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Ing. Michael Párraga G. Jefe de Producto Electrónica de Potencia
Curso de variadores de frecuencia LS IS
Mod1: Temas básicos de variadores y portafolio de soluciones de EP LS
Temario
Conceptos Básicos - Semiconductores de Potencia: Diodos - Semiconductores de Potencia: IGBT’s -Arquitectura del variador de 6 pulsos
•Circuito de potencia •Circuito de control
-Forma de onda de salida PWM - Tipos de carga: Torque Cuadrático y Torque Constante -Tipos de control: Escalar y Vectorial
Portafolio de soluciones LS IS
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Semiconductores de Potencia: Diodos
Analogía: “Puertas de Escape”
Las puertas de escape solamente permiten transitar en un solo sentido.
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Semiconductores de Potencia: Diodos Rectificador: Dispositivo utilizado para convertir
corriente alterna en corriente continua.
La señal a la entrada
del diodo es diferente
a la señal a la salida
del diodo
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Semiconductores de Potencia: IGBT’s El IGBT es un interruptor controlado de Potencia
Insulated Gate Bipolar Transistor
Señal de activación
de baja corriente
Señal de potencia
de alta corriente
Elevada frecuencia
de conmutación
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Semiconductores de Potencia: IGBT’s
Compuerta o GATE
Analogía: “Interruptor termomagnético”
El interruptor deja pasar la corriente cuando se activa la palanca manualmente.
COMPUERTA ACTIVA
DEJA PASAR FLUJO
COMPUERTA DESACTIVA
NO DEJA PASAR FLUJO
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Arquitectura del variador (genérica)
Circuitos de Potencia
Circuitos de Control (Firmware)
Interfaz
de Operador
Alimentación
1
2 3
9
Arquitectura del variador
DC
AC
AC
DC
Circuitos de potencia
Son 3 BLOQUES claramente diferenciados
Diagrama de bloques SIMPLIFICADO
Rectificador Inversor
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Arquitectura del variador Circuitos de potencia
Son 3 BLOQUES claramente diferenciados
Diagrama de bloques SIMPLIFICADO
Rectificador Inversor
Banco de
condensadores
interno
Alim
enta
ció
n
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Arquitectura del variador
Rectificador:
Compuesto por 6 diodos
Inversor:
Compuesto por 6 IGBT’s
Circuitos de potencia
Diagrama de bloques DESARROLLADO
Banco de condensadores interno
(la cantidad de condensadores depende de la potencia)
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Arquitectura del variador Circuitos de potencia
Diagrama de bloques DESARROLLADO
Se incluye un circuito de PRE-CARGA compuesto por resistencias para
evitar que la corriente fluya en exceso hacia el banco de condensadores
al momento de energizar el variador.
Luego de que el banco de condensadores es llenado con energía, se
cierra el contactor que está en paralelo con la resistencia.
R
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Arquitectura del variador
Filtro Rectificador Inversor
CIRCUITOS DE POTENCIA
Circuitos de potencia
TRATAMIENTO DE LA SEÑAL
El variador de velocidad AC recibe en su entrada un voltaje alterno de
frecuencia fija y entrega en su salida un voltaje alterno de frecuencia
variable.
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Arquitectura del variador
Primera Etapa: Rectificador
El rectificador convierte la señal de entrada en una señal continua (pulsante)
De esta manera, un variador de 460VAC tendrá un voltaje de 650VDC en su BUS DC (460 x √2)
Filtro Inversor
BUS DC RECTIFICADOR
CIRCUITOS DE POTENCIA
Circuitos de potencia
TRATAMIENTO DE LA SEÑAL
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Arquitectura del variador
Segunda Etapa: Filtro (DC LINK)
El filtro esta compuesto por condensadores.
La función de esta etapa es disminuir el rizado del BUS DC y suavizar la forma de onda DC.
Inversor
BUS DC RECTIFICADOR FILTRO (DC LINK)
CIRCUITOS DE POTENCIA
Circuitos de potencia
TRATAMIENTO DE LA SEÑAL
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Arquitectura del variador
Tercera Etapa: Inversor
El inversor enciende y apaga para dejar pasar la corriente por ciertos periodos de tiempo. A la salida se genera un “TREN DE PULSOS” de amplitud pico constante y con frecuencia variable.
BUS DC RECTIFICADOR FILTRO (DC LINK) INVERSOR
CIRCUITOS DE POTENCIA
Circuitos de potencia
TRATAMIENTO DE LA SEÑAL
Voltaje de salida
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Arquitectura del variador
VARISTORES
RECTIFICADOR
BANCO CONDENSADORES
INVERSOR
DRIVER
BOARD
ES811
CONTROL
BOARD
ES778
SUPPLY BOARD 24VDCES848
CONTROL
BOARD
CT BOARD
ES819
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Forma de onda de salida PWM • El tren de pulsos de salida se conoce como ONDA PWM.
• PWM significa PULSE WIDTH MODULATION ó Modulación por ancho de pulso.
• Modulación = Modificación.
• Los anchos de pulso son variables (modificados), siendo de corta duración
hacia los extremos y de mayor duración hacia el centro del periodo.
Señal de salida PWM trifásica Señal de entrada
Variador
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Forma de onda de salida PWM
La modulación se realiza para que la tensión promedio tenga comportamiento
sinusoidal.
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Tipos de Carga
El torque de variación cuadrática es un caso típico de resistencia sobre un fluido.
Cuando un sólido se mueve en un liquido o gas.
