Variadores de velocidad

TECSUP Electrnica Industrial

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Unidad VIII

VVAARRIIAADDOORR DDEE VVEELLOOCCIIDDAADD DDEE MMOOTTOORR AACC 1. INTRODUCCIN

Los motores de induccin del tipo jaula de ardilla (Figura 8.1), son el caballo de batalla de la industria debido a su bajo costo y robusta construccin. Cuando son operados directamente de la lnea de alimentacin, un motor de induccin trabaja a una velocidad aproximadamente constante. Sin embargo, por medio de los variadores, es posible controlar la velocidad de un motor de induccin.

Partes del motor de induccin

Figura 8.1

Los variadores se pueden clasificar en dos categoras segn sus aplicaciones:

Electrnica Industrial TECSUP -

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1.1 VARIADORES DE VELOCIDAD AJUSTABLE

Una de las ms importantes aplicaciones de estos variadores es en procesos de control al controlar la velocidad de ventiladores, compresoras, bombas, sopladores y otros similares.

1.2 SERVO-VARIADORES

Por medio de sofisticados controles, los motores de induccin pueden ser usados como servos en perifricos de computadoras, mquinas herramientas, y robtica.

El nfasis de esta informacin es comprender el comportamiento de los motores de induccin y cmo es posible controlar su velocidad donde la dinmica del control de velocidad necesita adems ser veloz y precisa. Como beneficio adicional, el uso de los variadores resulta en un ahorro de energa tal como se puede observar en la figura 8.2a.

En el sistema de la figura 8.2b, la entrada de potencia disminuye significativamente tanto como la velocidad es reducida para reducir la tasa de flujo. La disminucin de los requerimientos de potencia para una bomba centrfuga es: Torque = K1 (velocidad)2 , y por lo tanto la potencia cedida a la bomba por el motor es: Potencia = K2 (velocidad)3

Bomba Centrfuga: (a) velocidad constante, (b) velocidad variable

Figura 8.2


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2. PRINCIPIOS BSICOS DE OPERACIN DEL MOTOR DE INDUCCIN

El objetivo del siguiente anlisis es explicarles de la, manera ms simple posible la interaccin entre el motor de induccin y el variador. Si aplicamos un voltaje trifsico balanceado al estator del motor, se obtienen corrientes balanceadas en el mismo, que establecen una distribucin de densidad de flujo Bag en el entrehierro con las siguientes propiedades: (1) tiene una amplitud constante y (2) gira a velocidad constante, tambin llamada velocidad sncrona ws (en radianes por segundo) s (en RPM).

s = 120 f/p

El flujo en el entrehierro ag (debido a la distribucin de densidad de flujo), gira a la velocidad sncrona respecto del estator. Como consecuencia, una fuerza contra-electromotriz tambin llamada voltaje del entrehierro Eag es inducido en cada fase del estator a frecuencia f, observar la figura 8.3.

Representacin por fase: (a) circuito equivalente, (b) diagrama fasorial

Figura 8.3

Luego: Eag = k3 f ag

El torque en un motor de induccin es producido por la interaccin del flujo del entrehierro y la corriente del rotor. Si el rotor gira a la velocidad sncrona, no habr velocidad relativa entre ag y el rotor, y por lo tanto no se inducir voltaje en el rotor, corriente en el rotor, y torque. A cualquier otra velocidad ws del rotor en la misma direccin que el giro del flujo del entrehierro, el rotor esta deslizado con respecto al flujo del entrehierro a una velocidad relativa llamada velocidad de deslizamiento wsl, donde: wsl = ws - wr

La velocidad de deslizamiento, normalizada por la velocidad sncrona, es llamada deslizamiento s. s = (ws - wr)/ ws

Tambin, la velocidad del flujo en el entrehierro con respecto al rotor (wsl), es:


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wsl = ws - wr = sws

2.1 FRMULAS IMPORTANTES

TABLA 8.1

FORMULAS IMPORTANTES

fkws 1=

=ss

rs

www

sff sl =

=rP% slsl fff fkV ags 3

fkI agr 5

slagem fkT 26

agm kI 8=

sI22rm II +

De la Tabla tenemos las siguientes observaciones:

1. La velocidad sncrona puede ser variada controlando la frecuencia f del voltaje aplicado.

2. Excepto para bajos valores de f, el porcentaje de potencia perdida en la resistencia del rotor es pequea. Por lo tanto, en estado estable, la frecuencia de deslizamiento fsl no debe exceder su valor nominal.

