desarrollo de sistemas de medida y regulacion · nuevos tipos de motores (de pequeña potencia)...

CICLO GS : AUTOMATIZACIÓN Y ROBOTICA INDUSTRIAL

INTEGRACION DE SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

UNIDAD 5

INTRODUCCION VARIADORES FRECUENCIA

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AUTOMATIZACIÓN Y ROBÓTICA INDUSTRIAL.

IES HIMILCE Página 2

1.- INTRODUCCIÓN. Poder variar la velocidad de un proceso o de un sistema, es una necesidad que se plantea obligatoriamente en la mayoría de los sectores de la industria. La aparición del control electrónico de los motores eléctricos, para variar y regular su velocidad, ha aportado a los procesos industriales grandes ventajas, aumentando sus propias posibilidades y prestaciones y reduciendo su mantenimiento de energía y consumo entre otras. Tradicionalmente, la mayor parte de los problemas de regulación de máquinas eléctricas han sido resueltos mediante el motor de corriente continua que, por su naturaleza, posee excelentes cualidades para ello. Sin embargo, hoy en día se están utilizando en la industria nuevos tipos de motores (de pequeña potencia) tales como los motores de “reluctancia magnética” y los motores de “imanes permanentes (Brushless)” en los que la regulación no resulta tan compleja como sucede en los motores de inducción. Comparando el motor de c.c. con el de c.a., el primero presenta las desventajas de mayor tamaño y complejidad constructiva del colector que presenta ciertos problemas de explotación y de mantenimiento, imponiendo, además, ciertos límites de velocidad y potencia. El motor de inducción de c.a. tiene como principal inconveniente la complejidad del convertidor electrónico necesario para variar su velocidad. Aunque el motor de c.c. es más caro que el de c.a. el conjunto regulador-motor de c.a. supera en precio al de c.c..

2.- MOTORES ELECTRICOS

Actualmente los receptores más utilizados, tanto en la industria como en las instalaciones terciarias, si exceptuamos los sistemas de alumbrado, son los motores eléctricos. Su función, convertir energía eléctrica en energía mecánica, les otorga una especial importancia económica especial; por lo que ningún diseñador de instalaciones y máquinas, ningún instalador ni usuario pueden ignorarlos. Entre los diversos tipos de motores existentes, los motores asíncronos trifásicos, especialmente los de jaula, son los más utilizados en la industria, y también en los edificios terciarios en aplicaciones de cierta potencia. Además, aunque su mando y control mediante sistemas con contactores está perfectamente adaptado para una gran mayoría de aplicaciones, la utilización de componentes electrónicos, en constante evolución, amplía su campo de aplicación. Entre estas aplicaciones destacan el arranque y parada con los arrancadores-ralentizadores progresivos y una buena regulación de velocidad mediante los variadores-reguladores de velocidad. Sin embargo, en la industria se siguen utilizando los motores asíncronos de anillos rozantes para ciertas aplicaciones de gran potencia, quedando los motores asíncronos monofásicos para las aplicaciones de pequeña potencia que se utilizan en los edificios. En aplicaciones que requieren grandes prestaciones, especialmente con par dinámico (o de arranque o por variaciones de carga), y con necesidad de un ajuste fino y muy amplio de la

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velocidad, es frecuente la utilización de los motores síncronos denominados sin escobillas o de imán permanente, unidos a convertidores. Atendiendo al tipo de corriente utilizada para su alimentación, se clasifican en: · Motores de corriente continua:

– De excitación independiente. – De excitación serie. – De excitación (shunt) o derivación. – De excitación compuesta (compund).

· Motores de corriente alterna: – Motores síncronos. – Motores asíncronos:

Monofásicos. o De bobinado auxiliar. o De espira en cortocircuito. o Universal.

Trifásicos. o De rotor bobinado. o De rotor en cortocircuito (jaula de ardilla).

Todos los motores de corriente continua así como los síncronos de corriente alterna incluidos en la clasificación anterior tienen una utilización y unas aplicaciones muy específicas. Los motores de corriente alterna asíncronos, tanto monofásicos como trifásicos, son los que tienen una aplicación más generalizada gracias a su facilidad de utilización, poco mantenimiento y bajo coste de fabricación. Por ello, tanto en esta unidad como en la siguiente nos centraremos en la constitución, el funcionamiento y la puesta en marcha de los motores asíncronos de inducción. 2.1.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS.

El principio de funcionamiento del motor asíncrono se basa en la creación de una corriente inducida en un conductor cuando éste corta las líneas de fuerza de un campo magnético, de ahí el nombre de «motor de inducción». La acción combinada de la corriente en el inducido y el campo magnético crea una fuerza motriz en el rotor del motor. Supongamos una espira ABCD en cortocircuito, situada en un campo magnético B, y que puede girar alrededor de un eje xy.

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Si, por ejemplo, hacemos girar el campo magnético en el sentido de las agujas del reloj, la espira queda sometida a un flujo variable y se crea en ella una fuerza electromotriz inducida que origina una corriente inducida i (ley de Faraday). Por la ley de Lenz, el sentido de la corriente es tal que se opone, mediante su acción electromagnética, a la causa que la ha creado. Cada uno de los dos conductores queda por tanto sometido a una fuerza F de Laplace (de Lorentz, para los Anglosajones), de sentido opuesto a su desplazamiento relativo respecto al campo inductor. La regla de los tres dedos de la mano derecha (acción del campo sobre la corriente), permite definir fácilmente el sentido de la fuerza F aplicada a cada conductor. El pulgar se coloca en el sentido del campo del inductor. El índice indica el sentido de la fuerza. El dedo corazón o de en medio se coloca en el sentido de la corriente inducida. Por tanto, la espira queda sometida a un par que provoca su rotación en el mismo sentido que el campo inductor, llamado campo giratorio. Por tanto también, la espira gira y el par electromotor se equilibra con el par resistente.

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2.1.1.- Campo magnético giratorio. El campo magnético creado por un bobinado trifásico alimentado por corriente alterna es de valor constante pero giratorio y a la velocidad de sincronismo. Este fenómeno se puede comprobar con el estudio de las posiciones que va ocupando la resultante del flujo atendiendo a los sentidos de corriente que van tomando los conductores en el bobinado, véase la siguiente figura:

En el instante 0, la fase U tiene valor cero, la fase V tiene valor negativo, por lo que la corriente circula desde V2 hasta V1, y la fase W tiene valor positivo, con lo que la corriente circula desde W1 hasta W2. En el bobinado se crea una bobina ficticia a la que aplicando la

instante, la resultante del flujo se sitúa entre las ranuras 7 y 8. El signo positivo representa que la corriente entra en el plano y el signo negativo que sale del plano. El ciclo de la corriente se divide en seis partes iguales pasando ahora al instante 1, donde vemos que la fase U tiene valor positivo, la fase V sigue teniendo valor negativo y la fase W tiene valor positivo. En este instante la resultante del flujo se sitúa entre las ranuras 9 y 10, con lo que ha avanzado un sexto de la circunferencia en el tiempo que ha transcurrido desde el instante 0 al 1, que se corresponde con un sexto del periodo de la corriente. Si vamos aplicándolo sucesivamente a los demás instantes, podemos ver que de uno a otro siempre avanza un sexto de vuelta igual que el tiempo que transcurre de un instante a otro el periodo de la corriente, lo que nos indica que el flujo es giratorio y su velocidad coincide con la velocidad del sistema de corriente alterna.

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2.1.2.- Deslizamiento. No puede existir par motor si no existe corriente inducida circulando por la espira. Este par depende de la corriente que circula por la espira, y no puede existir si no existe variación de flujo en la espira. Por tanto, es necesario tener una diferencia de velocidad entre la espira y el campo giratorio. Por este motivo, el motor eléctrico que funciona según el principio que estamos describiendo se denomina «motor asíncrono». La diferencia entre la velocidad de sincronismo (Ns) y la de la espira (N) se denomina «deslizamiento» (g) y se expresa en % de la velocidad de sincronismo.

g = [(Ns - N) / Ns] x 100 Durante el funcionamiento, la frecuencia de la corriente rotórica se obtiene multiplicando la frecuencia de alimentación por el deslizamiento. Por tanto, durante el arranque, la frecuencia de corriente rotórica es máxima. El deslizamiento en régimen permanente es variable y depende de la carga del motor y del valor de la tensión de alimentación que se le aplica: es tanto menor cuanto menor es la carga, y aumenta si el motor está subalimentado. 2.1.3.- Velocidad de sincronismo. La velocidad de sincronismo de los motores asíncronos trifásicos es proporcional a la frecuencia de la corriente de alimentación e inversamente proporcional al número de pares de polos que forman el estator. Por ejemplo:

Ns = 60· f/p Siendo:

· Ns: velocidad de sincronismo en rpm, · f: frecuencia en Hz, · p: número de pares de polos.

En la siguiente tabla se indican las velocidades del campo giratorio o velocidades de sincronismo, en función del número de pares de polos, para cada una de las frecuencias industriales de 50 Hz y 60 Hz y también para la de 100 Hz.

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En la práctica no siempre es posible aumentar la velocidad de un motor asíncrono alimentándolo a una frecuencia superior a la prevista, aún adaptando la tensión. En efecto, se necesita comprobar si su diseño mecánico y eléctrico lo permiten. Hay que indicar que debido al deslizamiento, las velocidades de rotación en carga de los motores asíncronos son ligeramente inferiores a las velocidades de sincronismo indicadas en la tabla.

2.2.- CONSTITUCIÓN. Un motor asíncrono trifásico de jaula tiene dos partes principales: un inductor o estator y un inducido o rotor. El estator. Es la parte fija del motor. Una carcasa de acero o aleación ligera rodea una corona de chapas delgadas (del orden de 0,5 mm de grosor) de acero al silicio. Las chapas están aisladas entre sí por oxidación o mediante barnices aislantes. El laminado del circuito magnético reduce las pérdidas por histéresis y por corrientes de Foucault. Las chapas tienen unas ranuras en las que se colocan los arrollamientos estatóricos destinados a producir el campo giratorio (tres arrollamientos en caso de un motor trifásico). Cada arrollamiento está constituido por varias bobinas. La forma de conexión de estas bobinas entre sí determina el número de pares de polos del motor, y por tanto, su velocidad de rotación. El rotor. Es el elemento móvil del motor. Igual que el circuito magnético del estator, está constituido por un apilamiento de chapas finas aisladas entre sí y forman un cilindro claveteado alrededor del árbol o eje motor. Este elemento, por su tecnología, permite distinguir dos familias de motores asíncronos: uno, cuyo rotor se denomina «de jaula», y otro, cuyo rotor, bobinado, se denomina «de anillos».

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2.2.1.- Tipos de rotor. 2.2.1.1.- El rotor de jaula Existen varios tipos de rotor de jaula. Se citan estos motores empezando por los menos frecuentes: ·Rotor de jaula resistente. El rotor resistente suele ser de jaula simple. La jaula está cerrada por dos anillos resistentes (aleación especial, poca sección, anillos de acero inoxidable...). Estos motores, a par nominal, tienen un gran deslizamiento. Su par de arranque es elevado, y la corriente de arranque baja (Observar las curvas de par-velocidad). El rendimiento es bajo debido a las pérdidas en el rotor.