Cargas de Torque variable
¿Cómo es el comportamiento del esfuerzo conforme aumenta la velocidad
del sólido dentro del fluido?
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Tipos de Carga
2VelocidadkTorque
El torque requerido incrementa con la velocidad,
usualmente al cuadrado.
Cargas de Torque variable
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Tipos de Carga
El torque requerido por la carga es constante
a través de todo el rango de velocidad.
Cargas de Torque Constante
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Control Escalar (V/F)
Curva Voltaje Vs. Frecuencia
30 60 Hz 0 V
460 V
230 V
I =
V
Z
¿ Por qué tengo que reducir el voltaje cuando reduzco la frecuencia?
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I = V
Z
Control Escalar (V/F)
60 Hz
460 V
60 Hz
Corriente
60 Hz
Impedancia
Voltaje
Trabajando más allá de los 60Hz
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Control Vectorial Internamente, los variadores vectoriales tienen un modelo matemático del motor.
l 2 l 1 R s i s
V s M R R S
El modelo matemático incluye valores de resistencia estatorica,
inductancia estatorica e inductancia mutua.
Estos valores son leídos por el variador mediante un proceso llamado “Auto
sintonización.”
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Control Vectorial
Con el control vectorial mide constantemente la corriente del estator y
la velocidad del rotor. Estas señales son alimentadas dentro del
modelo matemático del motor, el cual esta almacenado dentro de la
memoria del microprocesador del variador.
Mediante el modelo matemático se calcularan los componentes que
representan el torque y el flujo magnético.
Esto mejora la dinamica del variador y posibilita obtener mayor
exactitud de velocidad y mayor capacidad de torque.
Algoritmo:
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Control Vectorial
l 2 l 1 R s i s
V s M R R S
Corriente
de Torque
Corriente de Flujo
60 Hz
Corriente
Algoritmo:
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Variador de frecuencia iG5A.
Rango de potencia: 1-30HP.
Rango de tensión: 220VAC y 440VAC.
Tipo de control: Escalar y vectorial.
Capacidad de sobrecarga: 150% (60s).
Temperatura de trabajo: -10°C a 50°C.
Tarjetas electrónicas barnizadas.
Más de 50 funciones de control.
Software de comunicación con PC
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Variador de frecuencia iG5A.
Tipo estándar
Tipo normal Tipo comunicación
Carcasa
Función de seguridad No disponible
Filtro EMC
(tipo compacto)No disponible
E/S
Entrada multifunción 8 puntos 4 puntos
Tren de pulso No disponible
ComunicaciónRS485
(LS bus/ Modbus RTU)
DeviceNet
Ethernet IP & Modbus TCP (RS-485 incorporada)
CANopen
Tipo estándar (normal) Tipo estándar (comunic.)
S ólo Ethernet IP & Modbus TCP
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Variador de frecuencia iS7.
Rango de potencia: 1-250HP.
Rango de tensión: 220VAC y 440VAC.
Tipo de control: Escalar y vectorial.
Capacidad de sobrecarga: 150% (60s).
Temperatura de trabajo: -10°C a 50°C.
Tarjetas electrónicas barnizadas.
Más de 50 funciones de control.
Software de comunicación con PC
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Variador de frecuencia iS7. Control vectorial de lazo cerrado, permite una precisa relación velocidad / torque
En todo rango de velocidad cero , se genera un torque (más del 250%) mediante
el procesamiento de pulsos de 200kHz realizado por la tarjeta dedicada de encoder.
Rango de regulación de velocidad 1000:1
Capacidad de torque instantáneo 250%
Respuesta de control de 60 Hz
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Variador de frecuencia iS7.
Parametros y navegación orientado a procesos
Comodidad para los usuarios a través de las interfaces amigables
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Variador de frecuencia iS7
Tipo estándar
Tipo normal Tipo comunicación
Carcasa
Función de seguridad No disponible
Filtro EMC
(tipo compacto)No disponible
E/S
Entrada multifunción 8 puntos 4 puntos
Tren de pulso No disponible
ComunicaciónRS485
(LS bus/ Modbus RTU)
DeviceNet
Ethernet IP & Modbus TCP (RS-485 incorporada)
CANopen
Tipo estándar (normal) Tipo estándar (comunic.)
S ólo Ethernet IP & Modbus TCP
iS7
Entrad
a
Digitales 8
NPN / PNP Available
Analógica (V) -10 ~ +10 [V]
Analógica (I) 0 ~ 20 [mA]
Tren de pulsos Opcional
Salida
Relé 2
Colector abierto 1
Analógica (V) 0 ~ 10 [V]
Analógica (I) 0 ~ 20 [mA]
Comunic
Integrad
a RS - 485
LS BUS / MODBUS-
RTU
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Ranuras para módulos de expansión
Profibus DP DeviceNet CANopen CC-link Ethernet IP / Modbus-TCP LonWorks R-Net
PLC Card Extension I/O card Extension I/O card 2 Synchronous Card S/W Download
Tarjeta de E/S
Ranura 1
Encoder Card -Closed loop control -Pulse train reference -L.D. / O.C. -200kHz Max. input Freq. -Signal loss detection
Position Sync. Card
Tarjeta de Control
Ranura 2
Ranura 4
Ranura 3
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Familia de Variadores Startvert – Baja tensión
Monofásico
200V
Trifásico
200V/400V
kW
kW
iC5
iG5A
iS7
iG5A
iP5A
400V class
200V class
400V class
200V class
400V class
200V class
v/f
v/f
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