La descarga está en progreso. Por favor, espere

La descarga está en progreso. Por favor, espere

FundamentosDrives Índice Introducción a los Drives Fundamentos Controles CD Fundamentos Drives CA Motores de Inducción CA Regeneración con Drives CA.

Presentaciones similares


Presentación del tema: "FundamentosDrives Índice Introducción a los Drives Fundamentos Controles CD Fundamentos Drives CA Motores de Inducción CA Regeneración con Drives CA."— Transcripción de la presentación:

1

2 FundamentosDrives

3 Índice Introducción a los Drives Fundamentos Controles CD Fundamentos Drives CA Motores de Inducción CA Regeneración con Drives CA Sección de Aplicaciones Armónicos y Drives CA Multi-pulso

4 Introducción a los tipos de Drives: CD, CA & Servo Drives

5 Modelo HidráulicoModelo Eléctrico Corriente (Amps) Flujo (gal./min.) Presión (PSI) Voltaje (Volts) Resistencia Resistencia (Ohms) Analogías Hidráulica y Eléctrica

6 Circuito Resistencia Única

7 Circuito Resistencias en Serie

8 Circuito Resistencias en Paralelo

9 Tipos de Drives AC Drive CD - controla la velocidad & par de un motor de CD con un puente rectificador controlado CA – controla la velocidad y par de un motor de CA por convertir CA a CD, y entonces de vuelta a CA SERVO – controla velocidad, par & movimiento o posición de un servomotor brushless Servo Drive DC Drive CA-CD CA-CD-CA Retro. Velocidad Retro. Posición Que es un Drive? En el mundo eléctrico, drive es un termino usado para describir un controlador para motor de velocidad variable. Los diferentes tipos de drives pueden controlar motores de CA, motores de CD y servomotores

10 Fundamentos Drives CD

11 Fundamentos Drives de CD Los Drives de CD convierten el voltaje de línea de CA en voltaje variable de CD con un puente rectificador de fase controlada (SCR), para alimentar la ARMADURA del motor de CD. Una fuente separada suministra al motor la excitación al CAMPO de CD LÍNEA ENTRADA SALIDA AL MOTOR Armadura Campo A1 A2 F1 F2

12 Dentro del Motor CD (Shunt Field Design) A1 A2 F1 F2 El conmutador y escobillas mantienen el flujo de armadura en una posición fija relativa al campo, lo que garantiza que la fuerza del par es siempre perpendicular al campo de magnetización. N S

13 Curvas Típicas de Corriente y Par Motor CD La corriente de Armadura es directamente proporcional al par a través del rango de carga % T % I DC NO LOAD MOTORIZANDO REGENERANDO RPM

14 Motor CD Par & HP vs. Velocidad Placa de Motor: 250 / 1000 RPM Base Max. Velocidad 2 : 1 CAMPO DEBILITADO 3 : 1 CAMPO DEBILITADO 4 : 1 CAMPO DEBILITADO CAMPO DEBILITADO RANGO 4 : 1 POTENCIA CONSTANTE POTENCIA PAR CONSTANTE 100% ARMADURA AMPS CAMPO NOMINAL PAR & POTENCIA VELOCIDAD (RPM) %

15 Power Switches El SCR: (Rectificador Controlado de Silicio) a.k.a. - Tiristor ÁNODO CÁTODO COMPUERTA Interruptor de estado solido extremadamente robusto / 40+ años de trayectoria probada Elemento clave en los circuitos de potencia de Drives de CD Un simple pulso activa el flujo de corriente El dispositivo tiene autoapagado cuando se polariza inversamente Encapsulados tipos paquete 2-, 4- y 6- disponibles en ciertos tamaños y rangos. DISPARO - +

16 Problemas de Aplicación: Cortes en la Línea de CA con Drives CD Entrada CA Los cortes por conmutación son causados por la transferencia de corriente desde un SCR hacia otro. Estos cortes pueden causar fallos de disparo en drives comunes a la misma línea de energía. V ph-ph Solución: Instalación de un pequeño reactor (25-50 uH rango), 3-fases sobre cada controlador de CD puede prevenir cross-talk y otros problemas relacionados.

17 Elementos Drive de CD: Tipo No-regenerativo Entrada CA Señales Disparo SCR Microprocesador controlador Interface Operador Referencia Velocidad ó Par Señales control campo A1 A2 F1 F2 Retroalimentación por Tacómetro (lazo cerrado) Retroalimentación voltaje de motor Retroalimentación corriente de linea

18 Elementos Drive de CD: Tipo Regenerativo Entrada CA Señales Disparo SCR Microprocessor controller Interface Operador SEQSEQ REF LO CA L AC MOTOR DRIVE 0.75 KW 200 Vv 1.3 HEALTH L R PROG E M RUN FWDFWD RE V JOG RESET STOP RESET Referencia Par ó Velocidad Señales Control Campo A1 A2 F1 F2 Retroalimentación por Tacometro (Lazo Cerrado) Retroalimentación Voltaje de Motor FWD/MOT REGEN/REV F F F F F F R R R R R R Retroalimentación Corriente de Linea

19 Frenado Dinámico en Drives CD A1 A2 F1 F2 M M M DBR Las Resistencias de Frenado Dinámico están derivadas a través de la armadura de motor en modo de STOP ó E-STOP. Motor FCEM (voltaje de regreso desde el motor, actuando como generador) aparece a través de la red de resistencias. El voltaje disminuye a medida que las resistencias disipan la energía. La potencia de frenado disminuye exponencialmente con la desaceleración del motor: P = V 2 /R Potencia de Frenado Tiempo No es a prueba de fallos: El FD no funcionará si el suministro de campo está ausente (es decir - si se pierde la energía)

20 AHORRO DE ENERGÍA Retrofit conjunto M-G Regulador Campo Generador Regulador Campo Motor Armature Control CARGA MOTOR CA MOTOR CD GENERADOR CD 400HP 88% eficiencia 90% eficiencia 20A 5% pérdida.80 pf Eficiencia Total = (.88 x.90 x.95 x.90 x.95) x 100 = 64% Pérdida de Potencia =.36 x 400 x.746 kW/Hp = 107 kW Pérdida Anual de Potencia = 107 kW x.10 $/kWH x 365 x 24hr/día = $93,732

