Molino de grava con 2
motores asíncronos de 4 polos de 5 MW controlados por cicloconvertidor (ABB)
Antes de describir brevemente los principales procesos utilizados, parece útil dar una breve descripción de las ventajas que hacen que la variación electrónica de velocidad sea una solución atractiva para muchos procesos industriales, tanto técnica como económicamente.
■ Interés de la variación electrónica de velocidad
Las principales ventajas, a menudo relacionadas entre sí, son:
● Flexibilidad de ajuste y funcionamiento optimizado
- Gran facilidad de arranque con par motor programable. El arranque es independiente de las condiciones climáticas y sin tiempos de preparación.
- Flexibilidad de funcionamiento permitiendo adaptar el equipo que está siendo impulsado a las condiciones variables de utilización y, en algunos casos, para aumentar su rango de operación útil.
- Fácil adaptación a los procesos de automatización modernos y, por lo tanto, participación en la mejora de la productividad y la calidad del producto.
- Posibilidad de utilizar motores a velocidades superiores a las impuestas por la red.
- Elevadas cadencias de maniobra
● Economía de energía
- Capacidad para lograr un ahorro significativo de energía en comparación con las unidades de acoplamiento de tipo deslizante gracias a los rendimientos de conversión electromecánicos intrínsecamente más elevados.
- Posibilidad de que el equipo funcione continuamente con mejores rendimientos a lo largo de todo el rango de velocidades alcanzables y no sólo en el punto de funcionamiento máximo.
● Disponibilidad y mantenibilidad
- Alta disponibilidad de los equipos, lo que resulta, por un lado una alta fiabilidad, y por otra parte la corta duración de las reparaciones y el mantenimiento necesarios.
- Reparaciones facilitadas por la modularidad de subconjuntos electrónicos y la capacidad de poner en práctica procedimientos para la detección automática de fallos y de sustitución rápida.
● Reducción de averías en los materiales
- Reducción de las tensiones aplicadas a la mecánica (par transitorio en el arranque, cortes, golpes de ariete, etc...) para el control permanente de la aceleración.
- Supresión de las puntas de corriente en la red al arrancar los motores.
- Posibilidad de no utilizar anillos ni contactos deslizantes, lo que facilita el uso en atmósferas explosivas o agresivas.
● Precauciones de utilización
Los dispositivos electrónicos utilizados para la variación de velocidad de los motores generan corrientes armónicas que pueden perturbar la instalación eléctrica y al distribuidor de energía.
En otros artículos de este blog se han descrito detalladamente estos problemas, recordamos seguidamente los principales:
- Se requiere aumentar un cierto margen de seguridad el calentamiento de la instalación debido a los armónicos: un margen del 15% en la corriente es generalmente suficiente,
- se recomienda ventilación forzada en los motores (sobretodo cuando funcionan a bajas velocidades),
- Se requiere reforzar el aislamiento entre espiras de los motores, a causa de los importantes gradientes de tensión generados por la conmutación de los tiristores (que pueden alcanzar el orden de magnitud de los ensayos de choque).
■ Clasificación del tipo de variador según la técnica utilizada
Físicamente el control de la transferencia de energía en un motor de corriente alterna se concreta en dos variables mecánicas:
El par
La velocidad
En la práctica sólo una de estas variables es controlada. Cuando se efectúa un control del par, la velocidad queda determinada por la carga. Si se efectúa un control de velocidad, es el par el que queda determinado por la carga.
● Clasificación:
(1) Regulador por ángulo de fase
Modifican la tensión de alimentación del estátor, con ello el par y con él la curva i - w, lo que da lugar a una nueva velocidad de trabajo.
Modifican la tensión de alimentación del estátor, con ello el par y con él la curva i - w, lo que da lugar a una nueva velocidad de trabajo.
(2) Cascada hiposíncrona
Modifica la resistencia rotórica del motor, lo cual modifica la curva I – w, dando lugar a una nueva velocidad de trabajo.
(3) Convertidores directos
Realizan la conversión de la frecuencia de entrada a la de salida de manera directa, sin intervención de ningún sistema de conversión intermedia.
(4) Convertidores indirectos
Realizan la conversión de la frecuencia de entrada a la de salida de manera indirecta, utilizando un sistema intermedio de conversión.
