Corriente, potencia y par en variadores de velocidad

Los usuarios no siempre entienden bien el comportamiento de la corriente y la potencia en un sistema de variador de velocidad, especialmente la cuestión de cómo cambian las corrientes de entrada y salida del variador a medida que cambian la velocidad del eje del motor y la carga. En este blog analizamos el comportamiento básico de los variadores de velocidad para aclarar cómo se relacionan estos valores. Esto ayuda a comprender el comportamiento del sistema y a tener en cuenta los efectos de las variaciones de servicio en el consumo de energía y en la potencia nominal de los componentes principales. Examinamos brevemente los variadores de CC (rectificador controlado) y los variadores de inversor de CA, ya que existen algunas diferencias interesantes.

Corriente del motor

El par producido por un motor eléctrico siempre se puede considerar como el producto del flujo magnético que actúa sobre los conductores que transportan corriente. Para un nivel de flujo de motor dado, el par es una función directa de la corriente que vincula el flujo.

Ignorando los efectos de segundo orden, podemos resumir esto para motores de CC y CA:

• En una máquina de CC, el flujo lo establece la corriente del devanado de excitación (campo), y el par es el producto del flujo y la corriente del inducido.
• En un motor de CA sin imán permanente, la amplitud del flujo se establece por la relación entre el voltaje aplicado y la frecuencia. El par es el producto del flujo y la corriente que produce el par, es decir, el componente de corriente que está en fase con el voltaje.

En los motores de CC y los motores de inducción de CA, la corriente de magnetización suele ser constante independientemente del par, a menos que se aplique un control especial de ahorro de energía a un par reducido. Para un motor de inducción pequeño, la corriente de magnetización puede ser una proporción considerable (por ejemplo, el 70 %) de la corriente nominal. Es una ventaja de un motor de imanes permanentes que no se requiere corriente de magnetización, por lo que se evitan las pérdidas asociadas con esta corriente.

La figura 1 muestra una variación típica de la corriente del motor (normalizada) con el par, para un motor de inducción con una tensión de alimentación fija. La variación con la velocidad es insignificante.

Potencia de motores

La potencia en el eje viene dada por el producto del par y la velocidad.

Si ignoramos las pérdidas, la entrada de energía eléctrica está dada, para una máquina de CC por el producto del voltaje y la corriente de CC, y para una máquina de CA por el producto del valor eficaz. tensión y la componente de corriente en fase con la tensión, ya que la corriente suele atrasarse con respecto a la tensión en fase.

En una primera aproximación, la corriente depende del par y la tensión de la velocidad. La potencia de entrada es similar a la potencia de salida excepto por las pérdidas, que a la potencia nominal suelen estar en el rango del 5 % al 20 % de la potencia nominal.

Corrientes de accionamiento y potencia

Dado que los convertidores utilizan dispositivos de conmutación con una pérdida de potencia mínima, alrededor del 2 %, la potencia de entrada tiene que estar muy cerca de la potencia de salida. El comportamiento de la corriente de entrada del variador es un poco menos obvio.

La figura 2 muestra los elementos esenciales de un rectificador de armadura de accionamiento de CC.

Los tiristores permiten regular la tensión de salida para controlar el par y la velocidad del motor. Tenga en cuenta que hay continuidad entre las fases de entrada y la salida, sin rutas de corriente alternativas como condensadores o conexiones compartidas. Excepto durante el breve intervalo de superposición, solo conducen dos tiristores en cualquier momento, por lo que la corriente de carga siempre debe fluir en las fases de entrada a menos que se instale un diodo de rueda libre.

Accionamiento de CC:salida

La corriente en la salida de un variador de CC es la corriente del inducido del motor, que es proporcional al par. Hay un pequeño convertidor adicional para alimentar el campo.

Controlador de CC:entrada

Si ahora observamos cómo la corriente de entrada se ve afectada por la operación del motor, vemos que la magnitud de la corriente de entrada es directamente proporcional al par en una relación muy simple. Si la ondulación actual se puede ignorar, entonces . Esto es independientemente de la velocidad o el voltaje de salida[1].

Entonces, ¿cómo puede variar la potencia de entrada para igualar la salida, si la corriente y el voltaje de entrada son independientes de la velocidad? La respuesta es que el factor de potencia de entrada cambia, ya que cuando el rectificador se desfasa (ángulo de disparo superior a 0°), la corriente de entrada retrasa la tensión de alimentación en fase. En el extremo, si el motor está parado pero entregando par nominal, por lo que la potencia del eje es cero, la corriente de entrada todavía está en su valor nominal, pero con un desfase que sería de 90° si no fuera por las pérdidas. Esto puede ser un inconveniente bastante serio de los variadores de CC, y es la razón por la cual los variadores de CC grandes a menudo se usan con condensadores de corrección del factor de potencia.

Unidad de CA:salida

La corriente de salida del convertidor de frecuencia es la corriente del motor, que como hemos visto consta de una componente productora de par y una componente magnetizadora, siendo esta última suministrada por el convertidor independientemente del par requerido. La corriente en la etapa del inversor, que representa una gran parte del costo del material del variador, es por lo tanto una función del par de salida junto con un componente fijo. Apenas se ve afectado por la velocidad.

Variador de CA:entrada

La figura 3 muestra los elementos esenciales de un convertidor de frecuencia de CA.

