Características Los reguladores de velocidad son controles

Características
Los reguladores de velocidad son controles electrónicos de motores que
controlan la velocidad y el par de los motores de corriente alterna convirtiendo
las magnitudes físicas de frecuencia y tensión de la red de distribución de
electricidad en magnitudes infinitamente variables, pero manteniendo la
relación entre ellas constante.
Ventajas de convertidor de frecuencia
• Es capaz de controlar la velocidad sin pérdidas notables.
• Se consume sólo lo que se necesita con lo que se ahorra energía. Por
ejemplo, una reducción de un 25% de velocidad significa que se produce un
ahorro del 50%. Aproximadamente se disminuye el consumo de energía en
1/3 cuando se reduce rápidamente la velocidad.
• No presenta piezas móviles por lo que su duración es por lo menos igual a la
del resto de partes del sistema con lo que se aprovecha al máximo el motor
de inducción.
• Incremento de la producción ya que la velocidad del motor de puede
aumentar a elección sin intervenir en el proceso.
• Mejora del entorno de trabajo (en instalaciones de climatización y ventilación)
ya que la velocidad de los ventiladores se puede ajustar a la demanda de
ventilación con el fin de evitar ruidos de corriente de aire.
• Se puede usar junto con motores antideflagrantes, situando el regulador y el
motor en lugares separados.
• Reducción de los costes de mantenimiento.
Modo de trabajo del convertidor
El convertidor está formado por dos etapas (Fig 5): un rectificador no
controlado (Fig 6) que convierte la tensión alterna de la red en continua y un
inversor ondulador que convierte la tensión continua en alterna que se le
suministra al motor.
Fig. 5.- Etapas de la electrónica del convertidor
Rectificador de
diodos
no controlado
Circuito
de
pre-carga
Resistencia de
frenado
(opcional)
Tensión en el circuito intermedio:
VD
C
Fig. 6.- Rectificación.
El inversor actúa de fuente de intensidad para el inversor con lo que el
microprocesador que controla el proceso produce una regulación perfecta en
régimen transitorio (aceleración, rampas) y régimen permanente (velocidad
elegida). Este microprocesador es el que realiza realmente la regulación.
El fundamento es mantener en todo momento la relación V/f constante
(Fig. 7), con lo que se consigue que se pueda variar la velocidad, no aumente
la intensidad en el rotor y el par se mantenga constante en la zona de no
saturación, es decir, hasta la tensión y frecuencia nominales del motor.
2.5
Par
máximo
2.0
Par nominal
0
0.2
0.4
0.6
Flujo constante
0.8 1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Debilitamiento de campo
Fig. 7.- Relación V/f.
A frecuencias mayores de la frecuencia nominal la velocidad se puede modificar
pero el par empieza a bajar ya que no es posible aumentar la tensión por
encima de la nominal y por tanto la relación U/f deja de ser constante y cada
vez es más pequeña. En los convertidores MICROMASTER se puede aumentar
la velocidad hasta 650 Hz, pero teniendo en cuenta que ya a 100 Hz el par ha
bajado al 30% del nominal.
Para frecuencias muy bajas tampoco se cumple la relación V/f constante, ya
que si no, no habría tensión para hacer funcionar la máquina a esas
velocidades.
Existen 3 tipos de convertidores de frecuencia:
• Convertidor de frecuencia con modulación por amplitud de pulsos PAM.
• Convertidor de frecuencia con modulación por anchura de pulsos PWM
(Fig. 8).
• Inversor de corriente CSI.
Tensión
Intensidad
0V
Tiempo
Fig. 8.- Onda de tensión PWM.
El principio de funcionamiento es el descrito anteriormente y es el mismo para
los tres tipos. Nos centraremos en el tipo PWM que es el utilizado por los
convertidores MICROMASTER.
El inversor ondulador emplea transistores IGBT (Insulated Gate
BipolarTransistors), los cuales son más fáciles de controlar, su velocidad de
conmutación es elevada, y tienen muy pocas pérdidas (Fig. 9).
Fig. 9.- Características de conmutación de un IGBT.
Estos IGBT mediante impulsos de tensión recibidos en el terminal puerta (G),
entran o salen de conducción por parejas, de tal forma que van generando la
onda PWM (Fig 10).
VDC
Valor medio de la tensión de salida:
VA
VA
Corriente de salida:
IA
Tensión de salida:
Motor
1.
Ambos transistores están cerrados.
Toda la tensión del circuito
intermedio se aplica a 2 de las
fases del motor. La corriente
aumenta.
2.
Uno de los transistores está
cerrado. La inductancia que
presenta el motor hace que la
corriente circule a través del diodo
de recuperación. La corriente cae
levemente.
VDC
M
Motor
M
VDC
Motor
3.-Mediante la variación constante de
la modulación por ancho de pulso
se puede obtener una onda cuyo
valor medio es prácticamente una
onda senoidal:
M
VDC
Punto de referencia
para las mediciones
Fase U
t
Fase V
t
= Tensión
Fase W
= Corriente
t
Fig.10.- Trabajo de los IGBT y formas de onda PWM de tensión y corriente.
Protecciones del MICROMASTER
•
Protección del convertidor contra cortocircuitos en pocos microsegundos
por medio de las protecciones del hardware.
