Taller Variadores De Frecuencia

Teoría | Cableado | Configuración | Mantenimiento

Automatización

Variadores de Frecuencia

Caracas, 2017

1 Motor de Inducción Objetivo: Definir los conceptos básicos sobre los motores de inducción.

1.1 Marco teórico El motor de inducción trifásico se ha convertido en el motor más utilizado en aplicaciones industriales, todo esto debido a su simplicidad y bajo costo de mantenimiento. Sus partes básicas son: el estator, el bobinado trifásico, y el rotor (ver figura 1.1).

Figura 1.1: Partes del motor de inducción

El estator está formado por un conjunto de chapas magnéticas, apiladas con un elemento aislante entre ellas para formar un cilindro.

Figura 1.2: Vista frontal de un estator

En las ranuras, se colocan las bobinas de N espiras, separadas geométricamente por 120°, las cuales podríamos unir en uno de sus extremos y alimentarlas en el otro (conexión estrella). Las corrientes que circularán serán de igual módulo pero desfasadas eléctricamente 120°. Y dichas corrientes dan origen a fuerzas magneto-motrices en cada una de las bobinas, cuya magnitud depende principalmente del número de espiras y del valor de la corriente instantánea.

Figura 1.3: Modelo eléctrico de bobinado del estator y formas de onda de corriente

Cuando el ángulo eléctrico es 90°, la corriente iR es positiva (entra por u1) y las otras dos son negativas (salen por v1 y w1), lo cual se observa en la figura 1.3. Las corrientes en las bobinas originan fuerzas magneto-motrices cuyas magnitudes y sentidos son los indicados en el esquema de la figura 1.4, en la cual se ha dibujado el resultante de las mismas. Vemos que se obtiene un campo magnético de dos polos. Si efectuamos el mismo análisis, pero para el instante de 150°, llegaríamos a la conclusión que la fuerza magneto-motriz resultante se mantiene constante y que la misma ha girado un ángulo geométrico de 60°.

Figura 1.4: Fuerza magneto-motrices resultantes

A la velocidad del campo rotante se le denomina, velocidad sincrónica, y su valor en revoluciones por minuto viene dado por la expresión:

(

)=

60 ×

Donde f: frecuencia de las corrientes estatóricas (Hz) y p: pares de polos magnéticos.

Si se coloca una espira cortocircuitada dentro del estator, se inducirá una fuerza electromotriz en ella y circulará una corriente que dependerá de dicha f.e.m. y de la impedancia de la espira (ver figura 1.5).

Figura 1.5: Espira del rotor

Dado que las fuerzas se originan, únicamente, a lo largo de los conductores paralelos al eje (Corriente perpendicular al flujo magnético), y estando estos separados, se hace mover la espira, y comienza a girar, siguiendo el movimiento del campo magnético rotante. La espira aumenta su velocidad hasta llegar a una velocidad levemente inferior a la del campo magnético. En los motores de inducción con rotor de jaula de ardilla, el rotor está formado por un bloque laminar de núcleo de rotor cilíndrico y ranurado provisto de barras unidas con anillos para formar una jaula cerrada.

Figura 1.6: Rotor de jaula de ardilla

Cuando está en vacío, el rotor casi alcanza la velocidad sincrónica del campo rotativo, ya que el par de torsión antagonista es reducido (ninguna pérdida sin carga). Si la rotación fuera la de sincronismo, la tensión ya no se induciría, la corriente dejaría de fluir y ya no habría par de torsión. Durante el funcionamiento, la velocidad del rotor baja hasta la velocidad de carga n. La diferencia entre la velocidad sincrónica y la de carga se denomina deslizamiento s. Basado en este deslizamiento s, dependiente de la carga, la tensión inducida en el bobinado del rotor cambia y éste, a su vez, cambia la corriente del rotor y el par de torsión M. Al aumentar el deslizamiento, también lo hacen la corriente del rotor y el par de torsión.

