¿Qué son los variadores de frecuencia eléctricos de CA? Clasificación de variadores de CA y VFD
Accionamientos eléctricos son parte integral de los procesos industriales y de automatización, particularmente donde el control preciso de la velocidad del motor es el requisito principal. Además, todos los trenes eléctricos o locomotoras modernos funcionan con accionamientos eléctricos. La robótica es otra área importante donde los variadores de velocidad ajustable ofrecen un control preciso de la velocidad y la posición.
Incluso en nuestra vida cotidiana, podemos encontrar muchas aplicaciones en las que los variadores de velocidad (o variadores de velocidad ajustable) se han estado utilizando para cumplir una amplia gama de funciones, incluido el control de afeitadoras eléctricas, el control de periféricos informáticos y el funcionamiento automático de lavadoras. máquinas, etcétera.
¿Qué es un accionamiento eléctrico?
Un variador opera y controla la velocidad, el par y la dirección de los objetos en movimiento. Los accionamientos se emplean generalmente para aplicaciones de control de velocidad o movimiento, como máquinas herramienta, transporte, robots, ventiladores, etc. Los accionamientos utilizados para controlar motores eléctricos se conocen como accionamientos eléctricos.
Los accionamientos pueden ser de tipo constante o variable. Los variadores de velocidad constante son ineficientes para operaciones de velocidad variable; en tales casos se utilizan variadores de velocidad para operar las cargas a cualquiera de una amplia gama de velocidades.
¿Por qué se necesitan accionamientos eléctricos?
Los variadores de velocidad ajustable son necesarios para un control preciso y continuo de la velocidad, la posición o el par de diferentes cargas. Además de esta función principal, existen muchas razones para utilizar variadores de velocidad ajustable. Algunos de estos incluyen
- Para lograr una alta eficiencia: los accionamientos eléctricos permiten utilizar una amplia gama de potencia, desde milivatios hasta megavatios para varias velocidades y, por lo tanto, se reduce el coste total de funcionamiento del sistema.
- Para aumentar la velocidad de precisión de las operaciones de parada o inversión del motor.
- Para controlar la corriente de arranque.
- Para brindar la protección
- Establecer un control avanzado con variación de parámetros como temperatura, presión, nivel, etc.
El avance de los dispositivos electrónicos de potencia, los microprocesadores y la electrónica digital condujo al desarrollo de accionamientos eléctricos modernos que son más compactos, eficientes, más baratos y tienen mayor rendimiento que los voluminosos, inflexibles y costosos sistemas de accionamiento eléctrico convencionales que emplean un sistema de varias máquinas para producir el velocidad variable.
Diagrama de bloques de un variador eléctrico de CA
Los componentes de un sistema de propulsión eléctrico moderno se ilustran en la siguiente figura.
En el diagrama de bloques anterior de un sistema de accionamiento eléctrico, el motor eléctrico, el procesador de potencia (convertidor electrónico de potencia), el controlador, los sensores (por ejemplo, el controlador PID) y la carga o aparato real se muestran como los principales componentes incluidos en el accionamiento.
El motor eléctrico es el componente central de un accionamiento eléctrico que convierte la energía eléctrica (dirigida por el procesador de potencia) en energía mecánica (que impulsa la carga). El motor puede ser un motor de CC o un motor de CA, según el tipo de carga.
El procesador de potencia también se denomina modulador de potencia, que es básicamente un convertidor electrónico de potencia y es responsable de controlar el flujo de potencia al motor para lograr operaciones de velocidad variable, marcha atrás y freno del motor. Los convertidores de electrónica de potencia incluyen convertidores AC-AC, AC-DC, DC-AC y DC-DC.
El controlador le dice al procesador de energía cuánta energía tiene que generar proporcionándole la señal de referencia después de considerar el comando de entrada y las entradas del sensor. El controlador podría ser un microcontrolador, un microprocesador o un procesador DSP.
Un variador de velocidad utilizado para controlar motores de CC se conoce como unidades de CC y los variadores de velocidad utilizados para controlar motores de CA se denominan variadores de CA. En este artículo vamos a hablar sobre los variadores de velocidad.
Clasificación de variadores de CA
Los variadores de frecuencia de CA se utilizan para accionar motores de CA, especialmente motores de inducción trifásicos, porque predominan sobre otros motores en la mayoría de las industrias. En términos industriales, El variador de frecuencia también se denomina variador de frecuencia (VFD), variador de velocidad (VSD) o variador de velocidad ajustable (ASD).