•
El límite de intensidad se controla normalmente por los ajustes de
hardware.
•
El software también puede ser usado para calcular la capacidad de
sobrecarga del motor.
•
Algunos modelos poseen una conexión para PTC de tal forma que el
accionamiento se parará si el motor se sobrecalienta.
•
Un sensor interno controla la temperatura para asegurar que el inversor
no se sobrecalienta.
•
El inversor puede ser protegido contra sobretensión lo que podría
producirse durante el freno regenerativo.
Conexionado del MICROMASTER
El MICROMATER se conecta a una red monofásica o trifásica de 50 Hz y genera
una red trifásica de tensión y frecuencia variable. Las conexiones de fuerza se
pueden ver en Fig. 11
Fig.11.- Conexiones de fuerza.
En cuanto al control, presenta las siguientes entradas/salidas:
•
•
•
•
•
•
•
Entrada digital marcha/paro (DIN1 borne 5).
Entrada digital inversión de giro (DIN2 borne 6).
Entrada digital acuse de recibo (DIN3 borne 7).
Tres salidas digitales a relé (bornes 18-19-20, 21-22, 23-24-25).
Entrada analógica 1, consigna de frecuencia (bornes 3 y 4),
configurable en tensión o corriente.
Salida analógica 1 (bornes 12 y 13), con información de frecuencia,
tensión, intensidad o par, configurable en tensión o corriente.
Salida analógica 2 (bornes 26 y 27), con información de frecuencia,
tensión, intensidad o par, configurable en tensión o corriente.
Fig.12.- Conexiones de control.
Control automático del MICROMASTER
Para gestionar el Micromaster es necesario disponer de un sistema automático
e inteligente de control, que gobierne las entradas citadas en el apartado
anterior. Este sistema puede ser algún dispositivo programable específico o bien
un PLC de uso general.
El caso más típico sería el de un PLC ejecutando un algoritmo PID, recibiendo la
señal de consigna desde un sensor de la instalación y generando una señal de
salida analógica que se conectará a la entrada analógica 1 (AIN1) del
Micromaster, situada en los bornes 3-4.
Como ejemplo, una instalación frigorífica que necesita regular el caudal de
ventilación en el condensador. Supongamos que la presión óptima de
condensación es 12 bar. Esta presión puede variar en función sobretodo de las
condiciones ambientales (temperatura y humedad exterior en invierno o
verano), dificultándose la condensación en verano y necesitando por tanto más
caudal de aire. El bucle PID del PLC sería por tanto el siguiente:
Señal de error
Consigna de presión
12 bar
PID DEL PLC
Ganancia <0
Salida analógica PLC (o..10 V)
Conexión al MICROMASTER
Entrada analógica PLC
(0..10 V)
(4..20 mA)
Sensor de presión en
condensación
Fig.13.- Bucle de regulación PID en el PLC.
El funcionamiento PID es el siguiente:
1. Si el sensor mide 12 bar (presión óptima), la señal de error es 0 y el PID
se encuentra en estado estático, de forma que la señal de salida no varía
y por tanto la velocidad del ventilador es constante.
2. Si el sensor mide más de 12 bar, el gas a la descarga del compresor está
muy sobrecalentado y debe mejorarse la condenación; la señal de error
es negativa y multiplicada por la ganancia negativa del PID da resultado
positivo; el PID se encuentra en estado ascendente, de forma que la
señal de salida aumenta y por tanto la velocidad del ventilador también,
mejorando así el cauda de aire de condensación y ayudando a la
condensación.
3. Si el sensor mide menos de 12 bar, el gas a la descarga del compresor
está poco sobrecalentado; la señal de error es positiva y multiplicada por
la ganancia negativa del PID da resultado negativo; el PID se encuentra
en estado descendente, de forma que la señal de salida disminuye y por
tanto la velocidad del ventilador también, reduciendo así el caudal de
aire de condensación.
El esquema global del sistema de regulación puede verse en Fig. 14.
R
S
T
CP
Red
400 V
50 Hz
PLC S7-300
MICROMASTER
440
Señal analógica de
(0..10 V)
U
Sensor de presión en
condensación
(0..10 V)
(4..20 mA)
Fig.14.- Sistema de regulación de caudal de condensación.
V
W
Tension variable
Frecuencia variable
V/f=cte
Motor de
inducción
(ventilador)
Parámetros de control del MICROMASTER
Los parámetros para realizar una puesta en servicio rápida del Micromaster son
los siguientes:
Parámetro
Descripción
Interfaz de configuración MICROMASTER
Para configura los parámetros del variador se pueden usar indistintamente
alguno de los siguientes interfaces.
Software
El que suministre el fabricante. El bus de conexión PC-MICROMASTER puede
ser USB o RS-485.
Panel BOP
Se trata de un pequeño teclado frontal (Fig. 15).
Panel BOP con
pantalla iluminada
Los parámetros se leen, seleccionan y
modifican utilizando el Panel Operador
Básico (BOP).
Nuevo botón de función
permite acceder rápidamente a
los parámetros y a las
variables. Permite además
reseteo de fallas y retorno
Fig.15.- Panel BOP.