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8/6/2019 45248431-Variadores-de-Frecuencia

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Informacin Adicional ComandoElctrico Industrial

Csar Guirriman BurdilesOtoo 2010


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Convertidores de frecuencia

Los convertidores de frecuencia convierten la red de corriente alterna o trifsica con

tensin y frecuencia constantes en una nueva red trifsica, cuya tensin y frecuencia

son variables. Este accionamiento de la tensin/frecuencia permite regular la velocidad

de motores trifsicos de forma continua. El accionamiento tambin puede controlarse

con par nominal en caso de poca velocidad.

Convertidores de frecuencia vectoriales

Mientras que en los convertidores de frecuencia el motor trifsico se acciona mediante

una relacin U/f con regulacin de la curva caracterstica (tensin/frecuencia), en los

convertidores de frecuencia vectorial se realiza mediante una regulacin sin sensores,

orientada al flujo del campo magntico en el motor. En este caso, la magnitud

controlada es la intensidad de motor. De este modo, el par de apriete se regula de forma

ptima para aplicaciones muy exigentes (mecanismos de mezcla y agitacin, extrusores

o dispositivos de transporte).


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Montaje y modo de funcionamiento

L

os convertidores de frecuencia permiten regular la velocidad de forma continuada enmotores trifsicos.

El convertidor de frecuencia transforma la tensin y la frecuencia constantes de la red

de alimentacin en una tensin continua. A partir de esta tensin continua genera para

el motor trifsico una nueva red trifsica con tensin variable y frecuencia variable. Para

ello, el convertidor de frecuencia toma de la red de alimentacin prcticamente slo

potencia activa (cos N ~ 1). La potencia reactiva necesaria para el funcionamiento del

motor la suministra el circuito intermedio de tensin continua. De este modo, no se

necesitan los dispositivos de compensacin cos N del lado de la alimentacin.


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Hoy en da, el motor trifsico con regulacin de la frecuencia es un mdulo estndar para la

regulacin continua de la velocidad y del par, que proporciona un gran ahorro de energa y una

elevada rentabilidad, ya sea como accionamiento individual o como parte de una instalacin

automatizada.

En este caso, las posibilidades de una asignacin individual o especfica de la instalacin se

determinan mediante la instancia de los onduladores y del proceso de modulacin.


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PARTES DE UN VARIADOR O CONVERTIDOR DE FRECUENCIA

La velocidad de los motores asncronos no est influenciada por las variaciones de tensin, pero

es proporcional a la frecuencia de la corriente de alimentacin e inversamente proporcional al

nmero de polos que tiene el estator.

Gracias a estas caractersticas, en la actualidad es posible obtener la variacin de la velocidad de

los motores trifsicos tipo jaula de ardilla, por sistemas electrnicos que varan la frecuencia,

mediante los variadores de velocidad.

Bsicamente un variador de frecuencia estn compuestos por un :

Circuito Rectificador : Recibe la tensin alterna y la convierte en continua por medio de unpuente rectificador de diodos o tiristores.

Circuito intermedio : Consiste en un circuito LC cuya funcin principal es suavizar el rizado de latensin rectificada y reducir la emisin de armnicos hacia la red.

Inversor : Convierte el voltaje continuo del circuito intermedio en uno de tensin y frecuenciavariable mediante la generacin de pulsos. Los variadores modernos emplean IGBT (Isolated GateBipolar Transistor) para generar los pulsos de voltaje de manera controlada.

Circuito de control : El circuito de control enciende y apaga los IGBT para generar los pulsos detensin y frecuencia variables. Adems, realiza las funciones de supervisin de funcionamiento

monitoreando la corriente, voltaje, temperatura, etc. con teclados e interfaces amigables de fcil

empleo.


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La figura muestra a una red alterna de tres fases que alimenta la entrada la cual es rectificada a

CC y filtrada por un filtro L-C. Este Bus de CC alimenta un puente inversor de tres fases, donde

es convertida nuevamente a una forma de onda de CA de tres fases, pero a la tensin y

frecuencia necesarias para que el motor funcione a la velocidad deseada.


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Funcionamiento del variadorEn la figura se muestran las partes de un variador de frecuencia.

La figura permite ver en forma ms clara los pasos de operacin de un variador de frecuencia.

Los variadores de frecuencia ms empleados son los PWM (Modulacin de Ancho de Pulsos) que

emplean en el circuito de entrada un puente de diodos rectificadores.

En el circuito intermedio existen condensadores y bobinas para disminuir el rizado del voltajerectificado, adems las bobinas ayudan a disminuir el contenido armnico de la corriente generada

por el variador de frecuencia y por ende a mejorar el factor de potencia. Algunos fabricante

emplean las bobinas de lnea en lugar de las bobinas DC del circuito intermedio, pero tienen la

desventaja de ocupar ms espacio, generar una cada de tensin mayor y disminuir la eficiencia del

variador.


