Convertidor de frecuencia para motor eléctrico

Aspectos técnicos del uso de convertidores de frecuencia

Hoy en día, el motor de inducción se ha convertido en el dispositivo principal en la mayoría de los accionamientos eléctricos. Cada vez más, se utiliza un convertidor de frecuencia para el control, un inversor con regulación PWM. Este control ofrece muchas ventajas, pero también crea algunos problemas a la hora de elegir determinadas soluciones técnicas. Tratemos de entenderlos con más detalle.

El dispositivo de convertidores de frecuencia.

El desarrollo y la producción de una amplia gama de potentes módulos IGBT de transistores de alto voltaje hizo posible implementar interruptores de potencia multifásicos controlados directamente por señales digitales. Las instalaciones informáticas programables hicieron posible generar secuencias numéricas en las entradas del interruptor que proporcionaban señales control de frecuencia de motores eléctricos asíncronos… El desarrollo y la producción en masa de microcontroladores de un solo chip con grandes recursos informáticos hizo posible la transición a servoaccionamientos con controladores digitales.

Los convertidores de frecuencia de potencia, por regla general, se implementan de acuerdo con un esquema que contiene un rectificador basado en diodos potentes o transistores de potencia y un inversor (interruptor controlado) basado en transistores IGBT en derivación por diodos (Fig. 1).

Arroz. 1. Circuito convertidor de frecuencia

La etapa de entrada rectifica la tensión de red sinusoidal suministrada, que, tras su filtrado con un filtro inductivo-capacitivo, sirve como fuente de alimentación para el inversor controlado, que genera una señal con modulación de pulso, que genera corrientes sinusoidales en los devanados del estator con parámetros que proporcionan el modo de funcionamiento necesario del motor eléctrico.

El control digital del convertidor de potencia se lleva a cabo utilizando hardware y software de microprocesador correspondientes a las tareas en cuestión. La unidad de computación genera señales de control para 52 módulos en tiempo real y también procesa señales de los sistemas de medición que controlan el funcionamiento del variador.

Las fuentes de alimentación y las computadoras de control se combinan en un producto industrial diseñado estructuralmente llamado convertidor de frecuencia.

Hay dos tipos principales de convertidores de frecuencia utilizados en equipos industriales:

• Convertidores patentados para tipos específicos de equipos.

• Los convertidores de frecuencia universales están diseñados para el control multifuncional del funcionamiento de AM en modos definidos por el usuario.

El ajuste y la gestión de los modos de funcionamiento del convertidor de frecuencia se pueden realizar mediante el panel de control equipado con una pantalla para indicar la información introducida.Para un control de frecuencia escalar simple, puede usar un conjunto de funciones lógicas simples disponibles en la configuración de fábrica del controlador y el controlador PID incorporado.

Para implementar modos de control más complejos usando señales de sensores de retroalimentación, es necesario desarrollar una estructura ACS y un algoritmo para ser programado usando una computadora externa conectada.

La mayoría de los fabricantes producen una gama de convertidores de frecuencia que difieren en las características eléctricas de entrada y salida, la potencia, el diseño y otros parámetros. Se pueden utilizar elementos externos adicionales para conectar a equipos externos (red, motor): arrancadores magnéticos, transformadores, bobinas de choque.

Tipos de señales de control

Es necesario distinguir entre los diferentes tipos de señales y utilizar un cable independiente para cada una. Diferentes tipos de señales pueden influirse entre sí. En la práctica, esta separación es común, por ejemplo un cable de sensor de presión se puede conectar directamente al convertidor de frecuencia.

En la Fig. 2 muestra la forma recomendada de conectar el convertidor de frecuencia en presencia de varios circuitos y señales de control.

Arroz. 2. Un ejemplo de conexión de los circuitos de potencia y los circuitos de control del convertidor de frecuencia

Se pueden distinguir los siguientes tipos de señales:

• analógico: señales de voltaje o corriente (0 … 10 V, 0/4 … 20 mA), cuyo valor cambia lentamente o rara vez, generalmente se trata de señales de control o medición;

• señales discretas de voltaje o corriente (0... 10 V, 0/4... 20 mA), que pueden tomar solo dos valores que rara vez cambian (alto o bajo);

• digital (datos): señales de voltaje (0 … 5 V, 0 … 10 V) que cambian rápidamente y con alta frecuencia, generalmente son señales de los puertos RS232, RS485, etc.;

• relé: los contactos de relé (0 … 220 V CA) pueden incluir corrientes inductivas según la carga conectada (relés externos, lámparas, válvulas, frenos, etc.).

Selección de potencia del convertidor de frecuencia

Al elegir la potencia del convertidor de frecuencia, es necesario confiar no solo en la potencia del motor eléctrico, sino también en las corrientes y tensiones nominales del convertidor y del motor. El hecho es que la potencia especificada del convertidor de frecuencia solo se refiere a su funcionamiento con un motor asíncrono estándar de 4 polos en aplicaciones estándar.

Los dispositivos reales tienen muchos aspectos que pueden hacer que aumente la carga actual en el dispositivo, por ejemplo, durante el inicio. En principio, el uso de un variador de frecuencia le permite reducir las cargas mecánicas y de corriente debido al arranque suave. Por ejemplo, la corriente de arranque se reduce del 600% al 100-150% de la corriente nominal.