1.2 Trabajo Práctico 1. Indique la velocidad sincrónica en RPM de un motor de 4 polos que opera a 60 Hz.

2. Calcule la velocidad de carga para un deslizamiento del 5%.

2 Funcionamiento de los variadores de frecuencia Objetivo: Comprender cómo funciona un variador de frecuencia.

2.1 Marco teórico Los variadores de frecuencia o de velocidad son dispositivos electrónicos que permiten modificar la velocidad de los motores asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.

Figura 2.1: Algunos ejemplos de variadores de frecuencia

En el capítulo anterior determinamos que la velocidad de un motor de inducción depende de: el número de polos, la frecuencia de la alimentación y el deslizamiento. Ante la imposibilidad de modificar la construcción del motor, para controlar su velocidad solo podríamos actuar sobre la frecuencia aplicada, ésta sería la función primaria del variador de frecuencia. En la siguiente figura se muestra un diagrama de bloques de un variador de frecuencia.

Figura 2.2: Diagrama de bloques de un circuito de variador de frecuencia

La primera parte es un rectificador de onda completa, en el circuito intermedio la tensión DC pulsante obtenida es filtrada mediante un filtro pasa bajos LC. Y la última parte es el convertidor, el cual utiliza la tensión DC para generar tensión AC a la frecuencia deseada. La unidad de control supervisa la operación del convertidor de frecuencia. Cuando se reduce la frecuencia aplicada a un motor de inducción, la tensión aplicada se debe reducir para limitar la corriente. Esto debido a que la reactancia inductiva es proporcional a la frecuencia. En el pasado, los drivers AC utilizaban una técnica a lazo abierto (escalar) para controlar la velocidad. Esta operación constante volts-por-hertz mantiene un torque constante en el rango de velocidad, pero para algunas aplicaciones, esta técnica escalar es inadecuada. Hoy en día, con el uso de microprocesadores, es posible el control de la velocidad y el torque con una gran exactitud, todo esto debido a que se pueden ejecutar complejos cálculos matemáticos requeridos para alcanzar desempeños superiores. Es este caso hablamos de control vectorial, el cual será descrito en el siguiente capítulo. Existen diferentes métodos de control para los variadores. Uno de ellos es a través de la modulación por ancho de pulsos o PWM. Para ilustrar este control podemos observar la siguiente figura.

Figura 2.3: Modelo del convertidor a través de selectores de dos posiciones

Figura 2.4: Formas de onda de tensión y corriente de salida del variador con método PWM

Módulo de salida del VFD En la siguiente figura se muestra un módulo de salida de potencia transistorizado. Uno de estos módulos se utiliza como interruptor de cada fase, llamados R, S, y T en la figura superior.

Figura 2.5: Módulo IGBT, circuito de salida y forma de onda resultante

2.2 Trabajo Práctico 1. Identifique los elementos principales del variador en la tarjeta suministrada.

2. Realice un plano que conecte los siguientes elementos: puente rectificador, bus DC y módulo IGBT.

3 Modos de control Objetivo: Clasificar los diferentes modos de control de velocidad. 3.1 Marco teórico La variación de la frecuencia de la tensión de alimentación permite regular la velocidad del motor, pero también provoca una variación indeseada del flujo y del par en el motor. El control escalar, o V/f constante, tiene en cuenta dicho acoplamiento e intenta que el flujo sea constante, para poder suministrar par máximo a cualquier velocidad. El control escalar ofrece una respuesta dinámica lenta e imprecisa, pero es una buena aproximación cuando las exigencias de control no son estrictas. Control tensión – frecuencia (v/f): El Control Escalar, también llamado tensión – frecuencia (V/f) es el más sencillo y se basa en el hecho de que para mantener el flujo magnético constante (y en consecuencia el par), es necesario aumentar el voltaje a medida que se aumenta la frecuencia. Se cumple entonces una relación de proporcionalidad directa en la que: V/f = constante.