21 Eficiencia Total = (.98 x.90) x 100 = 89% DRIVE CD AHORRO DE ENERGÍA Retrofit conjunto M-G Armadura CARGA MOTOR CD 90% eficiencia 20A CAMPO

22 Fundamentos Drives CA

23 Fundamentos Drives de CA Todos los Drives de CA convierten un voltaje y frecuencia fijos hacia voltaje y frecuencia variables, para operar motores de inducción 3 fases LÍNEA ENTRADA SALIDA MOTOR

24 Tipos de Drives CA En el mercado actual, hay 3 categorías básicas de Drives de CA: Drives Lazo Abierto Volts / Hz Drives Lazo Abierto Sensorless Vector Drives de Lazo cerrado Flux Vector Todos son Modulación por Ancho de Pulso (PWM) Algunos fabricantes ofrecen 2 en 1 & 3 en 1, combinando estos atributos. V/Hz SENSOR- LESS VECTOR FLUX VECTOR

25 DRIVES CA: Los precios en CA continúan cayendo Más 2- & 3-en-uno* productos introducidos * (Productos combinados Volts/Hz, Vector, and Sensorless Vector) Confusión del Distribuidor, OEM & Usuario sobre que usar Usuarios buscan algo SIMPLE, inclusive en altos HP. Los SSD 690+ Series AC Drives combinan todos esos atributos en un solo producto – haciendo la decisión fácil para nuestros clientes VECTOR? SENSORLESS? VOLTS / HZ? CLOSED LOOP? FLUX VECTOR?

26 Drives de Lazo AbiertoVolts / Hz VoltsVolts Hz RPM* (Base) 0 El voltaje de motor es variado linealmente con la frecuencia Sin compensación para las dinámicas del motor y la carga Pobre respuesta a impactos de carga *( motor 4-polos) Placa Motor V/Hz Refuerzo de Par

27 Drives Sensorless & Flux Vector VoltsVolts Hz RPM* (Base) 0 El voltaje de Motor es variado linealmente con la frecuencia, con autoajustes dinámicos Compensación dinámica V/Hz para la carga y el motor Excelentes características de respuesta a impactos de la carga y alto par de arranque *( motor 4 polos) Placa Motor V/Hz

28 Motor de CA, Par & HP vs. Velocidad T & HP % Par HP Hz RPM El Par Motor es constante a la velocidad base Los HPs varian proporcionalmente con la velocidad

29 Entrada CA Caps Bus CD CA a CD Rectificador Inversor Modulación Ancho de Pulso Circuito de Potencia Básico Filtro CD CD a CA Inversor IGBTs Salida CD Todos los inversores PWM (V/Hz, Vector & Sensorless Vector) comparten similares topologías del circuito de potencia. La CA es convertida a CD, filtrada é invertida hacia frecuencia y voltaje variable de CA M

30 PWM Circuito de Potencia: Sección Convertidor CA a CD Entrada CA Caps Bus CD CA a CD Rectificador Filtro CD + - Reactor de Entrada (opción) Reactor CD La entrada de CA es rectificada y filtrada a voltaje fijo CD Ciertas unidades contienen un reactor de CD (bobina) como parte integral del filtro de CD. La adición de un reactor de entrada externo ofrece beneficios similares. Ambos reducen armónicos, suavizan y bajan la corriente pico.

31 Interruptores de Potencia El IGBT: (Insulated Gate Bipolar Transistor) Un IGBT es hibrido entre un MOSFET y un Transistor Bi-polar Darlington = COMPUERTA COLECTOR EMISOR INTERRUPTOR Un IGBT puede conmutar desde OFF a ON en menos de un microsegundo. Amplifica las señales lógicas del drive la COMPUERTA de alta impedancia. Asuntos de Aplicación : Un cambio de estado de 1 microsegundo genera un pulso de RF de 1 MHz. El dv/dt (rápidos cambios de voltaje) pueden estresar los sistemas de aislamiento del motor.

32 PWM Circuito de Potencia: CD a CA Sección de Inversión Filtro CD CD a CA Inversor IGBTs Salida CA M Un IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) es un interruptor semiconductor de potencia de alta velocidad Los IGBTs son modulados en ancho de pulso con un patrón especifico de disparos, cortando el voltaje de CD en voltaje de CA trifásico con la frecuencia y voltaje apropiado. La corriente de motor resultante es cercana a la senoidal, debido a la inductancia del motor I motor V u-v U V W Señales Disparo IGBT + -

33 IGBT Problemas de Conmutación Longitud cable del controlador-al-motor > 38m CONDICIÓN SOLUCIÓN RESULTADO Reactor de salida instalado cerca del controlador Filtro RFI / EMI de entrada, cable de motor apantallado, conductor de tierra separado Molestas fallas por el acoplamiento capacitivo a tierra Fallas molestas; Daños aislamiento motor por el voltaje doblado Reactor de salida; Mejorar el aislamiento del motor Mayor conmutación o algoritmo tranquilo Interferencia con equipos de telecomunicación Ruido acústico motor Daños aislamiento motor por el voltaje doblado Mejorar el aislamiento del moto Fenómeno de onda reflejada Frec. Conmutación rango de 2 a 10Khz Alto dV/dT por rápida conmutación R.F. & Interferencia electromagnética

34 Señales Disparo IGBT PWM microprocesador controlador Interface Operador V f Circuito de Control Básico V/HZ: Señales de Entrada, Retro y Control Retroalimentación corriente & voltaje Motor Retroalimentación corriente & voltaje Bus CD Referencia Vel.