Conducir a velocidad reducida

Cabe recordar que aunque el convertidor de frecuencia proporciona fácilmente una regulación de velocidad 10:1 cuando el motor funciona a bajas velocidades, la potencia de su propio ventilador puede no ser suficiente. Controle la temperatura del motor y proporcione ventilación forzada.

Compatibilidad electromagnética

Dado que el convertidor de frecuencia es una fuente potente de armónicos de alta frecuencia, se debe utilizar un cable blindado de longitud mínima para conectar los motores. Dicho cable debe tenderse a una distancia de al menos 100 mm de otros cables.Esto minimiza el contrainterrogatorio. Si se van a cruzar cables, el cruce se hace en un ángulo de 90 grados.

Es alimentado por un generador de emergencia.

El arranque suave que proporciona el convertidor de frecuencia permite reducir la potencia requerida del generador. Dado que con un inicio de este tipo, la corriente disminuye entre 4 y 6 veces, entonces la potencia del generador se puede reducir en una cantidad similar de veces. Pero aún debe instalarse un contactor entre el generador y el variador, controlado por la salida de relé del variador de frecuencia. Esto protege al convertidor de frecuencia de sobretensiones peligrosas.

Alimentación de un convertidor trifásico desde una red monofásica

Los convertidores de frecuencia trifásicos pueden alimentarse desde una red monofásica, pero su corriente de salida no debe superar el 50% de la nominal.

Ahorre energía y dinero

Los ahorros provienen de varias razones. Primero, debido al crecimiento. coseno phi a valores de 0,98, es decir la potencia máxima se utiliza para realizar un trabajo útil, la mínima se desperdicia. En segundo lugar, se obtiene un coeficiente cercano a éste en todos los modos de funcionamiento del motor.

Sin un convertidor de frecuencia, los motores asíncronos a baja carga tienen un coseno phi de 0,3-0,4. Tercero, no hay necesidad de ajustes mecánicos adicionales (amortiguadores, aceleradores, válvulas, frenos, etc.), todo se hace electrónicamente. Con un dispositivo de control de este tipo, el ahorro puede ser de hasta un 50%.

Sincroniza múltiples dispositivos

Debido a las entradas adicionales para controlar el variador de frecuencia, es posible sincronizar los procesos del transportador o establecer las proporciones de cambios en algunos valores, dependiendo de otros.Por ejemplo, hacer que la velocidad del husillo de la máquina dependa de la velocidad de avance del cortador. El proceso se optimizará porque a medida que aumente la carga del cortador, se reducirá el avance y viceversa.

Protección de red contra armónicos superiores

Para protección adicional, además de cables blindados cortos, se utilizan inductancias de línea y condensadores de derivación. Aceleradorademás, limita la corriente de irrupción cuando se enciende.

Elegir la clase de protección adecuada

Una disipación de calor fiable es esencial para el buen funcionamiento del convertidor de frecuencia. Si se utilizan clases de protección altas, por ejemplo IP 54 y superiores, es difícil o costoso lograr tal disipación de calor. Por lo tanto, es posible utilizar un armario separado con un alto grado de protección, donde se pueden instalar módulos de una clase inferior y se puede realizar una ventilación y refrigeración general.

Conexión en paralelo de motores eléctricos a un convertidor de frecuencia

Para reducir costes, se puede utilizar un convertidor de frecuencia para controlar varios motores eléctricos. Su potencia debe seleccionarse con un margen del 10-15% de la potencia total de todos los motores eléctricos. Al hacerlo, es necesario minimizar la longitud de los cables del motor y es muy recomendable instalar un estrangulador de motor.

La mayoría de los convertidores de frecuencia no permiten que los motores se desconecten o conecten a través de contactores mientras el convertidor de frecuencia está en funcionamiento. Esto se hace solo a través del comando de parada en el dispositivo.

Configuración de la función de control

Para lograr el máximo rendimiento del accionamiento eléctrico, como: factor de potencia, eficiencia, capacidad de sobrecarga, suavidad de regulación, durabilidad, es necesario elegir correctamente la relación entre el cambio en la frecuencia de operación y el voltaje de salida de la frecuencia convertidor.

La función de cambio de tensión depende del carácter de par de la carga. A par constante, la tensión del estator del motor debe controlarse en proporción a la frecuencia (control escalar U / F = const). Para un ventilador, por ejemplo, otra relación es U / F * F = const. Si aumentamos la frecuencia 2 veces, entonces el voltaje debería aumentar 4 veces (control vectorial). Hay dispositivos con funciones de control más complejas.

Ventajas de utilizar un variador de velocidad con convertidor de frecuencia

Además de aumentar la eficiencia y ahorrar energía, un accionamiento eléctrico de este tipo le permite obtener nuevas cualidades de conducción. Esto se refleja en el rechazo de dispositivos mecánicos adicionales que generan pérdidas y reducen la confiabilidad de los sistemas: frenos, amortiguadores, aceleradores, válvulas, válvulas de control, etc. El frenado, por ejemplo, se puede realizar invirtiendo el campo electromagnético en el estator del motor. Al cambiar solo la relación funcional entre frecuencia y voltaje, obtenemos una unidad diferente sin cambiar nada en la mecánica.

Lectura de la documentación

Cabe señalar que, aunque los convertidores de frecuencia son similares entre sí y, habiendo dominado uno, es fácil tratar con el otro, sin embargo, es necesario leer detenidamente la documentación. Algunos fabricantes imponen restricciones en el uso de sus productos y, si se infringen, eliminan la garantía del producto.

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