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Estos motores se utilizan principalmente en aplicaciones en las que es conveniente que exista deslizamiento para variar la velocidad en función del par, por ejemplo:

· en el caso de varios motores unidos mecánicamente entre los que debe quedar repartida la carga, como por ejemplo, los trenes de rodillos de una laminadora, o el arrastre de una grúa puente; · la función de enrollar-desenrollar con motores Alquist (Estos motores asíncronos moto-ventilados con un gran deslizamiento se utilizan para variación de velocidad; su corriente de calado es casi su corriente nominal y su característica de par-velocidad, es muy ancha. Con una alimentación variable se puede adaptar esta característica y ajustar el par motor en función de la tracción deseada), diseñados para este fin; necesidad de un gran par de arranque con una corriente de llamada limitada (polipastos o cintas transportadoras).

Puede variarse su velocidad cambiando la tensión, pero los convertidores de frecuencia van haciendo desaparecer esta aplicación. Aunque todos los motores son auto-ventilados, ciertos motores con rotor de caja resistente son moto-ventilados (motorización separada de su ventilador). · Rotor de jaula simple En los huecos o muescas dispuestas a lo largo del rotor (en la periferia del cilindro constituido por la pila de láminas) se colocan conductores conectados en cada extremo a una corona metálica; estos conductores desarrollan el par motor generado por el campo giratorio. Para que el par sea homogéneo, los conductores están ligeramente inclinados respecto al eje del motor.

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El conjunto tiene el aspecto de una jaula de ardilla, de ahí el nombre de este tipo de rotor. Generalmente, la jaula de ardilla está completamente moldeada (únicamente se fabrican estas jaulas insertando los conductores en las ranuras en el caso de motores muy grandes). El aluminio se inyecta a presión, y las aletas de refrigeración, colocadas en la misma operación, aseguran el cortocircuito de los conductores del rotor. Estos motores tienen un par de arranque relativamente bajo y la corriente de arranque es muy superior a la nominal (Observar las curvas de par-velocidad). Por el contrario, tienen un deslizamiento muy pequeño a par nominal. Se utilizan principalmente para grandes potencias para mejorar el rendimiento de las instalaciones con bombas y ventiladores. Se asocian también a los convertidores de frecuencia de velocidad variable, con lo que los problemas de par y de corriente de arranque quedan completamente resueltos. · Rotor de jaula doble. Consta de dos jaulas concéntricas, una exterior, de poca sección y gran resistencia y otra interior de mayor sección y menor resistencia. Al empezar el arranque, las corrientes rotóricas son de frecuencia elevada, y, por el efecto pelicular que se produce, la totalidad de la corriente rotórica circula por la periferia del rotor y por tanto por una sección reducida de conductores. Así, al principio del arranque, siendo todavía las corrientes de frecuencia elevada, la corriente no circula más que por la caja exterior. El par producido por la jaula exterior resistente es importante y con baja corriente de llamada (Observar las curvas de par-velocidad). Al final del arranque, la frecuencia en el rotor disminuye y resulta más fácil la circulación del flujo por la jaula interior. El motor se comporta entonces aparentemente como si hubiera sido construido como una única jaula de baja resistencia. En régimen permanente, la velocidad es solamente un poco menor que la de un motor de jaula simple. · Rotor de ranuras profundas Es la versión estándar. Los conductores rotóricos se moldean en las ranuras del rotor, que tienen forma trapezoidal, con el lado menor del trapecio situado hacia el exterior del rotor. El funcionamiento es similar al de un motor de doble jaula: la intensidad de corriente rotórica varía en función inversa de su frecuencia. Así: · al principio del arranque, el par es mayor y la corriente menor, · en régimen permanente, la velocidad es sensiblemente igual a la de un motor de jaula simple.

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2.2.1.2.-Motor de rotor bobinado (rotor con anillos). En las ranuras practicadas en la periferia del rotor se colocan unos bobinados idénticos a los del estator (observar la figura siguiente). Generalmente el rotor es trifásico.

Un extremo de cada uno de los arrollamientos se conecta a un punto común (conexión estrella). Los extremos libres pueden conectarse o a un conector centrífugo o a tres anillos de cobre, aislados y que giran solidarios con el rotor. Sobre estos anillos frotan unas escobillas, a base de grafito, conectadas al dispositivo de arranque.

En función del valor de las resistencias insertadas en el circuito rotórico, este tipo de motor puede desarrollar un par de arranque que llega hasta 2,5 veces el par nominal. La corriente de arranque es sensiblemente proporcional al par desarrollado en el eje del motor.

Esta solución deja paso progresivamente a los sistemas electrónicos asociados a motores de jaula estándar. En efecto, estos últimos permiten resolver los problemas de mantenimiento (sustitución de las escobillas de alimentación del rotor gastadas, y mantenimiento de las resistencias de arranque), reducir la energía disipada en las resistencias y mejorar de manera

importante el rendimiento de la instalación.

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2.3.- TENSIONES E INTENSIDADES EN EL ESTÁTOR DE LOS MOTORES TRIFÁSICOS. Todo bobinado trifásico se puede conectar en estrella (todos los finales conectados en un punto común, alimentando el sistema por los otros extremos libres) o bien en triángulo (conectando el final de cada fase al principio de la fase siguiente, alimentando el sistema por los puntos de unión), como se puede apreciar en la Figura. En la conexión estrella, la intensidad que recorre cada fase coincide con la intensidad de línea, mientras que la tensión que se aplica a cada fase es 3 menor que la tensión de línea. En la conexión triángulo la intensidad que recorre cada fase es 3 menor que la intensidad de línea, mientras que la tensión a la que queda sometida cada fase coincide con la tensión de línea.

2.4.- MÉTODOS DE ARRANQUE DE MOTORES DE CA

Arranque directo

Se trata de un sistema de arranque en un único tiempo. Es el más usado en motores eléctricos

que accionan bombas de pequeña potencia. El bobinado del motor se conecta directamente a

la red.

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El motor arranca con sus características normales con una fuerte punta de intensidad. Esta

punta puede llegar a ser hasta 8 veces la intensidad nominal. El par inicial de arranque puede

llegar a ser del 1,5 veces el nominal, lo cual ocurre al 80% de la velocidad nominal

El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT) en su instrucción ITC-BT-47 regula la relación que debe existir entre las intensidades de arranque y plena carga de los motores alimentados desde una red pública de alimentación en función de su potencia. De dicha relación de proporcionalidad (véase la Tabla) se desprende que los motores de potencias superiores a 0,75 kW que no cumplan la relación de intensidades expuesta en la tabla, han de disponer de un sistema de arranque que disminuya esa relación.

La intensidad en el momento del arranque de motores que no cumpla esta relación puede hacer que salten las protecciones o bien perjudicar las líneas que los alimentan. Para evitar estos inconvenientes se disminuye la tensión en el periodo de arranque y con ello la intensidad, y una vez alcanzada la velocidad de régimen se conecta el motor a su tensión nominal, con lo que se logra amortiguar la intensidad de arranque.

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Arranque estrella-triangulo

Este arranque sólo puede ser aplicado a los motores donde los dos extremos de los tres

devanados del estator son accesibles. El procedimiento consiste en arrancar el motor

conectando sus devanados en estrella y cuando a adquirido el 80% de su velocidad nominal

(máximo par, corriente cercana a la nominal) se conectan los devanados en triángulo. El paso

de una a otra configuración es determinado por un temporizador incorporado al circuito de

maniobra. Mientras el motor está conectado en estrella la tensión de alimentación se reduce a

1/√3 (al 57,7%). El par se reduce con el cuadrado de la tensión (al 50%) y es igual al tercio

del par proporcionado por un motor en arranque directo. La intensidad disminuye. Es decir

reducimos la intensidad en detrimento del par de arranque.

Este arranque es indicado para máquinas que arranque en vacío o tengan un par resistente

pequeño. Hay que señalar en el paso de estrella a triangulo se produce la apertura de los

contactos del contactor, produciéndose un transitorio debido a la característica inductiva de

los devanados. Este transitorio se refleja en una punta de corta duración de intensidad muy

elevada.

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Arranque por autotransformador

El motor se alimenta por una tensión reducida mediante un autotransformador, el cual se pone

fuera de servicio cuando el arranque se termina. Esta forma de arranque es utilizada sobre

todo para los motores de gran potencia, con relación al arranque estatórico permite obtener un

par más elevado con una punta de intensidad menor.

Arranque con resistencias en serie con el bobinado del estátor

Es un procedimiento poco empleado que consiste en disponer un reóstato variable en serie con el bobinado estatórico. La puesta en marcha se hace con el reóstato al máximo de resistencia y se va disminuyendo hasta que el motor queda conectado a la tensión de red. Su representación de forma esquemática se puede apreciar en la Figura

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Arrancador estático

El arrancador estático consiste, básicamente, en un convertidor estático, alterna-alterna,

generalmente tiristores, que permiten el arranque de C.A. con aplicación progresiva de

tensión, con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque.

El arrancador estático se divide en dos partes: el circuito de potencia y el circuito de

regulación (y maniobra). Al poner en servicio el equipo, los tiristores dejan pasar la corriente

que alimentan el motor de acuerdo con la programación realizada sobre el circuito de

maniobra, que irá aumentando progresivamente hasta alcanzar el valor nominal de la tensión

de servicio.

La posibilidad del arranque progresivo también se puede dar en sentido contrario, durante la

parada del motor, de tal manera que se vaya reduciendo la tensión a un 60% del valor

nominal, y en ese momento hacer el paro.

Variador de frecuencia

En los motores asíncronos de corriente alterna la velocidad de giro no depende de la tensión

de alimentación sino de la frecuencia de la red. Los variadores de frecuencia (velocidad),

tienen como misión variar la frecuencia de la corriente de alimentación.

Se realizan basándose en tiristores que forman contactores estáticos. Se configura con un

convertidor alterna/continua y un convertidor continua/alterna de velocidad variable entre 0

Hz y la frecuencia de red.

El variador de frecuencia permite la variación de velocidad total desde 0 rpm a la velocidad

nominal del motor a par constante. Su rendimiento es alto, y permite un factor de potencia

aproximadamente de 1. Permite la ausencia de sobreintensidades por transitorios. Hace

innecesario elementos de protección del motor.

Todos los variadores de frecuencia modernos cuentan con las siguientes partes principales:

- Circuito Rectificador. Recibe la tensión alterna y la convierte en continua por medio

de un puente rectificador de diodos o tiristores.

- Circuito intermedio. Consiste en un circuito LC cuya función principal es suavizar el

rizado de la tensión rectificada y reducir la emisión de armónicos hacia la red.

