de 8V/Hz (400/50=8) de manera que si bajamos la frecuencia a 28,75Hz la tensión deberá ser de 230V (28,75x8=230) en algunos modos de trabajo y puntualmente son validos otros ajustes, pero nominalmente la constante voltios/hertzios es la regla general. Por lo tanto modificando distintos vectores de Tensión/Frecuencia obtenemos distintos rangos de Velocidad y Par, ¿Qué es el Par? Lo vemos a continuación.

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CONCEPTOS BASICOS Par motor Se denomina par motor al momento de fuerza que ejerce un motor sobre un eje de transmisión de potencia.

Viene dado por el producto del radio de la polea motriz (R) por la fuerza (F) que actúa en el extremo de dicha polea.

Pm = F · R Donde: Pm = par motor en kg·cm (o en N·m) F = fuerza en kg (o en N) R = radio de la polea en cm (o en m)

O también:

P=M·w Donde: -P es la potencia (en W) -M es el par motor (en N·m) -w es la velocidad angular Se puede decir que el par es la fuerza que entrega el motor en cada giro y la potencia es esa fuerza por las r.p.m. 9

Aunque la formula más utilizada entre los electricistas es:

Donde: Pm = par motor (Nm) P = potencia del motor (W) V = velocidad (rpm) 9,55 = constante (30/Π) Par nominal y par máximo – Par nominal es la fuerza que puede realizar el motor para mover la carga de forma continuada. – Par máximo, es la fuerza que puede realizar el motor para mover la carga en un pequeño instante de tiempo Par Motor con convertidor de frecuencia Para trabajar a Par constante independientemente de la velocidad, hay que tener en cuenta que se debe variar proporcionalmente la tensión y la velocidad.

Par =

U (V ) f ( Hz )

Potencia Se denomina potencia al tiempo que se tarda en realizar un trabajo.

Donde:

P= potencia (vatios o Kgm/s) W= trabajo (julios o Kg/m) T= tiempo (segundos) 10

Potencia de un motor Es la potencia mecánica cedida al eje, depende de la velocidad de giro y del par motor. Esta es la potencia que vemos expresada en la placa de características de un motor.

P=

NxT 9,55

Factor de potencia Relación entre la potencia activa y la aparente Rendimiento Relación entre la potencia en el eje (mecánica) y la absorbida (eléctrica)

Pu η= Pa Donde:

η = Rendimiento Pu = Potencia útil Pa = Potencia absorbida

Si queremos expresar el valor en tanto por ciento sería:

η=

Pu × 100 Pa

Lógicamente la Potencia Útil del motor siempre será menor que la Potencia absorbida, esto es así por las perdidas por calentamiento en los devanados y en las placas que alojan estos. A estas hay que sumar otras perdidas en forma de rozamientos que vienen a ser una carga añadida, como son las causadas en los rodamientos de giro del eje, el arrastre del ventilador etc. 11

Deslizamiento El deslizamiento es la diferencia que existe entre la velocidad del rotor con la velocidad del campo magnético.

S = S1 − S 2 Donde: S = Deslizamiento S1 = Velocidad del flujo giratorio S2 = Velocidad del rotor Este deslizamiento siempre existe y debe existir ya que si este par se adelantara (suele ocurrir en máquinas con mucha inercia) entraría en hipersincronismo y el motor actuaría como generador y podría dañar el variador. Después de este repaso teórico vamos a pasar a la parte práctica.

CABLEADO DEL VARIADOR Y ASIGNACION DE ENTRADAS Y SALIDAS Diferenciamos varios conectores o borneros: -ENTRADA DE POTENCIA-Normalmente 3 fases 380V, También se usa bastante F+N 220 v, con esta línea se usan normalmente con motores a 380V. -SALIDA DE POTENCIA-Directa al motor o con contactor intermedio, aunque este solo está recomendado cuando utilizamos un convertidor para dos o más motores. -ENTRADAS DIGITALES- 4 o más de libre asignación. -SALIDAS DIGITALES- 2 o más de libre asignación. -ENTRADAS DE CONSIGNA- 2 o más analógicas asignables en tensión o corriente. -SALIDAS DE CONSIGNA- 2 o más analógicas asignables en tensión o corriente. -PUERTOS DE COMUNICACIÓN – Para configuración desde un PC (RS232, Ethernet) o comunicación de datos desde un plc (Profibus, ASI, Devicenet etc.)

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PRINCIPALES ASIGNACIONES DE LAS ENTRADAS DIGITALES - RUN. Para activar o desactivar la salida de potencia del aparato,. Asociado a parada de emergencia y permiso de arranque. - FWD. FORWARD. AVANCE. Funcionamiento en el sentido principal de giro. En motores de giro se aplica por la subida -

REV-REVERSE O INVERSO. Igual que FWD pero en sentido contrario.

