¿Qué es el accionamiento de CA? Funcionamiento y tipos de VFD y accionamientos eléctricos

¿Qué son los accionamientos eléctricos de CA? Clasificación de los accionamientos de CA y VFD

Accionamientos eléctricos son parte integrante de los procesos industriales y de automatización, significativamente el lugar exacto de la gestión del ritmo del motor es el requisito principal. Además, todos los trenes eléctricos o programas de locomotoras de moda han sido impulsados por motores eléctricos. La robótica es otro espacio principal, en el que los accionamientos de ritmo ajustables proporcionan una gestión exacta del ritmo y del lugar.

Incluso en nuestra vida cotidiana, descubriremos muchas funciones que los accionamientos de velocidad variable (o accionamientos de velocidad regulable) han estado utilizando para cumplir una serie de funciones, como la gestión de máquinas de afeitar eléctricas, la gestión de periféricos de ordenadores portátiles, el funcionamiento informatizado de lavadoras, etc.

¿Qué es un accionamiento eléctrico?

Un accionamiento opera y controla el ritmo, el par y el recorrido de los objetos a transferir. Los accionamientos suelen utilizarse para funciones de gestión del ritmo o del movimiento correspondientes a los instrumentos de las máquinas, el transporte, los robots, los rastreadores, etc Los accionamientos utilizados para controlar los motores eléctricos suelen denominarse accionamientos eléctricos.

Los accionamientos pueden ser de tipo fijo o variable. Los accionamientos de velocidad fija son ineficaces para las operaciones de velocidad variable; en tales circunstancias se utilizan accionamientos de velocidad variable para hacer funcionar las masas a cualquiera de las distintas velocidades.Qué es un accionamiento eléctrico Por qué es necesario - Accionamiento eléctrico para el control de motores

¿Por qué se demandan los accionamientos eléctricos?

Los accionamientos ajustables de ritmo son obligatorios para la gestión precisa y constante del ritmo, el lugar o el par de varios cientos. Además de esta prestación principal, hay muchas causas para utilizar los accionamientos de velocidad regulable. Algunos de ellos encarnan

  • Para conseguir una eficiencia excesiva: Los accionamientos eléctricos permiten utilizar una gran selección de potencia, desde milivatios hasta megavatios para numerosas velocidades, por lo que se reduce el valor total del trabajo con el sistema
  • Para aumentar el índice de precisión de las operaciones de parada del motor o de marcha atrás
  • Para ajustar el presente inicial
  • Para proporcionar seguridad
  • Determinar la dirección superior con la variación de parámetros como la temperatura, la tensión, el grado, etc.

El desarrollo de las unidades eléctricas digitales, los microprocesadores y la electrónica digital ha llevado a la aparición de unidades eléctricas recientes que son más compactas, respetuosas con el medio ambiente, más baratas y más eficientes que un sistema de unidades eléctricas estándar pesado, rígido y costoso que emplea un sistema de varias máquinas para producir el ritmo variable.

Diagrama de bloques de un accionamiento eléctrico de CA

Los elementos de un sistema de accionamiento eléctrico contemporáneo se ilustran en la siguiente figura.

Diagrama de bloques del accionamiento eléctrico de CA - ¿Qué es el accionamiento eléctrico?

Dentro del diagrama de bloques de un sistema de accionamiento eléctrico, el motor eléctrico, el procesador de potencia (convertidor digital de potencia), el controlador, los sensores (por ejemplo, el controlador PID) y la carga o el equipo preciso se muestran como los elementos más importantes incluidos en la unidad.

El motor eléctrico es el elemento central de {una unidad eléctrica} que convierte la energía eléctrica (dirigida por el procesador de potencia) en energía mecánica (impulsando la carga). El motor puede ser de corriente continua o de corriente alterna, según el tipo de carga.