- Inversor. Convierte el voltaje continuo del circuito

intermedio en uno de tensión y frecuencia variable mediante la

generación de pulsos. Los variadores modernos emplean IGBT

(Isolated Gate Bipolar 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 de tensión y frecuencia

variables. Además, realiza las funciones de supervisión de

funcionamiento monitoreando la corriente, voltaje, temperatura,

etc. con teclados e interfaces amigables de fácil empleo.

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Los variadores de frecuencia más empleados son los PWM (Modulación de Ancho de Pulsos)

que emplean en el circuito de entrada puente de diodos rectificadores. En el circuito

intermedio poseen condensadores y bobinas para disminuir el rizado del voltaje rectificado,

además las bobinas ayudan a disminuir el contenido armónico de la corriente generada por el

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

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

la desventaja de ocupar más espacio, generar una caída de tensión mayor y disminuir la

eficiencia del variador.

Los variadores requieren de señales de control para su arranque, parada y variación de

velocidad; así como enviar señales de referencia a otros dispositivos como PLC u otros

variadores. Es importante que estas señales estén aisladas galvánicamente para evitar daños

en los sensores o controles y evitar la introducción de ruido en el sistema de control.

Los variadores de frecuencia ofrecen una excelente alternativa de automatización de sistemas

y control de energía en todo tipo de aplicaciones. Su empleo se ha incrementado

enormemente en los últimos 10 años por los grandes beneficios que ofrece en el ahorro de

energía, costos operativos y de mantenimiento. Además, si tenemos en cuenta que más del

60% de la energía eléctrica que se produce se consume en motores eléctricos, las aplicaciones

potenciales de los variadores de frecuencia son enormes.

Lo más importante para determinar si es factible el empleo de un variador de frecuencia, es

tener un profundo conocimiento del proceso a ser controlado; así como conocer las ventajas y

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

multidisciplinario que debe involucrar tanto a Ingenieros de Producción, de Proceso,

Mantenimiento mecánico, eléctrico y electrónico, Instrumentistas, etc. iniciado por un deseo

de obtener una ventaja de calidad y economía. Colocar un variador de frecuencia es hacer a

un motor eléctrico "inteligente".

Ventajas de uso del variador (frente al resto de arranques):

Ventajas:

- Evita picos o puntas de intensidad en los arranques del motor. (Muy pronunciados en el arranque directo, en estrella-triángulo y medios con arrancadores progresivos). - El par se controla totalmente a cualquier velocidad, lo que evita saltos o bloqueos del motor ante la carga. (En un arrancador progresivo la regulación del par es difícil, ya que se basa en valores de tensión inicial). - No tiene factor de potencia (cos φ = 1), lo que evita el uso de baterías de condensadores y el consumo de energía reactiva (ahorro económico). - Comunicación mediante bus industrial, lo que permite conocer en tiempo real el estado del variador y el motor, así como el historial de fallos (facilita el mantenimiento). - Los arranques y paradas son controlados, y suaves, sin movimientos bruscos. - Protege completamente el motor, el variador y la línea. - El consumo energético se adapta a la exigencia del motor (ahorro de energía).

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- Mediante contactores externos de bypass (puente) se puede utilizar un solo variador para el control secuencial de varios motores, tanto en arranque como en parada.

Desventajas:

- La instalación, programación y mantenimiento, debe ser realizada por personal cualificado. derivar ruidos e interferencias en la red eléctrica, que podrían afectar a otros elementos electrónicos cercanos. - Para aplicaciones sencillas puede suponer mayor inversión, que un sistema simple (contactor-guardamotor), si bien a la larga se amortiza el gasto suplementario, por el ahorro energético y de potencia reactiva que aporta el variador. - Las averías del variador, no se pueden reparar in situ (hay que enviarlos a la casa o servicio técnico). Mientras tanto debe disponerse de otro variador equivalente, o dejar la instalación sin funcionamiento.

2.4.- VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD EN EL MOTOR ASÍNCRONO.

Como se vio anteriormente, la velocidad del rotor de inducción, en revoluciones por minuto

(r.p.m.) viene expresado por la ecuación:

1

1

1

11

)1(60

60

n

nnS

Sp

fn

p

fn

de donde se deduce que variando el deslizamiento (S), la frecuencia (f1) o el número de pares

de polos (p) se consigue variar la velocidad del motor.

Resumiendo los métodos de regulación de velocidad de los motores asíncronos pueden ser

agrupados en :

· Regulación por variación del número de polos.

· Regulación por variación de las magnitudes del estator.

· Regulación por variación de las magnitudes del rotor.

2.5.- CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR DE INDUCCION.

Para comprender mejor el funcionamiento de este tipo de motores necesitamos la relación corriente-par frente a velocidad:

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Podemos ver que el par entregado en el arranque, cuando la velocidad es nula, es alrededor de 1.5 veces el par nominal. A medida que la velocidad aumenta, este par llega a alcanzar un máximo de 2.5 veces el par nominal para luego anularse a la velocidad de sincronismo. Podemos ver que el par máximo se da al 80% de la velocidad nominal. Si nos interesara obtener este par desde el arranque hasta la velocidad máxima podemos hacerlo variando la frecuencia de alimentación, como podemos ver en la siguiente figura:

Vemos que esta característica podemos mantenerla hasta los 50Hz, momento en que el par disponible comienza a disminuir (debido a la reducción de la corriente magnetizante).

2.6.- TIPOS DE CARGA. Este es un aspecto importante a la hora de elegir el motor y el variador de frecuencia adecuado. En concreto nos interesan las cargas activas (aquellas que producen una fuerza resistente a su movimiento). En relación a la característica par-velocidad, tenemos varios tipos de funcionamiento.

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2.6.1.- Funcionamiento a par constante. En éste caso, las características de la carga en estado estacionario son tales que el par requerido es más o menos el mismo, independientemente de la velocidad. Como ejemplo, las cintas transportadoras funcionan de este modo. A veces es necesario que se aplique un gran par de arranque (1.5 veces el nominal) para superar la fricción y acelerar la máquina. La curva típica de este modo de funcionamiento la podemos ver en la siguiente figura:

2.6.2.- Funcionamiento a par variable (par se incrementa con la velocidad). Las características de la carga implican que el par requerido aumenta con la velocidad. Para arrancadores de este tipo no es necesario un par tan grande como en el caso anterior (1.2 veces el par nominal es suficiente). Podemos distinguir varios casos en función de la forma de incrementar el par: · Par aumenta linealmente con la velocidad.

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· Par aumenta cuadráticamente con la velocidad.

Un ejemplo para este caso pueden ser las bombas y ventiladores. 2.6.3.- Funcionamiento a par variable ( par se reduce con la velocidad). Para algunas máquinas, el par requerido se reduce cuando la velocidad aumenta. Este modo se caracteriza por trabajar a potencia constante cuando el motor proporciona un par inversamente proporcional a la velocidad angular. El rango de funcionamiento está limitado, a bajas velocidades, por la corriente que puede recibir el motor, y a altas velocidades por el par que puede proporcionar.

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3.- VARIADOR DE FRECUENCIA.

Teniendo en cuenta la expresión de la velocidad síncrona del motor, vemos que tenemos la posibilidad de controlar la velocidad del motor variando la frecuencia, la tensión de alimentación, cambiando el número de polos y cambiando el deslizamiento. El método más sencillo y usado hasta ahora es el de variar la frecuencia de alimentación del motor. Como ventajas dentro del control por variación de la frecuencia de alimentación podemos destacar el amplio rango de velocidades que podemos usar, con su máximo par, de este modo se obtiene un buen rendimiento. Además podemos usarlo para arrancar y frenar motores, el cual es un momento crítico para el motor debido a las altas corrientes que circulan por él. Además es muy beneficioso el uso de este método de cara al ahorro de energía, dado que solo usamos la potencia necesaria en cada momento. Por estos motivos, está totalmente extendido el uso de variadores de frecuencia en la industria y es usada como primera opción a la hora de controlar un motor. 3.1.- DEFINICIONES Y PARTES DEL VARIADOR. Variadores de frecuencia: se trata de dispositivos electrónicos, que permiten el control completo de motores eléctricos de inducción de c.a. (variación de la frecuencia); los motores más utilizados son los de motor trifásico de inducción y rotor sin bobinar (jaula de ardilla). Su esquema básico corresponde a la siguiente figura:

Respecto a los elementos externos al variador podríamos considerar los siguientes elementos:

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Red de suministro: acometida de c.a., monofásica en aparatos para motores pequeños de hasta 1,5 kw (2 C.V. aprox), y trifásica, para motores de más potencia, hasta valores de 630 kw o más. Entradas y salidas (E/S ó I/O): diferentes conexiones de entradas y salidas de control; pueden ser digitales tipo todo o nada (contactos, pulsadores, conmutadores, contactos de relé…) o analógicas mediante valores de tensión (0…10 V o similares) e intensidad (4…20 mA o similares). Además puede incluir terminales de alarma, avería, etc. Comunicaciones: estos dispositivos pueden integrarse en redes industriales, por lo que disponen de un puerto de comunicaciones, por ejemplo RS-232, RS-485, red LAN, buses industriales (ProfiBus…) o conexiones tipo RJ-45 o USB para terminales externos y ordenadores. 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. Salida: conexión al motor, generalmente de tres hilos (U-V-W) para conexión directa en triángulo o estrella según la tensión del motor. Partes que componen un variador:

1.- Rectificador: partiendo de la red de suministro de C.A., monofásica o trifásica, se obtiene c.c. mediante diodos rectificadores. La función del rectificador es convertir la señal de voltaje de alimentación de CA a CD y controlar el voltaje que llega al inversor. Los más usados son:

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Vemos que cada tipo de rectificador tiene diferentes características y posibilidades a la hora de usar el inversor posteriormente. En la actualidad el rectificador más usado es el puente de diodos aunque también podemos encontrar los rectificadores controlados en algunos equipos más complejos. Entre el rectificador y el inversor se usa un bus de continua, que no es más que un circuito LC, para almacenar y filtrar la señal rectificada y así obtener un valor de tensión continua estable. 2.- 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 continua estable, y reserva de energía suficiente para proporcionar la intensidad requerida por el motor. 3.- Etapa de salida: desde la tensión del bus de continua, 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… etc. 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. Transforma la tensión continua que recibe del bus de continua en otra tensión y frecuencia variables usando pulsos. Vamos a describir los dos inversores más usados. Inversor de seis pasos: Para variar la frecuencia de la señal de alimentación al motor se ajusta el tiempo de conducción de los SCR´s para cada uno de los seis pasos, modificando el tiempo de ciclo.

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Cuando se usan SCR’s en el inversor, se utilizan circuitos complejos de conmutación que no se muestran en la figura y que incluye la lógica de disparo y componentes adicionales de potencia para apagarlos. Esta complejidad se reduce cuando se utilizan IGBT’s (Transistor Bipolar de Puerta Aislada) como interruptores de potencia, como es el caso del siguiente inversor. Inversor PWM: El inversor consiste de seis IGBT’s que se encienden y apagan en una secuencia tal que producen un voltaje en forma de pulsos cuadrados que alimentan al motor.