35 IGBT Gating Signals PWM microprocesador controlador con Algoritmo Vector Interfase Hombre- Maquina Elementos de Control Flux Vector Señales Entrada, Retro y Control Encoder Retroalimentación Retroalimentación corriente & voltaje Motor Retroalimentación voltaje Bus CD Referencia de Velocidad y/o Par

36 LAZOS DE CONTROL AC VECTOR Regulador Velocidad Regulador Par PWM Disparo Retroalimentación Frecuencia Retroalimentación Velocidad Lazo VelocidadLazo Par Par Actual Error Velocidad Ref. Par Encoder Frec. & Voltaje Referencia AC Vector Drive Par Calculador Referencia Velocidad Referencia Par

37 Fundamentos Motor de Inducción de CA

38 Motor de Inducción Típico CA Curva Velocidad / Par Operación Directo a 60 Hz, NEMA B motor Punto de operación a plena carga (100% corriente & par) 1750 RPM (placa) Punto de ruptura: El máximo par motor se produce antes del bloqueo del rotor Velocidad sincronía sin carga 1800 RPM (50 rpm) Par Arranque Par de Tracción 150 %T Velocidad CARGA DESLIZAMIENTO

39 Velocidad Familia de curvas velocidad/par motor sobre un inversor Desl. (50 rpm) %T Desl. (50 rpm) 100% par de la carga línea de operación Velocidad base Motor: 1750 RPM A cualquier frecuencia aplicada, un motor de inducción se desliza a unos RPM fijos a la carga nominal Par Pico Inversor ( %)

40 Referencia: FORMULAS MOTOR AC 120 x Frecuencia Número de Polos SINC RPM = Ejemplo: motor de 4 polos SINC RPM = 120 x 60 / 4 polos = 1800 RPM %DES = SINC RPM – RPM PLENA CARGA SINC RPM X 100 Ejemplo: 1750 RPM motor % Des = ( ) / 1800 x 100 = 3% Des VELOCIDAD SÍNCRONA DESLIZAMIENTO MOTOR Relación: VOLTS / HERTZ V/Hz = Voltaje Motor Frecuencia Motor Ejemplo: 460 V, 60 Hz motor V/Hz = 460/60 = 7.66 V/Hz VOLTS FRECUENCIA V/Hz

41 TAMAÑO DE MOTOR CA El tamaño del armazón esta directamente relacionado a los RPM base, para una potencia determinada Ejemplo: motores de 15 HP de diferentes velocidades base RPM Base Tamaño Par Amps 3600 (2-polos) lb-ft (4-polos) lb-ft (6-polos) lb-ft 19.3

42 Como la compensación de deslizamiento mejora la regulación de velocidad Ejemplo: Motor con carga a 30 Hz Punto de operación a plena carga 30 Hz (100% corriente & par) 850 RPM Velocidad de Sinc. sin carga a 30 Hz 900 RPM Desl. (50 rpm) %T%T Velocidad Desl. (50 rpm) %T%T Velocidad Un motor perderá 50 rpm bajo plena carga con 30 Hz de frecuencia aplicada, deslizando desde 900 a 850 rpm. Por medir la corriente y otras variables, la Comp. Desl. aplicara 31.7 Hz al motor, restaurando la velocidad a 900 RPM. ANTES DESPUÉS Nueva curva 31.7 Hz 900 RPM 950 RPM Curva 30 Hz

43 Ventajas del Motor de Inducción Bajo costo (comparado con CD) Amplia disponibilidad Bajo mantenimiento – sin escobillas ó conmutador Diseño robusto – puede ser usado en ambientes agresivos Diseños de rotor de baja inercia Alta eficiencia eléctrica Amplios rangos de velocidad Solo devanados de campo alimentados Buen desempeño en lazo abierto

44 Elementos de un Motor de Inducción: El Rotor Laminaciones de acero y alto contenido de silicón Barras de aluminio fundido del rotor Anillos de aluminio fundido Baja-media corriente Eddy, y pérdidas magnéticas Une eléctricamente las barras del rotor en ambos extremos Llevan corriente inducida (Barras sesgadas mostradas) No hay conexiones eléctricas directas hacia el rotor. Todas las fuerzas son magnéticamente inducidas por el estator, vía el espacio de aire. Corriente en Barra Rotor

45 Elementos de un Motor de Inducción: El Estator Núcleo del Estator Laminación de placas de acero con cortes

46 Elementos de un Motor de Inducción: Bobinados del Estator (4-polos) Laminaciones de acero Bobinas Estator Ranuras Estrella o Delta tipos de conexión

47 t El estator induce líneas magnéticas de flujo a través del entrehierro, en el rotor Campo magnético giratorio Elementos de un Motor de Inducción: Bobinados del Estator (4-polos)

48 estator rotor Deslizamiento del motor de inducción DES = ( s - r ) / s El deslizamiento del motor es proporcional al par de la carga. La velocidad del estator es conocida por la frecuencia La velocidad del rotor es medida con un encoder (Vector). La velocidad del Rotor puede ser aproximada, conociendo la corriente del motor y del bus (Sensorless Vector algoritmo)

49 Dinámica del Campo Magnético del Rotor: El DESLIZAMIENTO crea PAR A medida que el rotor se desliza, el deslizamiento de la frecuencia de la corriente en la barra del rotor se incrementa, resultando en una mayor intensidad del campo del rotor (más par). Cuando la velocidad del rotor se encuentra cerca de la velocidad del estator (carga ligera), pocas líneas de flujo del estator se cortan. La corriente de la barra del rotor y la frecuencia de deslizamiento son bajos. Líneas de Flujo Magnético Corriente en Barra Rotor Carga Ligera Carga Pesada Líneas de Flujo Magnético

50 Motor de Inducción Circuito Equivalente Aunque no existe una conexión física entre el rotor y el estator, el campo inducido hace que el modelo de motor se comporte como si existiera Estator Rotor Entrehierro R1R1 X LR XMXM XRXR R LOAD = R 2 / Des* Resistencia Estator Reactancia de Fuga Reactancia de Magnetización Reactancia Rotor *(R 2 es la resistencia de la barra del rotor) V

51 Vectores Corriente de Motor Estator Rotor Entrehierro R1R1 X LR XMXM XRXR R CARGA Resistencia Estator Reactancia de Fuga Reactancia Rotor Corriente Total Corriente de Magnetización Corriente Par Corriente Magnetización Corriente Productora de Par Corriente Total La Corriente Total es el Vector suma de la corriente de magnetización y productora del Par, que se encuentran en un ángulo recto entre si.

