Introducción a los Variadores de Frecuencia Relator: Cristian E. Ascuy Vidal

Introducción Gran parte de los procesos utilizados en la industria moderna funcionan a velocidades variables. Algunos ejemplos pueden ser: A) Transportadores B) Bombas C) Ventiladores D) Extrusoras E) Puentes Grúa F) Laminadores Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls

Introducción Estos procesos requieren un control preciso de la velocidad para lograr una adecuada productividad, un producto final óptimo y garantizar la seguridad de personas y bienes. Los principales factores a considerar para el diseño de un sistema de regulación de velocidad son: Límites o gama de regulación Flexibilidad de la regulación Rentabilidad económica Estabilidad de funcionamiento a una velocidad dada Sentido de la regulación Carga admisible a diferentes velocidades Tipo de carga (par constante, potencia constante, etc.) Condiciones de arranque y frenado. Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls

Introducción Para la correcta elección del sistema Variador-Motor se requiere conocer el proceso en si y las condiciones ambientales que rodean este proceso. La regulación de velocidad puede realizarse por métodos mecánicos (Poleas, Engranajes, etc.) o por métodos electrónicos (Accionamientos DC, Servo sistemas, Variadores de frecuencia, etc.) A) Variador Mecánico B) Motor DC C) Servo sistema D) Variador de frecuencia Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Esta charla está centrada en sistemas de regulación de velocidad aplicados a motores eléctricos conectados a redes de alimentación de corriente alterna: Los Variadores de Frecuencia.

Introducción En un principio digamos que la regulación de la velocidad de los motores eléctricos es un régimen transitorio en el que se modifica la velocidad angular del conjunto motor-máquina accionada. Dicha variación es inercial, disipativa y en algunos casos regenerativa El comportamiento dinámico del conjunto motor-máquina accionada está regido por la siguiente ecuación diferencial: Tm – Tr = J * dO/Dt Donde: Tm: Torque motor Tr: Par resistente J: Momento de inercia del conjunto motor-máquina O: Velocidad angular

Introducción Para que el conjunto modifique su velocidad se necesita variar el par motor para hacerlo distinto al par resistente, de manera de generar una aceleración angular. El proceso finaliza cuando el par motor se equilibra con el par resistente, estabilizándose la velocidad de giro del motor. Una variación de par en el motor modifica la corriente absorbida, la que no debe superar el límite máximo permitido por los componentes del sistema. Otros aspectos que también resultan importantes son el consumo de energía disipada en forma de calor y las perturbaciones sobre la red eléctrica. Algunos ejemplos de estas perturbaciones pueden ser: Transitorios de conmutación, Generación de armónicos y las Caídas de tensión. Todo lo anterior resulta crítico cuando en una misma instalación hay muchos motores cambiando frecuentemente su velocidad.

Nociones sobre motores asincrónicos trifásicos Los motores asincrónicos son máquinas de velocidad esencialmente constante. La velocidad de un motor asincrónico viene dada por la siguiente expresión: La corriente que circula por el bobinado del estator y el material del cual éste está hecho generan un campo magnético rotatorio. N = (1-s)*Ns = (1-s) * 60 * f/p Donde: N: Velocidad asincrónica (r/min) s: deslizamiento Ns: Velocidad sincrónica (r/min) f: Frecuencia en Hz p: Pares de polos Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls

Nociones sobre motores asincrónicos trifásicos Curva característica de torque Cuando un motor está conectado a la red, con un voltaje y una frecuencia constante, su curva características de torque es: Donde: a) Torque a rotor bloqueado b) Torque de frenado c) Máximo Torque de motor d) Punto de Torque nominal Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls

Nociones sobre motores asincrónicos trifásicos Curva del comportamiento del Voltaje, Flujo y Torque Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls

Nociones sobre motores asincrónicos trifásicos - Motor de inducción trifásico: Carcaza (estator) Rodamientos Soporte de rodamientos Aspa de ventilación Tapa de protección del ventilador Caja de terminales y accesorios Interior de la carcaza (estator) Flange Rotor Eje Heating & Water Nis Storgaard Business Segment President Motion Controls Sven Ruder Business Segment President Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Comfort Controls Building Controls Burner Components Water Controls Drives Gearmotors Marine Systems Flow

Nociones sobre motores asincrónicos trifásicos Placa de características: Datos: 1) Tipo de motor 5) Protección IP 2) Potencia (Kw) 6) Coseno phi 3) Tipo de conexión 7) Velocidad (r/min) 4) Voltaje y Corriente 8) Norma de fabricación Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Comfort Controls Building Controls Burner Components Water Controls Drives Gearmotors Marine Systems Flow