Para variar la frecuencia del motor, el número de pulsos y su ancho se ajustan resultando en un tiempo de ciclo mayor para bajar la velocidad o tiempo de ciclo menor para subir la velocidad. Para cada frecuencia específica hay un número óptimo de pulsos y anchos que producen la menor distorsión armónica en la corriente que se aproxime a la señal senoidal.

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Además existe una etapa de control que es la encargada de activar o desactivar los IGBTs para crear la señal de salida deseada. También tiene funciones de vigilancia de un correcto funcionamiento y monitorización de tensiones, corriente... La frecuencia portadora de los IGBT se encuentra entre 2 a 16 kHz. Una portadora con alta frecuencia reduce el ruido acústico del motor pero disminuye el rendimiento. Por otra parte, los IGBT´s generan mayor calor. Las señales de control para arranque, parada y variación de velocidad están aisladas galvánicamente para evitar daños en sensores o controles y evitar ruidos en la etapa de control. 4.- 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. 3.2.- CONCEPTOS BÁSICOS DE LOS VARIADORES PARA CONTROL DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES TRIFÁSICOS. En la figura siguiente se puede observar la relación entre el par (torque), y la velocidad de un motor trifásico asíncrono;

Para poder modificar la velocidad de un motor es necesario considerar que:

1º.- Si se reduce la frecuencia, es necesario reducir la tensión o de lo contrario el flujo magnético será demasiado elevado y el motor se saturará. Por tal motivo también es necesario controlar la tensión. 2º.- Si se eleva la frecuencia por encima del valor nominal del motor, se necesitaría más tensión de la normal para mantener el flujo; usualmente esto es imposible por la

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limitación de tensión de la fuente. Por ello, es que existe menos torque disponible sobre la velocidad nominal del motor.

3º.- Por lo tanto, para poder controlar la velocidad de un motor de CA estándar es necesario controlar la frecuencia y tensión aplicadas. A pesar de que es difícil controlar la tensión y las frecuencias a potencias elevadas, el uso de un motor de inducción estándar permite un sistema de control de velocidad a un costo razonable.

3.2.1.- Características de velocidad. Velocidad (n): 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:

La velocidad real de giro siempre es menor que la expresada, al ser motores asíncronos. La diferencia entre nSINCRONA y nASÍNCRONA, se denomina deslizamiento, (σ ó s) que se expresa en porcentaje de rpm o en valor absoluto:

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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:

Sobre-velocidad: 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. La curva de par, para velocidad de trabajo mayor de la nominal, disminuye, de manera que con velocidad doble (200%) el par 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.

3.2.2.- Características de tensión. Tensión de arranque inicial: en el arranque de un motor con carga, es necesario aplicar un cierto par inicial mínimo, para garantizar que el motor empiece a girar. Esto se consigue, iniciando la marcha con un valor de tensión determinado UINI, de acuerdo a las relaciones (U/f) y TINI:

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La variación del par debe ser cuidadosa, para no exceder las características del motor ni sobrecargar el propio variador, especialmente en el arranque, ya que podría circular una intensidad de corriente elevada, y eso no lo permite el variador. Cuando el motor gira en las dos direcciones, el control del par puede ser igualmente importante, como por ejemplo un montacargas en subida y bajada con carga. En el primer caso, el control del par permite el arranque e inicio de la marcha, y en el segundo, hace la función de retención de la carga evitando la aceleración excesiva del motor en la caída. (En cualquier caso, el variador no puede realizar las funciones de freno-motor; debiéndose instalar un freno-motor, de retención mecánica tipo magnético, disco, zapata, etc.) 3.2.3.- Características de par. Par transmitido por el eje (par motriz): la fuerza de tracción del motor a través del eje, depende principalmente de las expresiones siguientes:

donde: T = par motriz (tam bién suele usarse M o Mm) K y 9550 = constantes U = tensión aplicada al inductor (estator) f = frecuencia en Hz P = potencia del motor en kW n = velocidad (real) de giro del motor en rpm Por otro lado, el flujo magnético en los polos del motor (Ф), depende de la tensión:

Es decir, el par 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:

El factor U/f tiene especial importancia en la forma de configurar un variador, ya que de ahí dependerá el par motriz desarrollado por el motor, sin importar la velocidad de giro.

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Además, de la primera expresión de T, vemos que el par es proporcional a U2, de manera que si U/f es constante, el par dependerá de manera directa de la tensión: T - U2 Ejemplo de curvas par-velocidad para par constante:

Par de carga constante: T=cte; se da en sistemas que tienen siempre (o aproximadamente) el mismo par resistente, como molinos, bombas de pistón, transportadoras en carga (cintas, elevadores, sinfines…). Las curvas de par velocidad (teórica y real) pueden ser las siguientes:

En el arranque (real) puede ser necesario un sobre par para vencer la fuerza de rozamiento del sistema, parado con carga. (El sobre par debe programarse de acuerdo a las necesidades y posibilidades del variador, ya que puede incrementar excesivamente el valor de IN). La potencia necesaria aumenta proporcionalmente a la velocidad, por lo que se produce una aceleración lineal hasta lograr la velocidad nominal o de trabajo.

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Par de carga cuadrático: T - n2 ; el par es proporcional al cuadrado de la velocidad. Es decir, inicialmente muy bajo, va creciendo de forma cuadrática al aumentar la velocidad. Esta característica se da en ventiladores, motores de bombas centrífugas, etc.

Potencia constante: (P = M·ω -> cte); al contrario que antes, el par disminuye al aumentar la velocidad, para mantener la potencia constante. Este tipo de demanda, se da en máquinas herramienta (corte), bobinadoras, laminación, etc. A veces se aprovechan las características de sobre-velocidad para mejorar las posibilidades del proceso, si el par necesario no es alto.

3.2.4.- Otros parámetros y características. Variación de la frecuencia tipo S y doble S: se combina una variación proporcional-lineal en 1 ó dos pasos, de modo que primero la frecuencia de salida aumenta de forma progresiva, y después de manera más rápida. El punto de inflexión de la “s” se da la máxima aceleración:

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Golpe de ariete: se da en sistemas de elevación de agua o fluidos, mediante bombas. Si durante la marcha normal, se produce el paro repentino del motor (electrobomba), la columna de agua o fluido en ascenso, tiende a “caer”, comprimiendo al resto de fluido del tubo y produciendo un efecto de compresión-expansión (tipo yo-yo) que puede deformar o agrietar el tubo o los componentes. La manera de evitarlo mediante un variador, es aplicando un arranque y parada controlados (aceleración-deceleración lineales) para que la presión ejercida sobre la columna de fluido, varié suavemente. En caso de avería, falta de tensión o parada inesperada, es conveniente que el sistema disponga de otros tipos de protección de seguridad (válvulas de asiento o similares). Protección del motor y variador: - Los variadores proporcionan un valor de intensidad nominal IN en condiciones de trabajo normales, y permiten una cierta sobrecarga de breve duración. No se producen picos o puntas de arranque elevadas. (Consultar la documentación del variador).

Se incluyen las funciones del relé térmico de sobrecarga y propias del variador: falta de fase, temperatura interna, frenado, ventilador… etc. (Configurables). - Dispone de señales de alarma (contactos o salidas analógicas), y detecta los fallos de fase, inversión, sobre tensión… etc. - Externamente, es necesario instalar junto al variador un interruptor automático magnético, apropiado a la intensidad nominal a manejar. En los manuales del variador se indica el calibre de la protección, incluidos los fusibles, si se usaran. - El variador dispone de toma de tierra. Esta toma de tierra, no debe estar en contacto con bornes comunes de las entradas o salidas, analógicas y/o digitales.

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Temperatura de trabajo del motor: - Los motores llevan incorporado un ventilador, que refrigera al motor en condiciones normales; al estar instalado en el propio rotor, el ventilador gira a su velocidad; cuando mediante el variador, el motor gira velocidades reducidas, el ventilador pierde eficacia, y en consecuencia, la temperatura del motor puede aumentar excesivamente:

Cuando la relación par-velocidad se mantiene dentro de la zona 1, la temperatura del motor permanece en valores aceptables; en cambio cuando se le hace trabajar en la zona 2 (par de trabajo mayor del 50%) la temperatura aumenta y debe haber refrigeración suplementaria desde el exterior. - Algunos motores disponen en su interior de sondas de temperatura (resistencias PTC o similares), que pueden ser usadas con el variador en combinación de los sistemas de detección adecuados, para una protección total del motor. - Por otro lado, en caso de sobre velocidad, el ventilador interno del motor no es eficaz, ya que aumenta la resistencia por rozamiento con el aire, y tiende a provocar un sobreesfuerzo del propio motor, de manera que se necesitaría refrigeración externa. Frenado: el frenado del motor, consiste en el descenso controlado de su velocidad, reduciendo la frecuencia aplicada. Se establece en unidades de tiempo, teniendo en cuenta que el par aplicado, sea constante o variable. Algunos casos de frenado:

- Rampa lineal de parada: se ajusta el tiempo (en s) que debe durar la parada. Generalmente válido a motores con poca carga resistente a la velocidad (detención sin carga resistente o poca inercia). - Frenado regenerativo: la inercia de la carga, tiende a hacer girar el motor más rápido que la frecuencia establecida por el variador (velocidad hipersíncrona), por lo que el motor actúa como generador. La energía que retorna al variador, se disipa mediante una resistencia o un dispositivo de frenado externo (no incluido con el variador). En sistemas de gran potencia (tren, grandes grúas de pórtico…), este efecto puede aprovecharse para recuperar parte de la energía, que es devuelta a la red, mediante variadores específicos con recuperación.

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- Inyección de c.c.: el variador, puede inyectar durante un breve periodo de tiempo, cierto valor de c.c., que provoca el frenado rápido del motor. El bloqueo inesperado del motor (por bloqueo del rotor o fuerte sobrecarga), provocará una intensidad muy elevada, y la parada por sobrecarga del variador, con la activación de alarmas. El restablecimiento podrá ser manual o automático (según programación). El frenado o bloqueo del motor una vez parado, debe conseguirse mediante otro procedimiento externo al variador: freno magnético, zapata, disco, etc.

Sentido de giro: el variador puede hacer girar el motor en ambos sentidos; inicialmente si se conecta la secuencia L1-L2-L3 en fase al motor, girará a la derecha; algunos variadores disponen de entradas por contacto (todo-nada) para seleccionar el sentido (STF = start fordward, STR = start reverse). También puede hacerse mediante programación, o control externo, sea por pulsadores, autómata, analógico… etc. El cambio de sentido nunca será brusco, sino mediante rampas de deceleración, parada y aceleración controladas. Señales de salida (formas de onda): El variador produce tres fases de salida, mediante “troceado” de la continua; para eso se usan transistores o dispositivos de potencia que actuando como interruptores, generan las señales de salida, con valores de tensión y frecuencia variables, según la regulación:

Los diferentes pulsos de la salida, son fragmentos de onda rectangular, (con valores positivos y negativos respecto al eje), generan una señal equivalente o tensión eficaz, de forma senoidal; análogamente la intensidad eficaz es casi senoidal. Las frecuencias del troceado se pueden ajustar, para reducir ruidos e interferencias producidas por motor y variador. Las casas comerciales suministran, como opción, filtros que pueden instalarse entre en variador y la red de suministro, para evitar que las señales de ruido puedan salir a la red y afecten a otros aparatos.

