Un
accionamiento eléctrico de velocidad variable (Variable Speed Drive) es un
sistema cuya función principal es la de controlar la transferencia de energía
de la red de alimentación hacia un sistema de movimiento y viceversa. El
sistema en movimiento es, a nuestros fines, un motor eléctrico, en el cual la
energía experimenta un proceso de transformación electromecánica y se
transfiere hacia una carga mediante su eje.
Físicamente
el control de la transferencia de energía se concreta en dos variables
mecánicas: par y velocidad. El tipo de máquina (c.c. o c.a.) y la estrategia de
control que se utilice para controlar la transferencia de energía determinarán
el tipo de accionamiento a utilizar.
En
este post se analizan algunas de las principales tecnologías.
Antecedentes históricos
Figura 1
Leyenda
de la figura 1:
(1) 1962
Primer
regulador de tensión basado en un semiconductor para generadores síncronos.
(2) 1971: Teoría
El
profesor Blaschke, de Alemania, presenta la teoría del control de vector de
flujo utilizando PWM.
(3) 1975: PWM
Primer
convertidor de frecuencia modulado por anchura de pulsos (PWM).
(4) 1983
Convertidores
con modulación digital.
(5) 1985
Primeros
inversores de frecuencia PWM que incorporan control de vector de lazo cerrado y
control de frecuencia de lazo abierto en un accionamiento.
(6) 1985-86: IGBT
Aparece
el IGBT que permite un rápido control de circuitos para un accionamiento de c.a.
(7) Control de la frecuencia usando
PWM
No
se usa la orientación del campo.
La
frecuencia y la tensión aplicadas a los bobinados del estátor son las
principales variables de control.
Se
ignoran la velocidad y la posición del rotor.
(8) Control del vector flujo usando
PWM
Se
logra la orientación del campo mediante modelos matemáticos usando
microprocesadores y realimentación de la velocidad del rotor y posición angular
relativa al campo del estátor mediante un codificador en el eje del rotor.
(9) 1994: DTC
ABB
introduce la tecnología de control directo del Par (DTC).
(10) 1995
Primer
accionamiento basado en tecnología DTC.
(12) Control directo del Par
Se
logra la orientación del campo sin realimentación utilizando una avanzada
teoría del motor para calcular directamente el par motor sin utilizar la
modulación.
1.- ¿Qué variables se regulan en el
control electrónico de motores de c.a.?
1.1.- Generalidades
Las
dos variables que interesa controlar en cualquier motor eléctrico son la
velocidad y el par. Para un motor asíncrono, la velocidad que se obtiene en el
eje del motor, viene dada por:
n = velocidad en r.p.m.
f = frecuencia a la que se alimenta el estator
en Hz.
p = pares de polos del motor.
s = deslizamiento.
ns =
velocidad síncrona en r.p.m.
La
expresión del par electromagnético en régimen permanente, despreciando la
resistencia y la inductancia de dispersión del devanado estatórico viene dada
por:
m = relación de
transformación.
V = tensión de alimentación del estator.
RR =
resistencia rotórica.
LR =
inductancia de dispersión rotórica.
Γe = Par
electromagnético.
1.1.1.- Observación
Físicamente
el control de la transferencia de energía se concreta en dos variables
mecánicas:
·
El par
·
La velocidad
En
la práctica sólo una de estas variables es controlada. Cuando se efectúa un
control del par, la velocidad queda determinada por la carga. Si se efectúa un
control de velocidad, es el par el que queda determinado por la carga.
1.2.- Clasificación del tipo de
variador según la estrategia utilizada
(1) Regulador por ángulo de fase
Modifican
la tensión de alimentación del estátor, con ello el par y con él la curva Γ - ω
, lo que da lugar a una nueva velocidad de trabajo.
(2) Cascada hiposincrónica
Modifica
la resistencia rotórica RR del motor, lo cual modifica la curva Γ -
ω dando lugar a una nueva velocidad de
trabajo.
(3) Convertidores directos
Realizan
la conversión de la frecuencia de entrada a la de salida de manera directa, sin
intervención de ningún sistema de conversión intermedia.
(4) Convertidores indirectos
Realizan
la conversión de la frecuencia de entrada a la de salida de manera indirecta,
utilizando un sistema intermedio de conversión.
2.- Variación de la velocidad
manteniendo fija la frecuencia de alimentación
2.1.- Regulador por ángulo de fase
El
regulador por ángulo de fase modifica la amplitud y el valor eficaz de la
tensión de alimentación de la máquina, manteniendo su frecuencia constante.
Al
ser el par proporcional a V2 se modifica su curva Γ - ω.
Figura 2
2.1.1.- Características
- El par máximo disminuye en proporción a V2.
