Desde mis primeras experiencias a nivel profesional, allá por los años 80, en la industria manufacturera y de procesos, observé que una de las muchas preocupaciones para tener mejor desempeño, conservación de la maquinaria y obtención de productos de calidad, es el control del arranque de un motor y control de su velocidad= variador de frecuencia.
La inquietud del control del arranque y más en motores mayores a 30Hp (aunque en algunos procesos industriales se ocupa un motor desde 5Hp) se debe al pico de corriente que se toma al arrancar a tensión plena (DOL “Direct On Line”), la cual por regla pudiera ser de 6 a 7 Veces la FLA (Full Load Amp) del motor.
Consideremos para un motor de 30Hp, los siguientes datos:
440-480Vac / FLA = 40Amp
De tal forma que al arranque a tensión plena, se tendría un pico de 320Amp. Esto ocasiona un estrés en la red eléctrica y de igual forma se tendrá un estrés en la mecánica del sistema, por el torque total que desarrolla el motor al alimentarlo a tensión plena.
Considerando lo anterior, para reducir ambos fenómenos de estrés (eléctrico y mecánico) se opta por la utilización de sistemas de arranque suave. Estos, para motores asíncronos de inducción Jaula de ardilla pueden ser:
- Estrella Delta
- Auto Transformador
- Soft-Starter (Utilización de Electrónica de Potencias SCR “Silicon Controller Rectifier”)
Incluso con estos sistemas de arranque suave, no se puede tener la disponibilidad del número de arranques del motor, dado que lo máximo que puede reducirse el pico de corriente en aplicación (como una bomba centrífuga) es de 3.5 a 4 veces el pico de corriente.
¿Y dónde aparecen los variadores de velocidad?
En la industria de manufactura o proceso de cualquier tipo, se tienen requerimientos de control de velocidad, torque, etc., como lo son:
- Operación de grúas
- Control de flujo en ventiladores/extractores
- Control de bandas transportadoras, alimentadores, extrusores, dosificadores, molinos, trituradoras, line shaft, entre otros.
Así, lo más utilizado incluso en los años 90, fueron los drives de DC con motores de DC excitación independiente (alimentación de campo, imán permanente) o auto excitado.
Como se observa en la imagen 1, se tenía un puente rectificador, el cual utilizaba SCR (Silicon Controller Rectifier).
Esto, con la finalidad de poder obtener de una alimentación de corriente AC al Drive de DC, una salida de corriente DC variable (con la cual se podía acorde al nivel DC de salida del Drive regular la velocidad del motor de DC).
De esta forma, y de manera sencilla relativamente, se podía controlar la velocidad del motor y torque de DC en un amplio rango de velocidad.
El primero de los inconvenientes de esta solución -en su momento utilizada para control de velocidad-, es que el motor de DC requería de mantenimiento constante en su colector, sobre todo en ambientes corrosivos o muy polvosos y agresivos.
De tal forma que los motores de DC no eran tan comunes en una planta industrial como lo son los motores asíncronos de inducción jaula de ardilla.
Claro, se contaba de manera especial con los motores para estos controles de DC.
Otro tipo de motor que se utilizó para variación de velocidad, fue el motor de rotor devanado (con arreglo de resistencias o reóstatos en los devanados del rotor). De tal forma que, dependiendo del valor de la resistencia, conectado al rotor devanado por medio de anillos, determinaba la velocidad del motor, siendo estos de alto torque, por lo que su uso más común fue en grúas.
Por otro lado, existía el control de velocidad de corrientes parasitas Eddy, el cual contaba con un motor jaula de ardilla conectado durante la operación a la alimentación.
De esta forma, la fecha del motor giraría al 100% de su velocidad base y la forma de variar la velocidad a la salida del sistema, era por medio de un clutch magnético. Dicho clutch, acorde a su magnetización, transfería una velocidad a la salida del sistema.
Remontémonos a los años 70, cuando Fuji Electrónicos creo el primer variador de velocidad y durante el desarrollo de este, los diferentes fabricantes de VFD utilizaban diferentes tecnologías de control.