Figura 3.1: Control de velocidad V/F, con regulación de la frecuencia de deslizamiento

El algoritmo V/f es válido sólo para aplicaciones donde la variación de par sea poca, y falla en los valores extremos: A baja frecuencia (cerca de cero Hz) el par caerá prácticamente a cero. Y, por encima de la frecuencia nominal, (proporcionalmente también por encima de la tensión nominal del motor) el variador empezará a vigilar el voltaje máximo permitido. Control vectorial: Se desarrolló para emular el comportamiento de la máquina de corriente continua, en la que el torque es proporcional a la corriente de armadura y al flujo producido por la corriente de campo. Este control se basa en la transformación a los vectores d-q, y consiste en proyectar la corriente resultante sobre una nueva base, solidaria al vector flujo del rotor (que puede medirse o estimarse) para de este modo pasar de tres corrientes trifásicas a dos:

Una siempre alineada con el flujo del rotor, la corriente de flujo (Id) o corriente de eje directo de estator, y es usada para controlar el flujo magnético, lo que es similar a la corriente de campo en la máquina de CC. Otra ortogonal a la misma, dedicada a generar par (Iq) o corriente de eje en cuadratura de estator, y es usada para controlar el torque entregado, lo que equivale a la corriente de armadura en la máquina de CC.

Figura 3.2: Control vectorial.

Los inconvenientes del control vectorial radican en que:1) es necesario conocer el valor de algunos parámetros del motor para el cálculo de los valores deseados de las variables internas. De no conocerse con exactitud dichos parámetros, aparecen problemas de imprecisión. El problema surge cuando alguno de los parámetros requeridos no es directamente mensurable y debe estimarse (p.e. la resistencia del rotor RR); 2) la gran cantidad de operaciones matemáticas que deben calcularse por muestra para permitir su realización en tiempo real, aunque las frecuencias de muestreo empleadas en el sistema de control de motores no son muy elevadas (algunos kHz) y el flujo de datos de E/S es relativamente bajo.

Figura 3.3: Control vectorial por campo orientado. Método directo

En la figura 3.4, observamos como ejemplo, tres modos de control para el variador SJ100, el usuario seleccionará el método de acuerdo al tipo de aplicación que vaya a realizar, modificando el parámetro A44.

Figura 3.4: Algoritmos de control de torque en el inversor SJ100 de Hitachi

El control vectorial calcula un torque ideal basado en valores de posición del motor y su corriente, y es un método más robusto. Sin embargo es un método más dependiente de una buena configuración de los parámetros del motor, o requerirá aplicar un procedimiento de “autotuning”. Otro ejemplo sería el variador VAT200 de General Electric, el cual posee tres modos de control: 1. Modo Control Vectorial para Aplicaciones Generales. 2. Modo Control Vectorial Par Variable (Especial para bombas y ventiladores). 3. Modo Control V/f. Elíjase el modo de trabajo acuerdo a las características de la aplicación. El ajuste por defecto es el modo de control vectorial general. Antes de operar, ajustar el modo de control y los parámetros relativos del motor según el siguiente diagrama de flujo. (El modo control vectorial sólo es recomendado cuando la potencia del variador y el motor son iguales).

Figura 3.5: Diagrama de flujo para configurar el modo de control en el variador VAT200

Utilizar modo control V/f: (1) Utilizar un variador para controlar varios motores en paralelo. (2) Placa de características de motor desconocida. (3) Velocidades superiores a 3,5 veces la velocidad nominal. (4) El calibre del variador es dos o más veces superior a la potencia del motor. 2. Si un variador controla varios motores (solo en modo de control V/f), ajustar los parámetros de motor de acuerdo a las siguientes reglas: (1). Elegir la frecuencia nominal más alta de todos los motores. (2). Elegir la tensión nominal más baja de todos los motores. (3). Elegir la velocidad nominal más baja de todos los motores. (4). Elegir la corriente, sumando la corriente nominal de todos los motores más un 10%. (5). Elegir la potencia, sumando la potencia nominal de todos los motores más un 10%. 3. Si el parámetro 0-00 se ajusta a 2, la pantalla indicará el mensaje “Err2” si se ejecuta el proceso de autoajuste.