3. Con pequeos valores de fsl, excepto a bajos valores de f, el deslizamiento s es pequeo y la velocidad del motor vara en forma aproximadamente lineal con la frecuencia f del voltaje aplicado.

4. Para que la capacidad del torque sea igual a su valor nominal a cualquier frecuencia, ag debe ser mantenido constante e igual a


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su valor nominal. Esto requiere que el voltaje Vs debe variar proporcionalmente con f.

5. Desde que Ir es proporcional a fsl, el restringir la corriente del motor Is a no exceder

su valor nominal entonces el estado estable de la frecuencia fsl no exceder su valor nominal.

Basados en las observaciones precedentes, se puede concluir que la velocidad del motor puede ser variada controlando la frecuencia aplicada f, y el flujo del entrehierro debe ser mantenido constante a su valor nominal controlando la magnitud del voltaje aplicado en proporcin a f.

Si un motor de induccin es controlado de ese modo, entonces el motor es capaz de suministrar su torque nominal mientras fsl, Ir, Is y el porcentaje de prdidas en el circuito del rotor permanecer dentro de sus respectivos valores nominales.

2.2 CARACTERSTICAS DEL MOTOR DE INDUCCIN A VALORES NOMINALES DE FRECUENCIA Y VOLTAJE

Las caractersticas tpicas de un motor de induccin a condiciones nominales de voltaje y frecuencia son mostradas en la figura 8.4 y 8.5,

Caractersticas tpicas Torque-Velocidad; Vs y f son constantes

Figura 8.4


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donde Tem e Ir, respectivamente son graficados en funcin de la velocidad del rotor y fsl. A pequeos valores de fsl, Tem e Ir, varan linealmente con fsl. Cuando se incrementa el valor de fsl, Tem e Ir no se incrementan linealmente por las siguientes razones: (1) la reactancia inductiva del circuito del rotor no es del todo despreciable comparado con Rr. (2) r llega a ser significativa, causando asi que se aparta de su valor ptimo de 900 y, (3) mayores valores de Ir, y por lo tanto Is causan una significativa cada de voltaje a travs de la impedancia del bobinado del rotor y provocan la declinacin de ag (=Eag/f) para una alimentacin fija de Vs y f.

Ir versus fsl; Vs y f constantes

Figura 8.5

Debemos enfatizar que con los variadores de velocidad de motor AC comnmente usados, fsl es mantenido pequeo, y por lo tanto la porcin discontinua de torque y corriente de las figuras 8.4 y 8.5 no son usadas.


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La figura 8.6 muestra el torque de aceleracin til (Tem-Tload) para el motor al acelerar desde el estado de reposo. La interseccin de las caractersticas de torque de la carga y del motor, determina el punto de operacin de estado estable.

Arranque del motor: Vs y f son constantes

Figura 8.6

2.3 CONTROL DE VELOCIDAD POR VARIACIN DEL VOLTAJE Y FRECUENCIA EN EL ESTATOR

La discusin anterior sugiere que la velocidad puede ser controlada por medio de f, el cual controla la velocidad sncrona (y, la velocidad del motor, si el deslizamiento es mantenido pequeo), consiguiendo ag constante por variacin de Vs en proporcin lineal a f. Existen otras tcnicas de control, pero la tcnica de variacin del voltaje y frecuencia es la preferida para la mayor cantidad de aplicaciones de los variadores de velocidad. Tenemos las siguientes:

2.3.1 CARACTERSTICAS TORQUE-VELOCIDAD

Se observa en la Tabla 12-1 que, para pequeos valores de fsl, manteniendo ag constante se consigue una relacin lineal entre el Tem y fsl a cualquier valor de f:

Tem = k9 fsl


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Que representa la porcin contnua de la caracterstica torque-velocidad de la figura 8.4. Tambin podemos representar la ecuacin anterior en funcin de la velocidad de deslizamiento wsl:

Tem = k10 wsl

La caracterstica torque-velocidad se desliza horizontalmente en paralelo, como se puede ver en la figura 8.7 para cuatro diferentes valores de f. Observamos que para una carga de torque constante, se tiene que wsl1 = wsl2 y por lo tanto la frecuencia de deslizamiento (el cual es la frecuencia de los voltajes y corrientes inducidos en el rotor en Hz) es constante.

