control de variadores

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CONTROL DE VARIADORES

Conjunto de prácticas para el control del motor de un variador por autómata programable manejable a través de una interfazremota. Con estas prácticas lo que se pretende es introducir al usuario en el manejo del variador MM440, así como laidentificación de las posibles respuestas del sistema diseñado. También se pretende que el usuario conozca los diferentes tipos de

encoders y el funcionamiento de los mismos.

1. CONFIGURACIÓN DE UN VARIADOR COMOMOTOR

Descripción

En la presente práctica se explicarán todos los parámetros necesarios para la configuración del variador MICROMASTER 440.

Para la realización de esta práctica se explica, a continuación, qué es un variador y cómo funciona. Un variador de frecuencia (VFD, Variable Frequency Drive) es un sistema para el control de la velocidad rotacional de un

motor de corriente alterna (AC) por medio del control de la frecuencia de alimentación suministrada al motor, convirtiendo lasmagnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.

Entre las principales funciones de los variadores de frecuencia, cabe destacar:

Variación de velocidadRegulación de velocidadDeceleración controlada

Inversión del sentido de giroFrenadoProtección integrada

Los variadores de frecuencia están compuestos por:

Etapa Rectificadora. Convierte la tensión alterna en continua mediante rectificadores de diodos, tiristores, etc.

Etapa de filtrado. Filtro para suavizar la tensión rectificada y reducir la emisión de armónicos.

Inversor o "Inverter". Convierte la tensión continua en otra de tensión y frecuencia variable mediante la generación depulsos. Actualmente se emplean IGBT´s (Isolated Gate Bipolar Transistors) para generar los pulsos controlados de tensión.Los equipos más modernos utilizan IGBT´s inteligentes que incorparan un microprocesador con todas las protecciones porsobrecorriente, sobretensión, baja tensión, cortocircuitos, puesta a masa del motor, sobretemperaturas, etc.

Etapa de control. Esta etapa controla los IGBT´s para generar los pulsos variables de tensión y frecuencia. Y ademáscontrola los parámetros externos en general, etc. Los variadores más utilizados utilizan modulación PWM (Modulación deAncho de Pulsos) y usan en la etapa rectificadora puente de diodos rectificadores. En la etapa intermedia se usancondensadores y bobinas para disminuir las armónicas y mejorar el factor de potencia.


Partes de un variador de frecuencia

En primer lugar se realizará la configuración básica del variador, y a partir de esta se modificarán una serie de parámetros conobjeto de poder controlar el variador a través de Profibus mediante un autómata. En la realización de la práctica será necesario consultar el manual del MM440, para conocer el valor que deberían de tener

algunos parámetros.

Esquema

Realización Práctica

Inicialmente configuraremos el MM440 mediante la puesta en servicio rápida con la ayuda del panel BOP del mismo.

PARÁMETRO SIGNIFICADO VALOR

P0003 Nivel de acceso de usuario 3 Experto

P0010 Filtro de parám. Puesta en servicio 1 Guía Básica


P0100 Europa - América del Norte 0 P (kW); f (50 Hz)

P0205 Aplicación del convertidor 0 Par constante

P0300 Selección del tipo de motor 1 Motor asíncrono

P0304 Tensión nominal del motor 230 230 V

P0305 Corriente nominal del motor 1.80 ≈1.82A

P0307 Potencia nominal del motor 0.35 ≈0.37 kW

P0308 Cosφ nominal del motor 0.78 0.78

P0310 Frecuencia nominal del motor 50 50 Hz

P0311 Velocidad nominal del motor 1370 1370 rpm

P0320 Corriente magnetización del motor 0 0%

P0335 Refrigeración del motor 0 Autoventilado

P0500 Aplicación tecnológica 0 Par constante

P0640 Factor sobrecarga del motor (%) 150 150%

P0700 Selección de fuente de órdenes 1 BOP

P1000 Selección de consigna de frecuencia 2 Consigna analógica

P1080 Frecuencia mínima 0.00 0 Hz

P1082 Frecuencia máxima 50.00 50 Hz

P1120 Tiempo de aceleración (0 Hz a fmax) 5 5 seg.

