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jueves, 7 de noviembre de 2013
VARIADOR DE FRECUENCIA
Los variadores de frecuencia variable son equipos de gran importancia en eficiencia energética y mejora de procesos. Los usos más comunes están implantados incluso de serie en muchas aplicaciones comunes pero sus posibilidades son infinitas cuando trabajamos con motores.
Iniciamos un nuevo tutorial en varios capítulos en el que trataremos de exponer las ideas esenciales que permitirán al diseñador entender las aplicaciones sobre las que pueden trabajar estos sistemas.
Alcance del variador de frecuencia variable.
Los VFDs, o variadores de frecuencia variable trabajan en corriente alterna, sistemas polifásicos y motores de inducción de 500 C.V. o menos y en siguiente rango:
· 600 V o menos.
· PWM IGBT (ancho de pulso modulado usando transistores bipolares de puerta aislada).
Existen productos de ingeniería especiales para aplicaciones de grandes motores pero no están incluidos en este tutorial.
Un VFD es un dispositivo que controla el voltaje y la frecuencia que se están suministrando al motor y por lo tanto controla la velocidad del motor y el sistema que está funcionando.
Un VFD es un dispositivo que controla el voltaje y la frecuencia que se está suministrando al motor y por lo tanto controla la velocidad del motor y el sistema que está funcionando. Cumpliendo las demandas del proceso requeridas, la eficiencia del sistema mejora.
Un VFD es capaz de ajustar tanto la velocidad como el par de un motor de inducción.
Un VFD por lo tanto proporciona un control de la velocidad del proceso en un rango continuo (en comparación con el control de velocidad discreto que proporcionan las cajas de engranaje o motores multi-velocidad).
VFDs pueden referirse por una variedad de otros nombres, tales como variadores de velocidad variable, variadores de velocidad ajustable, o inversores.
Control de la velocidad del motor
Los motores de inducción AC son esencialmente máquinas de velocidad constante, con una variación de velocidad de sin carga a plena carga de aproximadamente el 2 – 5 %, representando el deslizamiento del motor.
La velocidad de la máquina viene determinada por la frecuencia de la fuente de alimentación y el número de polos magnéticos en el diseño del estator.
Los motores de velocidad fija sirven a la mayoría de las aplicaciones. En estas aplicaciones o sistemas, los elementos de control tales como compuertas en conductos y válvulas se usan para regular el caudal y la presión. Estos dispositivos usualmente resultan en operación ineficiente y pérdidas de energía debido a su acción de estrangulamiento.
Sin embargo, a menudo es deseable tener un motor que opere a dos o más velocidades discretas, o tengan una operación de velocidad completamente variable. El ahorro incluye costes de capital y costes de mantenimiento asociados con estos elementos de control.
La siguiente tabla da ejemplos típicos de cargas y su potencial de ahorro energético.
Economía del variador de frecuencia
La economía es típicamente uno de los factores más importantes implicados en la selección del equipamiento industrial, pero los métodos para evaluar no son tan sencillos. Muchas consideraciones económicas importantes a menudo son ignoradas en las evaluaciones de VFD.
El ahorro eléctrico es importante pero hay también otros factores que serán incluidos como parte de una evaluación de los costes del ciclo de vida del equipo. Por ejemplo cuando las bombas o ventiladores operan a velocidades reducidas a menudo hay un ahorro significativo de mantenimiento debido al desgaste reducido en juntas, rodamientos, ejes, etc. Cuando consideramos el ahorro de costes en mantenimiento a lo largo del ciclo de vida debemos contemplar un precio de compra típicamente un 10 % inferior.
Consideraciones de aplicación de los VFDs
Un variador de frecuencia es el método más efectivo en costes si los ciclos de más exigentes están más uniformemente distribuidos en un amplio rango de caudales. El ahorro energético mejora si las curvas de resistencia del sistema y rendimiento son profundas.