Caractersticas Torque-Velocidad a deslizamiento pequeo (ag y Tcarga constantes)

Figura 8.7

El porcentaje de prdida de potencia en el rotor (%Pr) se incrementa tanto como f es disminuido para reducir la velocidad del motor. Sin embargo, en muchas cargas tal como bombas, compresoras, y ventiladores, el torque de la carga vara con el cuadrado de la velocidad. En estos casos, fsl y s disminuyen con la disminucin de frecuencia y las prdidas en el rotor permanecen pequeas. Ver figura 8.8.


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Torque de carga centrfuga; el torque vara como velocidad2

Figura 8.8

2.3.2 CONSIDERACIONES DE ARRANQUE

Los inversores de estado slido que alimentan a los motores de induccin, deben ser capaces de soportar un gran flujo de corriente durante el arranque. Esto se consigue considerando las siguientes ecuaciones (cuando ag es constante): Ir = k11fsl y Tem = k9fsl

Dichos valores se muestran en la figura 8.9, indicando cmo se puede arrancar un motor a pequeos valores de frecuencia aplicada f (= fstart). Desde que en el arranque fsl iguala a fstart, Ir puede ser limitado seleccionando un valor apropiado de fstart. Con una corriente constante Im debido a ag constante, la corriente del estator Is es sostenida hasta llegar a ser mayor.


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Frecuencia al arranque Figura 8.9

En la prctica, la frecuencia f del estator es incrementada continuamente a una rampa preseleccionada tal como se muestra en la figura 8.10, el cual no debe permitir que la corriente Is exceda los lmites especificados hasta que se alcance la velocidad final deseada. Dicha rampa es disminuida para cargas con gran inercia para permitir el enganche de la velocidad del rotor.

Rampa al arranque de la frecuencia f

Figura 8.10


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2.3.3 INCREMENTO DE VOLTAJE REQUERIDO PARA BAJAS FRECUENCIAS (VOLTAGE BOOST)

El efecto de Rs a bajos valores de la frecuencia de operacin f no puede ser despreciado, an si fsl es pequeo. Bajo estas condiciones, en la figura 8.2a se deduce que 2pipipipifLlr es despreciable en comparacin con Rr(f/fsl). Por lo tanto, Ir est en fase con Eag. En la figura 8.11 se puede ver un diagrama que nos muestra a Vs como resultante de un conjunto de fasores.

Diagrama fasorial para valor pequeo de fsl.

Figura 8.11

Al despreciar jRsIr (por ser casi perpendicular), se tiene:

Vs = Eag + (2pipipipifLls)Im + RsIr

Si ag es mantenido constante entonces Eag vara linealmente con f. Si ag es mantenido constante, Im es tambin constante. Por lo tanto, se puede escribir :

Vs = k12f + RsIr

De la ecuacin anterior se deduce que el voltaje adicional necesario para compensar la cada de voltaje a travs de Rs para mantener ag constante no depende de f pero s de Ir. Reconociendo que Ir es proporcional a Tem, el voltaje terminal Vs requerido para mantener ag constante al torque nominal, es mostrada por la lnea continua de la figura 8.12. Se observa que para mantener ag constante, un mayor porcentaje de voltaje boost es necesario a bajas frecuencias de trabajo debido a la cada de voltaje a travs de Rs, mientras que a mayores valores de f, el voltaje de cada en Rs puede despreciarse en comparacin a Eag.


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Boost Voltage necesario para mantener ag constante Figura 8.12

2.4 CAPACIDAD DEL MOTOR DE INDUCCIN A VALORES DIFERENTES DE LA VELOCIDAD NOMINAL

El control de velocidad por medio de variacin de la frecuencia (y voltaje), permite tambin operar el motor a velocidades mayores a su valor nominal. Esto es posible pues el motor de induccin debido a su robusta construccin, puede trabajar a velocidades mayores al doble de su valor nominal sin problemas mecnicos. Sin embargo, sus capacidades de torque y potencia como una funcin de la velocidad del rotor necesitan ser claramente establecida. Las caractersticas de torque-velocidad son mostradas en la figura 8.13.