P1121 Tiempo de deceleración (fmax a 0Hz) 5 5 seg.

P1135 Tiempo de deceleración OFF3 2 2 seg.

P1300 Modo de control 20 Control vectorial sin sensor

P1500 Selección consigna de par 0 Sin consigna ppal.

P1910 Selección de datos identificativos del motor 0 Deshabilitado

P1960 Selec. Optimiz. Control velocidad 0 Deshabilitado

P3900 Fin de la puesta en servicio rápida 0 Termina la puesta en serviciorápida con ajustes actuales

Por último se pone el parámetro P0010 a “0” para finalizar la puesta en servicio rápida.

El proceso descrito hasta ahora sirve para la configuración inicial del variador y su control a través del panel BOP. Para realizar el control a travésdel autómata, por Profibus-DP, para que funcione como esclavo DP, tendremos que modificar los siguientes parámetros:

P0700. En este parámetro se selecciona el origen de la orden de marcha al variador. Para poder realizarla desde Profibus este parámetro debe

ajustarse a un valor concreto (consultar manual).

Respuesta1:_____

P0918. Dirección de Profibus del variador. Le asignaremos la dirección “1” que tiene que coincidir con la asignada por el autómata.


P0927. En este parámetrose habilita desde dónde se puede realizar el cambio de parámetros:

La asignación se hará según los siguientes ejemplos:

Si queremos controlarlo mediante el panel BOP y por Profibus, qué valor deberá tomar el P0927 (consultar manual).

Respuesta2:_____

P1000. Seleccionamos el origen de la consigna de frecuencia al variador. Si queremos que se realice desde Profibus deberá de

tener un valor concreto (consultar manual).

Respuesta3:_____

P2012. USS longitud PZD. Valor: 6. Define el número de palabras PZD a transmitir y recibir.

Para configurarlo como motor deberemos añadir los siguientes parámetros:

P2019. Configuramos las palabras que vamos a transferir desde el PLC al Micromaster.

: le daremos el valor “52”. Primera palabra en r0052. Siempre deberá de ser la palabra de estado 1.

: le daremos el valor “21”. Segunda palabra en r0021. Es configurable y lo que se configura es el valor de frecuencia.

P2051. Configuramos las palabras que vamos a transferir desde el Micromaster al PLC.

- P2051[0]. Le daremos el valor “68” .Corriente de salida (r0068)


- P2051[1]. Le daremos el valor “72”. Tensión de salida

- P2051[2]. Le daremos el valor “32”. Potencia real

- P2051[3]. Le daremos el valor “31”. Par real

- P2051[4]. le daremos el valor “61”. Frecuencia real del encoder

P2000. Configuramos el valor de referencia de la frecuencia para representar/transmitir valores porcentuales o hexadecimales.

En nuestro caso le dimos un valor de referencia de 50.

P2001. Configuramos el valor de referencia de voltaje para representar/transmitir valores porcentuales o hexadecimales.


P2002. Configuramos el valor de corriente de referencia para representar/transmitir valores porcentuales o hexadecimales.


P2003. Configuramos el valor de par de referencia para representar/transmitir valores porcentuales o hexadecimales.

En nuestro caso le dimos un valor de referencia de 5.02.

2. CONFIGURACIÓN DE UN VARIADOR COMOCARGA

Descripción

En la presente práctica se ha utilizado otro variador MM440 para simular una carga de arrastre, para lo cual se inyecta una

corriente continua a dicho motor dando lugar a un determinado par de arrastre.

En primer lugar se realizará la configuración del variador como motor, tal y como se explica en la práctica de"CONFIGURACIÓN DE UN VARIADOR COMO MOTOR" , y a partir de esta se modificarán una serie de parámetros con

objeto de poder controlar un segundo variador como carga.