Muchas buenas aplicaciones de los VFD son pasadas por alto porque otros beneficios aparte del ahorro energético son pasados por alto. Para cargas de par variable, el ahorro de los variadores de frecuencia variable puede ser significativamente mayor ya que la potencia varía proporcionalmente al cubo de la velocidad.
Para aplicaciones de potencias superiores a 25 C.V., los costes de instalación son usualmente comparables a los costes de capital totales del variador. En potencias inferiores a 25 C.V., los costes de instalación pueden ser superiores a los costes del variador.
CLASIFICACIONES DE LOS VARIADORES
Variadores AC
Los VFDs electrónicos son dispositivos de control de velocidad que varían el voltaje y la frecuencia en un motor de inducción usando una técnica llamada Modulación por Anchura de Pulso (PWM). VFDs ha llegado a ser la forma más conveniente para operar en velocidad variable ya que son relativamente baratos y muy fiables.
VFDs usan dispositivos semiconductores llamados transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Usando PWM, la velocidad del motor y las características del par pueden ajustarse para acoplarse a los requerimientos de la carga. Convierten el voltaje de alimentación AC de frecuencia fija a una frecuencia variable, suministran AC de voltaje variable al motor y pueden regular la velocidad de un motor de inducción desde alrededor del 10 % a 200 % con amplios rangos posibles dependiendo del modelo y las opciones seleccionadas.
La exactitud de la velocidad viene afectada por el deslizamiento del motor, dando como resultado una operación más lenta que la velocidad síncrona para una frecuencia dada. La exactitud puede incrementarse usando retroalimentación de tacómetro. Un control de velocidad y posición extremadamente precisa puede alcanzarse usando un VFD con control de vector.
El VFD puede proporcionar muchas soluciones dependiendo de la aplicación requerida. Por ejemplo, un VFD puede proporcionar lo siguiente:
- Ahorro energético en aplicaciones de ventiladores y bombas.
- Mejor control y regulación del proceso.
- Aceleración o disminución de la velocidad de una máquina o proceso.
- Corrección del factor de potencia inherente.
- Capacidad de bypass en caso de una emergencia.
- Protección por corrientes de sobrecarga.
- Aceleración segura.
Otros variadores AC
Control de motor de rotor bobinado
Los motores de rotor bobinado son un tipo especial de motor de inducción con devanado de cobre en el rotor en vez de los típicos rotores de jaula de ardilla de aluminio.
Las conexiones a estos devanados están disponibles a través de un montaje de anillos rozantes en el eje.
Si los devanados están conectados en cortocircuito, el motor opera como un motor de jaula de ardilla de velocidad fija, pero si se añade la resistencia al circuito el slip del motor se incrementa de modo que permite ajustar la velocidad del motor.
La energía extraída del circuito del rotor durante el procedimiento de arranque se derrocha en las resistencias como calor.
Como alternativa, puede usarse un circuito electrónico en vez de una resistencia, para reducir la energía derrochada. Este circuito recupera la energía y la utiliza en el sistema de suministro AC, incrementando la eficiencia total de la operación del motor.
Motores multi-velocidad
Los motores multi-velocidad son motores de inducción con estator bobinado que permite que el número de polos magnéticos cambien reconectando el devanado del motor.
Los motores multi-velocidad de devanado simple permiten un ratio de velocidad de 2:1. El cambio de polos se lleva a cabo reconectando los devanados que doblan el número de polos invirtiendo la corriente en cada grupo de bobinas alternas. Esto es conocido como cambio del polo consecuente.
Los motores de dos devanados pueden configurarse para cualquier número de polos, y otros ratios de velocidad son posibles. Son posibles tres velocidades configurando uno o dos devanados por cambio del polo consecuente.
Debido a que los motores multi-velocidad de dos devanados tienen que acomodar un segundo devanado, a menudo tienen más potencia que sus equivalentes de velocidad simple.
Los motores multi-velocidad son opciones relativamente baratas donde son aceptables velocidades de operación discretas limitadas y fijas.