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La seccin del inversor utiliza los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) para convertir la

tensin continua del circuito intermedio en una tensin de salida con frecuencia variable. LosIGBT envan pulsos de duracin variable hacia el motor y como respuesta se obtiene una

corriente casi senoidal. Los IGBT conmutan a una frecuencia entre 2 a 16kHz, llamada frecuencia

portadora. Una frecuencia portadora alta reduce el ruido acstico del motor pero disminuye la

eficiencia y la longitud permisible del cable hacia el motor. Adems, los IGBT generan mayor

calor a una frecuencia portadora ms alta.

Los IGBT pueden generar altos picos de voltaje que son potencialmente perjudiciales para el

motor. Estos picos se producen por el fenmeno de reflexin que duplica el voltaje del circuito

DC. Cuando mayor es la longitud de los cables, mayor el efecto de reflexin. Estos picos originanperforaciones en el aislamiento del motor y gradualmente lo van destruyendo. Algunos

fabricantes slo permiten una longitud de 7m de cable hacia el motor. Para contrarrestar este

efecto, se emplean las bobinas de motor, permitiendo en algunos casos una distancia de hasta

300m de cable al motor. Los nuevos IGBT de 3ra generacin controlan mejor la generacin de los

pulsos de voltaje y por lo tanto el efecto de reflexin es menor.

Los variadores requieren de seales de control para su arranque, parada y variacin de

velocidad; as como enviar seales de referencia a otros dispositivos como PLC u otros

variadores. Es importante que estas seales estn aisladas galvnicamente para evitar daos enlos sensores o controles y as evitar la introduccin de ruido en el sistema de control.

En resumen observando la un variador de frecuencia consta de una red alterna de tres fases que

alimenta la entrada la cual es rectificada a CC y filtrada por un filtro L-C. Este Bus de CC

alimenta un puente inversor de tres fases, donde es convertida nuevamente a una forma de

onda de CA de tres fases, pero a la tensin y frecuencia necesarias para que el motor funcione a

la velocidad deseada.


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LOS VARIADORES DE VELOCIDAD SE PUEDEN USAR PARA:

a. Mantener una velocidad constante independientemente de la carga, fluctuaciones de la red y

temperatura.

b. Puesta en marcha o aceleracin progresiva y siguiendo una exigencia predeterminada para

asegurar el manejo de productos frgiles y en posicionamiento de un mvil.

c. Sincronizar, enclavar o combinar entre ellas las velocidades de diferentes mquinas o

secciones de una mquina.

d. Simplificar las mquinas al reducir o suprimir engranajes y acoples mecnicos.

e. Aumentar la vida til de una mquina, pues a menor velocidad su duracin es mayor.

f. Variar la velocidad de rotacin manteniendo una velocidad lineal.


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CRITERIO DE SELECCIN

El criterio de seleccin a seguir para la eleccin del variador de velocidad teniendo en

cuenta una tcnica de mximo rendimiento son los siguientes :

Tipos de carga a maniobrar por el convertidor: esta depende si la carga es constante (cinta

transportadora, hormigoneras, etc.) o la carga es variable (ventiladores y bombas).

Tensin de entrada .

Intensidad nominal de salida del convertidor con momento constante.

Intensidad nominal de salida del convertidor con momento variable.Potencia del motor.

Dimensiones del variador.

Si posee o no filtro antiparasitario.

Rango de frecuencias de salida.

Peso del equipo a instalar.

Resolucin de frecuencia.

Factor de sobrecarga con momento constante (tiempo de duracin del mismo).

Frecuencia de entrada.

Temperatura ambiente.

Grado de proteccin.


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APLICACIONES TIPICAS DE VARIADORES DE FRECUENCIA

Los variadores de frecuencia tienen sus principales aplicaciones en los siguientes tipos demquinas:

Cintas o cadenas transportadoras: Para poder controlar y sincronizar la velocidad de produccinde la planta de acuerdo al tamao de producto o para controlar los ratios de dosificacin.

Ejemplo: transportadores de botellas o envases.

Bombas Centrfugas : Para realizar un control de caudal determinado o para empleo en sistemas

de presin constante y volumen variable. Es la aplicacin ideal para un variador de frecuencia,porque representa enormes ahorros en consumo de electricidad. Tpicamente reemplazan a

sistemas con tanque hidroneumtico, tanque elevado, intercambio de calor, etc.

Ventiladores Centrfugos : Al igual que en el caso de bombas centrfugas, su empleo representagrandes ahorros de consumo de electricidad. Se emplean por ejemplo en ventiladores de

calderas y hornos, control de presurizacin de salas de proceso, extractores de aire, en sistemas

de aire acondicionado, torres de enfriamiento, etc.