En la realización de la práctica será necesario consultar en manual del MM440, para conocer el valor que deberían de tener

algunos parámetros.


La configuración de este motor como carga, se ha hecho de la misma forma que la del variador inicial, modificando únicamente

una serie de parámetros que se describen a continuación.

Inicialmente configuraremos el MM440 mediante la puesta en servicio rápida con la ayuda del panel BOP del mismo modo que se

hizo con el variador como motor.

Para configurarlo como carga deberemos modificar los siguientes parámetros:

P2019. Configuramos las palabras que vamos a transferir desde el PLC al MICROMASTER, es decir, la palabra PZD1

que transfiramos se va a asociar, en nuestro caso, al parámetro r0052 (el cual está asociado a su vez a la palabra de control

1).

- P2019[0]. Valor "52" -> PZD1 (Palabra de estado 1) -> "r0052"

- P2019[1]. Valor "21" -> PZD2 (Frecuencia) -> "r0021"

- P2019[2]. Valor "--" -> NIngún valor (Configurable por el usuario)

- P2019[3]. Valor "53" -> PZD4 (Palabra de estado 2) -> "r0053"

La palabra de estado 2 está relacionada con la palabra de control 2 -> r2091 (igual que con la palabra de estado 1 y la de control

1 -> r2090), cuyo bit 9 es habilitación de freno de C.C.

Por ello indexaremos el parámetro P1230 (habilitación inyección C.C.) con el bit 9 de la palabra de control 2. Para esto

seleccionaremos en el parámetro P1230 el valor "2091.9". Con esto estamos controlando la habilitación del freno de C.C. con el

bit 9 de la palabra PZD4.

El valor de C.C. (en porcentaje) se deberá seleccionar en un parámetro del variador, ¿cuál es dicho parámetro?

Respuesta 1:_____

3. CONFIGURACIÓN DEL ENCODER DELVARIADOR

Descripción

En la presente práctica se explicarán todos los parámetros necesarios para la configuración del encoder incorporado en el

variador MICROMASTER 440.


Un encoder es un sensor electro-opto-mecánico que unido a un eje, proporciona información de la posición angular. Su fin, es

actuar como un dispositivo de realimentación en sistemas de control integrado.

Existen dos tipos de encoder principalmente, tal y como se citan a continuación:

1. Encoder incremental. Este tipo de encoder se caracteriza porque determina su posición, contando el número de impulsos

que se generan cuando un rayo de luz, es atravesado por marcas opacas en la superficie de un disco unido al eje.

Un simple sistema lógico permite determinar desplazamientos a partir de un origen, a base de contar impulsos de un canal y

determinar el sentido de giro a partir del desfase entre los dos canales.

Principales señales del encoder


Determinación del sentido de giro

La resolución del encoder depende del número de pulsos por revolución.

2. Encoder absoluto. En el encoder absoluto, el disco contiene varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares

concéntricas, dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en sectores, con marcas opacas y

transparentes codificadas en código Gray.

El estator tiene un fotorreceptor para cada bit representado en el disco. El valor binario obtenido de los fotorreceptores es único

para cada posición del rotor y representa su posición absoluta. Se utiliza el código Gray en lugar de un binario clásico porque en

cada cambio de sector sólo cambia el estado de una de las bandas, evitando errores por falta de alineación de los captadores.

Para un encoder con n bandas en el disco, el rotor permite 2n combinaciones, por lo cual la resolución será 360º/2n. Por ejemplo,

para encoders de 12 y 16 bits se obtiene una resolución angular de 0.0879º y 0.00549º respectivamente.

Resolución angular=360º/2n

Generalmente, los encoders incrementales proporcionan mayor resolución a un coste más bajo que los encoders absolutos.Además, su electrónica es más simple ya que tienen menos líneas de salida.

En primer lugar se realizará la configuración básica del encoder.

En la realización de la práctica será necesario consultar el manual del encoder, para conocer los cambios que se deben realizar

para la configuración del mismo.


