Aplicación Medidas de la tensión de salida en variadores de velocidad con osciloscopios digitales ScopeMeter® Serie 190 de Fluke Por Viditec La utilización de variadores par constante con independencia de velocidad o "inversores de de la velocidad de rotación real de frecuencia" se está extendiendo la máquina. considerablemente en las insta- Por todo ello, la utilización de laciones industriales. Durante los variadores de velocidad se está procesos de instalación y man- extendiendo considerablemente tenimiento, las medidas de las en las instalaciones industriales, tensiones de salida suelen dar donde ofrecen numerosas ven- resultados imprevistos. ¿Por qué tajas como las relacionadas a ocurre esto y qué se puede hacer continuación: para solucionarlo? • eliminación del desgaste por la utilización de máquinas asíncronas Variadores de velocidad • control eficaz En general, la maquinaria eléc- • funcionamiento óptimo para trica conectada directamente a un Los nuevos dispositivos semi- sistema de alimentación monofá- conductores con capacidad para sica o trifásica dispone de un inter- manejar elevadas tensiones y co- valo muy limitado o incluso nulo rrientes han abierto las puertas procesos de instalación y man- para controlar la velocidad. para el diseño de variadores de ve- tenimiento, las medidas de las locidad o "inversores de frecuencia". tensiones de salida suelen dar re- Frente a esta situación, un mo- niveles de elevada energía No obstante, durante los sultados impredecibles. A conti- tor externo puede ser una alterna- Estos dispositivos ofrecen ma- nuación, exponemos las razones tiva, pero se trata de una máquina yor flexibilidad para el control de de estos resultados y la forma en pesada, ruidosa, cara y que queda- la velocidad, reducen las pérdidas que el ScopeMeter serie 190 de rá expuesta al desgaste. eléctricas y pueden funcionar a un Fluke puede medirlos. 58 Ingeniería Eléctrica • Abril 2012 Generación de tensión de sali- Los tiristores o rectificadores Con la aparición de los se- controlados de silicio (SCR) solo se miconductores controlados por Son varios los métodos para pueden desactivar cuando la co- "puerta", surge un método de con- generar tensión de salida de fre- rriente de alimentación pasa por trol completamente nuevo para cuencia variable. el valor cero, de ahí que la tensión los variadores de velocidad. Estos dispositivos de salida de estos convertidores semiconductores se pueden acti- diseñados al efecto fueron los no muestre una onda sinusoidal var y desactivar, por lo que resul- convertidores de energía auto- continua sino discontinua (como tan idóneos para "recortar" seña- rregulados o de sincronización se aprecia en la figura 1). En este les en los sistemas de CC. La figura mecánica por tiristores. contexto, si se cambia el ángu- 2 ejemplifica la estructura básica Estos dispositivos siguen utili- lo de fase de la discontinuidad, de estos variadores. zándose hoy día en inversores de la potencia de salida se puede La entrada de alimentación frecuencia de alta potencia, si bien controlar eficazmente y utilizar- monofásica o trifásica se conecta ya es posible encontrar mejores se para cambiar la velocidad de a un conjunto de rectificadores alternativas para aplicaciones de la máquina mientras se reduce la que alimenta una conexión CC in- menor potencia. potencia mecánica disponible. Sin terna. La tensión CC se almacena embargo, estos convertidores no en un condensador de gran capa- permiten modular aleatoriamente cidad energizado con tensión de la forma de onda de salida. Para conexión: da de frecuencia variable Los primeros resolver esta carencia, se han probado circuitos adicionales, pero Ub = alimentación √2*U ≈ alimentación 1,41*U ésta se presenta como una solución costosa que no resulta todo lo eficaz que cabría esperar. A continuación, la tensión CC se aplica a una serie de interrup- Figura 1: Tensión de salida de convertidores de tipo SCR. La tensión de salida sin filtrar es claramente discontinua Ingeniería Eléctrica • Abril 2012 59 Aplicación conexión no recibe alimentación y, a continuación, un pulso negativo seguido de otro intervalo en el que no se aplica tensión para la generación de pulsos. En este sencillo supuesto, la tensión de salida alimentada de cada una de las conexiones es de +1/2 Ub o cero (flotante) o -1/2 Ub, Figura 2: Estructura básica de un variador de velocidad siendo Ub la tensión de conexión. Observe que, al estar conectadas las tres salidas de igual forma, el tores dobles que van alimentan- ya que la velocidad de rotación de valor medio de cada una es la mi- do cada una de las tres conexio- la máquina depende directamen- tad de la tensión de conexión CC. nes