Aunque existen diferentes tipos de VFD (o variadores de frecuencia de CA), todos funcionan según el mismo principio que convierte el voltaje y la frecuencia entrantes fijos en voltaje y frecuencia de salida variables. La frecuencia del variador determina la velocidad a la que debe funcionar el motor, mientras que la combinación de voltaje y frecuencia decide la cantidad de torque que generará el motor.
Un VFD se compone de convertidores electrónicos de potencia, filtro, una unidad de control central (un microprocesador o microcontrolador) y otros dispositivos sensores. A continuación se muestra el diagrama de bloques de un VFD típico.
Diagrama de bloques del variador de frecuencia de CA (VFD típico)
Construcción y piezas de un variador de frecuencia VFD típico
Las distintas secciones del variador de frecuencia (VFD) incluyen
Rectificador y filtro La sección convierte la alimentación de CA en alimentación de CC con ondulaciones insignificantes. Principalmente, la sección del rectificador está hecha con diodos que producen una salida de CC incontrolable. Luego, la sección de filtro elimina las ondulaciones y produce CC fija a partir de CC pulsante. Depende del tipo de suministro, se decide el número de diodos en el rectificador. Por ejemplo, si se trata de un suministro trifásico, se requieren un mínimo de 6 diodos y por eso se denomina convertidor de seis pulsos.
El inversor toma la energía CC de la sección rectificadora y luego la convierte nuevamente a energía CA de voltaje variable y frecuencia variable bajo el control de un microprocesador o microcontrolador. Esta sección está hecha con series de transistores, IGBT, SCR o MOSFET y estos se encienden/apagan mediante las señales del controlador. Depende del encendido de estos componentes electrónicos de potencia, se determina la salida y eventualmente la velocidad del motor.
El controlador Está hecho con un microprocesador o microcontrolador y toma la entrada del sensor (como referencia de velocidad) y la referencia de velocidad del usuario y, en consecuencia, activa los componentes electrónicos de potencia para variar la frecuencia del suministro. También realiza disparos por sobretensión y subtensión, corrección del factor de potencia, control de temperatura y conectividad a PC para monitoreo en tiempo real.
Principio de funcionamiento del variador de frecuencia (VFD)
Sabemos que el La velocidad de un motor de inducción es proporcional a la frecuencia. del suministro (norte = 120 f/p) y variando la frecuencia podemos obtener la velocidad variable. Pero, cuando la frecuencia disminuye, el par aumenta y, por lo tanto, el motor consume una gran corriente. Esto a su vez aumenta el flujo en el motor. Además, el campo magnético puede alcanzar el nivel de saturación si no se reduce la tensión de alimentación.
Por lo tanto, tanto el voltaje como la frecuencia deben cambiarse en una proporción constante para mantener el flujo dentro del rango de trabajo. Dado que el par es proporcional al flujo magnético, el par permanece constante en todo el rango operativo de v/f.La figura anterior muestra la variación de par y velocidad de un motor de inducción para control de voltaje y frecuencia. En la figura, el voltaje y la frecuencia cambian en una proporción constante hasta la velocidad base. Por tanto, el flujo y, por tanto, el par permanecen casi constantes hasta la velocidad base. Esta región se denomina región de par constante.
Dado que la tensión de alimentación se puede cambiar hasta el valor nominal únicamente y, por tanto, la velocidad a la tensión nominal es la velocidad base. Si la frecuencia aumenta, más allá de la velocidad base, el flujo magnético en el motor disminuye y, por lo tanto, el par comienza a disminuir. Esto se llama debilitamiento del flujo o región de potencia constante.
Este tipo de control se denomina método de control v/f constante y se utiliza en variadores de frecuencia (VFD) y es el tipo de control más popular en las industrias. Supongamos que el motor de inducción está conectado a un suministro de 460 V, 60 Hz, entonces la relación será 7,67 V/Hz (460/60 = 7,67). Mientras esta relación se mantenga proporcional, el motor desarrollará un par nominal y una velocidad variable.
Esquemas de control de VFD
Existen diferentes técnicas de control de velocidad. implementado para variadores de frecuencia (VFD). A continuación se proporciona la clasificación principal de las técnicas de control utilizadas en los VFD modernos.