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Caractersticas del motor de induccin

Figura 8.13


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2.4.1 BAJO LA VELOCIDAD NOMINAL- REGIN DE TORQUE CONSTANTE

Las curvas de la figura 8.13a muestran la caracterstica torque-velocidad a bajos valores de fsl donde ag es mantenido constante por control de Vs/f. La magnitud de Vs decrece aproximadamente en proporcin a la frecuencia, como se puede observar en la fig. 3.8.13b. Como ag es mantenido constante, el motor puede desarrollar su torque nominal. En la figura 8.13c se observa que fsl es constante en esta regin. Tambin la prdida de potencia Pr = 3RrI2r en las resistencias del rotor es constante, donde Ir permanece constante. Sin embargo, en la prctica, el rotor calienta debido a su reducida ventilacin a bajas velocidades. Para cargas centrfugas el problema de calentamiento a baja velocidad no es muy critico pues sus requerimientos de torque son pequeos a bajas velocidades.

2.4.2 SOBRE LA VELOCIDAD NOMINAL- REGIN DE POTENCIA CONSTANTE

Incrementando la frecuencia del estator sobre su valor nominal, es posible incrementar la velocidad del motor mas all de su valor nominal. En la mayora de motores AC, el voltaje de alimentacin no debe exceder su valor nominal so riesgo de daar el motor. Por lo tanto, al permanecer limitado el valor de Vs e incrementar f, la relacin Vs/f es reducida causando a su vez la reduccin de ag. Segn las ecuaciones anteriormente estudiadas se deduce que:

Tem = (k13/f2)wsl

En el lmite de capacidad del motor en esta regin, Ir es igual a su valor nominal, similar a la regin anterior. Esto corresponde a tener constante s = fsl/f. Usando Vs y fsl/s constantes, el mximo torque en esta regin es :

Tem,max = (frated/f)Trated

Por lo tanto, Pem,max = wr Tem,max puede ser mantenido constante pues wr es proporcional a f. En la prctica, el motor puede desarrollar potencias mayores que su velocidad nominal pues (1) Im disminuye como resultado de la cada de ag y por lo tanto, Is iguala a su valor nominal permitiendo un mayor valor de Ir y, entonces, mayores


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valores de torque y potencia, y (2) desde que Im disminuye, las perdidas en el ncleo se reducen y al mismo tiempo, existe mejor ventilacin a mayores velocidades.

2.4.3 OPERACIN A ALTA VELOCIDAD- REGIN DE FSL CONSTANTE

Con Vs constante e igual a su valor nominal, dependiendo del diseo del motor, a velocidades mayores de 1.5 a 2 veces su valor nominal, ag es reducido demasiado que el motor se aproxima a su punto de torque mximo como se muestra en la figura 8.13a. A mayores velocidades el motor puede desarrollar solamente un porcentaje fijo de torque mximo y wsl (fsl) se vuelve constante. Por lo tanto, la capacidad del torque declina en proporcin inversa al cuadrado de la frecuencia.

2.4.4 OPERACIN A ALTO VOLTAJE

En muchos motores, el nivel de aislamiento de voltaje es mucho mayor que su valor nominal de voltaje especificado. Por lo tanto, por medio del variador, es posible aplicar voltajes mayores a su nominal con frecuencias tambin mayores. Por ejemplo, en el caso de motores con voltajes duales (230/460V); con el motor conectado para 230V de operacin, si se aplica 460V al doble de frecuencia, el motor trabajar con el flujo nominal del entrehierro y por lo tanto puede desarrollar su torque nominal sin exceder su corriente nominal. El motor tambin desarrollar el doble de su potencia nominal.

2.5 FRENADO DE LOS MOTORES DE INDUCCIN

En muchas aplicaciones, es repetidamente requerido reducir rpidamente la velocidad de los motores o llevarlo a detener. Una de las ventajas de usar un variador para el control de velocidad es que se puede acceder a dichas caractersticas de operacin de una manera controlada.


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Modo Generador

Figura 8.14

Esto provee una alternativa a los siguientes modos de reduccin de velocidad, que no son muy deseables: frenos mecnicos, que consumen la energa asociada con la inercia de la carga-motor y cuyas zapatas de freno se usan repetidamente permitiendo detener al motor; conexin, donde la secuencia de fase de la lnea de alimentacin al motor es sbitamente invertida, causando un gran flujo de corriente hacia la lnea y deteniendo el motor de una manera no controlada.