Variadores de frecuencia Los Variadores de frecuencia rectifican la tensión de AC del suministro de red eléctrica en tensión de DC, convirtiéndola otra vez en tensión AC con amplitud y frecuencia variable. Voltaje de entrada Rectificador Circuito intermedio Bobinas del circuito intermedio Condensador del circuito intermedio Inversor Voltaje de salida al motor Tarjeta de control Heating & Water Nis Storgaard Business Segment President Motion Controls Sven Ruder Business Segment President Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Comfort Controls Building Controls Burner Components Water Controls Drives Gearmotors Marine Systems Flow

Variadores de frecuencia Heating & Water Nis Storgaard Business Segment President Motion Controls Sven Ruder Business Segment President Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Comfort Controls Building Controls Burner Components Water Controls Drives Gearmotors Marine Systems Flow

Variadores de frecuencia 1) Alimentación de red: - 1 x 200 - 240 Vca, 50 / 60 Hz - 3 x 220 - 240 Vcs, 50 / 60 Hz - 3 x 380 - 500 Vca, 50 / 60 Hz. 2) Rectificador: Puente rectificador de 6 pulsos que convierte la tensión alterna en tensión continua pulsante. Heating & Water Nis Storgaard Business Segment President Motion Controls Sven Ruder Business Segment President Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Comfort Controls Building Controls Burner Components Water Controls Drives Gearmotors Marine Systems Flow

Variadores de frecuencia 3) Circuito intermedio: Vdc =  2 * Vca (Vdc) 5) Condensador del circuito intermedio: Nivela la tensión del circuito intermedio 4) Bobinas del circuito intermedio: Nivelan la intensidad del circuito intermedio y limitan la carga de la red y de los componentes (transformador de red, cables, fusibles y contactores). Además, sirven como filtro de armónicos. Heating & Water Nis Storgaard Business Segment President Motion Controls Sven Ruder Business Segment President Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Comfort Controls Building Controls Burner Components Water Controls Drives Gearmotors Marine Systems Flow

Variadores de frecuencia 6) Inversor: Convierte la tensión continua en tensión alterna, con frecuencia y voltaje variable. 7) Tensión de motor: Tensión alterna variable, desde 0 a 100% de la tensión de red. Frecuencia variable: de 0 a 132 / 1.000 Hz. 8) Tarjeta de control: Aquí se encuentra el micro procesador que controla todos los procesos internos del equipo. Heating & Water Nis Storgaard Business Segment President Motion Controls Sven Ruder Business Segment President Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Comfort Controls Building Controls Burner Components Water Controls Drives Gearmotors Marine Systems Flow

Dimensionamiento Condiciones iniciales: Datos del motor: Potencia, Corriente nominal, Tensión, Velocidad, Tipo de conexión, etc. Tipo de fuente de alimentación: Voltaje, Frecuencia, Corriente máxima, etc. - Datos de la aplicación: Velocidad, Distancia de cables, Altura de instalación, Ambiente (Grado Ip), Cuatro cuadrantes, Buses de comunicación, PID, Filtros, etc. - Datos de la carga: Máquina accionada, Características del torque, etc. Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Comfort Controls Building Controls Burner Components Water Controls Drives Gearmotors Marine Systems Flow

Variadores de frecuencia Las características de carga las podemos dividir en cuatro grupos: 1) Máquinas bobinadoras con material bajo presión 2) Transportadores en equilibrio Ej.: Elevadores. 3) Máquinas prensadoras y otras máquina de procesamiento de materiales. 4) Máquinas de torque variable, como bombas centrífugas y ventiladores. Heating & Water Nis Storgaard Business Segment President Motion Controls Sven Ruder Business Segment President Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Comfort Controls Building Controls Burner Components Water Controls Drives Gearmotors Marine Systems Flow

Dimensionamiento En algunos casos la inversión de giro es una condición requerida. Por otra parte, los diferentes procesos hacen necesario un cambio en el sentido de dirección del torque. Acá es donde nace el concepto de “Accionamientos para cuatro cuadrantes. La siguiente figura nos da una noción de este concepto: * Hay que recordar que si a un motor eléctrico magnetizado le aplicamos una un movimiento externo al eje, el motor se comporta como un generador. Motion Controls Sven Ruder Business Segment President Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Comfort Controls Building Controls Burner Components Water Controls Drives Gearmotors Marine Systems Flow Drives Gearmotors Marine Systems Flow

Dimensionamiento Reducción de la potencia debido a la presión atmosférica Por encima de los 1000 mts., es necesario reducir la temperatura ambiente o la intensidad de salida máxima. Motion Controls Sven Ruder Business Segment President Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Comfort Controls Building Controls Burner Components Water Controls Drives Gearmotors Marine Systems Flow Drives Gearmotors Marine Systems Flow

Dimensionamiento Indice de protección Ip La siguiente tabla nos muestra como especificar un grado de protección IP Motion Controls Sven Ruder Business Segment President Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Refrigeration and A/C Controls Commercial Compressors Household Compressors Appliance Controls Industrial Controls Comfort Controls Building Controls Burner Components Water Controls Drives Gearmotors Marine Systems Flow Drives Gearmotors Marine Systems Flow