- Presencia de armónicos (5, 7, 11...) de tensión y corriente que provocan pérdidas suplementarias en la máquina.
- Simplicidad de montaje.
- Los tiristores trabajan con un conmutador natural.
- La inversión del sentido de rotación se realiza modificando el orden de sucesión de las fases (con un contactor o con un dispositivo a base de dos tiristores que cruzan dos fases.
2.1.2.- Aplicaciones
Para
variar la velocidad:
- Ventiladores y bombas. Con una pequeña variación de velocidad. Limitación causada por la rápida caída del rendimiento. Uso frecuente con motores fraccionarios (< 1kW).
- Servicios intermitentes sobre las aplicaciones de elevación y de traslación de puentes rodantes.
Para
conseguir un arranque suave y progresivo ("soft start"):
En
los motores asíncronos funcionando a velocidad fija en que interese conseguir
un "soft start, se reduce la tensión de alimentación V, (pudiendo de todas
formas arrancar pues el par disminuye en V2), la corriente absorbida
por el arranque se reducirá (en comparación con el pico de 6 a 8 veces In que
puede llegar a alcanzar) y podrá ser controlada y limitada durante todo el
arranque.
2.2.- Cascada hiposincrónica
El
principio de funcionamiento de la cascada hiposincrónica es el incremento de la
resistencia rotórica RR que modifica la característica Γ - ω. Este procedimiento se utilizaba
clásicamente en motores de rotor bobinado incorporando resistencias externas en
serie con las propias del rotor.
El
principio de la cascada hiposincrónica descansa en la recuperación de la
energía, que anteriormente se disipaba en el rotor y en las resistencias
adicionales, hacia la red.
Figura 3
2.2.1.- Características
·
Se utiliza
solamente en máquinas de rotor bobinado con escobillas.
·
Montaje sencillo.
·
Funcionamiento
normal del estátor bajo tensión sinusoidal de la red.
·
Rango de
velocidades entre ns y ≈ ns/2.
·
Elevado
rendimiento.
·
Utilización
en bombas, ventilación y compresores hasta algunos MW.
3.- Variadores de frecuencia
3.1.- Cicloconvertidores o convertidores
directos
Producen
una tensión alterna de salida uniendo fragmentos de senoides procedentes de las
diferentes fases de la red de alimentación.
También
se denominan variadores de frecuencia reversibles ya que la transferencia y
conversión de la energía puede realizarse en ambos sentidos, lo cual es muy
útil en el control de máquinas eléctricas ya que permiten que ésta funcione
como motor absorbiendo potencia de la red, o como generador, devolviendo
potencia a la red.
Figura 4
3.1.1.- Características
Los
cicloconvertidores tienen la ventaja que pueden utilizar tiristores de mayor
potencia, relativamente lentos, trabajando en conmutación natural.
El
precio que ha de pagarse es que con esta forma sólo se alcanzan frecuencias muy
inferiores a la de la red. Además se trata de dispositivos muy complicados que
en trifásico pueden necesitar 18, 36 o más tiristores. Por tanto sólo se usan
con potencias muy elevadas y motores muy lentos.
3.1.2.- Utilización
En
la industria petroquímica y en la de laminados son necesarias elevadas potencias
en los accionamientos.
Los
cicloconvertidores de hasta 33 MW se usan para sustituir las turbinas de vapor
por motores síncronos en los compresores de las plantas de obtención de
propileno.
Este
tipo de variadores de frecuencia también se usan en la actualidad en la
propulsión eléctrica de barcos de crucero y los rompehielos.
3.2.- Convertidores indirectos
Los
convertidores más habituales son los indirectos: Primero se rectifica la
corriente alterna de la red, después se crea un circuito intermedio de
corriente o tensión continua, y seguidamente, un ondulador genera la frecuencia
variable de salida.
Figura 5
(1) Circuito intermedio
Los
convertidores pueden ser con circuito intermedio de tensión o con circuito
intermedio de corriente.
La
diferencia está en cuál de las dos magnitudes tienda a mantener constante el
circuito intermedio.
En
el primer caso, se utilizan condensadores de gran capacidad, y en el segundo,
una inductancia.
(2) Etapas de control
Para
controlar todos los elementos del convertidor indirecto (rectificador,
ondulador) se necesitan diversos circuitos analógicos y digitales con las
correspondientes fuentes de alimentación y también algún sistema de
programación, que permita introducir los parámetros de funcionamiento e indicar
la consigna de velocidad o el par que se desee.
Continua en: Variadores de velocidad para motores de corriente alterna (y Parte 2ª)
http://imseingenieria.blogspot.com/2018/09/variadores-de-velocidad-para-motores.html
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Post
relacionado: Sistemas de variación de velocidad en motores trifásicos
asíncronos
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