Protección y Control de Variadores de Velocidad

Protección del Variador

Protección contra Cortos

Las partes del variador incluyen rectificador, condensador y etapa de ondulación. El variador se protege contra cortos aguas abajo mediante fusibles, guardamotores y elementos de cortocircuito. La línea que alimenta al variador se protege con fusibles o guardamotores.

Protección contra Sobrecargas

El variador se protege contra sobrecargas en toda la línea. Para garantizar el corte del suministro a la máquina, se necesita un dispositivo seccionador. El guardamotor cumple esta función y también protege contra cortos.

Reducción de Armónicos

Para reducir los armónicos, se coloca una bobina en la entrada del variador o en el bus de continua.

Parada de Emergencia

La parada de emergencia mediante relé de seguridad es obligatoria en máquinas peligrosas de categoría 2, 3 y 4. Con contactores, ante una pérdida de tensión, el contactor queda abierto, impidiendo la puesta en marcha automática de la máquina al regresar la tensión.

Resistencia de Precarga

Si el condensador en el bus de CC está descargado, se coloca una resistencia de precarga en serie para evitar un pico de corriente al conectar el variador. Una vez cargado el condensador, se cortocircuita la resistencia con un contacto del relé de seguridad. Si no se utiliza la resistencia, se pueden dañar los diodos del puente rectificador del variador (aprox. 3600 conexiones).

Parada del Motor

Parar el motor con el variador a través del circuito de mando del contactor reduce su vida útil. Debe realizarse con las entradas digitales del variador. La parada de emergencia se realiza accionando el relé de seguridad, que abre el contactor y corta la alimentación al variador.

Ubicación del Contactor

Colocar el contactor debajo del variador puede dañarlo por sobretemperatura. Si el variador tiene STO (Safe Torque Off), no es necesario el contactor. El variador verifica que los contactos STO estén cerrados para ponerse en marcha.

Funcionamiento del Relé de Seguridad

Al recibir la señal de puesta en marcha, el relé verifica que la puerta esté cerrada, el pulsador de emergencia no esté accionado y los contactos del contactor sean correctos. Si se va la luz, se debe poner en marcha el relé de seguridad para usar el variador. El relé se diseña con una prueba de impulsos para detectar cortos. En máquinas donde la puerta debe estar cerrada para la puesta en marcha, el final de carrera se conecta al relé, que da la señal a los contactos STO del variador.

Corrientes de Modo Común

Se originan porque la suma de las 3 tensiones en cada instante no es cero, al alimentarse con PWM y voltajes de alta frecuencia. El fenómeno capacitivo se presenta entre fases y entre fase y tierra en la línea variador-motor, y entre estator y rotor, y entre bobinas y carcasa en el motor. La resistencia de estos fenómenos es grande a 50Hz y pequeña a frecuencias mayores.

Sobretensiones

La tensión que alimenta al variador es senoidal. La corriente de entrada al variador tiene armónicos, la tensión de salida es pulsante (PWM) y la corriente de salida es senoidal. En cada tren de impulsos, se generan sobretensiones de onda reflejada debido a los efectos inductivos y capacitivos de la línea. A mayor longitud de la línea, mayores son estos efectos.

Ruido Eléctrico

Se debe a la tensión en modo común y a las sobretensiones de onda reflejada. Las corrientes de ruido eléctrico tienen frecuencias altas y deterioran el rodamiento del eje del motor.

Filtros

Filtro RFI

Consiste en tres condensadores de baja capacidad conectados en estrella a tierra, colocados delante del variador. Ofrecen baja resistencia a corrientes de alta frecuencia y evitan que circulen por la instalación.

Filtro dv/dt

Consiste en tres bobinas colocadas después del variador. Retarda el incremento de tensión, reduciendo las sobretensiones.

Filtro Senoidal

Transforma la señal PWM en senoidal, eliminando el ruido eléctrico.

Interruptor Diferencial

Un interruptor diferencial AC se bloquea con fugas de alta frecuencia. Un variador con filtro RFI produce pocas fugas a 50Hz. Se recomienda un diferencial tipo B superinmunizado.

Cable Apantallado

Se coloca en la línea variador-motor, con los extremos conectados a tierra. Se utiliza cuando hay interferencias que afectan a sensores y captadores. Actúa impidiendo la entrada y salida de interferencias electromagnéticas. Cambiar dos fases en la alimentación del variador no afecta al motor, ya que el variador rectifica y genera tensiones PWM.

Control Escalar/Vectorial

Lazo Abierto/Cerrado

El variador trabaja en lazo abierto cuando no hay información de la variable de salida. Si la frecuencia es 50Hz (3000 rpm), en lazo abierto no se conoce la velocidad del rotor, ya que varía con la carga. En lazo cerrado, el variador recibe información de la salida (ej. encoder) y activa un controlador PID para alcanzar el valor de ajuste.

Control Escalar

Modifica la frecuencia del voltaje proporcionalmente para evitar la saturación. No modifica la tensión. El par máximo disminuye a partir de la velocidad nominal. Presenta poco par a bajas velocidades.

Control Vectorial

Simula el funcionamiento de un motor CC. Necesita un autotune para verificar los parámetros y medir con precisión la intensidad. También necesita conocer la velocidad y posición del rotor, que se miden con un encoder o se estiman a partir de la intensidad. No hay relación V/F. El motor reacciona instantáneamente a variaciones de carga. El par máximo a bajas velocidades es igual al nominal.

Motores CC

Los motores asíncronos sin variador no permiten regular la velocidad, ya que la fuerza sobre el rotor depende de la velocidad del campo magnético del estator, que es fija. En motores CC, la velocidad se cambia modificando el campo magnético o la intensidad en el rotor. Presentan inconvenientes de mantenimiento. Las bobinas del rotor y estator son independientes. Los variadores para motores CC usan tiristores para controlar la tensión de salida. El tacogenerador mide la velocidad y la envía al controlador de los tiristores.

Configuración del Variador

Para la puesta en marcha, se usan entradas digitales, configurables como pulsadores o interruptores. El variador se controla desde el display, entradas digitales o puerto RS485. Se configuran los tiempos de aceleración y deceleración. Un arranque con tiempo corto aumenta el consumo del motor.

Motor y Carga

Se describen las relaciones entre velocidad del rotor (n2), velocidad del deslizamiento (ns), frecuencia de la FEM del rotor (fs), FEM en el rotor (E2), intensidad del rotor (I2), fuerza sobre el rotor (F), intensidad transmitida al estator (I'2), intensidad del estator (I1), campo magnético resultante (Ir) e intensidad de arranque.