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3.3.- TIPOS DE CONFIGURACIÓN DEL VARIADOR. PARAMETROS. TIPOS DE CONTROL. Para el correcto manejo de los variadores es necesario utilizar el esquema de conexión para identificar los bornes según el modo de funcionamiento descrito a continuación: (Ejemplo conexiones del MICROMASTER).

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Manejo y configuración: - Manual en el propio variador: dispone de una pequeña pantalla (display) y teclas de operación (PU = programming unit), que permiten acceder a diferentes menús de configuración, establecer valores o modos de funcionamiento, etc. Muchos parámetros solo pueden configurarse o modificarse, con el motor parado. - Consola de configuración: es un dispositivo auxiliar, dotado de pantalla y teclado, que permite acceder a todas las funciones del variador. La consola se conecta al variador mediante una toma propia o de comunicación (RJ45, RS485, USB…), una vez realizada la programación, se desconecta y el variador queda configurado para trabajo autónomo. - Operación fija externa (EXT): se configuran determinadas entradas y salidas, y se instalan en el armario pulsadores, interruptores, selectores o potenciómetros para activar funciones fijas (marcha, paro, velocidades …) configuradas internamente. Así el operador o técnico responsable, no accede al variador, sino a los controles externos. - Panel de operador: consiste en una pantalla (alfanumérica o gráfica) tipo táctil, que enlazada con el variador, permite su control total o parcial, de acuerdo a la programación establecida. Por otro lado, en funcionamiento normal, algunos tipos de panel gráfico, pueden ofrecer determinada información, velocidad, par, intensidad o mostrar figuras, diagramas del sistema, etc. (Depende del sistema y especialmente de las comunicaciones y software) - Mediante bus industrial: el variador puede estar conectado a un bus industrial (similar a una red). De manera remota, un ordenador puede ejercer el control, y monitorear las condiciones de trabajo normales y de avería. Se evita la necesidad de un operario que lo manipule y se integra en el proceso industrial de manera automática. El software de control y programación, suele ser facilitado por el fabricante del variador, y en general será

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compatible, con los buses industriales más utilizados (Profibus…etc.), o sistemas de control automatizado, tipo SCADA. De acuerdo con la marca y modelo de variador, los menús y funciones de configuración que presenta, pueden ser:

Funciones con valores de configuración.

Parámetros numerados, en lugar de nombres de función, a los que se asigna un valor.

Inicialmente, el variador viene configurado con todos los parámetros de fábrica o por defecto, que es necesario revisar antes de la puesta en marcha de una aplicación. Existe la posibilidad de volver de nuevo a los valores de fábrica, en caso de error de configuración o reinicio del variador. Funciones o parámetros más importantes:

- Red de suministro de alimentación. Potencia del variador. - Señales de salida: tensión e intensidad adecuada al motor. - Frecuencias de salida mínima y máxima. - Tiempo de aceleración y de parada. - Control del par inicial. - Protección térmica. Intensidad nominal, sobrecarga y rearme. - Visualización: indicaciones de la pantalla (frecuencia, intensidad, etc.) - Señales de alarma y monitoreo - Entradas/Salidas de control (todo o nada y analógicas) - Elementos de control (pulsadores, terminales, potenciómetro…) - Funciones avanzadas - Ajuste de características del motor (auto tune) - Control de par - Calibración - Borrado y reinicio de funciones y parámetros - Comunicaciones - Control mediante bucle PI, PID, etc. - Operación sobre varios motores

Regulación en lazo abierto o cerrado: El conjunto variador-motor, se conectan directamente, y el propio variador, basándose en las señales que recibe (intensidad, fases, velocidad, respuesta del motor…) regula todo el proceso según los parámetros fijados. Otra forma de control, es tomando una muestra real del motor (mediante captadores tipo encoder o similares) y realizar el control mediante lazo o bucle cerrado tipo PI, PID etc., que se denomina servosistema:

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3.4.-SELECCIÓN DE UN VARIADOR DE FRECUENCIA. Con frecuencia la selección de un accionamiento resulta poco complicada debido a que el motor ya se encuentra instalado y el requerimiento del rango de velocidad no es excesivo. Sin embargo, cuando se selecciona un sistema de accionamiento en base a fundamentos la consideración cuidadosa de los mismos puede evitar problemas durante su instalación y operación, y también producir ahorros significativos en el costo. Consideraciones Generales: · Verificar el rango de corriente tanto del VFD, como del motor. El rango de potencia solamente sirve como una guía aproximada. · Verificar que se haya seleccionado la tensión de operación correcta. Con entrada trifásica de 230V los variadores operarán con alimentación monofásica o trifásica (excepto para 4 kW); los variadores de de 400V únicamente operarán con una alimentación trifásica. En algunas ocasiones, las unidades con entrada monofásica pueden ser una opción más económica, pero se debe tener en cuenta que las unidades de 230V se dañarán si son operadas a 400V. · Verificar el rango de velocidad requerido. La operación sobre frecuencia nominal (50 ó 60 Hz) solamente es posible con un descenso en el torque del motor. La operación a baja frecuencia y alto torque puede ocasionar el sobrecalentamiento del motor debido a la falta de ventilación. · Los motores síncronos requieren factor de corrección que usualmente es de 2 a 3 veces. Lo anterior se debe al factor de potencia y por consiguiente, la corriente puede ser muy alta a baja frecuencia. · Verificar el funcionamiento con sobrecarga. El Variador limitará muy rápidamente la corriente a 150 ó 200% de la corriente nominal; un motor estándar de velocidad fija aceptará estas sobrecargas. Límites de Tensión: Los Variadores están diseñados para operar en un amplio rango de tensiones como sigue:

208 - 240 V +/- 10%, es decir 187-264V 380 - 500 V +/- 10%, es decir 342-550V 525 - 575 V +/- 10%, es decir 472-633V

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Armónicos de Baja Frecuencia: El VFD transforma el suministro de CA en CC a través de un puente con diodos rectificadores sin control. La tensión en el circuito intermedio es cercana a la tensión máxima del suministro de CA por lo que los diodos solamente conducen durante un breve período en el pico de la forma de onda de CA. Por lo tanto, la forma de onda de la corriente posee un valor RMS relativamente elevado mientras que la corriente fluye desde la fuente durante un breve lapso.

Lo anterior significa que la forma de onda de la corriente está compuesta por una serie de armónicos de baja frecuencia y esto a su vez, dependiendo de la impedancia del suministro, puede ocasionar una distorsión armónica en la tensión. En algunas ocasiones, es necesario evaluar estos armónicos para garantizar que no se excedan niveles que ocasionen, por ejemplo, grandes pérdidas en transformadores o interferencia con otros equipos. En cualquier caso, al momento seleccionar el cableado y equipo de protección se deben tomar en cuenta estos elevados niveles RMS. A continuación ilustramos algunos niveles medidos de armónicos.

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Limitaciones del Motor: La velocidad del motor está determinada principalmente por la frecuencia aplicada. La velocidad del motor disminuye un poco conforme la carga y con ello deslizamiento aumenta. Si la carga es demasiada, el motor excederá el torque máximo y perderá velocidad o se detendrá. La mayoría de los motores y variadores operarán al 150% de la carga durante un lapso breve, por ejemplo, 60 segundos. Generalmente, el motor es enfriado mediante un ventilador integrado que opera a la velocidad del motor. Dicho ventilador está diseñado para enfriar el motor con carga máxima y a velocidad nominal. Si un motor opera a una frecuencia más baja y torque máximo (es decir, corriente elevada), el enfriamiento puede ser inadecuado. Los fabricantes de los motores proporcionan la información necesaria sobre la aplicación del factor de corrección, pero una curva típica de la corrección que imitaría el torque de salida al 75% a una frecuencia de cero, alcanzando el torque nominal a 50% de la velocidad de placa (ver diagrama). Se debe asegurar que no se excedan dichos límites por períodos prolongados durante una operación.

En el caso del variador SIEMENS MICROMASTER podríamos considerar el uso de la función I2t para ayudar a proteger el motor, parámetro (P074), o considerar el uso de un motor con una protección integrada como un PTC. Debido a las limitaciones de los rodamientos, la operación a alta velocidad de los motores estándar de dos polos generalmente se limita al doble de la velocidad nominal de operación (es decir, hasta 6000 ó 7200 rpm). Sin embargo, dado el debilitamiento de campo sobre velocidad nominal del motor (ya que la tensión de salida se limita a aproximadamente la tensión de entrada), se reduce la velocidad máxima antes mencionada y el torque máximo también caerá en proporción inversa a la velocidad.

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No obstante, si la configuración del VARIADOR es la correcta, cuando se conecta un motor, en triángulo y se opera con un VFD de mayor tensión, se puede obtener un torque máximo de hasta 1.7 veces la frecuencia nominal. Los parámetros del motor para obtener la curva correcta de tensión/frecuencia son los siguientes:

P081= 87 P084= 400 (o de acuerdo con la alimentación).

3.5.- INSTALACION TIPICA.

Fuente: La alimentación puede ser monofásica o trifásica dependiendo del tipo de variador de frecuencia. Interruptor magnétotermicos o fusibles: La capacidad de protección se basa en la corriente de entrada. La corriente de entrada es mayor que la corriente de salida debido a que el factor de forma de la corriente es elevado. No se recomienda el uso de magnéticotérmicos de acción rápida o fusibles para semiconductor. Contactor: Posiblemente sea necesario el uso de un contactor con parada de emergencia tanto para control auxiliar, como para aislamiento de seguridad. El contactor no debe utilizarse como un medio de parada/arranque. Lo anterior producirá desgaste innecesario en el contactor y siempre habrá un ligero retardo al momento que se inicialice el variador. Utilizar las terminales o botones de control para dicho propósito. No está permitido el uso del control de Operación/Parada del VFD como una función de parada de emergencia. No se recomienda intercalar un contactor entre la salida del VFD y el motor. Motor: De acuerdo con lo ilustrado en los diagramas anteriores, la mayoría de los motores, en particular a bajas potencias, están diseñados para operar a tensiones de 230 V o 400V. La tensión se selecciona generalmente arreglando las terminales del motor adecuadamente.