52 Vectores Corriente de Motor Corriente Magnetización Corriente Productora de Par Corriente Total Corriente Magnetización Corriente Productora de Par Corriente Total Corriente Magnetización Corriente Productora de Par Corriente Total CARGA LIGERA CARGA MEDIA & CARGA PESADA Alto % de la corriente total es corriente de magnetización Corriente de magnetización es reactiva (bajo f.p.) La corriente de motor (total) medida no es un buen indicador del nivel de carga La mayor parte de la corriente total es productora de par Los motores trabajan a un alto factor de potencia La corriente total del motor es proporcional al nivel de carga.

53 Autotuning en Sensorless Vector Drives HECHO: La mayoría de los parámetros eléctricos del motor son difíciles de obtener desde el fabricante RESISTENCIA ROTOR REACTANCIA ROTOR CORRIENTE MAGNETIZACIÓN RESISTENCIA ESTATOR REACTANCIA FUGA La función Sensorless Vector AUTOTUNE hace el trabajo fácil: 1. Ingresar los parámetros de placa del motor (velocidad base, amperaje nominales, voltaje, frecuencia, factor de potencia). 2. Ejecutar la función AUTOTUNE. El controlador pulsara el motor y determinara las características eléctricas aproximadas del motor para una operación SENSORLESS VECTOR. 3. El algoritmo S-V puede ahora calcular los vectores de par y corriente de magnetización para un control de motor mas preciso. ????? No típicamente encontrados sobre la placa del motor

54 Hechos acerca de los Motores de Inducción La mayoría de los motores CA están diseñados para ser usados y operados a velocidad fija (directo a línea). El diseño de la barra del rotor, ventiladores de enfriamiento, sistemas de aislamiento han sido diseñados para una onda senoidal de 60 Hz. Cuando se opera con un inversor, el desempeño y confiabilidad pueden estar comprometidos: » El sistema de aislamiento puede romperse debido al estrés por la energía PWM desde los IGBT. » La eficiencia desde el ventilador acoplado a la flecha puede limitar el rango de velocidad baja. » Los armónicos al motor pueden reducir el Factor de Servicio. » El par máximo de operación es menor a lo optimo.

55 Motores de Induction Inverter-Duty Varios fabricantes de motor han introducido líneas de motor que ellos llaman Inverter Duty o Vector Duty. Rasgos y características varían según el fabricante. Rasgos típicos encontrados en Motores Inverter-Duty Alta resistencia dieléctrica del aislamiento de cable - Thermal-eze TM (una marca) resiste perforaciones causadas por el dv/dt de conmutación de los IGBT. Mejor enfriamiento – Eficientes diseños de ventiladores de flecha, ventiladores de velocidad constante, y sobredimensionamiento. Diseño optimizado del rotor - Diseños del perfil de barra adecuados para inversor, no para arranque a línea. Provisiones para montaje de Tach - Fácil montaje de encoders para operación Vector Duty. Amplios rangos de velocidad - Diseños para operación arriba de la velocidad base y relaciones V / Hz personalizadas.

56 Motores de Inducción CA Afectando la velocidad base a través del diseño V / Hz Los Motores sobre inversores no tienen por que se bobinados a 60 Hz La entrega de potencia óptima ocurre durante el voltaje pico a la velocidad base El menor amperaje ocurre al voltaje pico. El precio del Drive / componentes es relacionado a los amperes. Ejemplo de un motor de 4-polos, velocidad base 550 RPM : Estator es bobinado para 20 Hz V/Hz = 460/20 = 23 Hz RPM (sínc.) VOLTS 0 3:1 HP CONSTANTES VELOCIDAD BASE PLACA DE DATOS

57 Operación Motor Arriba Velocidad Base Velocidad base motor: 1750 RPM (4-polos) Par Pico Inversor ( % corriente) Velocidad Desl. (50 rpm) %T%T 100% corriente operación linea Desl. (50 rpm) Curva 60 Hz Curva 120 Hz Arriba de la velocidad base el par declina continuamente al 50% a 2 x base. El par pico del inversor (sobrecarga) declina inclusive más rápidamente. El deslizamiento del motor se incrementa, para un nivel dado de par. Base

58 V 60 Hz POTENCIA Potencia Constante Voltaje Constante % T & HP Par Constante 50 Rango del Campo Debilitado Par Reducido Operación Motor Arriba Velocidad Base Par V/Hz La frecuencia se incrementa arriba de la velocidad base pero los niveles de voltaje no El resultado es una velocidad incrementada con un par debilitado, o la operación en HP constantes Por encima 2:1, el par motor cae bruscamente y la operación no es recomendable

59 Drives CA V/Hz Pros & Cons Ventajas Simple, tabla de control de voltaje y frecuencia Buena regulación de velocidad (1-3%) No necesita retro de velocidad del motor Capacidad de Multi-motores Limitaciones Bajo desempeño dinámico sobre cambios de carga repentinos Limitado par de arranque Sin capacidad de referencia de par Sobrecarga limitada a 150% Mejor para Aplicaciones de Propósito General y Aplicaciones de Par Variable: Ventiladores y bombas centrifugas Transportadores Mezcladores y agitadores Otras cargas ligeras y no dinámicas

60 Drives CA Sensorless Vector Pros & Cons Ventajas Capacidad de alto par de arranque 1 Hz) Regulación de velocidad mejorada (< 1%) No necesita retro de velocidad del motor Auto sintonía para el motor Entradas separadas para referencia de velocidad y par Limitaciones La regulación de velocidad puede quedarse corta en ciertas aplicaciones de alto rendimiento Carece de capacidad de mantener velocidad cero Operación multi-motor usa V/Hz El control de par de más de 2 X velocidad base puede ser difícil Apto para todas las aplicaciones de Propósito General, Par Variable y de moderadas a alto desempeño: Extrusores Bobinadoras y desembobinadoras Líneas de Proceso

61 Drives CA Lazo Cerrado Vector Pros & Cons Ventajas Alto desempeño y respuesta en par y lazo de velocidad Excelente regulación de velocidad hasta.01% Par nominal a velocidad cero Amplio rango de control de velocidad Limitaciones Requiere retro de encoder Funcionamiento con un solo motor Puede requerir motor vector premium para el beneficio de desempeño total Operación en 4-cuadrantes (regenerativo) requiere hardware adicional Mejor para Aplicaciones de Alto Desempeño: Conversión de aplicaciones Tornos y husillos Extrusores Otras aplicaciones históricamente de CD

62 Drive CA Asuntos de regeneración

63 Operación Regenerativa Motores de CA Ejemplo: motor de 1750 RPM sobre energía a 60 Hz PAR CARGA & CORRIENTE Corriente Motorizando Regenerando Velocidad Síncrona 1800 RPM -100% +100% VELOCIDAD Ruptura Regen.