■ Motor asíncrono de jaula alimentado por variador (Fig. 1)
El variador estático es un dispositivo que permite arrancar un motor asíncrono con un aumento gradual de la tensión. Así, se limitan las puntas de corriente en la red y se controla la velocidad del motor.
Este método permite variar la tensión del estator, por tanto la velocidad, mediante la variación del ángulo de retardo de disparo de los tiristores montados en anti-paralelo y colocados en cada una de las fases de alimentación del motor.
Este tipo de regulación es adecuada para unidades con bajo par resistente en las bajas velocidades y para aquellos de par constante cualquiera que sea la velocidad. Por otro lado, la disminución de la velocidad se traduce en un aumento de las pérdidas por deslizamiento, lo que reduce el campo de variación de velocidad y restringe la aplicación de los motores de jaula de baja potencia o para servicios intermitentes.
Figura 1: Motor asíncrono de jaula alimentado por variador
■ Motor asíncrono de rotor bobinado (o anillos) con cascada hiposincrónica (figura 2)
Con un motor de rotor bobinado, existe la posibilidad de variar el deslizamiento modificando la resistencia del rotor. Si se utiliza un reóstato para ello, se convierte la energía activa en pérdidas y se baja inaceptablemente el rendimiento. Para que el proceso sea interesante, es necesario utilizar un circuito que permita la recuperación de esta energía y la reinyecte en la red. La corriente del rotor es rectificada por un puente de diodos y, después de filtrada, se reenvía a la red por medio de un inversor y un transformador que adapta la tensión.
La regulación del deslizamiento se realiza ajustando el retardo del disparo de los tiristores.. El rendimiento obtenido es del orden de 0,9 a 0,95.
En teoría es posible ajustar la velocidad más allá de su valor máximo hasta cerca de la parada. De hecho, no es ventajoso proporcionar tal rango de variación. Por un lado, es raro que tengamos necesidad de tan gran variación, por otro lado, se demuestra que la potencia de dimensionamiento de la cascada es proporcional al deslizamiento. Desde el punto de vista de los costos, se debe dimensionar solamente para el margen de deslizamiento necesario, lo que implica el uso de un reóstato para el arranque.
El convertidor indirecto así constituido puede a menudo ser ventajosamente sustituido por un cicloconvertidor.
M : motor
P : potencia absorbida
PR : potencia reinyectada a la red
Tr : transformador de adaptación
a : ángulo de retardo del disparo de tiristores
Figura 2: Esquema de una cascada hiposincrónica
Mediante la sustitución del puente de diodos por un puente de tiristores y la inyección, a la red, de la energía del rotor, se adquiere los medios para superar la velocidad de sincronismo, realizando de este modo una cascada hipersincrónica (y hiposincrónica).
■ Motor asíncrono de jaula alimentado por rectificador-ondulador autónomo
Cuando el motor es asíncrono de jaula, se puede utilizar un convertidor del tipo rectificador-ondulador. Para las pequeñas y medianas potencia (< 400 kW), las conmutaciones son realizadas por transistores IGBT. Permiten una frecuencia de conmutación mayor que la de los tiristores y de ese modo se consiguen velocidades elevadas. Para altas potencias, se utilizan solo los tiristores. La conmutación de los tiristores debe ser asegurada por circuitos auxiliares constituidos por tiristores y condensadores (conmutación forzada). Este tipo de variadores es a menudo llamados "conmutadores".
Son posibles diferentes tipos de alimentación:
- rectificador-conmutador de tensión
- rectificador-ondulador con modulación por ancho de impulsos o PWM (del inglés pulse-width modulation)
- rectificador-conmutador de corriente
● Rectificador-conmutador de tensión (figura 3)
Comprende un rectificador controlado que permite alimentar con tensión variable un ondulador trifásico. La frecuencia de salida deseada se obtiene actuando sobre el ángulo de disparo de los tiristores del ondulador.
Este tipo de convertidor de frecuencia es el más simple, pero requiere una inductancia y un condensador de filtrado. El frenado para la recuperación de energía es posible sólo si el rectificador de tiristores de cabecera es en sí reversible. La reversibilidad de velocidad se obtiene invirtiendo el orden de las fases en el control de los tiristores del convertidor.
Este tipo de alimentación es adecuada para motores con alta reactancia.
Figura 3: Motor asíncrono de jaula con rectificador-conmutador de tensión
● Rectificador-ondulador con modulación por ancho de impulsos (PWM) (figura 4)
El rectificador utilizado en este caso es de tensión constante (diodos en vez de tiristores).