3.2 Trabajo Práctico 1. Calcule el voltaje aplicado a un motor, cuyo variador está operando a 25 Hz, conociendo que a 60 Hz, la tensión de salida es 440V. (modo de control: V/f=constante).

4 Cableado de control Objetivo: Comprender cómo conectar las señales de control. 4.1 Marco teórico El control del variador incluye señales de arranque/parada, referencia de velocidad y/o torque, relés de señalización programables, indicación de frecuencia. El detalle de la conexión de cada variador lo encontrará en el manual suministrado por el fabricante.

Figura 4.1: Ejemplo de tipos de señales a conectar en un variador (Varispeed F7 de Yaskawa)

4.2 Trabajo Práctico 1. Conecte la botonera suministrada para activar la entrada S1 del variador de frecuencia, a través de un contacto normalmente abierto del relé. Utilice la salida de relé R1 en conjunto con la fuente DC para energizar la luz piloto verde, y el relé R2 para activar la luz piloto roja. Utilice el manual del variador.

5 Cableado de fuerza Objetivo: Conocer cómo debe realizarse el cableado de fuerza. 5.1 Marco teórico El cableado debe realizarse de acuerdo a las recomendaciones del fabricante en el manual de instalación del variador. Dependiendo de la aplicación se deberán utilizar diferentes periféricos.

Figura 5.1: Elementos utilizados para conectar la alimentación del variador

Fuente de Alimentación Verificar que la tensión de alimentación es la adecuada para no dañar el variador. El interruptor automático (breaker) debe instalarse entre la alimentación y el variador. Interruptor Automático: Utilizar el automático adecuado para conectar o desconectar la alimentación al variador, según la tensión y corriente de éste. También como protección del variador. No utilizar el breaker para conectar o desconectar el variador al motor.

Contactor: El contactor no es necesario para el funcionamiento. Se puede colocar como control externo, autoarranque o como separación galvánica del variador, pero siempre a la entrada de éste. No utilizar el contactor para conectar o desconectar el variador. Reactancia de línea: Si la capacidad de la red de alimentación es muy grande (más de600KVA), se ha de instalar una reactancia para mejorar el factor de potencia. Filtro ruido de entrada: Si hay cargas inductivas alrededor del variador instalar un filtro a la entrada del mismo. Variador: En los terminales de entrada L1, L2 y/o L3 no importa la secuencia de fase. Los terminales de salida T1, T2 y T3 deberían conectarse a los bornes U, V y W del motor, respectivamente. Si el motor gira en sentido contrario al indicado por el variador, intercambiar dos fases de salida. Los terminales de salida T1, T2 y T3 no deben conectarse nunca a la red de alimentación, en tal caso el variador se estropeará.

Figura 7.2: Cómo no conectar el cableado de salida del motor

El terminal de tierra se conectará correctamente.

Figura 5.3: Ejemplo de montaje de un variador en una lámina metálica

Ejemplo de elementos adicionales dependiendo de la aplicación:

5.2 Trabajo Práctico 1. Conecte la alimentación del variador a los terminales L1(L) y L3(N). También conecte los terminales U, V y W al motor. Utilice el manual del variador.

6 Configuración Objetivo: Conocer los principales parámetros que se configuran en un variador de frecuencia. 6.1 Marco teórico Las formas de configurar un variador son: a través de un teclado ubicado en su parte frontal o a través de un computador. Entre los principales parámetros a modificar tenemos los siguientes: Modo de operación: V/f, vectorial. Tensión, corriente, potencia, velocidad, frecuencia nominales del motor: Se recomienda utilizar los datos de la placa del motor y realizar un autoajuste si se va a realizar un control vectorial. Tensión y frecuencia de la línea: Comprobar el valor de la tensión real de línea. Forma de control de arranque/parada: Mediante teclado, mediante los terminales del variador, por comunicación, por el control interno. Selección de control de la frecuencia de salida: a través del teclado, a través de los terminales, por comunicaciones. Límites de frecuencia: valores de frecuencia inferior y superior. Rampas de aceleración y desaceleración: tiempo para alcanzar la velocidad deseada y para parar el motor. Monitorización en el display: señales que se desea visualizar. Asignación de funciones de las entradas y salidas: Indicar qué función realizará cada entrada y salida del variador (terminales). Función de control tipo PLC: Programación adicional requerida para controlar el motor, sea en diagrama de bloques o diagrama de escalera, esta función no está presente en todos los variadores y se realiza generalmente utilizando un computador.