El procesador de potencia puede conocerse como el modulador de potencia, que es principalmente un convertidor de influencia digital y se encarga de controlar el movimiento de la instalación al motor para conseguir una velocidad variable, la marcha atrás y el funcionamiento del motor con freno. Los convertidores digitales incorporan convertidores AC-AC, AC-DC, DC-AC y DC-DC.

El controlador indica al procesador de la instalación cuánta energía tiene que generar, ofreciéndole la señal de referencia tras contemplar las entradas de los comandos y los sensores. El controlador puede ser un microcontrolador, un microprocesador o un procesador DSP.

Un accionamiento de velocidad variable utilizado para gestionar motores de corriente continua se suele conocer como Accionamientos de CC y los accionamientos de velocidad variable utilizados para gestionar los motores de CA se conocen como Accionamientos de CA. En este artículo nos centraremos en los accionamientos de CA.

Clasificación de los accionamientos de CA

Para el accionamiento del motor de corriente alterna se utilizan motores de inducción de tres secciones, ya que éstos prevalecen sobre otros motores en muchas industrias. En frases industriales, El accionamiento de CA puede conocerse como accionamiento de frecuencia variable (VFD), accionamiento de ritmo variable (VSD) o accionamiento de ritmo ajustable (ASD).

Aunque hay varios tipos de VFD (o unidades de CA), todos funcionan según el mismo precepto de que al cambiar la tensión y la frecuencia de entrada se fijan en una tensión y una frecuencia de salida variables. La frecuencia del accionamiento determina la velocidad a la que debe funcionar el motor, mientras que la mezcla de tensión y frecuencia decide la cantidad de par que debe generar el motor.

Un variador de frecuencia está compuesto por convertidores digitales de potencia, un filtro, una unidad central de gestión (un microprocesador o microcontrolador) y diferentes unidades de detección A continuación se muestra el diagrama de bloques de un VFD típico.

Diagrama de bloques del accionamiento de CA (VFD típico)

Diagrama de bloques del típico VFD (accionamiento de CA) - Diagrama de bloques del accionamiento de CA

Desarrollo y elementos de un accionamiento de CA VFD típico

Las distintas secciones del variador de frecuencia (VFD) incorporan

Rectificador y filtro convierte la corriente alterna en corriente continua con ondulaciones insignificantes. En gran medida, la parte del rectificador está hecha con diodos que producen una salida de corriente continua incontrolable. A continuación, la parte de filtrado elimina las ondulaciones y produce la corriente continua fija a partir de la corriente continua pulsada. Depende del tipo de alimentación que se determine la variedad de diodos dentro del rectificador. Por ejemplo, si está en tres secciones, se necesita un mínimo de 6 diodos, por lo que se conoce como convertidor de seis pulsos.

O inversor toma la corriente continua de la parte rectificadora, tras lo cual la convierte de nuevo en corriente alterna de tensión y frecuencia variables bajo la gestión del microprocesador o microcontrolador. Esta pieza está hecha con una secuencia de transistores, IGBTs, SCRs o MOSFETs y éstos se conectan/desconectan mediante los indicadores del controlador. De la conexión de estos elementos digitales de potencia depende la salida y finalmente el ritmo del motor.

O controlador se realiza con microprocesador o microcontrolador y toma la entrada del sensor (como referencia de ritmo) y la referencia de ritmo de la persona y, en consecuencia, activa los elementos digitales de la instalación para poder diferenciar la frecuencia de la prestación. Además, realiza recorridos de sobretensión y subtensión, corrección de problemas de alimentación, gestión de la temperatura y conectividad con el PC para la supervisión en tiempo real.

Precepto de frecuencia Funcionamiento de la unidad de frecuencia variable (VFD)

Todos sabemos que la la velocidad de un motor de inducción es proporcional a la frecuencia del suministro (N = 120f/p) y para varias frecuencias recibiremos el par variable. Sin embargo, cuando la frecuencia disminuye, el par aumenta y el motor atrae un fuerte presente. Esto, al invertirse, aumentará el flujo dentro del motor. Además, el área magnética puede alcanzar el grado de saturación si no se disminuye la tensión de alimentación.