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Las instrucciones para la conexión a 230V (triángulo) o 400V (estrella o triángulo, según la potencia del motor) por lo general vienen en la tapa de la caja de terminales. Es claro que un VARIADOR con una entrada monofásica o trifásica de baja tensión producirá una salida trifásica de baja tensión y el motor deberá conectarse en forma correspondiente. 3.6.- PRIMER ENCENDIDO. (VARIADOR MICROMASTER . SIEMENS). Conectar a la red el variador. La pantalla deberá iluminarse y parpadear 0.0, 5.0. Cuando el VARIADOR se detiene, la pantalla parpadeará entre 0.0 y la frecuencia a la que operará cuando sea arrancado (el valor de referencia). En este momento ya se pueden configurar los parámetros correctos para el motor. Los parámetros P080 a P085 deben modificarse para adaptarlos al motor de acuerdo con sus características. Realizar el siguiente proceso para modificar un parámetro:

a) Oprimir P. En la pantalla o display aparece P000. b) Oprimir la tecla de flecha ascendente s o descendente d. c) Recorrer los parámetros hasta que aparezca el parámetro deseado. d) Oprimir nuevamente P. La pantalla muestra los valores del parámetro. e) Oprimir la tecla de flecha ascendente s o descendente d. f) Recorrer los valores hasta que aparezca el valor deseado en el parámetro. g) Oprimir P para fijar el valor del parámetro. h) Oprimir la tecla de flecha ascendente s o descendente d para volver a P000. i) Oprimir nuevamente P. Finalmente, la pantalla vuelve a parpadear.

No olvidar que para acceder a un parámetro mayor a P009, es obligatorio configurar el parámetro P009 con el valor 3. Si la pantalla parpadea en lugar de cambiar significa que el parámetro no puede ser modificado, ya sea porque es un valor fijo o porque el variador está en operación y dicho parámetro no puede ser modificado durante la operación. Si el display no muestra los valores deseados probablemente se deba a que los parámetros fueron modificados por alguna razón. Configurar el parámetro P941 en 1 para regresar los parámetros a su configuración original (reset del equipo).

a) Oprimir P. En la pantalla aparece P000. b) Oprimir la tecla de flecha descendente. Recorre P971, P944 hasta P941. c) Cuando aparezca P941 oprimir P. En la pantalla aparece 0000. d) Oprimir la tecla de flecha ascendente para cambiar el valor de 0000 a 0001. e) Oprimir P. En la pantalla aparece P000. f) Oprimir P nuevamente. En la pantalla aparece 0.0 / 5.0 alternadamente.

Siempre regresar los parámetros a sus valores originales cuando se desconozca cuáles son los parámetros que han sido modificados y configurados.

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Oprimir ahora el botón de color verde localizado l en el panel frontal. El motor deberá girar con una frecuencia de 5.0 Hz. Si el motor opera en la dirección incorrecta, desconecte la alimentación, espere cinco minutos para que se descarguen los capacitores internos e intercambie las conexiones del motor. Por supuesto, también se puede invertir la dirección del motor a través de los controles del panel frontal, entradas digitales, etc. Es posible que no arranque si la carga del motor es muy pesada o si los parámetros no son los correctos. Configurar los parámetros del motor de acuerdo con las instrucciones del manual. Si el motor no arranca Revisar la siguiente tabla. En general, si el VFD opera sin el motor y carga conectados significa que probablemente el VFD no esté dañado y que la falla radica en una mala programación o en la carga. No olvidar que en caso de tener dudas es aconsejable regresar los parámetros a sus valores originales de fábrica y comenzar nuevamente.

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3.7.- INTRODUCCIÓN DE DATOS EN EL VARIADOR. CONFIGURACION PARÁMETROS. La mayoría de los Variadores empleados en la industria se controlan a través de las terminales de control y no a través del panel frontal antes mencionado. En esta sección describiremos algunas posibilidades sencillas de control utilizando dichas entradas, así como algunas de las funciones programables que pueden resultar útiles. En todos los casos es necesario conocer el esquema de conexiones del variador, en la figura se muestra el esquema de conexiones del variador SIMOVERT de SIEMENS.

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En las siguientes descripciones se incluyen números de terminales y valores de parámetros que son válidos para los Variadores MICROMASTER Vector y MIDIMASTER Vector. Uso de un Potenciómetro con la Entrada Analógica

Configurar el Parámetro P006 = 001 y conectar un potenciómetro (entre 5 k Ω y 10 kΩ) a la entrada analógica de acuerdo con la ilustración del manual. El cableado del potenciómetro es el siguiente:

Es posible arrancar el VARIADOR a través de los controles del panel frontal y ajustar la frecuencia de salida utilizando el potenciómetro. Los valores de fábrica mínimo y máximo para la entrada analógica son 50 Hz (P022) y 0 Hz (P021), respectivamente, por lo que el VARIADOR operará a una frecuencia entre dichas frecuencias dependiendo de la posición del potenciómetro. El cambio de los parámetros P021 y P022 modificará el rango del potenciómetro en forma correspondiente, pero no debemos olvidar que los valores absolutos máximo y mínimo son establecidos por los parámetros P012 y P013. Observar que no es posible modificar muchos de los parámetros cuando el VARIADOR está en operación. La pantalla parpadeará si se intenta realizar lo anterior. Observar que el control de operación y parada se lleva a cabo a través de los botones del panel frontal.

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Uso de una Entrada Digital

Las entradas digitales del VFD son programables y se pueden seleccionar una gran cantidad de distintas funciones. Las entradas digitales tienen valores de fábrica que son los empleados en el ejemplo, pero dichos valores pueden ser modificados fácilmente. Estando todavía conectado el potenciómetro, configurar el parámetro P007 a 0 para deshabilitar los controles del panel frontal y conectar un interruptor entre las terminales 5 (entrada digital 1, programación de fábrica MARCHA horaria) y 9 (fuente de 15 V para este propósito). Al cerrar el interruptor deberá arrancar el VARIADOR, el cual operará a la frecuencia establecida por el potenciómetro de igual manera.

Uso de Frecuencias Fijas

Se pueden seleccionar frecuencias fijas a través de las entradas digitales. Configurar el parámetro P006 a 2 (selecciona la operación a frecuencia fija) y conectar interruptores adicionales desde la terminal 5 hasta las terminales 7, 8, 16 (entradas digitales 3, 4 y 5). Estos interruptores ahora pueden emplearse para seleccionar las frecuencias fijas 1, 4 y 5 (valores de fábrica 5, 20, 25 Hz). No obstante, aún se requiere una señal de operación y parada utilizando el interruptor existente conectado a la terminal 5. El cerrar más de un interruptor simplemente sumará las dos frecuencias fijas. Las funciones de marcha horaria y antihoraria pueden seleccionarse a través de los parámetros P045 y P050. El cambiar el parámetro P045 a 7 invertirá la dirección de las frecuencias fijas 1 y 4. Una vez más, el cerrar más de un interruptor sumará o restará los valores de frecuencia fija.

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En resumen: P006 = 2, selecciona frecuencias fijas. P053, P054, P055, etc. = 6 selecciona las entradas digitales para el control de las frecuencias fijas. P045, P050 selecciona las opciones de dirección de marcha. Usos Más Complejos de Frecuencias Fijas: Si las entradas digitales correspondientes se vuelven a programar de 6 a 17, las entradas seleccionarán las frecuencias fijas en código binario, permitiendo que las tres entradas seleccionen un máximo de 8 entradas digitales. El configurar las entradas digitales a 18 permitirá el control de Marcha/Parada también a través de dichas entradas, por lo que no se requerirá de un control de Marcha/Parada independiente, es decir, el VARIADOR arrancará cuando cualquiera de las entradas sea habilitada. Se pueden sumar o aumentar gradualmente frecuencias fijas a las frecuencias fijas cambiando el parámetro P024.

Uso de Otras Funciones de las Entradas Digitales

Las entradas digitales son activadas por un voltaje (7.5 - 33V) en la terminal correspondiente o a través de un interruptor y la fuente de 15V según lo antes descrito. Todas las entradas digitales cuentan con una gran cantidad de distintas funciones que pueden programarse a través de los parámetros P051-53, (y P054, 55, y P356 en las unidades Vector). Algunos usos sencillos son:

001 Marcha horaria. 002 Marcha antihoraria. 003 Cambio de rotación. 007 Marcha lenta horaria.

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Otras configuraciones que pueden ser útiles: 006 Selecciona una frecuencia fija. 010 Restablecimiento de fallas. 019 Disparada externo.

Funciones avanzadas:

009 Operación local/remota. Permite alternar entre operación remota (según lo establecido por P910) y control local. El motor se para entre una y otra. 014 Deshabilitar el botón “P”. El uso de esta configuración con cable en lugar de un interruptor evita que usuarios no inexpertos manipulen indebidamente los parámetros. 015 Habilitar el freno de CC. Se puede habilitar la función de frenado de CC para proporcionar un torque de frenado en caso necesario.

Uso de salidas de control

Existen diversas salidas de control que se pueden utilizar como indicadores externos de control o advertencia de problemas potenciales. Salida Analógica (exclusiva de las unidades Vector). Se puede configurar la salida analógica para emitir varias indicaciones distintas de acuerdo con lo establecido en el parámetro P025. La salida es 0/4-20mA, pero puede convertirse fácilmente a salida de tensión mediante la instalación de un resistor (500 Ω para 0-10V, por ejemplo). La unidad MIDIMASTER Vector cuenta con dos salidas analógicas. Relés. Se proporciona un relé indicador (dos en las Unidades Vector) que puede programarse para emitir una variedad de indicaciones a través del parámetro P061. El relé a menudo se utiliza para indicar el valor de referencia alcanzado (P061=7), advertencia activa (P061=8), corriente de salida excedente a un valor establecido (P061=9). Los relés pueden servir para controlar un frenado externo. En este caso, se puede utilizar una función de sincronización para arrancar el VARIADOR y liberar el freno de acuerdo con lo establecido en el parámetro P063. En tal caso, es necesario suprimir el relé y utilizar un contactor para conmutar el freno en sí. Se deben conectar supresores de voltaje en los contactos de los relés en los casos donde se conecten cargas inductivas, como bobinas de contactor o frenos electromagnéticos.