Figura 6.1: Panel de operación de variador VAT200 de GE.

6.2 Trabajo Práctico 1. Configure el variador en modo V/f. 2. Configure los valores de tensión, corriente, potencia, velocidad, frecuencia, de acuerdo a los datos de la placa. 3. Arranque el motor a 30 hertz desde el teclado del variador. Asigne la frecuencia desde el potenciómetro del panel del variador. 4. Modifique los parámetros para arrancar desde los terminales del variador. Configure los relés R1 y R2 para que indiquen MARCHA y FRECUENCIA ALCANZADA. Arranque el motor desde la botonera. 5. Mida la corriente a través del display del variador. Baje la frecuencia a 5 hertz y vuelva a medir la corriente. Apague el motor. 6. Configure el variador en modo vectorial (par variable). 7. Ejecute un auto-tuning. 8. Arranque el motor a 30 hertz y luego a 5 hertz, mida la corriente en ambos casos y compare con el caso anterior. 9. Disminuya las rampas de aceleración y desaceleración y vuelva a arrancar el motor.

7 Mantenimiento Objetivo: Conocer cuáles mediciones se pueden realizar para solucionar fallas en variadores. 7.1 Marco teórico Dependiendo de la marca y modelo del variador de frecuencia, se presentarán al usuario, una serie de códigos de error que permitirán hacer un diagnóstico preliminar, que se debe complementar con mediciones de variables eléctricas. Lineamientos de seguridad para realizar un buen mantenimiento: Debe ser realizado por personal calificado. El personal debe utilizar sus implementos de seguridad: lentes, guantes, casco, tapa-oídos. Remover la tensión (bajar el breaker). Verificar que está descargado el bus DC. Aislar fallas en el variador: Visualizar los leds de diagnóstico o códigos de error que arroje el equipo. Medir las tensiones de alimentación y de bus DC. De ser posible, conectar el computador al variador. Leer la configuración y respaldarla. Medir las señales de entrada de control relacionadas con la falla, apoyándose en los planos y documentos. Fallas comunes y cómo detectarlas Cortocircuito en el puente rectificador: medir los diodos con el multímetro digital en función de diodo. Falla de condensadores de bus DC: medir los condensadores con un capacímetro. Cortocircuito en módulo IGBT: medir los IGBT con el óhmetro. No enciende el variador: Resistencia de carga de bus DC abierta: medir la resistencia con el óhmetro. Contactor de entrada no energiza: energizar de forma independiente y medir contactos.

Bibliografía ALEPUZ, S. Control vectorial de motores de inducción. Aplicación con DSP. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y AUTOMÁTICA, EUPMT. 2001 ÁLVAREZ, Julio. Motor trifásico de Inducción. Articulo en línea. 2009. EATON CORPORATION Cutler-Hammer. AC Drive Theory and Application Application Guide. Mayo de 2008. GONZÁLEZ, Jaime. Control Vectorial del Motor de Inducción para el control de velocidad del rotor por cambio de frecuencia. Revista Ciencia e Ingeniería. 2001. GE POWER CONTROLS. Manual de usuario VAT200. 2005. HITACHI. SJ100 series inverter instruction manual. 2003. SEVILLANO CALVO, Fernando. Variadores de frecuencia. Ciclo GS. 2010. SCHNEIDER ELECTRIC. Variadores de velocidad, arrancadores electrónicos y motores. 2008. YASKAWA ELECTRIC CORPORATION. Varispeed F7. 2007.