Controladores de velocidad de voltaje variable
Estos controladores típicamente usan rectificadores controlados de silicio (SCRs) para controlar el voltaje al motor.
Bajo un voltaje reducido, un motor se deslizará y así su velocidad será reducida.
Este esquema de control está generalmente limitado a aplicaciones de ventiladores y requiere un motor con rotores de deslizamientos altos.
El control es impreciso y está limitado a aplicaciones para motores de condensadores de deslizamiento permanente de una fase (PSC). Estos variadores típicamente se encuentran en aplicaciones agrícolas de hasta varios C.V.
Los controladores de velocidad de voltaje variable no se usan en aplicaciones industriales y comerciales.
Variadores de corriente continua
Los motores de corriente continua son inherentemente máquinas de velocidad variable. El control de la velocidad y el par se alcanzan variando el voltaje de armadura, la excitación de campo, o ambas.
Tradicionalmente, el control de velocidad de un motor de corriente continua viene de un motor generador, o M-G set. En un M-G set, un motor AC mueve un generador DC para proporcionar un voltaje variable DC para la operación del motor. M-G sets son grandes, ineficientes y requieren mucho mantenimiento.
M-G sets están siendo ahora reemplazados por sets rectificadores controlados por microprocesador, que permiten control de velocidad simple y exacto, alta eficiencia y fiabilidad.
Sin embargo, debido a la complejidad, coste y mantenimiento asociado a un motor DC, raramente se usan en nuevas aplicaciones. Muchas aplicaciones de variadores DC existentes están siendo reemplazadas con motores AC y VFDs.
Las nuevas aplicaciones usando motores y variadores DC son usualmente aplicaciones de ingeniería donde los motores y variadores AC no pueden cumplir un requerimiento de carga. Un ejemplo es una aplicación de tracción donde los requerimientos de par de arranque exceden el que está disponible de motores AC.
Embragues de corrientes de Foucault
Los embragues de corriente de Foucault pueden usarse para controlar motores de inducción de jaula de ardilla AC. Sin embargo, su eficiencia es baja comparada con VFDs y tienen aplicaciones limitadas.
Un embrague de corriente de foucault tiene esencialmente tres componentes principales:
-Un tambor de acero impulsado por un motor AC.
-Un rotor con polos.
-Devanados en los polos que proporcionan el flujo variable requerido para controlar la velocidad.
Se aplica un voltaje a los devanados del polo para establecer un flujo y así ocurre un movimiento relativo entre el tambor y su rotor de salida.
Variando el voltaje aplicado, la cantidad de par transmitida varía y por lo tanto la velocidad puede ser variada.
Motores avanzados
Los motores avanzados se clasifican generalmente como un grupo de diseños de motor que requieren electrónica de potencia y control de microprocesador para su operación. Este concepto fue formulado hace muchos años, pero sólo ahora es práctico con la electrónica de hoy. Todos los motores avanzados permiten operación de velocidad variable.
Actualmente están comenzando a ser usados en aplicaciones de OEMs, por ejemplo en motores de ventiladores centrífugas en bombas de calor y compresores de aire. Algunos motores avanzados están disponibles como motores de propósito general con capacidades de unos 600 C.V.
Control de velocidad mecánico
La operación de velocidad variable de máquinas puede ser alcanzada usando motores de velocidad fija con un dispositivo de control de la velocidad mecánica. Ejemplos incluyen acoplamiento de fluidos, sistemas de poleas ajustables, control de velocidad magnética, y transmisiones mecánicas tales como transmisiones de correas, transmisiones de cadena, cajas de engranaje, etc.
Los métodos mecánicos de control de la velocidad requieren que el motor opere a una velocidad constante y la elección del acoplamiento altera la velocidad para la carga aplicada. La eficiencia de los sistemas es dependiente de numerosos factores incluyendo tensión de correa, tipo y número de correas/cadenas, etc. Los métodos mecánicos típicos tienen velocidad constante y preestablecida que no puede ser dinámicamente ajustada a cargas variables. Los dispositivos de control de velocidad mecánicos típicamente tienen bajas eficiencias a bajas cargas.
PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DE LOS VARIADORES AC
Motores de inducción AC
Un motor de inducción AC está construido con un rotor que tiene devanados donde se cruzan el campo magnético rotatorio generado por el devanado del estator.
A velocidad a plena carga, el rotor gira ligeramente más lento que la velocidad síncrona del motor. Esto es debido a que el campo magnético causa que las corrientes fluyan en los devanados del rotor y produzcan un par que haga girar el rotor; así que si el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético, no habrá movimiento relativo entre el rotor y el campo magnético, y ningún par se producirá.
La velocidad a la que el campo magnético rota depende del número de polos distribuidos en el estator y la frecuencia de corriente de alimentación. Es la llamada velocidad síncrona.
Las velocidades de los motores de inducción AC típicos son 3600, 1800, 1200 y 900 rpm
Ilustración 1. Curva par-velocidad de un motor de inducción
Los devanados del rotor de un motor de jaula de ardilla son barras de aleaciones de cobre u aluminio posicionadas a lo lardo de la dirección del eje y cortocircuitadas por anillas terminales.
La forma de las barras y la resistencia de la aleación usada en su construcción influyen en las características de par-velocidad del motor.
Variadores de frecuencia variable de anchura de pulso modulado
Cuando operamos desde una fuente de energía de frecuencia constante (50 – 60 Hz, los motores de inducción AC son dispositivos de velocidad fija-
Un variador de frecuencia variable controla la velocidad de un motor AC variando la frecuencia suministrada al motor.
El variador también regula el voltaje de salida en proporción a la frecuencia de salida para proporcionar un ratio relativamente constante de voltaje y frecuencia (V/Hz), según se requiera por las características del motor AC para producir el par adecuado.
El primer paso en este proceso es convertir el voltaje de alimentación AC en DC por el uso de un rectificador. La potencia DC contiene ondas de voltaje que son alisadas usando condensadores de filtrado.
Esta sección del VFD a menudo se denomina DC link.
Este voltaje DC luego se convierte en AC. Esta conversión típicamente se alcanza mediante dispositivos electrónicos de potencia tales como transistores de potencia IGBT usando una técnica llamada Modulación de Anchura de Pulso (PWM). El voltaje de salida se controla a alta frecuencia, con la duración del ciclo, o anchura de pulso, controlado para ser aproximadamente sinusoidal.
SELECCIÓN DE VARIADORES VFD
Consideraciones eléctricas cuando se aplican VFD a motores AC
La aplicación exitosa y el mantenimiento de variadores VFD requiere la comprensión de su impacto en el sistema de distribución eléctrica y el motor.
La aplicación de VFDs a los motores de inducción puede causar efectos que deben ser considerados para una operación exitosa. Ejemplos incluyen:
La capacidad del motor para enfriarse por sí mismo de forma efectiva se reduce cuando el motor gira más lentamente. Sobredimensionando el motor o proporcionando ventilación de aire forzado externo puede requerirse con operación extendida a bajas velocidades y altas cargas.
La operación a diferentes velocidades puede causar resonancias mecánicas. Estas velocidades se identificarán y programarán fuera del rango de operación del motor.
VFDs generan voltajes armónicos y corrientes que pueden, en algunos casos, causar efectos no deseables en el sistema de distribución eléctrica y afectar la operación del equipo. Si se sospecha un problema de calidad de la energía, el sistema eléctrico se examinará por una persona cualificada. A veces se requieren transformadores de aislamiento, reactores de línea o dispositivos de filtrado para minimizar estos efectos.
Alimentación eléctrica al variador
Los variadores AC requieren un suministro eléctrico aceptable para una operación fiable y exitosa.