Posteriormente, cada tensión y frecuencia deben modificarse en una relación implacable para poder conservar el flujo dentro del trabajo. Como el par es proporcional al flujo magnético, el par se mantiene fijo durante todo el trabajo, variando de v/f a v/f.Principio de funcionamiento del accionamiento de frecuencia variable (VFD)Lo anterior da a conocer la variación del par y del ritmo de un motor de inducción para la gestión de la tensión y la frecuencia. Dentro de la determinación, la tensión y la frecuencia se modifican en una relación implacable tanto como el ritmo inferior. Así, el flujo y, en consecuencia, el par, permanecen prácticamente fijos tanto como el ritmo inferior. Esta zona se conoce como zona de torsión implacable.

Porque la tensión suministrada puede modificarse tanto como el valor nominal y, por tanto, la tasa a la tensión nominal es la tasa más baja. Si la frecuencia se eleva por encima de la tasa inferior, el flujo magnético dentro del motor disminuye y, por tanto, el par motor empieza a descender. Esto se conoce como debilitamiento del flujo o área de potencia fija.

Este tipo de gestión se conoce como técnica de gestión v/f fija, utilizada en los variadores de frecuencia (VFD), y es el tipo de gestión más apreciado en las industrias. Supongamos que el motor de inducción está relacionado con una frecuencia de 460 V, 60 Hz, entonces la relación puede ser de 7,67 V/Hz (ya que 460/60 = 7,67). Mientras esta relación se mantenga en proporción, el motor desarrollará un par nominal y una velocidad variable.

Esquemas de gestión del VFD

Existen métodos de gestión del ritmo totalmente diferentes aplicados a las unidades de frecuencia variable (VFD). La clasificación clave de los métodos de gestión utilizados en los VFD de moda se indica a continuación.

  • Gestión escalar
  • Gestión de vectores
  • Gestión directa del par motor

Gestión escalar

En este caso, las magnitudes de tensión y frecuencia se gestionan manteniendo la relación v/f fija, por lo que se conoce como gestión escalar (los valores escalares determinan el ritmo y el par). El motor se alimenta con indicadores de tensión y frecuencia variables generados por la gestión PWM de un inversor.

El inversor puede gestionarse con un microcontrolador, un microprocesador u otro controlador digital según el tipo de productor. Este esquema de gestión es muy utilizado, por lo que requiere un poco de datos del motor para realizar la gestión del ritmo. La gestión escalar puede aplicarse en muchos métodos, y entre los esquemas más extendidos, encarna

PWM sinusoidal

En esta técnica, la frecuencia del intercambio es diversa en función de la entrada de la referencia sped y el valor típico o RMS de la tensión para esa frecuencia se define por la variedad y la anchura del pulso. Si la anchura del latido es diversa, la tensión a través del motor puede ser diversa. Esta tensión crea la sinusoide que presenta el motor, que está mucho más cerca de la verdadera onda sinusoidal.

Para lograr esta técnica sólo se necesitan pequeños cálculos. Sin embargo, esta técnica tiene el inconveniente de que contiene armónicos en la tasa de conmutación PWM y, además, la magnitud de la tensión elemental es inferior al 90%.Técnica PWM sinusoidal del accionamiento de CAEn esta técnica, los valores ponderados sinusoidales se almacenan en el microcontrolador o microprocesador y se emiten en el puerto de salida a intervalos delimitados personalmente, que se utilizan para que el inversor pueda producir una variable suministrada al motor.

PWM de seis pasos

En esta técnica, el inversor del VFD tiene seis estados de conmutación distintos y se conmutan en un orden seleccionado para proporcionar la tensión y la frecuencia variables al motor. La inversión de la ruta del motor se realiza rápidamente cambiando la secuencia de la sección de salida del inversor mediante el uso del ángulo de disparo.