Variadores de frecuencia de voltaje de entrada (VVI, por sus siglas en inglés)
En su puente rectificador se utilizan SCR para regular el nivel de voltaje de DC rectificado. En el Inversor se pueden utilizar tiristores, tiristores bipolares, MOSFETS, e IGBTs.
Variadores de frecuencia de fuentes de entrada (CSI, por sus siglas en inglés)
En la siguiente figura (Imagen 6) se muestra un inversor de fuente de corriente de tiristores. Los diodos D1-D6 y el condensador C1-C6 proporcionan la conmutación del tiristor T1-T6, que se disparan con una diferencia de fase de 60º en la secuencia de su número.
También muestra la naturaleza de la forma de onda de la corriente de salida. El inversor actúa como una fuente de corriente debido a la gran inductancia LD en el enlace de CC.
Variador de frecucencia ancho de pulso modulado (PWM, por sus siglas en inglés)
Los VFD de modulación de ancho de pulso (PWM) proporcionan una salida de corriente más sinusoidal para controlar la frecuencia y el voltaje suministrados a un motor de CA.
Los VFD PWM son más eficientes y, por lo general, brindan niveles más altos de rendimiento. Un VFD PWM básico consta de un convertidor, enlace de CC, lógica de control y un inversor.
A partir de los años 90, acorde a mi experiencia laboral, se comenzaron a utilizar más a menudo los equipos de variación de frecuencia en aplicaciones como bombeo o ventilación.
Claro, con ciertas restricciones de control, dado que el único control que se tenía en los VFD era V/F (Control Escalar) y se tenían restricciones de rango de control de velocidad de 10:1 (el motor no podía ir a menos de 6Hz como velocidad mínima).
En este control V/F la velocidad cambia en porción de la variación de la frecuencia.
Velocidad Síncrona= (120*f) / (# Polos del Motores)
Sin embargo, el voltaje debe aumentar o disminuir en la misma proporción de la frecuencia para mantener el flujo constante en el motor.
De tal forma que si el voltaje fuese de 440 y la frecuencia 60Hz, la relación es de 7.3. Por ello al operar el motor con el variador a 30Hz el voltaje deberá de ser de 220Vac.
El inversor PWM VFD mantiene la relación V/f constante para mantener el flujo constante en el motor.
Formas de onda de salida al motor de cada tecnología
Variadores de frecuencia en la actualidad
Hoy en día, el VFD de modulación por ancho de pulso es la tecnología que predomina y utiliza IGBTs (Transistores Bipolares de Compuerta Aislada).
En 1980, Telemecanique desarrolló el Variador de Frecuencia Altivar y en 1988 Schneider Electric adquirió Telemecanique y continúa con el desarrollo de esta oferta.
Hoy en día contamos con diferentes familias y cada una con características propias.
- ATV320 (Funciones de Seguridad y programación de lógica interna)
- ATV340 (Macros de reparto de carga “maestro esclavo”, maquinaria “backlash” y grúas)
- ATV630 (Macros de bomba genérica, ventilador genérico, multibombeo, control de nivel)
- ATV930 (Macro bombeo genérico, grúas, elevación, transportador “Maestro Esclavo”, backlash
- ATV6000 (Variador de mediano voltaje, con macros de multibombeo, transferencia síncrona)
¿Por qué empezamos a hablar de los arrancadores suaves?
Hoy un VFD (Variable frecuencia Drive) o también conocidos como: AFD (Adjustable Frequency Drive), AFC (Adjustable Frequency Controllers),VSD (Variable Speed Drive), AC Drive, AC Inverter, Power Converter, no solo se utiliza para controlar velocidad, sino también para sustituir los arrancadores suaves y lograr un control de la rampa de aceleración más definido, picos de corrientes al arranque menores a 3 veces la corriente nominal, con el 100% de torque al arranque.
De igual forma, Schneider Electric cuenta con arrancadores suaves:
- ATS01
- ATS22
- ATS480
Pronto hablaremos de cómo el variador de velocidad proporciona ahorros de energía, conectividad y diagnóstico en la palma de la mano. Mientras tanto, ponemos a su disposición nuestro contacto para México, Centroamérica, España y Colombia.
Si tiene alguna duda específica para su industria, dé clic en los enlaces del párrafo anterior o deje su comentario y le contactaremos.
Añadir comentario