- Control escalar
- Control de vectores
- Control de par directo
Control escalar
En esto, las magnitudes de voltaje y frecuencia se controlan manteniendo constante la relación v/f y, por lo tanto, se denomina control escalar (los valores escalares determinan la velocidad y el par). El motor se alimenta con señales de voltaje y frecuencia variables generadas por el control PWM desde un inversor.
El inversor se puede controlar con un microcontrolador, microprocesador o cualquier otro controlador digital según el tipo de fabricante. Este esquema de control es muy utilizado porque requiere un poco de conocimiento del motor para realizar el control de velocidad. El control escalar se puede implementar de varias maneras y algunos de los esquemas populares incluyen
PWM sinusoidal
En este método, la frecuencia del interruptor varía dependiendo de la entrada de referencia de velocidad y el valor promedio o RMS del voltaje para esa frecuencia se determina por el número de pulsos y el ancho de los pulsos. Si se varía la anchura del pulso, también se varía el voltaje a través del motor. Este voltaje crea la corriente sinusoidal a través del motor que está mucho más cerca de la onda sinusoidal verdadera.
Sólo se necesitan pequeños cálculos para lograr este método. Sin embargo, este método tiene las desventajas de que incluye armónicos a la velocidad de conmutación PWM y además la magnitud del voltaje fundamental es inferior al 90%.En este método, los valores ponderados sinusoidales se almacenan en el microcontrolador o microprocesador y se ponen a disposición en el puerto de salida en intervalos definidos por el usuario que luego se aplican al inversor para producir un suministro variable al motor.
PWM de seis pasos
En este método, el inversor del VFD tiene seis estados de conmutación distintos y se conmutan en un orden específico para producir voltaje y frecuencia variables para el motor. La inversión de dirección del motor se logra fácilmente cambiando la secuencia de fases de salida del inversor por medio del ángulo de disparo.
Este método se puede implementar fácilmente ya que no se requieren cálculos intermedios y además la magnitud del voltaje fundamental es mayor que la del bus de CC. Sin embargo, los armónicos de bajo orden son altos en este método y no pueden filtrarse mediante la inductancia del motor y, por lo tanto, provocan más pérdidas, un funcionamiento entrecortado del motor y una alta ondulación del par.
Modulación vectorial espacial PWM (SVPWM)
En esta técnica, los vectores de tensión trifásicos de un motor de inducción se convierten en un único vector giratorio. El inversor del VFD se puede conducir a ocho estados únicos. El voltaje PWM a la carga se logra seleccionando adecuadamente los estados de conmutación del inversor y calculando el período de tiempo apropiado para cada estado.
Al utilizar la transformación de vector espacial, se generan ondas sinusoidales trifásicas para cada estado, que luego se aplican al motor.
La principal ventaja de esta técnica es que la magnitud armónica es menor en la frecuencia de conmutación PWM. Sin embargo, se requieren más cálculos para emplear esta técnica.
Control de vectores
Este método también se denomina control orientado al flujo, control orientado al campo o control de par indirecto. En esto, los vectores de corriente trifásicos se convierten a un sistema de referencia giratorio bidimensional (dq) a partir de un sistema de referencia tridimensional utilizando la transformación de Clarke-Park. El componente ‘d’ es el componente productor de flujo de la corriente del estator y el componente ‘q’ es el componente productor de par.
Los dos componentes se controlan de forma independiente a través de un controlador PI independiente y luego las salidas de los controladores PI se transforman nuevamente a un plano de referencia estacionario tridimensional utilizando la inversa de la transformación de Clarke-Park.
Utilizando la técnica de modulación de vector espacial, la conmutación correspondiente se modula por ancho de pulso. Los diferentes tipos de técnicas de control vectorial incluyen control orientado al flujo del estator, control orientado al flujo del rotor y control orientado al flujo magnetizante.
El control vectorial proporciona una mejor respuesta de par y un control de velocidad preciso en comparación con el control escalar. Pero requiere un algoritmo complejo para los cálculos de velocidad y es más costoso en comparación con el control escalar debido a los dispositivos de retroalimentación.
Control de par directo
Este método no tiene un patrón de conmutación fijo en comparación con el control vectorial tradicional. Conmuta el inversor según la necesidad de la carga. Esta técnica logra una alta respuesta particularmente durante los cambios de carga debido a la ausencia de un patrón de conmutación fijo. Elimina el uso de cualquier retroalimentación, aunque garantiza una precisión de velocidad de hasta el 0,5%. Esta técnica utiliza el modelo motor adaptativo que se basa en las expresiones matemáticas de la teoría motora básica.