64 PESO TIRO ROTACIÓN Condiciones para Regeneración sobre un Motor de CA Los motores de CA regeneran cuando son jalados mas rápido que su velocidad de sincronía a la frecuencia. A 60 Hz, si un motor es jalado mas rápido que 1800 RPM*, el motor se comportara como un Generador de Inducción. Condiciones de Regeneración: Cargas reacondicionadas Rápida desaceleración cargas de alta inercia. Detenerse en un tiempo de rampa Cargas cíclicas o cargas de eje excéntrico * 1750 RPM velocidad base a 60 Hz

65 Frenado Dinámico en Drives de CA Entrada CA Caps Bus CD M + _ DBR CONTROL FRENADO DINÁMICO Retroalimentación VCD SEÑAL El FRENADO DINÁMICO es típicamente una opción para Drives AC Un séptimo IGBT, internamente montado, es modulado cuando el voltaje del Bus de CD es excesivo. Las resistencias disipan el exceso de energía. El ciclo de trabajo del FD esta limitado a un cierto número de operaciones de paro. DB es ACTIVO cuando: Motor tiene una carga reacondicionada Hay rápida desaceleración de cargas de alta inercia Detenerse en modo de ramp-to- rest DB es NO ACTIVO cuando: Desacelera una carga con fricción Detenerse en coast-to-rest mode Drive es deshabilitado o si la energía es removida

66 Aplicación de Drives de CA sobre un Bus Común de CD M M M + -

67 Drives CA en un Bus Común CD: Teoría de Operación POTENCIA NETA Cuando drives individuales regeneran, la energía retornada es redistribuida a los drives motorizando vía el bus de CD común. AC DRIVE + - REGEN MOTORIZANDO El uso neto de energía es mínimo, debido al uso eficiente de la energía devuelta.

68 ACTIVE FRONT END soluciones para la Industria

69 Drives CA y Regeneración M AC Drive M AC Drive ENERGÍA Los drives de CA convencionales proveen energía al motor R Incapaces de retornar la energía a la línea, esos drives de CA deben quemar esa energía regenerada por el motor

70 La solución Parker SSD Drives 4Q La sección del INVERSOR es un inversor estándar de (6) IGBT PWM El rectificador es un PUENTE ACTIVO de (6) IGBT PWM bi-direccional El FILTRO LCL es un diseño pasa-bajos que remueve las armónicas de alta frecuencia La sección de CONTROL proporciona las señales a ambos puentes M Filtro LCL Puente Activo Inversor 4Q Drive Control FLUJO ENERGÍA Línea 3-fases El drive 4Q elimina las armónicas típicas manteniendo el THD (distorsión armónica total) debajo del 4% dentro de las directrices IEEE519

71 Reactor línea 8% (mandatorio) pre-carga externo True 4Q Drive AC690+ Modo Regen. Drives estándar AC690+ uno configurado para regeneración uno configurado para motorización reactor y precarga externos requeridos Sección independiente AC690+ Modo Motoriz.

72 Regeneración a Línea sobre un Bus CD Común REGEN MOTORIZ REGEN LÍNEA BUS CD COMÚN LINEA CA rango completo AC690+ drive de hardware estándar software estándar en todos AC690s regeneración senoidal CA completa EMC FILTER Opcional por requerimientos de diseño del sistema pre-carga externa Reactor de línea 8% (mandatorio) El nuevo software proporciona al AC690+ con la capacidad para regenerar a la red eléctrica

73 REGEN LÍNEA LÍNEA CA precarga externa reactor línea 8% Puente diodos y bus común con Drive AC690+ regen para frenado REGEN MOTORIZ BUS CD COMÚN 1000 HP Puente Diodos 250 HP 200 HP pre-carga externa reactor línea 3% MOTORIZ El Bus CD proviene del Puente Diodos El AC690+ regenerativo solo necesita manejar el frenado

74 Como los drives CA causan Distorsión Armónica 460 VCA 650 VCD Cada diodo conduce solo unos pocos grados durante el pico de cada ciclo, manteniendo el voltaje del capacitor al máximo Bus 650 VCD (Tiempo de Conducción Diodo) AL INVERSOR CARGA Rectificador Filtro CD voltaje línea 3 fases

75 MOTOR VFD entrada 6-pulsos reactor de linea entrada 3-5% MOTOR VFD Entrada 12-pulsos Transf. desplaz. fase MOTOR VFD entrada 6-pulsos Filtro trampa armónicos MOTOR VFD AFE filtro LCL Active Front End drive 6-pulsos con reactor de entrada drive 12-pulsos con transf. desplaz. fase drive 6-pulsos con filtro trampa armónicos Drive con Active-Front-End y filtro LCL Métodos de Control de Armónicas (un solo drive)

76 Drives CA AFE - para Energía Limpia (con reactor entrada) Comparación corriente entrada Diodo rectificador convencional Drive CA Parker SSD Drives AFE % Corriente armónica entrada Orden armónicas % Corriente armónica entrada Orden armónicas Rectificador Diodos Convertidor activo IGBT Alto contenido armónico es el resultado de la conducción de corta duración del rectificador. Prácticamente no se produce contenido armónico por el active front end, que distribuye uniformemente la conducción.