Para conseguir el frenado en los motores de induccin, debe ser posible operar la mquina como generador llevndolo por sobre la velocidad sncrona (el cual es relativa a la frecuencia de la fuente de alimentacin). Como se muestra en la figura 8.14a, una velocidad del rotor mayor a ws resulta en un deslizamiento negativo de la velocidad wsl y en un deslizamiento s negativo. En la figura 8.14b, se observa que el Tem cambia de direccin y se opone a la direccin del campo magntico giratorio.

Notar que para operar la mquina de induccin en el modo generador, los voltajes AC deben estar presentes en los terminales del estator, esto es, la mquina no genera, por ejemplo, si solo un banco de resistores es conectado a los terminales del estator y el eje es girado; no existe fuente que establezca el campo magntico giratorio en el entrehierro.

El mecanismo de generacin discutido antes es para proveer frenado en motores de induccin con variadores de frecuencia.


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La figura 8.15 muestra las caractersticas de torque-velocidad a dos frecuencias, asumiendo ag constante. En la prctica, la frecuencia del estator (manteniendo ag constante) es reducida lentamente para evitar grandes corrientes a travs del controlador.

Frenado (velocidad inicial del motor es Wr0 y la frecuencia aplicada decrece instantneamente de f0 a f1).

Figura 8.15

2.6 IMPACTO DE LA EXCITACIN NO SENOIDAL EN EL MOTOR DE INDUCCIN

En la seccin anterior se asumi que el variador alimentaba con voltajes senoidales al estator del motor de induccin. Desgraciadamente, dicha fuente no es senoidal y contiene componentes de alta frecuencia que son los armnicos de la frecuencia fundamental.

2.6.1 CORRIENTES ARMNICAS EN EL MOTOR

Como aproximacin de primer orden, la corriente del motor en presencia de componentes armnicos de voltaje, puede ser determinado calculando los valores de cada componente armnico de corriente ih (a la h armnica) desde el circuito equivalente por fase de la figura 8.13a. Entonces la corriente del motor puede ser obtenido por el principio de superposicin y sumando la componente fundamental y los otros armnicos de corriente.


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Al armnico h (el cual, en la prctica, ser impar y no mltiplo de 3) el flujo producido por las componentes de voltaje (vah, vbh, vch) gira en el entrehierro a la velocidad de: wsh = hws

Donde la direccin ser la misma o en oposicin a la direccin de rotacin del rotor. Se demuestra que el flujo producido por los armnicos h = 6n-1 (donde, n = 1, 2, 3, ...) tienen fase de rotacin opuesta comparada con la fundamental. Los armnicos h = 6n+1 (donde, n = 1, 2, 3, ...) produce un flujo de rotacin en igual direccin que el rotor.

Bajo operacin de frecuencia variable para control de velocidad, se puede asumir que: wr ws Por lo tanto el deslizamiento del rotor relativo a la velocidad sncrona de la frecuencia armnica es:

1/)1(/)( == hhWWWSSlip shrshh Donde los signos + y corresponden a la direccin de rotacin del flujo en el entrehierro en oposicin e igual sentido de rotacin que la direccin del rotor respectivamente. Reconociendo que wr ws y sh 1, un circuito equivalente aproximado a la frecuencia armnica h es mostrado en la figura 12-15. Observar que se ha despreciado Lm .

Circuito equivalente armnico por fase

Figura 8.16


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Si el motor es excitado desde una fuente de voltaje y los componentes armnicos del voltaje de estator vs son conocidos, la correspondiente componente armnica de la corriente en el motor puede ser obtenida usando el principio de superposicin y el circuito armnico equivalente de la figura 12-15 por cada armnico, uno cada vez.

Para calcular los componentes armnicos de corriente, los componentes magnetizantes son generalmente despreciados y la magnitud de la componente armnica es determinado primeramente por las reactancias a la frecuencia armnica, donde predominan Rs y Rr :

)( lrlswh

h LLhV

I+

La ecuacin anterior nos muestra que incrementando las frecuencias al cual el voltaje armnico ocurre en la salida del variador, las magnitudes de la corriente armnica pueden ser reducidas.