de la máquina en el terminal te de la frecuencia del suministro, Si aplicáramos la forma de de conexión positivo o negativo. la velocidad se podrá controlar sin onda anterior a un filtro paso bajo, Además, los interruptores pue- ningún tipo de problema. el resultado simularía una onda den estar en modo inactivo (es La figura 3 muestra las tensio- sinusoidal con la misma frecuen- decir, no conductor) y mantener nes de salida resultantes de cada cia fundamental que la onda cua- eficazmente la tensión flotante una de las tres conexiones de sa- drada producida por el circuito en el conector de la máquina al lida. En las conexiones de la má- de control (consulte la figura 4). que estén conectados. quina, se aprecia un pulso positi- No obstante, los filtros paso bajo vo, un intervalo durante el cual la capaces de admitir los niveles de Una unidad de control central activa cada uno de los seis interruptores en el momento oportuno mediante la generación de pulsos. Las variaciones en la velocidad de conmutación determinan la frecuencia de salida y el orden en que reciben pulsos las tres salidas describe la dirección de rotación de la máquina. La unidad de control se configura para que la frecuencia de salida pueda variar en un amplio rango y, 60 Ingeniería Eléctrica • Abril 2012 Figura 3: Tensión de salida para cada conexión de salida individual cuitos SCR mencionados anteriormente, los de generación de pulsos pueden ya utilizarse en modo conmutado en todo momento, por lo que la pérdida de energía en los interruptores del semiconductor es mínima, el variador funciona a un Figura 4: Tensión de salida directa y por filtro paso bajo nivel óptimo con elevada energía y la generación de calor es inferior. energía presentes en los variado- forma que la corriente (no la ten- Medidas de la tensión res de velocidad son instrumentos sión) que circula por el devanado A pesar de los evidentes avan- pesados y costosos. de la máquina tenga una forma ces en la eficacia y versatilidad de onda sinusoidal. Como conse- del control de velocidad, los téc- cuencia, el carácter inductivo de nicos responsables de la instala- los devanados hace las veces de ción o el mantenimiento de estos filtro paso bajo, donde la modula- variadores siguen enfrentándose ción por ancho de pulso de la ten- a una dificultad. Es por ello que ya han aparecido soluciones alternativas. La alternativa a los filtros paso bajo La alternativa a los filtros paso sión da como resultado una forma La tensión de salida se genera bajo ha surgido de otro avance en de onda sinusoidal de la corriente. para producir una corriente con la electrónica de potencia. En los En la figura 5, la curva superior forma de onda sinusoidal a través sistemas reales, los pulsos nega- muestra la tensión de salida para de una carga inductiva, pero la tivos y positivos no suelen produ- una sola conexión en la que se dis- tensión aplicada tiene una forma cirse mediante la generación de tingue claramente el efecto de la de onda totalmente distinta. un solo pulso de una determinada variación en el ciclo de trabajo. La Por tanto, al realizar medidas polaridad. Al contrario, todos los curva inferior muestra la tensión de directas de la tensión de salida, pulsos se generan activando y des- salida efectiva por ciclo (T) de inter- se podrían obtener resultados im- activando repetidamente el mis- valo interno en una escala relativa. previstos porque, al contrario que mo interruptor a una velocidad de Del gráfico se puede concluir en la maquinaria eléctrica, el voltí- pulsos mucho mayor y con un ciclo que la tensión de salida efectiva metro responderá a la tensión de de trabajo de activación/desactiva- tiene una forma de onda sinusoi- salida sin filtrar. ción variable (consulte la figura 5). dal. Ahora bien, la tensión de sali- Esto se debe tanto a la forma da real del variador de velocidad de onda de la tensión como a las El truco ahora consiste en se asemeja mucho más a la curva características del diseño de los cambiar el ciclo de trabajo de tal superior. Al contrario que los cir- multímetros digitales. Ingeniería Eléctrica • Abril 2012 61 Aplicación lo observado, por ejemplo, en una pantalla integrada en el propio variador que lea la tensión de salida efectiva calculada por los controles electrónicos internos. Para ilustrar todo lo anterior, probamos varias marcas y modelos de multímetros en las mismas condiciones y con el variador configurado de igual forma en todos Figura 5: Tensiones de salida de variador por modulación de ancho los casos. de pulso (simplificado) Por lo general, estos instrumentos se diseñan para medir la tinta polaridad contribuyan por igual a la lectura. amplitud de una onda sinusoidal