77 M VFD AFE filtro LCL Active Front End M VFD M M M M Drives CA AFE - Drives CA AFE - en múltiples drives

78 Aplicaciones para Drives 4Q Teleféricos Centrifugas - Azúcar - Alimentos - Química - Farmacéutica - Aguas residuales Bancos de Pruebas - Dinamómetros Prensas de estampado Parques eólicos Bombeo Papeleras Elevadores y grúas

79 Elevadores y Grúas Grúas puente Grúas pórtico Grúas embarcaciones Grúas contenedores Las características proporcionadas por los Parker SSD Drives 4Q satisfacen los exigentes requerimientos de control de grúas. Hasta una capacidad del 150% de par de frenado regenerativo esta disponible sin carga mecánica al freno. Control de elevación y transversal Control vectorial de alto desempeño Funciones de par Detección y comprobación de freno Fácil autotuning motor/control Detección velocidad cero

80 Drives CA Regen – Beneficios Clave Operación real 4-cuadrantes: - adelante motorizando (FM) - adelante regenerando (FR) - reversa motorizando (RM) - reversa regenerando (RR) Rápida desaceleración y alta respuesta dinámica Control de tensión preciso Regeneración continua – sin restricciones duty cycle Recuperación total de energía FM FR RR RM SPEED TORQUE + + _ _

81 El Drive con Real Factor Potencia Unidad Input voltage 0o0o F.P. = cos(0 o ) = 1.0 Los Parker SSD Drives 4Q aseguran que la corriente de entrada este siempre en fase con la tensión, independientemente de la velocidad y carga del motor. Sin necesidad de corrección FP! Sin sanciones por bajo FP! Reducida carga al generador F.P. UNIDAD =

82 Drives CA Ejemplos Aplicación

83 Centrífugas de Tambor MEZCLA SÓLIDOS / LÍQUIDOS DESBORDE LIQUIDO LIMPIO TAMBOR ROTATORIO TANQUE SALIDA LIQUIDO MOTOR CA SÓLIDOS COLECTADOS Las centrifugas de tambor vertical se parecen a las lavadoras en la operación de centrifugado. Un tambor perforado girando a altas velocidades separa sólidos en suspensión de líquidos. El tambor es desacelerado y el substrato sólido es raspado o desplazado de la canasta. PARKER SSD DRIVE 4Q Industrias: Refinación de azúcar Procesamiento comida Farmacéutica Manufactura de yeso Refinación química Parker SSD Drives regenerativo rápidamente desaceleran canastas de alta inercia para la remoción de sólidos y proporciona una aceleración suave para el próximo ciclo Desaceleración regenerando tiempo velocidad CICLO TRABAJO Aceleración motorizando

84 Ahorro de Energía Centrífugas para Azúcar El jarabe es separado de los cristales de azúcar sin refinar en centrifugas que contienen cestas perforadas, que giran a altas velocidades. El jarabe marrón oscuro alrededor de los cristales es "expulsado" y pasa a través de las perforaciones. El jarabe expulsado se hierve de nuevo y más cristales de azúcar sin refinar se recuperan. La melaza es el jarabe negro sobrante de la centrifugación final. Los ingenios azucareros pueden reemplazar el control convencional de motor de dos velocidades por los Parker SSD Drives. Los drives permiten la transferencia de energía eléctrica de las centrífugas desacelerando hacia otras acelerando proporcionando un notable ahorro de energía. Ahorros de energía Velocidad de proceso optimizada Arranque suave reduce el desgaste Factor de Potencia mejorado Sin altas corrientes de arranque INCREMENTO DEL 20% EN LA PRODUCCIÓN AZÚCAR Los recicladores de energía Parker SSD Drives aumentan el número de ciclos por hora de rendimiento. Por lo general, un aumento de 3 ciclos por hora aumentan el rendimiento total de azúcar en un 20%. tiempo velocidad CICLO DE TRABAJO PLOW 100% B U S C D C O M Ú N POTENCIA 100% Regeneración a Línea Active Front End SSD Drive

85 Ski Lifts & Teleféricos Ski lifts y teleféricos se benefician de la recuperación de energía regenerativa y reducida carga al generador de los drives libres de armónicos Parker SSD Drives. Motores CA bajo mantenimiento Factor de Potencia Unidad Sin carga armónica Regeneración de energía Controles de seguridad redundantes

86 Bancos de pruebas Dinamómetros y bancos de pruebas automotrices son usados extensivamente usados para cargar y probar motores y componentes de la transmisión. Los dinamómetros de chasis son también usados para la verificación de emisiones del vehículo. REFERENCIA PAR CARGA es creada por proveer una referencia precisa de par a los drives sobre cada eje del vehículo alimentado La potencia del motor del vehículo es convertida a energía eléctrica y absorbida por el sistema de distribución eléctrica. Procedimientos de perfiles de carga pueden ser creadas para cada tipo especifico de vehículo bajo prueba DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ENERGÍA ENERGÍA

87 Prensas de Estampado Principalmente usado operaciones de manufactura automotriz, hojas de metal y plásticos. Las prensas de estampado consisten de ariete, secciones alimentador de prensa y bobinado así como otras secciones de proceso. rápido indexado preciso control coordinado bajos costos mantenimiento alto desempeño bajo consumo de energía

88 Parques Eólicos En una típica aplicación en parques eólicos, una hélice gira un motor de inducción (generador de inducción) a una velocidad que varia con la velocidad del viento. La ligera frecuencia de subsincronía del inversor garantiza que el motor funcione como un generador todo el tiempo. Las leyes de afinidad de operación del ventilador definen la energía producida que se incrementa con el cubo de la velocidad del viento. El Parker SSD Drive 4Q distribuye uniformemente esta energía recién generada en la red de energía a unos 60 Hz. constantes, independientemente de la velocidad. Filtro LCL Puente Activo Inversor Parker SSD 4Q Drive Control RED ELÉCTRICA Caja Engranes Generador Inducción 60 Hz 0-90Hz POTENCIA VELOCIDAD VIENTO ENERGÍA CAPTURADA POTENCIA P=k(vel.) 3

89 Aplicaciones de Bombeo Usuarios de bombas multimotor o multietapa se benefician del extremadamente bajo contenido de armónicos introducido a la línea de energía por el active-front-end de los Parker SSD Drives 4Q INPUT VOLTAGE INPUT CURRENT

90 Aplicaciones Agua / Aguas Residuales Agua Sanitaria Toma agua cruda Coagulación / Floculación Almacenaje y Distribución Aguas Residuales Aeración Prensa / Deshidratación sólidos Centrifuga / Deshidratación sólidos Floculación Estaciones de Bombeo Remoción de Nutrientes Biológicos Distribución y Almacenamiento Irrigación Bombeo comercial y agrícola

