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martes, 18 de septiembre de 2018

Variadores de velocidad para motores de corriente alterna (Parte 1ª)


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



Post relacionado: Sistemas de variación de velocidad en motores trifásicos asíncronos




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