3.3.- Convertidores con circuito
intermedio de corriente (Ondulador de corriente)
También
conocidos como CSI (Current Source Inverter).
Se
utilizan en potencias importantes de cientos de kW hasta algunos MW. Utilizan
tiristores y las mismas reactancias de los arrollamientos del motor forman
parte del circuito de conmutación forzada.
En
motores de inducción, son necesarios condensadores de conmutación. En cambio,
si se utiliza un motor síncrono sobreexcitado, los tiristores se bloquean por
conmutación natural sin necesidad de condensadores de conmutación.
Figura 6
3.3.1.- Variador de frecuencia para
arrancar con un motor síncrono una turbina de gas
Figura 7
3.3.1.1.- Turbina de gas de 105 kW
(AEG) armado por un variador 6,1 MW
Figura 8
3.3.1.2.- Variador de frecuencia de 1,4 MW
Figura 9
3.3.2.- Variador de frecuencia para
variar la velocidad de un motor asíncrono
(1) Regletero
de mando.
(2) Interruptor
de llegada.
(3) Mando,
control, relevo.
(4) Contactor.
(5) Inductancia
de desacoplamiento.
(6) Unidad de
ventilación.
(7) Regulación,
mando de puertas.
(8) Inductancia
de alisamiento en el exterior del armario.
(9) Puente red.
(10) Puente
máquina.
(11) Limitación
de inductancia dl/dt.
Figura
10
3.3.2.1.- Vista delantera del equipo (puertas abiertas)
(1) Unidad de
ventilación.
(2) Señalización.
Diodos electrofosforescentes.
(3) Mando,
control, relevo.
(4) Puente
máquina.
(5) Regulación,
mando de puertas.
(6) Puente red.
(7) Condensadores
de conmutación.
(8) Cartel de
mando - control.
(9) Interruptor
de llegada.
(10) Contactor.
(11) Regletero
de mando.
(12) Inductancia
de desacoplamiento.
Figura
11
3.3.2.2.- Vista trasera del equipo
(13) Condensadores
de conmutación.
(14) Limitación
de inductancia dl/dt.
Figura
12
3.3.2.3.- Utilización
En el variador
de frecuencia con circuito intermedio de corriente, el motor forma parte del
circuito de potencia.
Por este motivo
se utiliza en aplicaciones monomotoras (bombas, compresores y ventiladores) o
en aquellas en las cuales los motores están siempre conectados. (Tracción
eléctrica).
3.4.- Variador con circuito intermedio de tensión
continua
También
conocidos como VSI (Voltage Source Inverter)
a) P.A.M. (Pulse Amplitude
Modulation). En este tipo de
variadores tanto el control de la amplitud de la tensión aplicada al motor como
la síntesis de la forma senoidal de salida a la frecuencia deseada se realiza
por modulación de la amplitud de los pulsos de tensión manteniendo su anchura
fija.
Figura
13
La segunda
versión es:
b) PWM (Pulse Width Modulation). El control de la amplitud de la tensión aplicada
al motor y la síntesis de la forma de onda senoidal de salida a la frecuencia
deseada se realiza por modulación del ancho de los pulsos manteniendo su
amplitud fija.
Figura
14
3.4.1.- Variador con circuito intermedio de
tensión continua. PWM
El PWM es el
variador de frecuencia más utilizado. Se utiliza desde potencias muy pequeñas
hasta valores de unos 100 kW. En estos casos se utilizan transistores Mosfet,
bipolares o IGBT. Para potencias superiores (hasta algunos MW) se utilizan
transistores GTO.
Figura
15
4.- Métodos de control
4.1.- Generalidades. Dependencia de la tensión y
la frecuencia
Para reducir la
velocidad de un motor de c.a. se reduce la frecuencia de alimentación. Al
hacerlo, disminuyen las reactancias y si la tensión se mantuviese constante,
habría un gran incremento de corriente que podría quemar los devanados del
motor.
La estrategia
de como variar los valores de V y f determinan los diferentes tipos de métodos
de control.
4.2.- Control escalar por lazo abierto
En el control
escalar por abierto, la velocidad del motor se controla variando la frecuencia
de salida del variador de frecuencia. Este tipo de control mide las corrientes
por las fases del motor, calculando la corriente activa que es proporcional al
par del motor. Si el motor se sobrecarga (overload) y la corriente excede el
valor del límite, el variador reduce la frecuencia de salida.
En el control
vectorial por lazo abierto la velocidad del motor no se mide ni se usa para el
control.
Figura
16
4.2.1.- Estrategia de control U/F
Aplicaciones
que no requieren elevados dinámicas ni precisiones. En el método más económico.
Ventiladores y
bombas centrífugas: Prácticamente no necesitan par a velocidades bajas lo cual
se aprovecha para reducir más la tensión a fin de consumir menos energía.