91 Centrifuga Decantadora En aplicaciones de tratamiento de agua, un tazón horizontal centrifugo es manejado a alta velocidad, y un transportador de tornillo es impulsado a velocidad reducida en la misma dirección. Un drive se puede usar si el tornillo esta impulsado desde el tazón, ó si tazón y sinfín pueden ser manejados separadamente para optimizar el diferencial de velocidad para un optimo rendimiento. Ahorro de energía: el motor del sinfín esta siempre regenerando Ahorro de energía: el motor del sinfín esta siempre regenerando El rendimiento es maximizado por regular las relaciones de velocidad para controlar el contenido de sólidos de las aguas residuales mediante los Parker SSD Drives El rendimiento es maximizado por regular las relaciones de velocidad para controlar el contenido de sólidos de las aguas residuales mediante los Parker SSD Drives AGUAS RESIDUALES DESCARGA SOLIDOS ENGRANAJETAZÓNSINFÍNALIMENTACIÓN MOTOR TAZÓN MOTOR SINFÍN 100 kW (motorizando) 75kW BUS COMÚN ENERGÍA ENTRADA 25kW (regenerando) Ahorro de Energía

92 Control Bombas y Ventiladores Parker SSD Drives para Ahorro de Energía

93 Control Ventilador Control Bombas Aplicaciones Par Variable, Parker SSD Drives

94

95 Un rango completo de fácil aplicación... Manejadoras de Aire Torres de enfriamiento Sistemas de Bombeo de Agua Helada …para todas sus necesidades Potencia (kW) Flujo (CFM ó GPM) Ahorros Parker SSD Drives Control por compuerta

96 CONTROL MECÁNICO FLUJO DE AIRE Compuerta Axial Velocidad constante ¡ LOS SISTEMAS MECÁNICOS TRABAJAN POR RESTRINGIR EL FLUJO DE AIRE ! FLUJO AIRE Compuerta Salida Velocidad constante FLUJO AIRE

97 CONTROL FLUJO DE AIRE ¡ EL SISTEMA TRABAJA POR CONTROLAR LA VELOCIDAD NO POR RESTRINGIR EL FLUJO DE AIRE ! Ajuste de velocidad Retroalimentación de presión o volumen Transductor PARKER SSD DRIVES

98 Ahorran costos de energía Ejemplo de Ahorro Costos Ventilador 150 HP Ventilador opera 16 hr/día Tarifa kW = $ 0.10 / kW/hr Sin Drive (control por compuerta salida).746 kW/HP x 150 HP x $0.10/kWhr x16 hr/día x 365 días/año Costo Anual Energía = $ 65,350 ¡ahorra $31,890 por año! Con Parker SSD Drives (Potencia promedio al 80% flujo).746 kW/HP x (150 HP x (0.8) ) x $0.10/kWhr x16 hr/día x 365 días/año Costo Anual Energía = $ 33,460 3

99 800% 600% 400% 200% 0% CORRIENTE % FLA VELOCIDAD % SSD DRIVES ARR. SUAVE Y / D ARR. LÍNEA CORRIENTES DE ARRANQUE MOTOR CA Aceleración a velocidad nominal – carga de par variable

100 700 (525) 100 (75) 50 (37.5) TIEMPO EN MINUTOS Suposiciones Motor 100HP Opera 24 horas por día Costo Kilowatt hora = $0.10 Motor sin control por drive Funciona por 2 minutos ON y 2 minutos OFF Opera al 700% por 15 segundos al arranque del ciclo Promedio ponderado de 65.6 kW Costo de energía por año: $57,487 por año Motor con control SSD Drives Opera constantemente a 50% pot. Potencia promedio es 37.5 kW Coste de energía por año: $32,850 por year % POTENCIA (kW) Ciclo de Trabajo Típico Motor con y sin control por Parker SSD Drive

101 Armónicos y drives múlti-pulso Parker SSD Drives

102 Que son las Armónicas? Cualquier forma de onda se puede descomponer en una suma de componentes senoidales que son múltiplos (armónicos) de la frecuencia "fundamental" principal. 3ra armónica 1ra (fundamental) armónica 5ta armónica Armonica Frecuencia 1 60 Hz Hz Hz El orden de armónicas son una serie infinita Como el orden de las armónicas se incrementa, por lo general disminuyen en magnitud. Usualmente, órdenes arriba de la 13va armónica son insignificantes en los sistemas de potencia.

103 Espectro armónico para un drive de 6-pulsos Típico espectro armónico para un drive de CA – Armónicos de bajo orden tienen mayores magnitudes – Magnitudes declinan como el orden de armónicos incrementan

104 ¿Que causa la Distorsión Armónica? Cualquier carga no-lineal* Drives de CA y CD. Grandes fuentes de poder con rectificadores, como los sistemas UPS. Balastros electrónicos para lámparas fluorescentes. Pequeñas fuentes de poder en equipo de oficina, PCs copiadoras. * cargas no-lineales son cualquier carga que no son 100% resistivas, inductivas o capacitivas. Interruptores de estado solido (SCRs, IGBTs, y diodos) extraen energía de forma desigual de la línea de CA. Cargas lineales incluyen luz incandescente, calentadores resistivos, motores de inducción operando directo a la línea, etc.

105 Efectos de la Distorsión Armonica Sobrecalentamiento de los componentes del sistema de distribución Operación impropia de equipos sobre la misma fuente de alimentación Sobredimensionamiento obligatorio de los transformadores, cables y tableros Resonancia con los bancos de capacitores para corrección del factor de potencia Vida reducida de los equipos

106 Configuraciones de rectificador y orden de armónicos Tipo Puente armónicos* 2-pulsos 3,5,7,9, … (monofásico) 6-pulsos 5,7,11,13,17,19… ( 3 fases) 12-pulsos 11,13,23,25,…. ( 3 fases) 18-pulsos 17,19,35,37,…. ( 3 fases) * Orden armónico = nP ± 1 ( P = no. de pulsos, n integro) DRIVE MONOFÁSICO DRIVE 3 FASES entrada 6-pulsos DRIVE 3 FASES entrada 12-pulsos

107 ¿Como los Drives de CA causan Distorsión Armónica? 460 VCA 650 VCD Cada diodo conduce solo unos pocos grados en el pico de cada ciclo, manteniendo el voltaje del capacitor copado 650 VCD Bus (Tiempo conducción diodo) A CARGA INVERSOR Rectificador Filtro CD Voltaje de linea 3 fases