2.6.2 PRDIDAS PRODUCIDAS POR ARMNICOS

La prdida de potencia adicional por fase en el cobre de los bobinados del estator y el rotor debido a las corrientes armnicas pueden aproximarse por:

2

2)( h

hrscu IRRP

=

+=

Es muy tedioso estimar las prdidas adicionales en el cobre producidas por las frecuencias armnicas. Tenemos las prdidas por corrientes de Eddy e histresis. Adicionalmente se considera tambin las prdidas por geometra del motor, el material magntico usado, apilamiento de las lminas, los cuales han sido optimizados para trabajar a frecuencias de 60 Hz. En general, estas prdidas adicionales estn en el rango de 10% a 20% de la prdida total de potencia a carga nominal.

2.6.3 PULSACIONES DE TORQUE

La presencia de armnicos de excitacin en el estator resulta en componentes de pulsacin de torque. Si los torques de pulsacin son de baja frecuencia, pueden causar problemas de fluctuacin de velocidad y fatiga en el eje.


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Considerando las frecuencias de menor armnico, los cuales son el 5to y 7mo en un inversor trifsico de onda cuadrada, la generacin de componentes de torque de pulsacin se explicar una a la vez.

En la figura 8.17a, la excitacin del sptimo armnico resulta en una componente de flujo rotatorio en el entrehierro a una velocidad de 7ws, en la direccin del flujo fundamental y el rotor. Asumiendo que la velocidad del rotor sea aproximadamente igual a ws, es fcil ver que el campo producido en el rotor consiste en la componente fundamental Br1 a la velocidad ws y la componente de 7ma armnica Br7 a la velocidad de 7ws. El campo ag1 y Br1 giran a igual velocidad y, por lo tanto, resulta en un torque no pulsante. Igual sucede con la interaccin de ag7 y Br7, los cuales giran a igual velocidad. Sin embargo, la velocidad relativa entre ag7 y Br1 es 6ws. Similarmente, la velocidad relativa entre ag1 y Br7 es 6ws. Por lo tanto, estas interacciones producen componentes de torque pulsantes a la frecuencia de 6to armnico.

Pulsaciones de torque: (a)stimo armnico, (b)quinto armnico

Figura 8.17

En la figura 8.17b, la excitacin de 5to armnico resulta en un flujo del entrehierro que gira a la velocidad de 5ws en direccin opuesta a la del rotor. El ag5 interacta con Br1 y, ag1 con Br5 para producir componentes de torque, los cuales pulsaran a la frecuencia del 6to armnico. La discusin anterior nos muestra que las excitaciones armnicas 5to y 7mo se combinan para producir un torque que


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pulsa a la frecuencia de 6to armnico. Similar clculo puede ser echo para otras frecuencias armnicas de excitacin. El efecto del rizado del torque en el rizado de la velocidad del rotor se puede calcular del siguiente modo:

InerciaxfrecuencialadeRizadotorquedelrizadodelAmplitudkvelocidadderizadodelAmpitud 17=

El cual muestra que a una amplitud dada de rizado de torque puede resultar un rizado de velocidad despreciable a frecuencias de rizado muy altas.

3. CLASIFICACIN DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA Basados en la discusin anterior, el variador actuar como una interfase entre la lnea de alimentacin y el motor de induccin, satisfaciendo los siguientes requisitos: 1. Habilidad para ajustar la frecuencia de acuerdo a la velocidad deseada del

motor. 2. Habilidad para ajustar el voltaje de salida de tal forma que permita mantener

un flujo constante a travs del entrehierro en la regin de torque constante.

3. Habilidad de alimentar con corriente nominal de una manera continua a cualquier frecuencia.

Excepto para unos casos especiales de aplicacin en muy alta potencia donde se usan los cicloconvertidores, los variadores de frecuencia emplean inversores con entrada DC. La figura 8.18 ilustra el concepto bsico donde la alimentacin de entrada es convertida en DC por medio de un rectificador controlado o no controlado y luego ser invertido para suministrar voltajes y corrientes trifsicas al motor, ajustables en magnitud y frecuencia. Estos variadores pueden ser clasificados basados en el tipo de rectificador e inversor usados en la figura 8.18.


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Convertidor de frecuencia variable.

Figura 8.18

1. Inversor de Voltaje por Modulacin del Ancho de Pulsos (PWM-VSI) con diodos rectificadores.

2. Inversor de Voltaje por Onda Cuadrada (Square-Wave-VSI) con rectificadores

controlados.