En este
sentido, muchos onduladores permiten la selección de la estrategia V/f en
función del tipo de carga a controlar.
4.2.2.- Utilización del control escalar en lazo
abierto
Aplicaciones
que no requieren elevados dinámicas ni precisiones. En el método más económico.
Ventiladores y
bombas centrífugas: Prácticamente no necesitan par a velocidades bajas lo cual
se aprovecha para reducir más la tensión a fin de consumir menos energía.
En este
sentido, muchos onduladores permiten la selección de la estrategia V/f en
función del tipo de carga a controlar.
4.3.- Control escalar por lazo cerrado de
velocidad
En los motores
de inducción en que se desee un control preciso de la velocidad, debe poderse
compensar el desplazamiento del motor. Esto puede conseguirse variando la
tensión y frecuencia según el comportamiento real del motor, con la ayuda de un
captador de velocidad (por ejemplo, una dinamo tacométrica) o de posición (un
encoder o un resolver).
Figura
17
4.3.1.- Algunos variadores que usan control
escalar
Algunos
variadores que usan control escalar
Figura 18: Familia SAMI GS (AC5 500) de ABB
Figura 19: MicroMaster de Siemens
Figura
20: Convertidor de frecuencia digital 584 de Eurotherm
4.4.- Control escalar por lazo cerrado de par
Es análogo el
control escalar por lazo abierto cerrado de velocidad pero se utiliza cuando no
es posible disponer un tacómetro que mida la velocidad del motor.
El par motor se
calcula de igual forma que en control escalar por lazo cerrado, es decir, a
partir del valor de la corriente activa. El valor calculado se usa como el
valor del para actual para realizar el bucle de realimentación.
Figura
21
4.5.- Control vectorial
El control
vectorial tiene en cuenta, además de las magnitudes de las variables que mide
como referencia, la fase y en base a esto aplican un modelo más complejo del
motor que supone el conocimiento preciso de la orientación del campo magnético.
Esto permite
actuar mucho mejor sobre el par durante los transistores y alcanzar unas
prestaciones dinámicas como las que se consiguen con los motores c.c.
Figura
22: Esquema representativo
4.5.1.- Principio de operación
En el control
vectorial, las corrientes en el estátor y la velocidad del rotor se miden. Las
señales obtenidas son introducidas en un modelo matemático del motor de jaula
de ardilla. Este modelo está almacenado en la memoria del microprocesador del
variador.
El modelo del
motor calcula el flujo magnético del motor y divide las corrientes del estátor
en dos componentes, unas que describe el par y otra que describe el flujo
magnético. Ambas componentes de las corrientes pueden ser controladas
separadamente ya que el par motor puede variarse y el flujo magnético
mantenerse constante.
Los variadores
por control vectorial suelen determinar automáticamente todos los valores
requeridos para obtener el modelo matemático del motor. También permiten
modificar progresivamente el modelo en función de variables como la
temperatura.
El control
vectorial siempre requiere un tacómetro ya que el modelo del motor requiere
conocer la información de la velocidad del rotor.
4.5.2.- Algunos variadores que usan el control
vectorial
Figura
23: Variador VS616G5 de Yaskawa (cortesía Grupo Bonfiglioli)
Figura
24: Convertidor de frecuencia 605 VECTOR SENSOR LESS (Cortesía Eurotherm)
Figura
25: Convertidor de frecuencia FALCON DRIVES (Cortesía Vascat)
4.6.- Control directo del par D.T.C. (Direct
Torque Control)
Este tipo de
control se basa en el uso de procesadores digitales muy rápidos (40 MHz) que
junto con un modelo matemático de las características del motor, permiten
determinar el par del motor y el flujo magnetizante sin necesidad de utilizar
realimentación de velocidad y ahorrándose el uso de moduladores PWM, necesarios
en el resto de estrategias de control.
4.6.1.- Principio de funcionamiento
Durante la
puesta en marcha del accionamiento, el regulador de velocidad mide
automáticamente las características eléctricas del motor de jaula de ardilla
(resistencia del estátor, inductancia mutua, coeficientes de saturación,
inercia) y las introduce en el llamado Modelo Adaptativo del Motor.
Este Modelo
proporciona dos señales de control (par y flujo actual) y mientras calcula la
velocidad del eje las introduce en unos comparadores de flujo y par. Desde
aquí, se envía la información directamente al inversor cada 25 ms de forma que
los interruptores de potencia proporcionen los valores de flujo y par
adecuados.
Esto permite
eliminar el modulador PWM utilizado en los variadores de frecuencia que usan
control escalar o vectorial.
Mientras el
controlador de velocidad recibe el cálculo de la velocidad que ha realizado el
Modelo del Motor, lo compara con la referencia externa y lo introduce en el
controlador de referencia del par. Este último envía su salida, juntamente con
el controlador de referencia de flujo externo, a los comparadores de flujo y
par.
Figura
26: Variador de frecuencia DTC
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