El ondulador proporciona a la vez una tensión y una frecuencia variable. Al variar el ancho de los impulsos de salida y su frecuencia, se obtiene una tensión de salida y una corriente de carga cercana a una sinusoide.
Esta solución permite realizar variaciones de velocidad con gran rendimiento. Permite también un alto rango en la variación de velocidad. Por contra, para altas velocidades, la frecuencia de conmutación es elevada. Por tanto, se deben utilizar transistores, lo que limita la potencia máxima (P ≤ 400 kW).
Figura 4: Motor asíncrono de jaula con rectificador-ondulador (PWM)
● Rectificador-conmutador de corriente
El esquema de la Figura 5 muestra un ejemplo del rectificador-conmutador de corriente.
Esta solución comprende un convertidor de entrada (rectificador controlado por tiristores) con conmutación natural (la conmutación de los tiristores se efectúa sin circuito auxiliar) que asociado a una inductancia de alisado, se comporta como una fuente de corriente continua.
Un convertidor de salida (conmutador) conmuta la corriente en las fases de la máquina por medio de condensadores. Esta conmutación, realizada con frecuencia variable, permite obtener un funcionamiento muy flexible del motor en un amplio rango de velocidades.
Sin elementos adicionales, el equipo funciona en los cuatro cuadrantes del plano par-velocidad. Funcionando como generador, el convertidor en el lado de red funciona como ondulador y el conmutador del lado de la máquina como rectificador.
Figura 5: Motor asíncrono de jaula con rectificador-conmutador de corriente
■ Motor síncrono alimentado por rectificador-ondulador autopilotado
Esta solución utiliza un primer convertidor alimentado por la red y un segundo pilotado por la máquina. La conexión entre los dos convertidores se efectúa a través de una inductancia de desacople.
En el funcionamiento como motor, el convertidor del lado de la red funciona como rectificador y regula la corriente en la etapa intermedia en corriente continua; el segundo convertidor funciona en modo ondulador no autónomo y conmuta la corriente a frecuencia variable en las fases de la máquina.
La conmutación de una fase del estator a la siguiente es autopilotada, ya sea mediante la medida de la posición del rotor, mediante la medida de las tensiones estatóricas o a través de un captador “disco de ranuras”, la energía reactiva necesaria para esta conmutación es suministrada por la excitación de la máquina. Este modo de ajuste elimina cualquier riesgo de corte, la frecuencia permanece siempre en perfecto sincronismo con la velocidad.
En el arranque y a baja velocidad, la tensión de la máquina es insuficiente para efectuar la conmutación del ondulador. En este caso, es el convertidor de entrada que, utilizado transitoriamente como ondulador, asegura esta función.
Esta solución se utiliza típicamente para potencias unitarias superiores a algunos centenares de kilovatios hasta varias decenas de megavatios.
Figura 6: Motor síncrono con rectificador-ondulador autopilotado
■ Motor asíncrono o síncrono alimentado por cicloconvertidor
Este es el único sistema generador de frecuencia variable capaz de realizar una conversión de frecuencia directa a partir de la red alternativa.
El suministro del motor de corriente alterna requiere un convertidor por fase como se muestra en Figura 7 que muestra un ejemplo de un posible esquema. Los tres convertidores son controlados por tres referencias desfasadas entre sí 120 °. Cuando uno de los puentes es conductor, es rectificador si la corriente y la tensión son del mismo signo y ondulador si la corriente y el voltaje tienen signos opuestos.
Prácticamente, el cicloconvertidor limita la frecuencia de salida entre 0 y f / 3 (donde f es la frecuencia de la red). Este tipo de solución es particularmente adecuada para accionamientos con motores de baja velocidad.
Figura 7: Motor de corriente alterna con cicloconvertidor
■ Campos de aplicación de los variadores electrónicos de velocidad
En la tabla 1 se indica la correspondencia entre el tipo de variador, el tipo de motor y la carga arrastrada.
Tabla 1: Campos de aplicación de los variadores electrónicos
para motores de corriente alterna
REFERENCIAS:
J. Y. Blanc: Control, mando y protección de motores AT.- Cuaderno técnico 165, Schneider Electric.
Christophe PRÉVÉ, Robert JEANNOT: Guía de concepción de redes eléctricas industriales.
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http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/06/incidencias-en-los-motores-alimentados.html
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