Existen dos parámetros que muestran la salida de frecuencia del convertidor, pero uno de ellos no es el real cuando aplicamos una


carga que frena al motor. ¿Cuáles son estos dos parámetros? (Consultar manual).

Respuesta 1:_____

Respuesta 2:_____

Por tanto, el encoder nos permite leer la frecuencia real del motor, que es almacenada en uno de los parámetros anteriores, ¿cuál

es dicho parámetro?

Respuesta 3:_____

Para la configuración del encoder, el variador dispondrá de un módulo para el mismo y se deberá de realizar un determinado

conexionado, tal y como se indica en la siguiente figura:

Conexionado del módulo del encoder

A la vista de la figura, ¿de qué tipo de conexionado se trata?

Respuesta 4:_____

A continuación, debe seleccionar los interruptores de acuerdo con el conexionado que hemos realizado (consultar manual).

Por último se deberá de poner un parámetro del variador a "1" patra indicar el tipo de conexionado realizado en el encoder, ¿cuál

es dicho parámetro?

Respuesta 5:_____


4. RESPUESTA CARACTERÍSTICA DE UNVARIADOR

Descripción

En la presente práctica se realizará un estudio del comportamiento del motor controlado por el variador MM440, para ver la

influencia que tiene en el motor dicho variador.

El motor incorporado en el variador, es un motor Siemens con las siguientes características: Vnominal:230/400V; Potencia:

0.37kW; Velocidad de giro: 1370 r.p.m.

Para el estudio se introducirá un escalón y se observará la señal de salida.

Los objetivos serán:

Identificar a qué tipo de sistema se puede asemejar (orden 1, orden 2, etc.)

Medir los valores característicos de la respuesta (tp, ts, Mp, etc.)

Estudiar el error que se produce en régimen permanente (ep)

A continuación se hace una breve descripción teórica sobre una respuesta típica de un sistema de segundo orden.

Un sistema de 2º orden es aquel que, entre otras cosas, responde a un ecuación diferencial del tipo:

Obteniendo las transformadas de LAPLACE y suponiendo condiciones iniciales nulas:

Haciendo T=1/Wn y a=ξ, tendremos:

Siendo:

Wn: frecuencia natural no amortiguada del sistema (rad/seg)

ξ:coeficiente de amortiguamiento (adimensional)

k: ganancia estática del sistema


Las raíces del polinomio característicos son:

Según el valor del coeficiente de amortiguamiento, se tendrá:

ξ>1: Sistema estable sobreamortiguado

ξ=1: Sistema estable críticamente amortiguado

0<ξ<1: Sistema estable subamortiguado

ξ=0: Sistema oscilante o críticamente estable

ξ<0: Sistema inestable

La respuesta característica de un sistema de segundo orden subamortiguado sería:

Ecuaciones útiles para determinar la función de transferencia de un sistema de segundo orden:


El teorema del valor final responde a la fórmula:

Siendo Ke el valor del escalón de la entrada.


En primer lugar se debe simular una entrada escalón. Esta no se puede introducir directamente como un escalón instantáneo, si no

que se deberá implementar con una rampa de tiempo de subida 10 ms, el cual es suficientemente pequeño como para simular losefectos de un escalón.

Una vez introducida la entrada se deberá estudiar su respuesta transitoria tomando sus valores más característicos.

Mp:_____

ts:_____tr:_____

tp:_____

¿A qué tipo de sistema cree que corresponde esta respuesta (primer orden, segundo orden, etc.)?

Respuesta 1:_____

Con la ayuda de las ecuaciones expuestas en la "Descripción", determine la función de transferencia del sistema.

Aplicando el teorema del valor final obtener el valor de k.

k:_____

Se debe comprobar que la función de transferencia calculada ajusta a la respuesta obtenida, para ello se simulará la respuesta en

Matlab.

Además de estudiar la respuesta del sistema, podremos también determinar el error cometido, con ayuda de la siguiente ecuación:

Error de posición:_____


¿Cuál es el error de velocidad?

Respuesta 2:_____

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