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Límite de Corriente y Sistemas de Protección

El VARIADOR debe protegerse a sí mismo, al motor y al sistema contra sobrecargas y posibles daños. El límite de corriente aquí opera muy rápidamente, limitando la corriente y evitando que se presente alguna corriente elevada. El VARIADOR cuenta con varios niveles de limitación de corriente:

Disparo Electrónico. Este es un límite de corriente muy rápido que opera cuando se presenta un cortocircuito (línea a línea, o línea a tierra) en la salida. Este es un disparo de nivel fijo y opera en unos cuantos microsegundos. La Falla F002 es la indicación de este tipo de disparo. Límite de Sobrecarga. Este es un límite rápido que se establece a través del parámetro P186 y puede ser tan alto como 200% del nivel de corriente nominal establecido en P083. Si la corriente de salida está entre el nivel establecido por P186 y el establecido por P086 (consultar más adelante), el VFD reducirá su frecuencia de salida después de tres segundos hasta que la corriente descienda al valor determinado en P086. Posteriormente, el límite de sobrecarga de períodos prolongados puede volverse activo después de cierto tiempo. Límite de Sobrecarga de Períodos Prolongados. Este es un límite más lento que permite una sobrecarga de mínimo 60 segundos cuando la corriente está entre el valor establecido en P083 y P086. El tiempo real depende de la cantidad de sobrecarga, pero el mínimo son 60 segundos. Después de dicho tiempo, la frecuencia de salida se reduce hasta alcanzar el nivel establecido por P083. Límite Continuo. Este corresponde al nivel establecido en P083. El VARIADOR controlará la corriente hasta dicho nivel después de que las sobrecargas descritas anteriormente hayan terminado. En todos los casos anteriores, con excepción del disparo electrónico, el VARIADOR reducirá la frecuencia de salida para poder reducir la carga. Algunos valores de

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P074 ocasionarán un disparo en lugar de limitar la corriente. Como alternativa, se pueden utilizar relevadores de salida para alertar sobre un límite de corriente (P061 ó 2 =10) o que el VFD está por debajo de una frecuencia mínima, por ejemplo (P061 ó 2 = 5). Si se establecen los parámetros P086 y P186 al 100%, el límite de corriente establecido en P083 operará en forma instantánea. Si se establece el parámetro P083 por debajo del valor nominal, entonces se puede establecer el parámetro P086 más elevado; por ejemplo, hasta 250%, que representa la capacidad del VARIADOR, pero no necesariamente el motor o la carga, es decir, el valor máximo permitido de P083 x P086 es constante para cualquier tipo de VARIADOR. Cuando se selecciona la operación Vector (P077=3), el límite de corriente opera efectivamente como limitador de torque entre 5 y 50 Hz. Si el límite de corriente está activo, la pantalla parpadeará y el código de advertencia 002 será introducido al parámetro P931 (la advertencia más reciente). La manera de limitar la corriente es reduciendo la frecuencia de salida; la forma de controlar un límite rápido de corriente, por ejemplo durante la rampa de aceleración, es reduciendo la tensión de salida. Otras Funciones de Protección

Protección I2 t.

Cuando el motor opera a baja velocidad y con carga elevada, es posible que la ventilación no sea la suficiente y que el motor se sobrecaliente. El parámetro P074 permite la activación de un límite I2t, que depende de la frecuencia, para proteger el motor. Cuando el VARIADORD opera en la región arriba de la curva seleccionada (es decir, a baja frecuencia y corriente elevada), un contador arranca y después de cierto tiempo (en base a la corriente, tamaño del motor e historial de operación) el VARIADOR se disparará o reducirá la frecuencia de salida, dependiendo de la configuración del parámetro. El manual contiene mayor información al respecto.

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Protección a través de Sensores PTC. Gran cantidad de motores vienen con un sensor PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo) integrado en los devanados. La resistencia del sensor PTC aumenta rápidamente a determinada temperatura y este cambio puede ser detectado por el VFD. Si el sensor PTC se conecta a las terminales 14 y 15, y se activa la entrada PTC configurando el parámetro P087=001, entonces cuando la el VFD se disparará y en la pantalla aparecerá F004. La mayoría de los sensores PTC para proteger motores tienen una resistencia de 2 hasta 300 ohms en frío. Dicho valor aumenta rápidamente al punto de disparo, por lo general, a 10 kW o más. La entrada PTC está configurada de tal manera que opere a 1 kW mínimo, 1.5 kW nominal y 2 kW máximo. La entrada cuenta con un filtro debido a que la conexión del sensor PTC generalmente transporta considerable interferencia electromagnética. Tomando en cuenta lo anterior, se pueden conectar dos o tres sensores PTC en serie cuando un motor tenga más de un sensor PTC integrado o cuando dos o tres motores estén conectados a la salida del VARIADOR y requieren protección individual. Sobrevoltaje Cuando el VARIADOR esté conectado a una tensión elevada o cuando la tensión interna aumenta debido a una carga externa, el VFD se disparará y en la pantalla parecerá F001. Un sobrevoltaje generalmente se presenta como resultado de una carga de frenado o regenerativa. Si la tensión de la alimentación es demasiado elevada, el VFD puede sufrir daños aún cuando se dispare la protección. Exceso de Temperatura Interna. El VARIADOR está protegido contra sobrecalentamiento. La temperatura del disipador de calor es monitoreada a través de un sensor PTC y el VFD se desconectará cuando se exceda la temperatura máxima. En la pantalla aparecerá F005. El exceso de temperatura en el VFD generalmente se deriva de una temperatura ambiente elevada, ventilador con fallas u obstruido, o de una admisión o descarga de aire bloqueada. Algunas Funciones Adicionales

Los MICROMASTER cuentan con una gran cantidad de funciones útiles que están integradas en el software y disponibles para el usuario, estas funciones avanzadas tales como la Interfaz Serial, Control de Lazo Cerrado, Operación de Frenado, etc, se pueden programas a través de los parámetros adecuados. Modalidad de Visualización P001 Normalmente, la pantalla muestra la frecuencia de salida, pero se puede seleccionar la corriente de salida, velocidad del motor, u otras en lugar de ésta.

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Atenuación de la Rampa P004 El tiempo de aceleración de la rampa puede limitarse para evitar “jalones” (jerk). La atenuación se calcula a partir del tiempo de aceleración de la rampa, así que si el tiempo de desaceleración de la rampa es muy distinto, el suavizado no será tan eficaz durante la desaceleración. La atenuación no resulta tan eficaz a velocidades de rampa inferiores a 0.3 segundos. El suavizado tiene el efecto de que si el VARIADOR está en rampa ascendente y se emite una señal de parada, habrá un retardo antes de que el VARIADOR comience nuevamente en rampa descendente. Se tiene la opción de poder deshabilitar este efecto a través del parámetro P017.

Graduación de la Pantalla P010. El valor presentado en la pantalla puede graduarse para adaptarse al proceso y mostrar “litros por minuto” o “metros por segundo”, etc. Frecuencias Omitidas . Si se configuran dichas frecuencias P014,, el VARIADOR no operará a estas frecuencias de salida; se pueden evitar problemas de resonancia utilizando esta función. El ancho de banda puede ajustarse configurando el parámetro P019. Es decir, si el parámetro P019 = 2 y el parámetro P014 = 15, entonces el VARIADOR no operará entre 13 y 17 Hz. Sin embargo, durante la aceleración o desaceleración el VARIADOR trabajará normalmente a través de estas frecuencias para evitar un “escalón”. Rearranque Volante Normalmente, cuando el VFD intenta arrancar un motor que ya está girando, limitará la corriente, se parará o disminuirá la velocidad del motor. Si se selecciona la función de Rearranque Volante P016, el VFD detectará la velocidad del motor y acelerará o desacelerará el motor desde esa velocidad hasta el valor de referencia. Lo anterior es útil cuando el motor ya está en operación por algún motivo, por ejemplo, después de una interrupción en la alimentación principal.

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La función de “Rearranque Volante” puede servir cuando la carga está girando en dirección opuesta, por ejemplo, cuando un ventilador está girando debido a una presión inversa. En tal caso, se prueba la dirección del motor a torque bajo en marcha horaria y antihoraria. Esto puede ser el efecto indeseable de que el motor gire en ambas direcciones en el arranque. El parámetro P016 brinda la opción de realizar la operación de prueba exclusivamente en una dirección para evitar esto. Control de Frenado Electromecánico Se pueden programar los relevadores para controlar un freno individual (P061 ó 62 = 4) y establecer un retardo (P063, P064) para que el motor pueda ser energizado antes de la liberación del relevador. El V ARIADOR opera a su frecuencia mínima, durante el tiempo establecido en los parámetros P063 y P064, mientras que el freno es energizado para que al momento de la liberación del freno el motor se mueva de inmediato.

Aún cuando no esté conectado algún freno, esta función del contador puede resultar útil cuando se requiera operación a baja velocidad o incluso a velocidad cero (lo cual tiene el mismo efecto que el frenado de CC; durante un tiempo definido (P063, P064) al inicio o final de una secuencia. Compensación de Deslizamiento. Conforme a lo anteriormente descrito, (P071) la velocidad del motor se reduce dependiendo de la carga debido al deslizamiento. Un deslizamiento puede producir una reducción de la velocidad de hasta 10%, en el caso de motores pequeños. El VARIADOR puede compensar esto aumentando ligeramente la frecuencia de salida conforme la carga aumente. El VFD mide la corriente y aumenta la frecuencia de salida para compensar el deslizamiento esperado. Esto puede producir el mantenimiento de más del 1% de la velocidad. La compensación del deslizamiento no tiene efecto alguno durante la Operación Vectorial sin Sensores de Retroalimentación debido a que la compensación es inherente.

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La compensación del deslizamiento es un efecto de retroalimentación positivo (el aumento de la carga, aumenta la frecuencia de salida) y demasiada compensación puede ocasionar una ligera inestabilidad. Esto se determina empíricamente..

Selección de la Frecuencia de Pulsación. La conmutación o frecuencia de modulación con ancho de pulso no cambia con la frecuencia de salida, el parámetro P076 la determina. La frecuencia de conmutación del inversor puede seleccionarse entre 2 y 16 kHz. Una frecuencia de conmutación elevada tiene pérdidas mayores y produce más Interferencia Electromagnética. Una frecuencia de conmutación menor puede producir ruido audible. La frecuencia de conmutación puede modificarse de acuerdo con la aplicación, pero en algunas unidades puede ser necesario cierto factor de corrección (según lo descrito en el manual). El ruido acústico generado posee una frecuencia que es dos veces la frecuencia de conmutación, salvo en el caso de cargas ligeras donde existe cierto contenido de frecuencia fundamental. Por consiguiente, una frecuencia de conmutación de 8 kHz normalmente será inaudible. Elevación de Tensión. Conforme a lo descrito anteriormente, la tensión de salida es baja a frecuencias de salida bajas para poder mantener constante el nivel de flujo de campo en el motor. Sin embargo, la tensión puede ser demasiado baja como para superar las pérdidas en el sistema. Se puede aumentar la tensión a través del parámetro P078. El parámetro P079 solamente producirá un aumento durante la aceleración y por lo tanto, es útil para un torque adicional durante el arranque. Dicha elevación de tensión no tiene algún efecto durante la operación vectorial debido a que el VARIADOR calcula continuamente las condiciones de operación óptima. El parámetro P078 viene configurado a 100% desde la fábrica. La suma del parámetro P078 más el parámetro P079 se limita a 250%.

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La cantidad de elevación de tensión se calcula a partir del valor de resistencia del estator (P089) y el valor de la Corriente Nominal (P083), por lo que: · Aumento de Tensión x (P078 + P079) = P083 x P089. Es decir, si P078 + P079 = 100%, el nivel de elevación será suficiente para suministrar una corriente nominal al estator, incluso a una frecuencia de cero. Arriba de la frecuencia cero, los niveles de elevación se reducen conforme se alcanza la velocidad nominal. Lo anterior significa que si se modifica el parámetro P083 ó P089, también se modificará la elevación de tensión.

Interfaz Serial. Se puede controlar el VARIADOR a través de una interfaz serial utilizando un conector tipo “D” en el panel frontal P910. El Panel de Operación (OPm2) y el módulo Profibus también pueden utilizar este conector y la interfaz serial.