-

PARADA RAPIDA. Parada en rampa más rápida que la ajustada como normal.

- CONMUTACION DE MOTORES. Permite trabajar con dos motores de potencias distintas alternativamente. -

LIMITACION DE PAR

-

RESET

-

CONMUTACION DE RAMPAS

-

CONMUTACION DE VELOCIDAD DE REFERENCIA

PRINCIPALES ASIGNACIONES A LAS SALIDAS DIGITALES

•

-OK VARIADOR. Variador libre de defectos.

•

VARIADOR DE MARCHA

•

MANDO CONTACTOR. Activa contactor de línea.

•

REFERENCIA DE VELOCIDAD ALCANZADA

•

UMBRAL ALCANZADO DE FRECUENCIA

•

UMBRAL ALCANZADO DE VELOCIDAD

•

UMBRAL ALCANZADO DE CORRIENTE

•

CONTROL DE FRENO

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FUNCIONES ASIGNABLES A LAS ENTRADAS Y SALIDAS ANALOGICAS Normalmente son trasmitidas a un PLC y las principales son: •

VELOCIDAD DE MOTOR

•

CONSIGNA DE FRECUENCIA

•

SALIDA DE LA RAMPA

•

INTENSIDAD DEL MOTOR

•

PAR MOTOR

•

POTENCIA MOTOR

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REGLAJE DE PARAMETROS Principales reglajes: -Aceleración; tiempo en el arranque que se da en segundos desde la mínima hasta la máxima velocidad. -Deceleración; tiempo de parada Los parámetros de aceleración y deceleración se utilizan para suavizar la secuencia de arranque y parada o hacerla más o menos brusca, dependiendo de la aplicación. -Tipo de rampa; Puede ser lineal, en forma de U o de S. Normalmente podemos seleccionar una prediseñada o personalizarla. -Rampa de frenado. Normalmente se utilizará una salida para activar el freno cuando el motor esté parado totalmente pero también podemos adelantarlo o atrasarlo a gusto. En la practica lo que se hace es cerrar el contacto en marcha, ya que la bobina con tensión estará desfrenado. -Mínima velocidad. Al aplicar la señal de arranque le damos una frecuencia de trabajo mínima -Máxima velocidad. Máxima frecuencia de trabajo, esta y la anterior son parámetros muy importantes por ejemplo cuando la referencia de velocidad se la damos desde un potenciómetro u otro elemento pero queremos delimitar el máximo y mínimo -Valores nominales del motor Hay que meter los Valores de la placa del motor para un correcto funcionamiento, hoy en día solo tendremos que indicar la tensión y corriente del motor y seguidamente realizar un Autotuning. -Protección térmica. Modo de protección del motor, Termistor, rango de temperatura admisible en el variador etc.

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Los variadores de cierto nivel suelen tener listas de parámetros con aplicaciones especiales los cuales se pueden cargar y variar exclusivamente lo necesario. -Programa bombas -Programa motores elevación -Programa motores ventilación etc. Igualmente suelen traer preconfiguradas diferentes curvas de trabajo.

Conexión de motores en paralelo La corriente nominal del variador debe ser superior o igual a la suma de las corrientes de los motores controlados. En este caso, conviene prever para cada uno de los motores una protección térmica externa por sondas o relés térmicos. Si se conectan 3 ó más motores en paralelo, se recomienda instalar un filtro de salida entre el variador y los motores o reducir la frecuencia de corte. Fórmula para calcular el calibre del variador: In variador > In1 + In2 + …Inx. Cuando se conectan varios motores en paralelo, se pueden dar 2 casos: - que todos los motores tengan la misma potencia, por lo que los rendimientos del par siguen siendo óptimos después de regular el variador, - que los motores tengan potencias distintas, por lo que el reglaje del variador es incompatible con los motores de menor potencia y el sobrepar a pequeña velocidad se reduce significativamente

SINCRONISMO El sincronismo es cuando 2 o más motores de potencias iguales o no, en las que el movimiento de los motores debe estar coordinado: -Sincronismo de par -Sincronismo de velocidad -Sincronismo de posición 17

Instalación de Variadores de frecuencia. . Perturbaciones al ambiente, Inmunidad. Normas, Filtros. Hay que seguir las indicaciones del fabricante en cuanto a las conexiones, la sección de la línea, fusibles, contactores, térmicos, filtros antiarmonicos, antiparásitos, resistencia de frenado, etc.

