Variadores De Frecuencia

Objetivos

Generales

Como objetivo general tenemos que debemos saber el principio de funcionamiento de los variadores de frecuencia es por ello lo importante de estos en la industria, además conocer sus partes y aplicaciones de estos.

Específicos

Saber el principio de funcionamiento de un variador de frecuencia

Conocer las principales partes de un variador

Protecciones

Parámetros y características importantes

Conocer ventajas y desventajas.

Marco teorico:

Los convertidores de frecuencia son dispositivos electrónicos, que permiten el control completo de motores eléctricos de inducción; los hay de c.c. (variación de la tensión), y de c.a. (variación de la frecuencia); los más utilizados son los de motor trifásico de inducción. Se han diseñado en especial, para aplicaciones de industrias de procesos como las industrias de la pulpa y el papel, metalúrgica, minera, cementera, energética, química, petrolífera y del gas.

Los convertidores de frecuencia están disponibles tanto como accionamientos de CA completos como en forma de módulos para satisfacer las demandas de los usuarios, los fabricantes de maquinaria y los integradores de sistemas. Estos convertidores son convertidores de CA de alta flexibilidad que pueden configurarse para satisfacer las necesidades específicas de las aplicaciones industriales. Los convertidores completos y los módulos de accionamiento cubren una amplia gama de potencias y tensiones, incluidas tensiones industriales de hasta 690 V. Los convertidores de frecuencia tienen como característica clave su capacidad de programación, que facilita la adaptación a distintas aplicaciones.

Funcionamiento:

Figura 1 Componentes de un VDF

Se alimenta al equipo con un voltaje de corriente alterna (CA), el equipo primero convierte la CA en corriente directa (CD), por medio de un puente rectificador (diodos o SCR´s), este voltaje es filtrado por un banco de capacitores interno, con el fin de suavizar el voltaje rectificado y reducir la emisión de variaciones en la señal; posteriormente en la etapa de inversión, la cual está compuesta por transistores (IGBT), que encienden y apagan en determinada secuencia (enviando pulsos) para generar una forma de onda cuadrada de voltaje de CD a un frecuencia constante y su valor promedio tiene la forma de onda senoidal de la frecuencia que se aplica al motor.

El proceso de conmutación de los transistores es llamado PWM "Pulse Width Modulation" Modulación por ancho de pulso.

Figura 2 proceso de conmutación de los transistores

Al tener control en la frecuencia de la onda de corriente podemos también controlar la velocidad del motor de acuerdo a la siguiente fórmula:

Nm=120f(1-s)/P (1)

Nm = velocidad mecánica (rpm)

f = frecuencia de alimentación (Hz)

s = deslizamiento

P = número de polos.

Diagrama de Bloques de un variador:

Figura 3 Diagrama de Bloques de un VDF

Rectificador: el comienzo es por la alimentación de suministro la que es en AC, monofásica o trifásica, y mediante diodos rectificadores o tiristores se obtiene un voltaje DC.

Bus de continua: condensadores de gran capacidad (y a veces también bobinas), almacenan y filtran la c.c. rectificada, para obtener un valor de tensión contínua estable, y reserva de energía suficiente para proporcionar la intensidad requerida por el motor.

Salida: desde la tensión del bus de contínua, un ondulador convierte esta energía en una salida trifásica, con valores de tensión, intensidad y frecuencia de salida variables. Como elementos de conmutación, se usan principalmente transistores bipolares (BJT), CMOS o similares, IGBT, tiristores (SCR), GTO. Las señales de salida, se obtiene por diversos procedimientos como troceado, mediante ciclo convertidores, o señales de aproximación senoidal mediante modulación por anchura de impulsos PWM.

Control y E/S: circuitos de control de los diferentes bloques del variador, protección, regulación… y entradas y salidas, tanto analógicas como digitales. Además se incluye el interfaz de comunicaciones con buses u otros dispositivos de control y usuario.

Comunicaciones: estos dispositivos pueden integrarse en redes industriales, por lo que disponen de un puerto de comunicaciones. Cada fabricante facilita el software de control, directo o mediante bus de comunicaciones. Que permitirá el control, programación y monitorización del variador (o variadores) en el conjunto de aparatos de control empleados.

Conceptos básicos sobre variadores para motor trifásico

Como se dijo anteriormente la velocidad en el eje de un motor asíncrono en rpm, depende del número de polos magnéticos del motor, y la frecuencia f (Hz), de la red de suministro.

Los motores se fabrican para una velocidad nominal o de trabajo determinada, pero mediante el variador de frecuencia dicha velocidad puede controlarse de manera progresiva. Por ejemplo, un motor de 50 Hz y 1500 rpm (4 polos), podría girar, con variación de frecuencia entre 5 y 120 Hz a velocidades comprendidas entre:

n =(60•5)/2 = 150 rpm (2)

n =(60•120)/2 = 3600 rpm (3)

El variador puede proporcionar frecuencias de salida superiores a la de trabajo del motor, lo que le hace girar a mayor velocidad que la nominal, Como se ve en la expresión (3). La curva de par, para velocidad de trabajo mayor de la nominal, disminuye, de manera que con velocidad doble (200%) el Torque cae a la mitad del nominal.

La sobre velocidad es útil en aplicaciones que no requieren mucho par, como por ejemplo sierras de disco, pero si altas velocidades. En estos casos es importante tener en cuenta las características de par y temperatura de trabajo del motor. Par transmitido por el eje (par motriz): la fuerza de tracción del motor a través del eje, depende principalmente de las expresiones siguientes:

Figura 4 Relación en sobre-velocidad te torque vs velocidad

El torque en el eje

Como se sabe el torque depende directamente del flujo magnético, por lo que para obtener el control del par, hay que operar sobre este parámetro; por ello, si tenemos en cuenta las relaciones de par y velocidad:

Torque constante = flujo constante,en consecuencia: U/f=cte (4)

Donde:

U = tensión aplicada al inductor (estator)

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