El voltaje de suministro nominal del sistema de distribución es normalmente más alto que el voltaje de la placa del variador para permitir caídas de voltaje desde el transformador de distribución al punto de utilización.
Armónicos
La distorsión de armónicos de voltaje y corriente se producen en sistemas eléctricos por carga no lineal tales como VFDs, soldadores, rectificadores, suministro de energía ininterrumpible, hornos de arco eléctrico, etc. Los armónicos causan distorsión en la forma de onda eléctrica que puede propagarse a través del sistema de potencia completo incluso en el exterior de la planta.
La fuente de distorsión de armónicos en los VFDs son los dispositivos de conmutación de potencia de estado sólido usados para generar las frecuencias de alimentación variables.
Estos efectos, conocidos como “corrientes de armónicos de línea”, son múltiplos de la corriente de alimentación fundamental de 50-60 Hz. Por ejemplo, una frecuencia de 180 Hz es llamada el tercer armónico. Estas corrientes generan distorsiones de voltaje de armónicos que a menudo exceden los niveles aceptables.
Los microprocesadores, máquinas controladas numéricamente, y controladores de procesos todos dependen de señales de control exactas. La presencia de los armónicos puede causar que estos dispositivos funcionen mal. Los armónicos pueden también causar interferencias con computadores y operación inapropiada de los equipos electrónicos. Pueden también causar fallos en los condensadores y fusibles.
Los motores funcionan a temperaturas más elevadas en presencia de corrientes de armónicos. Los motores consumen más energía cuando tienen que superar el par de contracorriente creado por los armónicos.
Esto puede originar fallo prematuro del material de aislamiento y una reducción en la vida de servicio. El motor también caerá en eficiencia, total, experimentará tensiones en sus devanados y experimentará pulsaciones del par.
Si se sospecha un problema con los armónicos, debe ser confirmado antes de tomar cualquier acción correctiva. Un ensayo bastante simple consiste en ver la forma de onda del sistema de potencia con un osciloscopio. Una distorsión de la forma de onda significativa es una indicación de la presencia de armónicos. Los analizadores de armónicos de potencia pueden usarse para medir la magnitud de los armónicos individuales.
Hay una gran variedad de formas como los usuarios pueden resolver estos problemas, después de asegurar que se cumplen los códigos eléctricos adecuados.
Alimentación separada. Idealmente, las cargas producen armónicos, y cargas sensibles, serán suministradas de alimentadores y transformadores independientes.
Transformadores de aislamiento y reactores en línea. Los transformadores de aislamiento y los reactores se usan frecuentemente para proteger el variador y la línea AC de la distorsión.
Filtros: Los filtros de armónicos pueden usarse para reducir la amplitud de una o más corrientes de frecuencia fija para prevenirlas de entrar en el resto del sistema.
Longitud del cable: La longitud del cable debe ser tan corta como sea posible, unos 15 metros o menos.
Si las cargas no lineales exceden el 20 % de la carga de planta total, se considerará realizar un estudio de armónicos y minimizarán el impacto de los armónicos a través del uso de los transformadores de aislamiento a los reactores de línea.
Especificando variadores para armónicos
Desde el punto de vista de aplicaciones prácticas, cumplir los requerimientos de armónicos para variadores significa que tenemos menos del 5 % de distorsión de armónicos totales de la corriente en los terminales del variador en la carga nominal. A demanda de baja potencia con cargas de par variable, la distorsión de armónicos total (THD) puede ser puede ser superior al 5 % medido por un analizador de armónicos, pero la magnitud de la corriente de armónicos será menos que aquellos producidos a plena carga.
Consideraciones de motores
Los sistemas de aislamiento del devanado se clasifican por su temperatura o capacidades térmicas. Los ensayos usados para probar propiedades térmicas para los sistemas de bajo voltaje no producen tensiones al aislamiento eléctrico más allá de los 600 voltios.