Esta técnica puede aplicarse de forma sencilla, ya que no se requieren cálculos intermedios y, además, la magnitud de la tensión elemental es mayor que la del bus de CC. Sin embargo, los armónicos de bajo orden son excesivos en esta técnica, que no pueden ser filtrados por la inductancia del motor y, por tanto, dan lugar a pérdidas adicionales, al funcionamiento del motor en modo jitter y a una excesiva ondulación del par.

Modulación Vectorial PWM (SVPWM)

En este método, tres secciones de vectores de tensión de un motor de inducción se transforman directamente en un único vector de rotación. El inversor del VFD puede ser empujado a ocho estados distintos. La tensión PWM a la carga se completa decidiendo correctamente los estados de conmutación del inversor y calculando el intervalo de tiempo aceptable para cada estado.

Utilizando la transformación vectorial de la casa, se generan tres secciones de onda sinusoidal para cada estado, que luego se utilizan para el motor.

La principal ventaja de este sistema es que la magnitud de los armónicos es mucho menor a la frecuencia de conmutación PWM. Sin embargo, es necesario realizar cálculos adicionales para utilizar este sistema.

Gestión de vectores

Esta técnica puede conocerse como gestión orientada al flujo, gestión orientada al área o gestión de par oblicuo. En esta sección, se transforman tres vectores presentes en un cuerpo de referencia giratorio bidimensional (d-q) a partir de un cuerpo de referencia tridimensional mediante la transformación de Clarke-Park. El elemento «d» es el elemento productor de flujo del estator presente y el elemento «q» es el elemento productor de par.

Control vectorial para accionamientos VFD

Los 2 elementos son gestionados de forma independiente por un controlador PI separado, tras lo cual las salidas del controlador PI se vuelven a trabajar para algún avión de referencia estacionario utilizando la inversa de la transformada de Clarke-Park.

Utilizando el método de modulación vectorial de la casa, la conmutación correspondiente se modula en anchura de pulso. Los distintos tipos de métodos de gestión vectorial incorporan la gestión orientada al flujo del estator, la gestión orientada al flujo del rotor y la gestión orientada al flujo magnetizante.

La gestión vectorial ofrece una mayor respuesta al par y una gestión correcta del ritmo en comparación con la gestión escalar. Sin embargo, requiere un algoritmo complicado para el cálculo del ritmo y es más caro en comparación con la gestión escalar resultante de las unidades de sugerencia.

Gestión directa del par motor

Esta técnica no tiene una muestra de conmutación fija, a diferencia de la gestión de vectores convencional. Conmuta el inversor según la necesidad de carga. Este sistema consigue una respuesta excesiva durante los ajustes de carga debido a la ausencia de una muestra de conmutación fija. Elimina el uso de cualquier sugerencia, aunque garantiza la precisión de la tasa hasta el 0,5%. Este sistema utiliza el maniquí motor adaptativo que se basa en las expresiones matemáticas del concepto motor primario.

Control DTC del VFD - Control de par directo Control de velocidad del motor mediante accionamientos eléctricos de CA

Este maniquí requiere los parámetros fundamentales del motor correspondientes a la resistencia del estator, el coeficiente de saturación, la inductancia mutua, etc., y el algoritmo capta este conocimiento con la rotación del motor. Este maniquí calcula el par y el flujo precisos del motor, contemplando entradas como la tensión del bus de CC, la ubicación del interruptor presente y las corrientes de línea. Luego, estos valores se dan a los comparadores de par y flujo de 2 grados.

La salida de los comparadores son los indicadores de referencia de par y flujo y se entregan a la tabla de elección de intercambio, en la que el lugar de intercambio elegido se utiliza para el inversor sin modulación. Por tanto, la gestión directa del par se identifica porque el par y el flujo del motor se convierten en variables gestionadas directamente.