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Bombas de desplazamiento positivo: Permiten un control exacto de caudal y dosificacin por

medio del control de la velocidad. Ejemplo: bombas de tornillo, de engranajes, bombas delbulos para transporte de chocolate, pulpa de fruta, pasta, concentrados mineros, aditivos

qumicos, etc.

Ascensores y elevadores : Permiten un arranque y parada suave del elevador manteniendo eltorque del motor, evitando as que la carga su mueva y se golpee.

Extrusoras y prensas de tornillo : Reemplazan a los sistemas hidrulicos tradicionales

proporcionando una variacin amplia de velocidad y control total de torque. Ejemplo: prensas deharina de pescado, pasta, plsticos, etc.

Separadores Centrfugos : Realizan un arranque suave y progresivo de la centrfuga evitando lospicos de corriente y las velocidades de resonancia del sistema.

Otras aplicaciones importantes se dan en laminadoras, prensas mecnicas, compresores de

aire, mquinas textiles, mquinas herramienta, etc.

Lo ms importante para determinar si es factible el empleo de un variador de frecuencia, estener un profundo conocimiento del proceso a ser controlado; as como conocer las ventajas y

limitaciones comparado con otros sistemas alternativos. Es por lo general un proceso multi

disciplinario que debe involucrar tanto a Ingenieros de Produccin, de Proceso, Mantenimiento

mecnico, elctrico y electrnico, Instrumentistas, etc. iniciado por un deseo de obtener una

ventaja de calidad y economa. Colocar un variador de frecuencia es hacer a un motor elctrico

"inteligente" .


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VENTAJAS TCNICAS Y ECONMICAS:

Control vectorial:

Este revolucionario mtodo de control permite sobrecarga de par hasta en un 200%, sin

comprometer excelentes respuestas transitorias de velocidad. Esto, junto con un tiempo de

respuesta muy corto de control del par permite que los equipos puedan se utilizados en

aplicaciones dominadas por accionamientos de corriente continua.

Relacin peso - potencia:En el caso de los variadores de velocidad, posee un amplio rango de potencias como puede ser

desde su ms pequeo (de 0.25 kW) hasta los mas grandes (de 90 kW) con un peso aproximado

de 1.9 kg hasta 90 kg. Esta relacin lo hace muy importante dentro del mercado industrial.

Adems de esto va unido a un rango de temperatura de trabajo amplio de hasta los 50C.

Grado de proteccin:Los variadores de velocidad o convertidores de frecuencia usando un diseo especial en su

cubierta protectora consiguen un grado de proteccin ambiental homologado hasta un IP 56, con

lo cual nos dice que nuestro dispositivo podr trabajar en las condiciones de ambientes

polusionados y hmedos.

Mejor diseo:Solo subsisten unas pocas aplicaciones, en donde es necesario variar la velocidad de un motor y

un convertidor de frecuencia, y esta no suponga una mejora importante en la respuesta de la

mquina y un ahorro significativo en los costos de mantenimiento del equipamiento en general,

como es el caso de las industrias alimenticias y las industrias de bebidas donde es necesaria una

velocidad de trabajo muy precisa y que esta sea confiable desde el punto de vista que sea

inalterable en el tiempo. Se utilizan estos equipos dejando afuera todas las costosas

instalaciones de corriente continua.


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RECOMENDACIONES DE INSTALACIN

Cableado :

En los cables de control, utilizar cable trenzado y blindado para los circuitos de consigna.

Debe haber una separacin fsica entre los circuitos de potencia y los circuitos de seales de bajo

nivel.

La tierra debe ser de buena calidad y con conexiones de baja impedancia. Cables con la menor

longitud posible. El variador debe estar lo ms cerca posible del motor.

Cuidar que los cables de potencia estn lejos de cables de antenas de televisin, radio, televisin

por cable o de redes informticasGabinete:

Metlico o al menos en una bandeja metlica conectada a la barra de tierra. En los manuales de

uso de los variadores se hacen las recomendaciones en cuanto al tamao.

Ventilacin:

Debe estar de acuerdo al calor disipado por el equipo a potencia nominal. Se proveen, comoopcionales, ventiladores adicionales y kits de montaje de ventilacin que garantizan una

proteccin IP54 sin perder la posibilidad de una buena disipacin.

Puesta a tierra:La tierra debe ser de buena calidad y con conexiones de baja impedancia. Se deber realizar la

conexin a tierra de todas las masas de la instalacin, as como las carcazas de los motores

elctricos. El sistema de puesta a tierra deber tener una resistencia de un valor tal que asegure

una tensin de contacto menor o igual a 24V en forma permanente.

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