La aplicación de un PWM VFD puede causar transitorios de voltaje bien por encima del voltaje nominal del motor que puede llevar a fallos del sistema de aislamiento en muy cortos periodos de tiempo.
La tensión de voltaje máxima en el sistema de aislamiento (Vm) puede ser significativamente más alta que el voltaje nominal del motor y tienen elevaciones de voltaje extremadamente rápidas.
Debido a las reflexiones múltiples o efectos de resonancia, la frecuencia puede incrementarse debido a las interacciones de la frecuencia de conmutación PWM y forma de onda, la longitud del cable de alimentación al motor, y la inductancia del motor.
Una reflexión de voltaje de hasta dos veces el voltaje aplicado puede ocurrir durante las ondas y llegar a ser problemático con longitudes de onda e 15 m o más. Este fenómeno se conoce también como “ringing effect”.
Un “ringing efecto” crea tensiones de voltaje muy altas en las primeras vueltas del devanado del motor y puede originar cortocircuitos y fallos a tierra.
Este problema puede minimizarse usando apropiado filtrado y motores con aislamiento mejorado.
Muchos VFDs proporcionan al usuario la capacidad de ajustar la frecuencia de conmutación.
Los fallos de aislamiento se producen especialmente en las frecuencias de conmutación más altas. Sin embargo, las frecuencias demasiado bajas pueden causar un ruido audible de los motores que puede ser no deseable en algunas aplicaciones tales como HVAC.
Los factores a considerar incluyen:
-Reducir el recorrido de los cables donde sea posible.
-Usar reactores de filtro de salida del inversor (la impedancia 1 – 3 % es típica).
-Usar una frecuencia de conmutación más baja.
-Mantener el diseño del devanado original cuando se rebobina el motor ya que reduciendo los giros se incrementan los niveles de voltaje entre espiras.
Asuntos de selección de motores
Las consideraciones térmicas de operación de motores con VFD son una de las principales áreas de atención para aplicación exitosa.
Cuando se reduce la velocidad del motor, la cantidad de enfriamiento disponible desde el sistema de ventilación del motor se reduce, así que el par del motor debe limitarse a velocidad reducida para evitar sobrecalentamiento.
Adicionalmente a la capacidad de enfriamiento reducida, los motores tienen un calentamiento interno adicional debidos a los voltajes no sinusoidales y corrientes de la operación del inversor.
La aplicación de un VFD a una carga de par variable tal como un ventilador o una bomba centrífuga no presenta problemas usualmente, pero las cargas de potencia constante o par constante pueden causar sobrecalentamiento a velocidades reducidas porque hay menos caudal sobre el motor.
Debe notarse que muchas aplicaciones donde un motor DC se ha reemplazado por un motor de inducción AC con un inversor es de par constante o clase de potencia constante.
El uso de un motor con un factor de servicio 1,15 y aislamiento clase F se recomienda generalmente para permitir calentamiento adicional debido a armónicos.
La capacidad de un motor para enfriarse a si mismo se reduce efectivamente cuando el motor trabaja más lentamente. El sobredimensionado del motor o ventilación de aire forzado puede requerirse con operación extendida a bajas velocidades y altas cargas.
Los motores de trabajo de inversor están diseñados para rendimiento optimizado cuando operan con VFDs. Estos motores típicamente tienen mejor sistema de aislamiento y también pueden tener ventilación forzada con ventiladores centrífugos. Esto permite funcionar más frío que tener que sobredimensionarlos cuando funcionan con cargas de par altas.
Cuando se aplica un inversor PWM es importante controlar las corrientes del eje en los motores con fallos de cojinetes inusuales o frecuentes. Las corrientes de los ejes no son normalmente un problema con motores con diámetro del núcleo inferior a 20”, pero puede ser un problema con armónicos de alta frecuencia asociados con el uso del inversor. Los voltajes del eje que exceden 0,3 – 0,5 voltios pueden indicar problemas potenciales y pueden requerir puesta a tierra del eje o aislamiento del rodamiento no transmisor.
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