3. Inversor de Fuente de Corriente (CSI) con rectificadores controlados.

En VSI, la entrada DC aparece como una fuente de voltaje DC (idealmente con una impedancia interna nula) hacia el inversor. De otro modo, en el CSI, la entrada DC aparece como una fuente de corriente DC (idealmente con una impedancia interna infinita) hacia el inversor. En la figura 8.19a, se muestra el esquema de un inversor PWM-VSI con diodo rectificador. En la onda cuadrada VSI de la figura 8.19b, un rectificador controlado es usado al inicio y el inversor opera en el modo onda cuadrada (tambin conocido como six-step). La lnea de voltaje puede ser monofsica o trifsica En ambos controladores VSI, es usado un gran capacitor en el bus DC para hacer que la entrada al inversor aparezca como una fuente de voltaje con una pequea impedancia interna a la frecuencia de conmutacin del inversor. En la figura 8.19c, se muestra el esquemtico de una fuente de corriente inversora (CSI), donde es usado un controlador conmutado de voltaje de lnea. A causa de un gran inductor conectado en la barra DC, la entrada al inversor aparece como una fuente de corriente DC. El inversor utiliza tiristores, diodos, y capacitores para forzar la conmutacin.


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Clasificacin de convertidores de frecuencia variable: (a)PWM-VSI con diodo rectificador, (b) Onda cuadrada VSI

Figura 8.19

3.1 VARIADORES PWM-VSI DE FRECUENCIA VARIABLE

La figura 8.20a, muestra el esquemtico de un inversor PWM-VSI, asumiendo una entrada trifsica de alimentacin. El inversor PWM controla las magnitudes de frecuencia y voltaje de salida. Un posible mtodo para generar los pulsos de control de conmutacin del inversor es por comparacin de tres voltajes senoidales (a frecuencia deseada y proporcional a la magnitud de voltaje deseado) con una


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onda triangular a frecuencia seleccionada de conmutacin como se muestra en la figura 8.20b.

Los armnicos en el voltaje de salida aparecen como bandas laterales de la frecuencia de conmutacin y sus mltiplos. Por lo tanto, a altas frecuencias de conmutacin resulta en una corriente esencialmente senoidal (ms un pequeo rizado superpuesto a alta frecuencia) en el motor.

PWM-VSI: (a) esquema, (b) formas de ondas

Figura 8.20


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3.1.1 IMPACTO DE LOS ARMNICOS DE PWM-VSI

Desde que los armnicos son a alta frecuencia, el rizado en la corriente del motor es usualmente pequeo debido a la gran reactancia de dispersin a estas frecuencias. Los armnicos de voltaje de alta frecuencia pueden tener amplitudes ms altas que la componente de frecuencia fundamental y por lo tanto dominan las prdidas por corrientes Eddy e hystresis en el ncleo del rotor y estator. A causa de estas prdidas adicionales causados por los armnicos, se recomienda generalmente sobredimensionar la potencia del motor en 10% mayor a su valor nominal.

3.1.2 FACTOR DE POTENCIA DE ENTRADA Y FORMAS DE ONDA DE CORRIENTE

La corriente AC de entrada que fluye por el rectificador del inversor PWM-VSI contiene una gran cantidad de armnicos. Su forma de onda es mostrada en la figura 8.20b para entradas monofsica y trifsica. La inductancia de entrada Ls mejora en algo la forma de onda de corriente. El factor de potencia al cual trabaja el variador desde la fuente de alimentacin es independiente del factor de potencia del motor y del variador de velocidad. Este es solo una leve funcin de la potencia de carga, disminuyendo levemente a mayores potencias. El desplazamiento del factor de potencia (DPF) es aproximadamente 100%, como se observa de la onda de corriente de entrada en la figura 8.20b.

3.1.3 FRENADO ELECTROMAGNTICO

El flujo de potencia durante el frenado electromagntico es desde el motor hacia el variador de frecuencia. Durante el frenado, la polaridad del voltaje a travs del capacitor del bus DC, permanece igual como en el modo motor. Por lo tanto, la direccin de la corriente del bus DC hacia el inversor ser invertida. Desde que la direccin de la corriente a travs del puente rectificador de diodos usado normalmente en los inversores PWM-VSI no puede ser invertido, algn mecanismo debe ser implementado para manejar la energa durante el frenado; de otra manera el bus de voltaje DC puede alcanzar niveles destructivos.

