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Análisis del funcionamiento de un variador Siemens MM440

  • Publicado: 03 Mayo 2018
  • Siemens
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Los motores de inducción con rotor en jaula de ardilla son las principales herramientas de la industria, debido a su bajo costo y su construcción resistente. Cuando se opera directamente desde los voltajes de línea (entrada de 50 Hz desde la línea de electricidad con un voltaje en esencia constante), un motor de inducción trabaja casi con una velocidad constante. Sin embargo, por medio de convertidores de electrónica de potencia es posible variar la velocidad de un motor de inducción.

Analizamos cómo funciona un variador de velocidad MicroMaster 440 de Siemens

En la siguiente figura se puede observar el esquema interno del procesador de potencia del variador. Está formado por un primer convertidor de CA a CC, que se acopla mediante un condensador volumétrico a un segundo convertidor de CC a CA.

El primer convertidor es un puente completo de diodos, únicamente capaz de trabajar en el primer cuadrante, por tanto, sólo puede entregar potencia hacia el condensador volumétrico, que trabaja como elemento intermedio de almacenamiento de energía. Los diodos son semiconductores no controlados y en consecuencia la potencia entregada es la máxima que permite la red de conexión, de acuerdo con los requerimientos de la carga.

El segundo convertidor es un inversor trifásico de puente completo, con capacidad de trabajo en los 4 cuadrantes, ya que está compuesto por IGBT con diodos en antiparalelo. Realiza una modulación PWM-VSI de acuerdo con la siguiente figura.

La CPU genera, mediante temporizadores, una señal triangular de frecuencia constante, que es comparada con una señal senoidal, también generada por la CPU, de frecuencia y tensión variable. Estas señales son internas a la CPU, ya que está microprogramadas, a la salida de la CPU se obtienen los pulsos de la modulación, que son preamplificados para llevarlos al terminal Gate de cada IGBT.

Esta regulación tensión (V) / frecuencia (f) se puede particularizar para cada modo de trabajo del variador, como regulación V/f lineal para cargar como cintas de transporte, V/f lineal cuadrática para cargas donde el par resistivo aumenta de forma cuadrática a la velocidad, como en los fluidos, etc.

A continuación, vamos a analizar las diferentes regiones de trabajo del variador.

Región de par de torsión constante.

Esta región comienza a motor parado. En el momento de arranque es necesaria una tensión mínima (Vs) que nos asegure el par de arranque. Para aumentar la velocidad del motor de inducción debemos incrementar la frecuencia de la señal, para que el campo magnético generado en el entrehierro incremente la velocidad de giro. Este incremento en la frecuencia obliga a que la tensión tenga que ser incrementada para no perder par.

Para entender esto con mayor claridad vamos a suponer el motor de inducción como una máquina ideal, donde toda la potencia eléctrica se convierte en potencia mecánica, despreciando las pérdidas eléctricas y mecánicas. Aunque esto no es real nos va a servir para ver la relación entre variables. Además, la potencia instantánea de entrada podría no coincidir con la potencia instantánea de salida, debido al efecto del condensador volumétrico; esto también lo vamos a obviar.

Pe = Pm

3 VI = Tw = T 2 pi f

A bajas frecuencias la corriente de rotor y la corriente de magnetización prácticamente se mantienen constantes, por tanto un incremento en la frecuencia va a producir un decremento de par si no se produce un incremento de la tensión.

En una regulación V/f lineal observaríamos una pendiente constante en la tensión (Vs), como en la figura. En cargas cuya resistencia sea cuadrática a la velocidad se debería incrementar la tensión también de forma cuadrática.

 

Región de potencia constante.

Alcanzado el valor nominal de tensión no vamos a producir más incrementos en Vs, por lo que nuevos incrementos en la frecuencia van a producir una pérdida de par, que lógicamente es inverso de f como se puede observar en la ecuación de potencias.

En esta región disminuye la corriente de magnetización debido a que las frecuencias son suficientemente altas como para que se aprecie el incremento de la componente inductiva del bobinado (Ljw). Se denomina de potencia constante debido a que la potencia prácticamente se mantiene constante; la corriente de magnetización es muy inferior a la corriente rotórica.

Región de altas velocidades.

A frecuencias típicas de 1,8 la nominal (depende de la construcción del motor), el efecto de la componente inductiva del bobinado es más representativo frente a la resistencia óhmica, lo que produce que la corriente rotórica también disminuya de acuerdo con la frecuencia. Esto produce decrementos en el par cuadráticos con la frecuencia.

AUTOR: Jorge García Terraza, profesor de Automatización en SEAS, Estudios Superiores Abiertos.