► VDF - Variador de frecuencia.

Definición básica de Funcionamiento.

▬ Red de Suministro:

Puede ser monofásica (para motores de poca potencia de hasta 1.5 KW y trifásica para motores de mayor potencia.

▬ Entradas y Salidas:

Diferentes conexiones de entradas y salidas de control; pueden ser digitales tipo todo o nada (contactos, pulsadores, conmutadores, contactos de relé…) o analógicas mediante la variación de tensión (0…10 V o similares) e intensidad (4…20 mA).

Además puede incluir terminales de alarma, avería, etc.

▬ Comunicación:

Los variadores poden integrarse a redes industriales dependiendo del modelo, estos dispones de puerto de comunicaciones (RS-232, RS-485 o LAN). Cada fabricante facilita un software de control que permitirá el control , programación y monitorización del variador.

▬ Salida:

Esta es la conexión al motor típicamente de tres hilos (U - V -W) para conectar a los bornes del motor en estrella o triangulo dependiendo de cada motor y del tipo de variador.

Diagrama de un Variador.

▬ 1 - Rectificador:

Partiendo de la red de suministro de CA, monofásica o trifásica, se obtiene CC mediante diodos rectificadores.

▬ 2 - Circuito intermedio (Filtro):

Condensadores de gran capacidad (y a veces también bobinas), almacenan y filtran la c.c. rectificada, para obtener un valor de tensión continua estable  y reserva de energía suficiente para proporcionar la intensidad requerida por el motor.

▬ 3 - Ondulador (Inversor):

Desde la tensión del bus de continua, un ondulador convierte esta energía en una salida trifásica, con valores de tensión, intensidad y frecuencia de salida variables. 

Como elementos de conmutación, se usan principalmente transistores bipolares (BJT), CMOS o similares, IGBT, tiristores (SCR), GTO… etc.

Las señales de salida, se obtiene por diversos procedimientos como troceado, mediante ciclo convertidores, o señales de aproximación senoidal mediante modulación por anchura de impulsos PWM.

▬ 4 - Circuito de mando:

Circuitos de control de los diferentes bloques del variador, protección, regulación… y entradas y salidas, tanto analógicas como digitales. Además se incluye el interfaz de comunicaciones con buses u otros dispositivos de control y interfaz de usuario.

Conceptos de variador en motores trifásicos.

Velocidad:

La velocidad en el eje de un motor asíncrono en rpm, depende del número de polos magnéticos del motor  y la frecuencia f (Hz), de la red de suministro.

☼ Ejemplo de Velocidad a 50Hz con diferentes pares de polos.

• Con un solo par de polos (2p = 1) la velocidad n= 3000 rpm

• Con un solo par de polos (2p = 1) la velocidad n= 3000 rpm

• Con un solo par de polos (2p = 1) la velocidad n= 3000 rpm

☼ El variador puede proporcionar frecuencias de salida superiores a la de trabajo del motor, lo que le hace girar a mayor velocidad que la nominal. La curva de par, para velocidad de trabajo mayor de la nominal, disminuye, de manera que con velocidad doble (200%) el par cae a la mitad del nominal.

Par transmitido por el eje (Par motriz - Mm):

La fuerza de tracción del motor a través del eje, depende principalmente de las expresiones siguientes:

Por otro lado, el flujo magnético en los polos del motor (Ф), depende de la tensión:

Es decir, el par depende directamente del flujo magnético, por lo que para obtener el control del par, hay que operar sobre este parámetro; por ello, si tenemos en cuenta las relaciones de par y velocidad:

El factor U/f tiene especial importancia en la forma de configurar un variador, ya que de ahí dependerá el par motriz desarrollado por el motor, sin importar la velocidad de giro.

Característica Par-Velocidad:

La característica mecánica se puede estudiar mediante una gráfica donde el eje de ordenadas indica la magnitud del par motor y del par resistente y el de abscisas la velocidad del rotor.