Un modo de lograr este objetivo es conmutar un resistor en paralelo con el capacitor del bus DC, como se muestra en la


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figura 8.21a, si el voltaje en el capacitor excede un nivel preajustado, para disipar la energa de frenado.

Una tcnica eficiente es usar un convertidor de cuatro cuadrantes (modo conmutacin o tiristores conectados en antiparalelo) en lugar del puente rectificador de diodos. Esto permitir recuperar la energa inercial de la carga del motor hacia la fuente de alimentacin como se muestra en la figura 8.21b. Este mtodo se denomina frenado regenerativo pues la energa recuperada no es desperdiciada. La decisin de utilizar frenado regenerativo sobre el frenado dinmico, depende de los costos de equipo adicional contra el ahorro de energa recuperada, y la conveniencia de tener corriente senoidal y factor de potencia unitario de la fuente de alimentacin.

Frenado electromagntico en PWM-VSI: (a) Frenado disipativo, (b) Frenado regenerativo

Figura 8.21

3.1.4 CONTROL DE VELOCIDAD DE VARIADORES PWM-VSI

La velocidad puede ser controlada sin el lazo de realimentacin de velocidad, donde el microcontrolador integrado se encarga de efectuar una lenta accin de lazo de realimentacin. En la figura 8.22 se muestra un control tpico.


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Circuito de control de velocidad. La velocidad del motor no es medida

Figura 8.22

La frecuencia f del voltaje de salida del inversor es controlada por la seal de referencia de entrada wref. El comando de entrada wref es modificado internamente para proteger y mejorar el desempeo del variador (seales ws o f y Vs). Como se usa un inversor PWM del tipo sncrono, se requiere que la frecuencia de conmutacin vare en proporcin a f. Ver figura 8.23.

Conmutacin de la frecuencia vrs. Frecuencia fundamental

Figura 8.23


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Para proteccin y una mejor precisin de la velocidad, se emplean realimentacin de voltaje y corriente. Estas seales son usadas tambin detener /arrancar el variador, limitar la mxima cantidad de corriente a travs del variador durante la aceleracin/deceleracin o bajo condiciones de carga pesada, y para limitar el mximo voltaje DC durante el frenado del motor de induccin.

A causa del deslizamiento, el motor de induccin opera a velocidades menores que su valor sncrono. Es posible una compensacin aproximada de esta diferencia de velocidad, el cual se incrementa con el torque, sin medir la velocidad actual. Adems un voltaje Boost es necesario a bajas velocidades. Para conseguir dichos objetivos es necesario medir la corriente y el voltaje a travs de la barra DC.

3.1.5 VARIADORES DE SERVOMOTOR AC

Los servo-variadores se han desarrollado gracias al progreso de la tecnologa de procesamiento de seales digitales (DSP). En los servo-variadores, el torque desarrollado por el motor debe responder rpida y precisamente al comando de torque sin oscilaciones, a cualquier velocidad pues estos variadores son usados para el control de posicin.

El control del variador de servo-motor es normalmente realizado por un campo orientado basado en clculos de espacio-vector de cul corriente de estator del motor de induccin debiera estar para proveer un torque electromagntico Tem igual al comando de torque especificado por el regulador de velocidad. En estos casos es necesario tener un modelo del motor de induccin; entonces, los parmetros del motor deben ser insertados dentro del modelo en el bloque de clculo de Is. Ver figura 12-23. La mayora de estos modelos tambin necesitan informacin de la velocidad actual. Un control adaptivo con estimacin de parmetros es usado frecuentemente.


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Control de campo orientado para motor de induccin servo-variador

Figura 8.24

ESQUEMAS DE INSTALACION

Tenemos algunos esquemas de instalacin usados en variadores de velocidad de motores AC.

En la prctica los fabricantes del variador indican la forma de instalacin ms recomendable para su producto.

Observar lo siguiente:

Enclavamientos y protecciones. Seales de referencia. Seal de parada y arranque. Alimentacin de fuerza y control. Resistencia de frenado. Seal de control remoto. Rel de proteccin de condensadores. Ventilacin forzada?, etc.


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Figura 8.25


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Figura 8.26


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ANOTACIONES:

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Documents

Variadores de velocidad