Seleccion de variadores de frecuencia y sus componentes adicionales

El variador de frecuencia es un equipo electrónico cuyo uso se ha convertido en masivo en las últimas décadas, sobre todo debido al abaratamiento de la electrónica de potencia y su versatilidad a la hora de controlar un motor eléctrico.

Si bien es un equipo muy conocido en el ámbito industrial, en esta entrada de Blog queremos repasar su selección en base a las funcionalidades requeridas y sobre todo, la selección de los componentes adicionales para un correcto diseño de la aplicación de control de velocidad de un motor.

Tenemos dos grandes familias de aplicaciones en la industria:

• Movimiento continuo. (control de velocidad de motores asíncronos en la mayoría de los casos)
• Movimiento discontinuo. (control de posición en motores asíncronos y en servomotores brushless).

Nos vamos a centrar en las aplicaciones de movimiento continuo.

Por un lado, vamos a ver la selección del variador adecuado, atendiendo a:

• 1. 1. Parámetros eléctricos básicos como:
        * Tensión de empleo.
        * Potencia del motor a controlar.
        * Intensidad nominal del motor.
        * Tipo de aplicación de la carga (par variable o par constante), o capacidad de sobrecarga exigida por la misma (Sobrecarga leve (I_L) o sobrecarga alta (I_H)).
        – Algunas aplicaciones de par variable son: Bombas, algunos compresores, ventiladores, etc…
        – Algunas aplicaciones de par constante son: Molinos, amasadoras, trituradoras, transporte de cargas constantes, etc..

   

  1. Resto de características necesarias:
     – Característica de control requerida:
     * Tensión/frecuencia
     * Flujo de corriente
     * Control vectorial en lazo abierto
     * Control vectorial en lazo cerrado (con encoder).
     – Cantidad y tipo de I/O, así como bus de comunicaciones requerido.
     – Características de control de sectores específicos: medio ambiente, proceso, HVAC, etc…
     – Funciones de seguridad (safety) integradas

  Con estos parámetros, ya podríamos seleccionar el variador más adecuado para la aplicación. En Siemens, disponemos de una amplia gama de distintas familias que se adaptan a los requerimientos de la manera más precisa.

  Todos ellos, bajo el nombre Sinamics, siendo los más relevantes:

  Sinamics V20:      Aplicaciones básicas. Comunicaciones Modbus RTU y USS.

  Sinamics G120:   Aplicaciones estándar, compactos o modulares.

  Comunicaciones Profinet/Profibus y Seguridad integrada.

  Sinamics G120X: Aplicaciones en par cuadratico (bombeo y ventilación).

  Comunicaciones Profinet/Profibus y Seguridad integrada.

  Nuestros técnicos están a su servicio para seleccionar el más adecuado para su aplicación.

  Como decíamos, en esta entrada de blog queremos hacer especial hincapié en la selección de los componentes adicionales para estos variadores, aspecto que vamos a tratar a continuación.

  COMPONENTES ADICIONALES DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA:

  Esta es una representación esquemática de los posibles componentes tanto del lado de la red, como del circuito intermedio, como del lado de la carga:

  

  Y esta es la función de cada uno de ellos:

  

  • Filtros EMC de clase A o clase B
  • Existe como accesorio a colocar al variador o también la variante de variador con filtro integrado.Objetivo: Reducir interferencias de alta frecuencia conducida hacia la alimentación. (lo que familiarmente se conoce como ruido eléctrico).
    Cumpliendo así con los distintos estándar de compatibilidad electromagnética (CEM), tanto para industria como para el sector residencial.

  

  • Reactancias de red /Bobinas de red.
  • Objetivo: Reducir interferencias de baja frecuencia conducida hacia la red de alimentación (armónicos).
    Las reactancias de red suavizan la corriente consumida por el inversor y, por lo tanto, reducen los componentes armónicos en la corriente de línea. A través de la reducción de los armónicos de corriente, la carga térmica en los componentes de potencia en el rectificador y en los condensadores del enlace de CC se reduce, así como los efectos armónicos en la alimentación.
    El uso de una bobina de red aumenta la vida útil del inversor.
    Si la relación entre la potencia nominal del inversor y la potencia de cortocircuito de la red es inferior al 1%, entonces se recomienda utilizar una reactancia de red para reducir los picos de corriente.
  • También nos ayuda a amortiguar los efectos de las fluctuaciones de tensión en la alimentación del variador.
  • En ciertos tamaños constructivos de variadores Siemens (desde 22kW a 132 kW en el caso de Sinamics G120C), esta bobina ya va integrada en el propio equipo y por tanto no es requerida como accesorio.

  

  • Resistencias de frenado:
  • Objetivo: Disipar energía de frenado en procesos regenerativos
    (aplicaciones de elevación, frenado en tiempos cortos en cargas con gran inercia).
    Ciertas familias de variador (G120C) ya disponen de chopper de frenado integrado (transistor de potencia) en el circuito DC intermedio, el cual se activa al sobrepasar un umbral de tensión en el circuito DC, cosa que ocurre en los procesos regenerativos. En bornes de este chopper es donde se ha de conectar la resistencia de frenado, para que esta disipe la energía regenerativa en forma de calor, consiguiendo así el frenado requerido, al convertir la energía cinética en calor.
    Las resistencias llevan integrado un termostato para evitar en todo momento un sobrecalentamiento de las mismas.
    Estas resistencias es recomendable ubicarlas en el exterior del armario, por regla general, para evitar que el calor generado aumente la temperatura en armario de control.
    Cuando se den este tipo de aplicaciones, también es posible utilizar variadores regenerativos, una tecnología más novedosa, pero igualmente probada desde hace años, los cuales se encargan de devolver la energía generada por el motor en el proceso de frenado, hacia la red eléctrica, consiguiendo de esta forma una mayor eficiencia energética, ya que dicha energía regenerada, puede ser aprovechada por otros consumidores.
    Evitamos así también la instalación de elementos externos al armario generando calor.

  

  • Filtro Sinusuidal:
  • Objetivo: Convertir la señal de salida del variador en una onda pura senoidal, para alimentación de motores no preparados para funcionar con variadores (motores con aislamiento no reforzado).
    Los filtros de onda sinusoidal limitan la tasa de aumento de voltaje (dv/dt) y el pico de voltajes en el devanado del motor, evitando así destruir el aislamiento del mismo. Una alternativa, por tanto, a este filtro es utilizar motores con aislamiento reforzado, los cuales ya están preparados para trabajar con ondas senoidales no puras (con ciertos picos de tensión), sin que esto sea un perjuicio para el motor. Esta es una tendencia cada vez más habitual, y hace que estos filtros se utilicen menos.
    Similar a un reactor de salida, estos permiten la conexión de cables de motor más largos.

  

  • Bobinas de salida:
  • Objetivo:
    Las bobinas de salida reducen la tasa de aumento de voltaje (dv/dt) y la
    la amplitud de los picos de corriente, y permiten distancia de cables más largos al motor.
    En cuanto a los cables a motor, ocurre que los efectos capacitivos de los cables entre sí y entre los cables y tierra se ven acrecentados conforme aumenta la distancia de los mismos. Esto se traduce en una pérdida de la  potencia que es capaz de entregar el variador en bornes del motor
    Por ello, para contrarrestar estos efectos capacitivos de grandes distancias de cable entre variador-motor se colocan las bobinas de salida, consiguiendo así un aumento de distancia sin pérdida de potencia.

  Existen estas limitaciones si se usan bobinas de salida:

  • Máxima frecuencia de salida permitida en el variador: 150 Hz
  • Máxima frecuencia de pulsos permitida en el variador: 4 kHz