Este modelo requiere los parámetros básicos del motor, como la resistencia del estator, el coeficiente de saturación, la inductancia mutua, etc. y el algoritmo captura estos datos sin hacer girar el motor. Este modelo calcula el par y el flujo reales del motor considerando entradas como el voltaje del bus de CC, la posición actual del interruptor y las corrientes de línea. Luego estos valores se dan a los dos comparadores de nivel de par y flujo.
La salida de los comparadores son las señales de referencia de par y flujo y se envían a la tabla de selección de interruptores, donde la posición del interruptor seleccionada se aplica al inversor sin ninguna modulación. De ahí el nombre de control directo del par, ya que el par y el flujo del motor se convierten en variables controladas directamente.
Variadores de CA en tiempo real de un vistazo
Varias características avanzadas de los variadores de velocidad o (VFD) los convierten en una opción rentable en aplicaciones de velocidad variable. Las características como diseños de paquetes, E/S analógicas, E/S digitales, teclados multifuncionales y tecnología IGBT hacen que los VFD sean fáciles de configurar para cualquier aplicación.
Hoy en día, la mayoría de los diseños de variadores de CA son más compactos debido al uso de microprocesadores, IGBT y también al uso de tecnología de montaje superficial (por ejemplo, resistencias SMD) para ensamblar componentes. Estas unidades pueden ser unidades montadas en la pared o independientes. Hay varios variadores de diferentes fabricantes, incluidos ABB, AB, Siemens, Delta, etc. A continuación se muestran varios paquetes de convertidores de frecuencia de CA ABB.
Básicamente, la configuración de un variador de CA para una aplicación incluye tres pasos principales: cableado de control, cableado de alimentación y programación de software. Una vez realizado el cableado de alimentación y control, debemos configurar los parámetros del variador de CA adecuados a los requisitos de la aplicación mediante programación de software, teclado extraíble o panel de operador remoto.
No es necesario volver a cablear la unidad si se modifica la aplicación. La configuración para nuevas aplicaciones se realiza simplemente cambiando las funciones del variador en el programa.
Los variadores de CA cuentan con entradas analógicas (como referencia de velocidad), salidas analógicas (para medición auxiliar), entradas digitales (como arranque, parada, marcha atrás, etc.) y salidas de relé (relés de velocidad, relés de falla, etc.) en el sección de cableado de control. Esta sección es monitoreada por un software dedicado llamado Estado de E/S que monitorea y muestra las entradas y salidas del variador.
En los convertidores de frecuencia convencionales, los paneles de programación o los teclados táctiles están conectados al propio convertidor. Las unidades modernas constan de paneles de programación extraíbles que permiten al usuario programar, navegar por varias funciones y configurar la unidad de forma adecuada a los requisitos de la aplicación.
Además de las herramientas manuales, cada convertidor de frecuencia viene con un software dedicado que facilita la puesta en marcha y el mantenimiento de la herramienta. Esta herramienta consta de asistentes de configuración para la configuración de parámetros. La herramienta de software permite ver, editar, guardar y descargar parámetros en el variador. También proporciona monitoreo de señales gráficas y numéricas.
Durante el diseño, los fabricantes programan los parámetros del variador de frecuencia con valores predeterminados. Por lo tanto, el operador debe cargar los valores de datos del motor y los valores para personalizar el variador según la aplicación. Además de los valores predeterminados, los fabricantes también proporcionan macros que no son más que un conjunto de valores preprogramados.
El usuario u operador puede instalar y configurar todos los parámetros incluidos en las macros en unos pocos segundos en lugar de configurar todos los parámetros individualmente, lo que podría llevar varios minutos. Estas macros incluyen control de tres cables, manual-automático, control PID y control de par.
La macro de control proporcional-integral-derivativa (PID) permite que el variador controle la velocidad automáticamente al recibir las entradas de control como presión, temperatura o nivel del tanque. Con la programación adecuada de los parámetros de E/S analógicas y digitales con la macro de control PID, se logra el funcionamiento en bucle cerrado del variador.
Los variadores de CA están construidos con una opción de control de bus de campo enchufable para establecer una conexión con los principales sistemas automatizados como PLC, PC, PAC, sistemas SCADA, etc. Pueden admitir una amplia variedad de sistemas de bus de campo de comunicación, incluidos DeviceNet y PROFIBUS DP. , ControlNet, MODBUS, PROFINET, Ethernet/IP, etc.
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