Las patas trifásicas del inversor están conectadas al mismo circuito de bus de CC, que es alimentado por el rectificador. La presencia de esta conexión común significa que cuando la tensión de salida del inversor es inferior a su valor máximo, es decir, a una velocidad inferior a la velocidad base, la corriente de salida circula parcialmente entre las patas de fase del inversor. Lo mismo se aplica a la parte reactiva de la corriente de salida. El bus de CC solo tiene que suministrar la potencia real requerida por el motor, es decir, el producto de la tensión de salida y la parte real (activa) de la corriente. La tensión de CC está fijada por la tensión de alimentación, por lo que la corriente de CC varía en proporción a la potencia o a la velocidad si el par es constante.

La corriente de entrada del rectificador refleja la corriente del bus de CC. La potencia de entrada es prácticamente la misma que la del bus de CC, ya que la pérdida del rectificador es despreciable. El r.m.s. El valor de la corriente es bastante más alto de lo que se esperaría para la potencia, porque la forma de onda no es sinusoidal, es decir, la corriente contiene armónicos. A medida que aumenta la corriente, los armónicos se vuelven proporcionalmente menores debido al efecto de suavizado de los estranguladores de suavizado o reducción de armónicos. A la potencia de carga nominal, el r.m.s. la corriente de entrada suele estar bastante cerca del r.m.s. corriente de salida, y esto puede llevar a los usuarios a suponer que son iguales. Sin embargo, esto es realmente solo una coincidencia, ya que los motores típicos tienen un factor de potencia de aproximadamente 0,85 y los variadores típicos tienen un factor de distorsión de aproximadamente 0,85. A velocidad reducida, las dos corrientes se vuelven completamente diferentes.

Para resumir, la Figura 4 muestra cómo varían las corrientes de entrada y salida de un variador de CA típico a medida que varían la velocidad y el par. Todas las cantidades están normalizadas para que el valor nominal o base sea 1,0.

Solo hay una línea para la corriente de salida ya que apenas varía con la velocidad. La corriente de entrada aumenta en función del producto del par y la velocidad, pero con pendiente decreciente a medida que el efecto de los estranguladores se vuelve más pronunciado a medida que se acerca a la corriente nominal, mejorando el factor de potencia al reducir los armónicos de corriente. Hay una pequeña pérdida fija y alguna pérdida que varía con el par, como se ve en la línea de velocidad cero, causada principalmente por la pérdida resistiva en los devanados del motor.

Dirección de par y velocidad – regeneración

Para simplificar, la discusión anterior se ha aplicado a situaciones de un solo cuadrante. Si el par y/o la velocidad pueden invertirse, se deben tener en cuenta algunos factores adicionales.

Para variadores de CC, una aplicación de cuatro cuadrantes requiere dos puentes de tiristores para permitir la corriente de CC bidireccional. El comportamiento de la corriente de entrada a medida que se invierte la dirección de rotación es una continuación del caso de un solo cuadrante, el factor de potencia pasa por cero a velocidad cero y luego vuelve a subir hacia el máximo de aproximadamente 0,82 pero con la fase de la parte real invertida dando flujo de energía.

Para los convertidores de frecuencia de CA, el rectificador no controlado no puede devolver la energía a la red eléctrica. El inversor es naturalmente regenerativo, por lo que con una carga de reacondicionamiento, el bus de CC recibe la energía de retorno y se requiere un circuito de frenado resistivo para evitar un disparo por sobrevoltaje. La corriente de entrada es entonces cero.

Podemos resumir todo lo anterior en un gráfico como se muestra en la Figura 5. Esto se aplica a una carga de par constante (bastante teórica), es decir, una en la que el par es constante en todo el rango de velocidad de -100 % a +100 %. En la práctica, esto ocurre con un ascensor o polipasto que transporta una carga fija, y donde la aceleración es lo suficientemente baja como para que ignoremos la fuerza requerida para acelerar la carga. En otras palabras, variamos la velocidad lentamente.

En la Figura 5, comenzamos a máxima velocidad. Tanto para los variadores de CC como para los de CA, la corriente de entrada es de aproximadamente el 100 %. Ahora comenzamos a reducir la velocidad. Para el controlador de CC, la magnitud de la corriente de entrada permanece sin cambios, y solo podemos decir que la velocidad está cayendo si observamos su componente activo (en fase con el voltaje). Para el accionamiento de CA, la corriente de entrada cae, no del todo proporcionalmente a la velocidad.

A una velocidad de cero, la corriente de entrada del variador de CC todavía está ligeramente por encima del 100%. Su ángulo de fase es cercano a los -90°, siendo la única parte activa de la corriente la provocada por las pérdidas de potencia, ya que la potencia en el eje es nula. La corriente de entrada del variador de CA es muy baja y entrega solo las pérdidas de energía. El factor de potencia es bastante pobre porque los estranguladores de suavizado tienen poco efecto con una corriente tan baja, pero esto no tiene importancia práctica ya que la corriente es mucho más baja que el valor nominal.

A velocidades negativas, la corriente de entrada del variador de CC todavía está en su valor nominal, pero la parte real se ha vuelto negativa, por lo que el variador está devolviendo energía regenerada a la red eléctrica, con un factor de potencia bastante bajo. El variador de frecuencia de CA tiene una corriente de cero porque el rectificador de entrada se ha bloqueado y la pérdida de energía del variador está siendo suministrada por la energía regenerada de la carga. Cualquier energía de repuesto debe disiparse en la resistencia de frenado.