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3.8.- RESUMEN DE LOS PARAMETROS MAS IMPORTANTES. Existen parámetros básicos que se deben configurar en los variadores de frecuencia de manera que el variador de frecuencia realice el mejor control de torque (PAR MOTOR) y velocidad sobre el motor y que además lo pueda proteger ante fallos.

Los primeros cinco datos los encontramos en la placa caracteriza del motor y deben ser introducidos en el variador de frecuencia.

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Un parámetro muy importante para configurar es la protección térmica del motor quién protegerá el motor contra sobrecalentamientos excesivos que puedan dañar el aislamiento del bobinado. Este valor puede ser menor o igual a la corriente nominal del motor, pero nunca mayor, pues el motor no estará protegido.

Los siguientes datos corresponden para configurar el funcionamiento del motor con respecto a velocidades y tiempos.

Para usar los parámetros por defecto del variador debemos asegurarnos de que cumplimos los siguientes requisitos:

Motor asíncrono (P0300 = 1). Motor autoventilado (P0335 = 0). Factor de sobrecarga del motor (P0640 = 150 %). V/f con característica lineal (P1300 = 0) Vamos al BOP y buscamos el parámetro P0010 y lo ponemos a 1. Con esto le decimos al variador que nos muestre sólo los parámetros necesarios para una puesta en marcha sencilla. Nos vamos desplazando por los parámetros con las flechas del BOP y el botón (P) nos servirá para acceder a los datos de los parámetros. Cambia los valores con las flechas y cuando tengas el valor deseado vuelve a pulsar (P). El parámetro P0100 lo ponemos a 0, diciéndole que nuestra frecuencia de red es de 50 Hz. Ahora vienen los parámetros referentes al motor: En el parámetro P0304 le decimos la tensión nominal, ( 400 V). En el parámetro P0305 va la corriente nominal, por ejemplo 0,73 A. El parámetro P0307 es la potencia nominal, por ejemplo 0,12 kW. La frecuencia nominal va en el parámetro P0310, que será de 50 Hz. Y finalmente la velocidad de giro nominal va en el parámetro P0311, (1300 rpm).

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4.-. VARIADOR – MICROMASTER. Los equipos MICROMASTER Vector (MMV) y MIDIMASTER Vector (MDV) constituyen una gama estándar de convertidores con capacidad de control vectorial sin sensores, apropiados para controlar la velocidad de motores trifásicos. Existen varios modelos que van desde el MICROMASTER Vector compacto de 120 W hasta el MIDIMASTER Vector de 75 kW. El control vectorial sin sensores (Sensorless Vector Control) permite al convertidor calcular los cambios necesarios de intensidad y frecuencia de la corriente de salida para mantener la velocidad deseada del motor en un amplio intervalo de condiciones de carga.

Características:

o Facilidad de instalación, programación y puesta en servicio. o Capacidad de sobrecarga de un 200% durante 3 segundos seguida de un 150%

durante 60 segundos. o Alto par de arranque y gran precisión de regulación de velocidad del motor mediante

control vectorial. o Filtro EMC integrado opcional en convertidores de entrada monofásica MMV12 -

MMV 300, y entrada trifásica MMV220/3 hasta MMV750/3. o Límitación rápida de corriente (FCL) para prevenir paradas incontroladas del sistema. o ra el MIDIMASTER

Vector). o Control de proceso en bucle cerrado mediante el uso del bucle de regulación

proporcional, integral y derivado (PID). Alimentación de 15 V, 50 mA para elemento de campo.

o Capacidad de control remoto a través del enlace serie RS485 mediante uso del protocolo USS con posibilidad de controlar hasta 31 convertidores.

o Ajustes de parámetros predeterminados en fábrica y programados previamente para satisfacer los requisitos de la normativa vigente en Europa y en América del Norte.

o Control de la frecuencia de salida (y, por lo tanto, del régimen del motor) mediante uno de los cinco procedimientos siguientes:

o Consigna de frecuencia mediante el uso del teclado numérico. o Consigna analógica de alta resolución (entrada en tensión o intensidad). o Potenciómetro externo para controlar el régimen del motor. o 8 Frecuencias fijas mediante entradas binarias. o Potenciómetro motorizado. o Interfaz serie. o Freno por inyección de CC y frenado “COMPOUND” .

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o Chopper de frenado incorporado para resistencias externas en equipos MICROMASTER Vector.

o Tiempos de aceleración/desaceleración con redondeo de rampa programable. o Dos salidas relé totalmente programables (13 funciones). o Salidas analógicas totalmente programables (1 para el MMV, 2 para el MDV). o Panel operador externo (OPM2) opcional , o panel para conexión a PROFIBUS DP y

para conexión a CANbus. o Doble juego de parámetros del motor si se dispone de pantalla OPM2. o Reconocimiento automático de motores de 2, 4, 6 ó 8 polos mediante software. o Ventilador integrado controlado mediante software. o Montaje de convertidores uno al lado del otro sin separación adicional. o Protección opcional IP56 (NEMA 4/12) en convertidores MIDIMASTER Vector.

4.1.- MANDO Y FUNCIONAMIENTO BASICO. Los ajustes de parámetros requeridos pueden introducirse utilizando los tres botones de configuración de parámetros (P, y ) situados en el panel frontal del convertidor. Los valores y números correspondientes a parámetros se indican en la pantalla de LED de cuatro dígitos.

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4.2- FUNCIONAMIENTO BASICO – GUIA DE 10 PASOS. A continuación se describe el procedimiento básico de configuración del convertidor para su utilización. Este procedimiento utiliza una consigna de frecuencia digital y sólo es necesario cambiar los ajustes predeterminados del mínimo número de parámetros. Se supone que se conecta al convertidor un motor estándar Siemens.

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4.3- LISTADO DE PARAMETROS.

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5.- VARIADORES SINAMICS SIEMENS. COMUNICACIÓN PROFINET.

Los nuevos variadores de frecuencia SINAMICS G120 ofrecen un control y una

parametrización más avanzada que los variadores tradicionales. TIA PORTAL integra una

configuración muy específica para cada tipo de motor y el proceso a controlar. En estos

variadores se pueden configurar casi 10.000 parámetros, por lo que, disponen de un asistente

con multitud de opciones de funcionamiento que facilitará esta ardua tarea.

5.1.- Esquema conexiones.

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5.2.- Tipos de comunicación del SINAMICS G120.

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5.3.- Regleta conexiones detrás puerta frontal superior.

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5.4.- Regleta conexiones detrás puerta frontal inferior.

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5.5.- Configuración del VARIADOR SINAMICS sin STARDRIVE. Para facilitar la integración de los variadores SINAMICS a un proyecto de automatización, TIA PORTAL dispone de un software específico STARTDRIVE que agrega el VARIADOR. Si no se dispone de esta opción es posible configurar el variador SINAMICS de la siguiente forma:

En dispositivos y redes, seleccionamos:

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Elegimos nuestro variador con la versión de FIRMWARE correcta

Configuramos la dirección ETHERNET.

Es conveniente elegir un nombre del dispositivo, diferente al que asigna TIA PORTAL, ya que si en el proyecto se carga otro dispositivo de semejantes características con el mismo nombre, podría dar problemas.

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Una vez definido el hardware, vamos definir la forma de comunicarse con el autómata, mediante unos protocolos que se denominan TELEGRAMA, según las distintas opciones que nos ofrecen, podremos profundizar más en la parametrización.

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Y por último tendríamos que asignarle el dispositivo maestro, en nuestro caso el PLC 1200.

Los parámetros de caracterización del motor, se deberían introducir con otro software o directamente desde el variador.

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5.5.- Configuración en TIA PORTAL. Para agregar el variador de frecuencia tenemos que tener instalado previamente SINAMICS Startdrive V14. Elegimos el tipo y modelo de variador que tengamos y le damos a aceptar. Aunque la versión del variador es la versión 4.7.6, (es posible que no funcione correctamente), por lo que es recomendable utilizar la versión 4.7.3 (que funciona correctamente. es posible que al compilar y cargar te indique el cambio de versión, pero es mejor ignorar este aviso).

Por último tendremos que añadir al variador el módulo de potencia que corresponda.

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5.6.- Configuración y puesta en marcha del variador de frecuencia. Después de agregarlo al TIA portal, nos vamos donde están los parámetros y luego puesta en marcha básica.

Aquí dejamos el Standard Drive Control y continuamos.

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Luego irán apareciendo ventanas para configurar las características del motor. Introduciremos los datos del motor fijándonos en la placa de características del mismo.

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Después de finalizar, cargamos toda la configuración en el variador. Hay que tener en cuenta que si el variador está en funcionamiento o está en modo manual no se podrá comunicar correctamente. Para ello le tenemos que dar botón que pone HAND/AUTO y fijarse si en la esquina superior derecha esta “la mano” o el símbolo de automático. Hay que tenerlo en automático.

Después de cargarlo hay que volver a ponerlo en modo manual (asegurarse viendo la manita en la esquina superior derecha) y primero hay que pulsar el botón rojo (0). Luego pulsar el botón verde (1). Enseguida el variador estará haciendo pruebas e identificando el motor. Al acabar la identificación, se indicará en la pantalla y habrá que darle al “OK”. Se puede hacer una pequeña prueba pulsando el botón verde (1) y dando vueltas alrededor del OK (donde están las flechas es un panel táctil), y enseguida se pondrá en marcha el motor.

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Para cambiarlo al modo automático volver a pulsar el botón HAND/AUTO. (Es necesario antes de pulsar de botón, que el motor este previamente en marcha en el modo manual). Enseguida motor se parará esperando “órdenes” del autómata. Para mandar “ordenes” se pone en el OB1 del autómata un MOVE para cada acción. En el MOVE se pone en código hexadecimal lo que se desea enviar al variador. Para las entradas digitales del variador SIEMPRE se envía el código hexadecimal a QW256 y para la poner la consigna de velocidad se envía a QW258. Para la consigna de velocidad tendremos que enviar un valor entre -16384 y +16384 en decimal. La consigna de velocidad se calcula de la siguiente forma:

· Por ejemplo, si el valor máximo de velocidad está ajustado a 3000 rpm (100%) y queremos que el motor gire a una velocidad del 1200 rpm (40%), el valor de a enviar seria 6554 (1200/3000*16384).

Los códigos hexadecimales se sacan a partir de la siguiente tabla:

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Por ejemplo, si se quiere hacer un marcha y paro, se hará de la siguiente forma:

o Se pondrá un MOVE que envía “marcha” en código hexadecimal 047F a la QW256 junto a otro MOVE con una consigna para la velocidad que se envía a QW258.

o Y para el paro se pondrá otro MOVE que envía el “paro” en código hexadecimal 047E a QW256.

Su implementación sería:

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BIBLIOGRAFIA.

· Manuales de funcionamiento de SIEMENS, OMRON.

· Apuntes varios internet. · Motores eléctricos . Paraninfo. · Libros técnicos SCHNEIDER.

desarrollo de sistemas de medida y regulacion · nuevos tipos de motores (de pequeña potencia)...

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