El inversor del Variador genera la tensión de salida a través de un proceso de modulación de ancho de pulsos en alta frecuencia denominado PWM. Al utilizar variadores la corriente alterna que circula por los conductores del equipo, su alimentación desde la red y la conexión al motor es reemplazada por un tren de pulsos de alta frecuencia que modifican los conceptos tradicionales aplicados a las instalaciones eléctricas industriales. La circulación de corrientes importantes de alta frecuencia produce caídas alineares en conductores así como campos electromagnéticos y radiación de energía que pueden perturbar el funcionamiento de equipos cercanos. Coexisten actualmente diversas legislaciones, en distintos países, para establecer limites a las perturbaciones introducidas por los equipos. Quizás la más exigente al respecto sea en la actualidad la norma europea que establece dos niveles de perturbación generada por un variador: *el nivel industrial, que básicamente todo variador debe satisfacer sin la utilización de elementos exteriores, en la medida que el variador sea instalado de acuerdo a las recomendaciones del fabricante. Dichas recomendaciones dan métodos de cableado, protección, instalación y cableado *el nivel domiciliario, mas exigente que el anterior en el cual deben utilizarse generalmente filtros adicionales en la alimentación y salida del variador para limitar las perturbaciones introducidas. Aparte de utilizar los filtros el variador debe ser instalado de acuerdo a las recomendaciones del fabricante. El análisis de las perturbaciones generadas por el variador nos lleva a dividir la instalación en 3 partes: Cableado variador-motor: El cable variador motor es realmente una línea e transmisión donde circulan corrientes de alta frecuencia. Como toda línea de transmisión tiene una atenuación (producto de la derivación capacitiva de energía a masa) que reduce la energía transmitida y que alcanza finalmente el motor. En caso de instalaciones donde el motor se encuentre lejos del variador (>100 metros) debe considerarse la utilización de conductores de baja 18

capacidad o sobredimensionar el variador para disponer de la energía necesaria para el motor. No debe descartarse la posibilidad de resonancias en una dada frecuencia de operación que se presenten como un cortocircuito al variador, actuando protecciones del mismo. Dicha línea además puede comportase como antena radiante y perturbando por radiofrecuencia otros equipos o instalaciones. Se recomienda minimizar dichos efectos racionalizando el cableado, separando señal de potencia y equipos entre si utilizando conductores blindados con la conexión adecuada a masa, evitando la formación de loops de masa que reducen el efecto del blindaje.

Instalación del Variador El variador debido a las energías internas en juego puede considerarse como un emisor de radiofrecuencia. A fin de limitar este efecto el mismo debería estar inhalado en un gabinete metálico que actué como jaula de Faraday previendo la conveniente refrigeración térmica al equipo.

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Conexión a la red de suministro: Por el conductor de conexión del variador a la red de suministro circulan corrientes pulsantes que producen caídas alineales en dicho cable. El fenómeno e denomina reinyecion a la fuente, existiendo el riesgo de que si hubiera otros equipos conectados a la misma línea vean modificado o perturbado su funcionamiento. La minimización de la reinyeccion a la fuente implica la correcta selección de cableados en cuanto a componentes y distribución. Puede considerarse la utilización de filtros que limiten dicho efecto. Los fabricantes incluyen dichos filtros en los opcionales ofrecidos con el variador. Existe además el fenómeno de radiación en el cable el cual debe tratarse como en los puntos descritos anteriormente.

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REDUCTORES MECANICOS El reductor es la parte mecánica que reduce la velocidad de giro en la misma proporción que aumenta el par. Los motores más usados son de 1400rpm, el giro de las máquinas normalmente es mucho más lento, podíamos hablar de unas decenas a 600 revoluciones, sería un error adaptar esta diferencia de velocidad tan solo con un variador, ya que al trabajar con rangos muy distintos de los nominales del motor se traduciría en calentamiento (esta es la razón por la que se colocan ventilaciones forzadas en los motores que van a trabajar prolongadamente a baja velocidad) además que perderíamos la potencia de Par que nos da un reductor. Par desarrollado en el motor

Pm =

9550 × P n

Pr =

9550 × P nr

Donde: Pm = Par motor P = Potencia en Kw n = r.p.m. Par desarrollado en el reductor

Donde: Pr = Par reductor P = Potencia en Kw nr = velocidad eje reductor Velocidad de salida en el eje del reductor

nr =

nM i

Donde: nr = Velocidad reductor r.p.m. nM = Velocidad de motor r.p.m. i = Relación de reducción Si modificamos la formula podemos obtener la relación de reducción que necesitamos para una determinada aplicación, por ejemplo; queremos mover una cinta transportadora a una velocidad de 320 rpm, para ello tenemos un motor asíncrono de 1400 rpm, por lo que tendremos que acoplar un reductor con relación:

i=

nM 1400 = = 4,375 nr 320 21

Por lo que montaremos un reductor con una relación lo más aproximada a 4,375, por supuesto hay que tener en cuenta las dimensiones del accionamiento directo (rodillo, piñón etc.) y el hecho de que con el variador podremos modificar estas velocidades. Daremos otra vuelta de tuerca más a los reductores mecánicos en otro tema, así como a los motores ya que son temas muy amplios e interesantes y merecen un monográfico más exclusivo.

Jose M. Mansilla 26-10-2011

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