Accionamientos de CA en tiempo real en Look

Una serie de opciones superiores de los accionamientos de CA o (VFD) los convierten en una selección económica en las funciones de ritmo variable. Opciones como los diseños de los paquetes, las E/S analógicas, las E/S digitales, los teclados multifunción y los conocimientos de los IGBT hacen que los VFD sean sencillos de organizar en cualquier software.

Hoy en día, la mayoría de los diseños de unidades de CA son más compactos debido al uso de microprocesadores, IGBTs y también al uso de conocimientos técnicos de montaje en el suelo (por ejemplo, Resistencias SMD) para los elementos de montaje. Estos modelos pueden ser unidades montadas en la pared o independientes. Hay numerosas unidades de fabricantes totalmente diferentes, como ABB, AB, Siemens, Delta, etc. Numerosos paquetes de unidades de CA de ABB están probados bajo.Varios paquetes de accionamientos de CA ABB (VFD)

Principalmente, la configuración de un variador de velocidad para un software contiene tres pasos principales, en concreto el cableado de gestión, el cableado de alimentación y la programación del programa de software. Una vez completado el cableado de la instalación y la gestión, ahora hay que configurar los parámetros del accionamiento de CA aceptables para las necesidades de la aplicación mediante la programación del programa de software, el teclado desmontable o el panel de mando a distancia.

No es necesario hacer una nueva conexión con la unidad si se cambia la aplicación. La configuración de las nuevas y flamantes funciones se realiza simplemente cambiando las capacidades de accionamiento de este sistema.

Los variadores de velocidad disponen de entradas analógicas (como la referencia de ritmo), salidas analógicas (para mediciones auxiliares), entradas digitales (como arranque, parada, retroceso, etc.) y salidas de relé (relés de ritmo, relés de fallo, etc.) dentro de la parte de cableado de gestión. Esta parte se supervisa mediante un programa de software específico, conocido como E/S permanente, que muestra las entradas y salidas del accionamiento.Programación de convertidores de CA ABB

En los accionamientos estándar, los paneles de programación o los teclados de contacto están acoplados al propio accionamiento. Los accionamientos de moda incluyen paneles de programación desmontables que permiten programar, navegar por numerosas capacidades y configurar el accionamiento de forma aceptable para los requisitos de la aplicación.

Además de los instrumentos manuales, cada accionamiento de CA viene con un programa de software específico que facilita la puesta en marcha y el mantenimiento de los instrumentos. Este instrumento consta de asistentes de configuración para ajustar los parámetros. El instrumento del programa de software permite ver, modificar, guardar y descargar los parámetros del accionamiento. Además, permite controlar las señales gráficas y numéricas.Panel de programación de los accionamientos eléctricos de CA de ABB

En el curso del diseño, los productores aplican los parámetros del accionamiento de CA a los valores por defecto. Así que el operador debe cargar los valores de conocimiento del motor y los valores para personalizar el accionamiento para la aplicación. Junto con los valores por defecto, los productores también presentan macros que no son más que un conjunto de valores preprogramados.

La persona o el operario puede disponer y configurar todos los parámetros incluidos en las macros en sólo unos segundos, en lugar de configurar todos los parámetros individualmente, lo que puede llevar unos minutos. Estas macros incorporan la gestión de tres hilos, la gestión manual, la gestión PID y la gestión del par.

La macro de gestión proporcional-integral-derivativa (PID) permite que la unidad gestione de forma rutinaria la tasa recibiendo entradas de gestión correspondientes a la tensión, la temperatura o el grado del depósito. Con la programación correcta de los parámetros de E/S analógicos y digitales con la macro de gestión PID, se consigue el funcionamiento en bucle cerrado del accionamiento.

Los accionamientos de CA están construidos con la opción de gestión de bus de área enchufable para poder referenciar los principales programas automatizados como PLCs, PCs, PACs, programas SCADA, etc. Ayudarán a todo tipo de programas de bus de área de comunicación junto con DeviceNet, PROFIBUS DP, ControlNet, MODBUS, PROFINET, Ethernet/IP, etc.

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