Si observamos la tensión de sa- en la frecuencia de alimentación, lida de la figura 5, la tensión media es decir, en los valores de 50 o por ciclo T (tras la rectificación) es 60 Hz. Como contraposición, la directamente proporcional al ciclo tensión de salida del variador de de trabajo de la forma de onda y a velocidad es una onda cuadrada la tensión de conexión CC, por lo de alta frecuencia y su ciclo de tra- que los cambios constantes en la bajo cambia continuamente. Sin misma obedecen a la variación en embargo, la amplitud máxima de el ciclo de trabajo. la onda cuadrada es fija. Y por úl- En la mitad de un ciclo de la timo, son dos las polaridades que corriente resultante, la tensión hay que tener en cuenta. media será: Tabla 1: – Lectura de la tensión CA con varios multímetros digitales La mayoría de multímetros están diseñados para responder a la Umed = d * Umáx = d * ( 1/2 Ub ) presentan en la tabla 1 y son real- tensión máxima, de pico a pico o media aplicada, se utilizan para medidas de la tensión CA. una Los resultados obtenidos se Donde: "d" = ciclo de trabajo, que oscila del 0 al 100%. mente dispares: desde 143 hasta 1.000 V. gran parte de estos instrumen- El resultado es una lectura en tos cuenta con un rectificador de volts que podría diferir considera- Realización de medidas correctas doble onda en la entrada para blemente del valor previsto en los La forma correcta de medir la asegurar que las tensiones de dis- terminales de la máquina, según tensión de salida para esta situa- 62 Ingeniería Eléctrica • Abril 2012 ción concreta es tener en cuenta la velocidad de muestreo y una ima- un ciclo sencillo ocupa aproxi- aplicación específica del variador. gen digital de la forma de onda se madamente 6,3 divisiones, la base La maquinaria eléctrica obtiene almacena en la memoria para un de tiempos es de 5 ms, por lo que análisis más exhaustivo. un ciclo sencillo tarda unos 31,5 ms. potencia de la corriente circulante por el devanado, mientras que la Para ello, los ScopeMeter de la tensión aplicada se destina prin- serie 190 cuentan con una función 1 / 31,5 ms = 32 Hz cipalmente al flujo de la corriente. exclusiva para la medida de la ten- Si lo desea, puede utilizar los Teniendo en cuenta este hecho, sión (“medidas Vpwm”) que les per- cursores para marcar un ciclo de los variadores de velocidad aplican mite analizar la señal digitalizada y esta forma de onda de salida. una tensión discontinua de alta fre- calcular la frecuencia fundamental. cuencia para producir una corriente Esto dará como resultado la misma Conclusión con forma de onda sinusoidal. Esta forma de onda que la producida Los variadores de velocidad corriente pasa por los devanados de por la corriente de salida del va- ofrecen numerosas ventajas a los la máquina con una frecuencia re- riador. A partir de esta forma de diseñadores, instaladores y usua- gulada por la unidad de control y la onda, se calcula el valor efectivo rios de maquinaria industrial. polaridad de la tensión conmutada. para mostrarse como lectura Vpwm. Para el técnico de mantenimien- Por tanto, si deseamos conocer la La figura 6 muestra la pantalla to y el encargado de la instala- tensión de salida efectiva del varia- del ScopeMeter con la amplitud ción, la dificultad subyace en la dor, debemos considerar únicamen- pico a pico y la tensión de salida medida de las tensiones de sa- te la componente de la frecuencia efectiva de un variador represen- lida. Solo con un equipo de me- fundamental de la tensión aplicada. tadas como pequeños cuadros en dida preparado específicamente la parte superior. para estas tensiones de salida se Este valor se puede obtener La frecuencia de salida será tras numerosas medidas de la ten- La frecuencia de salida efecti- obtendrán lecturas fiables, afines sión aplicada y mediante la gene- va de la forma de onda visualiza- a la lectura calculada en el propio ración de un gráfico detallado de da se puede determinar fácilmen- variador. El ScopeMeter serie 190 la forma de onda de la tensión en te en el ejemplo que se describe a de Fluke resulta especialmen- la memoria digital del instrumento, continuación: te indicado para los trabajos de donde puede calcularse y mostrar- instalación y mantenimiento de se la amplitud de la componente estos variadores de velocidad, y de la frecuencia fundamental. está dotado de todas las funcio- Esto es precisamente lo que nes de medida necesarias. sucede en los tres últimos instrumentos de la tabla 1, incluidos los ScopeMeter series 190B y 190C de Fluke, en los que las tensiones de Figura 6: Medida de la potencia de entrada se digitalizan a una alta salida en variadores con el Fluke 199C Ingeniería Eléctrica • Abril 2012 63