En esta gráfica se aprecia cómo la velocidad, a la cual el motor se estabilizará, será la intersección de la curva de funcionamiento del motor y la curva de par resistente de la carga, con lo que la velocidad del motor depende de la carga (aproximadamente entre el 1 y 5% por debajo de la velocidad de sincronismo), momento en el que la máquina desarrolla su par nominal.

La figura siguiente muestra la curva de funcionamiento básica de un motor de inducción con convertidor de frecuencia, donde aparece una zona de funcionamiento por encima de la velocidad nominal de la máquina.

En esta gráfica se pone de manifiesto cómo, mediante un convertidor de frecuencia, podemos controlar la velocidad del motor desarrollando éste su par máximo o de bloqueo, siempre que no se supere la velocidad nominal de la máquina, es decir, siempre que la frecuencia de la tensión de alimentación no supere la frecuencia nominal del motor, Argentina 50 Hz.

Por encima de la frecuencia nominal se produce una reducción del flujo en el motor (el flujo es proporcional a la relación U/f), por lo que el par proporcionado por el motor se reduce, aunque la potencia permanece constante.

Características de protección más importantes de un convertidor (VDF).

Estas protecciones se pueden resumir en:

• Protección contra cortocircuitos (fase-fase y fase-tierra): Esta protección es garantizada por medio de dispositivos hardware, reaccionando en pocos segundos ante un cortocircuito.

• Limitación de intensidad: Esta protección es controlada mediante ajustes hardware.

• Protección térmica del motor PTC (termistor): Algunos modelos poseen una conexión para PTC de tal forma que el accionamiento se parará si el motor se sobrecalienta.

• Sobre temperatura en el convertidor: Un sensor interno controla la temperatura para asegurar que el inversor no se sobrecalienta.

• Sub/Sobretensión en el convertidor: El inversor puede ser protegido contra sobretensión lo que podría producirse durante el freno regenerativo.

Parametrización de un convertidor. (Depende del Variador - Hay que contar con el manual)

• Un convertidor de frecuencia realizará su función como accionador para un motor asíncrono trifásico en función del conjunto de datos y valores que tenga almacenado en su memoria, lo que se denomina parametrización del convertidor.

A la hora de configurar el convertidor para una aplicación concreta, mediante un juego de parámetros, previamente debe introducirse los datos del motor concretos a accionar. 

Estos son:

• Tipo de motor, por defecto asíncrono trifásico.

• Tensión nominal.

• Corriente nominal.

• Potencia nominal.

• Factor de potencia.

• Rendimiento nominal.

• Frecuencia nominal.

• Velocidad nominal.

• Tipo de refrigeración.

Todos estos datos serán extraídos de la placa de características del motor en cuestión.

Una vez que se ha informado al convertidor del motor que debe gobernar, se introducen los valores de operación requeridos por el accionador para poder realizar el control de dicha máquina. Estos son, entre otros:

• Corriente máxima de salida permitida, factor de sobrecarga.

• Selección de fuente de órdenes, es decir, si las órdenes serán recibidas a través de las entradas digitales de que disponga o a través de otra fuente, como puede ser un teclado incorporado o un puerto de conexión a red.

• Selección de la consigna de frecuencia, es decir, donde encontrará el valor de la frecuencia a suministrar al motor. Como posibilidades, podemos indicar una frecuencia fija, el valor de una entrada analógica o incluso sin consigna.

• Frecuencia máxima y mínima: Ajustan la frecuencia máxima y mínima del motor [Hz] a la cual el motor podrá funcionar, independientemente de la consigna de frecuencia.

• Rampas de aceleración y deceleración: Estos valores establecen los tiempos de reacción del motor a la hora de acelerar y decelerar.

• Modo de control: Regula la relación entre la velocidad del motor y la tensión suministrada por el convertidor, pudiendo elegir, por ejemplo, un modo lineal de ajuste de la relación U/f, un control de flujo FCC o incluso un control vectorial si el convertidor lo permite.

• Operación de las entradas y salidas digitales: Estas se pueden parametrizar para realizar diversas funciones, como señal de ON/OFF, inversión de giro, deceleración etc.