108 Drive de CA Distorsión de Corriente y Voltaje Corriente Línea Corriente RMS Voltaje Línea (fase-a-fase) Voltaje RMS I phase V - Corriente pico puede ser superior 2 x rms El voltaje aparece recortado o aplanado

109 Estándar de Armónicos: IEEE 519 IEEE 519 es un estándar que fija los límites de distorsión en la corriente y voltaje. IEEE 519 es ampliamente malentendido y mal aplicado en la industria Glosario I L corriente de carga del equipo (sistema drives) I SC capacidad de corto circuito del circuito PCC punto de acoplamiento común THD distorsión armónica total DEMAND FACTOR carga del drive expresada en % de la capacidad del circuito

110 LIMITES DE DISTORSIÓN DE VOLTAJE 5% THD máximo en circuitos < 69 kV no exceder 3% de distorsión armónica individual LIMITES DE DISTORSIÓN DE CORRIENTE Distorsión permisible depende de la capacidad del suministro I sc /I L h<111135 THD% (DF) < >

111 Demand Factor = (corriente de carga)/(capacidad del circuito) *100% Ejemplo: drive 100 amp sobre una alimentación 200 amp se obtiene un D.F. de 50% Corriente Total THD = %THD/DF THD = THD en el drive = 45% 100 amp drive sobre una fuente de 500 amp, DF = 20% 5% transformador, Isc=500/0.05=10,000 amps; Isc/Iload=10,000/500=20 Necesita cumplir 5% THD (corriente)

112 Métodos de Mitigación de Armónicos Reactor de Línea Transformador de aislamiento Drives multi-pulsos (12 y 18 pulsos) Filtro pasivo de armónicos Filtro activo paralelo (cancelación) Drive active front end

113 Añadiendo un Reactor de Línea A LA CARGA INVERSOR Instalando un reactor en la línea de entrada del 3-5% de impedancia puede reducir armónicos y corrientes pico. Los reactores trabajan por suavizar la corriente de línea por formar un circuito L-C con los capacitores, ampliando el ángulo de conducción de cada diodo. Adicionar un transformador de aislamiento dedicado tendrá unos resultados ligeramente mejores, pero a un gran costo. C L X L = 2 fL

114 Distorsión de corriente y voltaje - con reactor Corriente Línea Corriente RMS Voltaje Línea (fase-a-fase) Voltaje RMS I fase V - I fase V - Sin reactor Con un reactor de línea 3%

115 Efecto de Reactores Línea de 3% y 5%

116 Configuración drive 6-pulsos de entrada Entrada Energía Único punto de entrada de energía Reactores línea entrada reducen la distorsión armónica Único punto de conexión del motor Reactores de salida integrados Los reactores de entrada del 3% proporcionan una adecuada impedancia por lo que un transformador de aislamiento dedicado típicamente no es necesario. Los reactores de entrada reducen el impacto de la 5ta y 7ma armónicas sobre el sistema de distribución. TRANSFORMADOR (OPCIONAL) 460V VOLTAJE ENTRADA CORRIENTE ENTRADA % corriente entrada armónica Orden armónicos Rectificador diodos 6-pulsos

117 Configuración drive 12-pulsos entrada Entrada Energía 460V (DELTA) 460V (Y) Corrientes armónicas de línea de baja energía Elimina 5ta y 7ma armónicas Mejora el factor de potencia Reduce los KVA cargados a la línea o generador La instalación requiere un transformador de aislamiento de entrada con unos devanados secundarios separados en delta y estrella (30 grados desfasamiento). Taps para los voltajes secundarios deben ser balanceados dentro de 3% uno con otro. VOLTAJE ENTRADA CORRIENTE ENTRADA % Corriente entrada armónica Orden armonicoa Rectificador diodos 12-pulsos

118 Configuración entrada 18-pulsos Corrientes armónicas de línea de baja potencia Elimina 5ta, 7ma, 11va & 13va armónica Mejora el factor de potencia Reduce los KVA cargados a la línea o generador La instalación requiere transformador de aislamiento de entrada con devanados del secundario desfasados (3) 20°. Taps para los voltajes secundarios deben ser balanceados dentro de 3% uno con otro. Entrada Energía 460V 20 O shift % Corriente entrada armónica Orden Armónica Rectificador diodos18-pulsos VOLTAJE ENTRADA CORRIENTE ENTRADA

119 Distorsión de corriente drives Multi-pulso Con reactor 5% Sin reactor

120 La solución Parker SSD Drives 4Q La sección del INVERSOR es un inversor estándar de (6) IGBT PWM El rectificador es un PUENTE ACTIVO de (6) IGBT PWM bi-direccional El FILTRO LCL es un diseño pasa-bajos que remueve las armónicas de alta frecuencia La sección de CONTROL proporciona las señales a ambos puentes M Filtro LCL Puente Activo Inversor 4Q Drive Control FLUJO ENERGÍA Línea 3-fases El drive 4Q elimina las armónicas típicas manteniendo el THD (distorsión armónica total) debajo del 4% dentro de las directrices IEEE519

121 AFE - para Energía Limpia (con reactor entrada) Comparación corriente entrada Drive CA convencional diodo rectificador Parker SSD Drives AFE % Corriente armónica entrada Orden de Armónicos % Corriente armónica entrada Orden de Armónicos Diodo rectificador Convertidor Activo IGBT El alto contenido armónico es el resultado de la corta duración de conducción del diodo rectificador Virtualmente no se produce contenido armónico por el active front end, que distribuye uniformemente la conducción

122 Drive Verdadero Factor de Potencia Unitario Input voltage 0o0o F.P. = cos(0 o ) = 1.0 El AFE asegura que la corriente de entrada siempre este en fase con el voltaje, independientemente de la velocidad y carga del motor Sin necesidad corrección FP Sin sanciones por FP UNIDAD F.P. =

123


Descargar ppt "FundamentosDrives Índice Introducción a los Drives Fundamentos Controles CD Fundamentos Drives CA Motores de Inducción CA Regeneración con Drives CA."

Presentaciones similares


Anuncios Google