Fundamentos de Variadores

Fundamentos de
Variadores de Velocidad
Motion & Drives Training
Fundamentos de
Definición
Ventajas y aplicaciones
Principio de funcionamiento
Control Motor
Filtros e inductancias
Selección del variador
Schneider Electric Perú 2

¿Qué es un variadores de velocidad…?
El variador de velocidad es un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos, hidráulicos,

eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad de una máquina,
especialmente del motor.
Muchos motores eléctricos operan a velocidad constante o cuasi-constante, con valores

que dependen de la alimentación y de las características propias del motor, los cuales no se
pueden modificar fácilmente; no obstante; para lograr regular la velocidad de los motores se
emplea un controlador que recibe el nombre de variador de velocidad.
Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales,

como en ventiladores, equipos de aire acondicionado, equipos de bombeo, fajas
transportadoras, elevadores, tornos, fresadoras, etc…
Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 3

Tipos de variadores de velocidad
Existen diversos tipos de variadores de velocidad entre ellos los mecánicos, hidráulicos y eléctrico-
electrónicos. Dentro de cada tipo pueden encontrarse más subtipos, los variadores más antiguos
fueron los mecánicos, que se emplearon originalmente para controlar la velocidad de las ruedas
hidráulicas de molinos, así como la velocidad de las máquinas de vapor.
Los variadores eléctrico-electrónico incluyen tanto el controlador como el motor eléctrico, sin
embargo en la práctica común se emplea el término variador únicamente al controlador electrónico.
Los variadores de velocidad electrónicos se dividen principalmente en:
- Variadores de frecuencia en corriente continua.

- Variadores de frecuencia en corriente alterna.

Variadores de frecuencia en corriente alterna
Los variadores de frecuencia permiten controlar la velocidad tanto de motores de inducción
(asíncronos de jaula de ardilla o de rotor devanado), como de los motores síncronos variando la
frecuencia de alimentación del motor.
Para el caso de un motor síncrono, la velocidad síncrona es:
donde:
……...(1) Ns = velocidad síncrona (rpm)
Nm = velocidad mecánica (rpm)
f = frecuencia de alimentación (Hz)
s = deslizamiento (adimensional)
Cuando se trata de motores asíncronos, la velocidad mecánica es: P = número de polos
……….(2)
Como puede verse en las expresiones (1) y (2), la frecuencia y la velocidad son directamente
proporcionales, de tal manera que al aumentar la frecuencia de alimentación del motor, se
incrementará la velocidad del eje y al reducir el valor de la frecuencia disminuirá la velocidad del eje.
Estos variadores mantienen la razón Voltaje/ Frecuencia (V/Hz) constante entre los valores mínimo y
máximos de la frecuencia de operación, con la finalidad de evitar la saturación magnética del núcleo
del motor y también para no perder torque en el eje del motor.

Fundamentos de
Definición
Control Motor

¿Porqué los variadores de velocidad…?
El control de procesos y el ahorro de la energía son las 2 principales razones que justifican el empleo de
variadores de velocidad en la industria.
Los variadores de velocidad fueron desarrollados originalmente para el control de procesos, pero el ahorro
energético ha surgido como un objetivo tan importante como el primero.
Un equipo controlado mediante un variador de velocidad emplea generalmente menor energía que si dicho
equipo fuera activado a una velocidad fija constante. Los ventiladores y bombas representan las
aplicaciones mas conocidas. Por ejemplo, cuando una bomba es impulsada por un motor que opera a
velocidad fija, el flujo producido puede ser mayor al necesario. Para ello, el flujo podría regularse mediante
una válvula de control dejando estable la velocidad de la bomba, pero resulta mucho más eficiente regular
dicho flujo controlando la velocidad del motor, en lugar de restringirlo por medio de la válvula, ya que el
motor no tendrá que consumir una energía no aprovechada...

Ventajas del variador de velocidad
Entre las diversas ventajas en el control del proceso proporcionado por el empleo de
variadores de velocidad se encuentran:
- Control de la aceleración y desaceleración

- Distintas velocidades de operación para cada fase del proceso
- Compensación de variables en procesos variables (PID)
- Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba (JOG)
- Ajuste de la tasa de producción
- Control del Par motor (torque)

Aplicaciones de un variador de frecuencia
El variadores de frecuencia están presentes en todas las aplicaciones industriales que

requieran un control de procesos eficiente y una optimización en los recursos que
aseguren un ahorro en todos los niveles.
Manejo de materiales : Elevación : Industria maderera :

dinámica y precisión velocidad y seguridad alta velocidad y protección
Maquinas de proceso : Industria textil : Embalaje :

precisión y regulación precisión y velocidad repetitivo y rápido

Manejo de material : Elevación :
dinámica y precisión velocidad y seguridad
-Tiempo de respuesta en comandos -Control de freno adaptado a

lógicos : 2 ms ± 0.5 ms trayectorias y movimientos horizontales
-Referencia a través de entradas de pulso de izaje.
o entrada analógica diferencial. -Procesamiento de medicion de peso.
-Integración a las principales redes de -Elevación a alta velocidad.
comunicación. -Control retroalimentado del frenado.
-Posicionamiento usando finales de -Manejo de finales de carrera.
carrera con optimización de tiempos de
operación a bajas velocidades.
-Multiconfiguración intercambiando entre
diferentes ajustes de parametros.

Industria maderera : Máquinas de proceso :
alta velocidad y protección precisión y regulación
-Operación hasta 1000 Hz. -Regulación PID dedicado para procesos.

-Parada rápida controlada ante fallos de -Alta resolución de la referencia (1/32000).
alimentación. -Control de velocidad o torque.
-Control por comunicación usando el -Integración a las principales redes de
puerto CANopen embebido. comunicación.
-Limitación de sobretension en el motor. -Alimentacion de control en 24 VDC por
separado.
-Unidad de frenado regenerativo.
-Conexión comun del bus DC para
múltiples variadores.

Industria textil : Embalaje :
precisión y velocidad repetitivo y rápido
-Alta resolución de la velocidad de -Tiempo de respuesta del cambio de

referencia. referencia: 2 ms ± 0.5 ms.
-Precisión de velocidad bajo cualquier -Control por comunicación usando el
carga usando motor síncrono. puerto CANopen embebido.
-Menús personalizados. -Posicionamiento usando finales de
-Conexión común del bus DC par carrera.
múltiples variadores.

Fundamentos de
Definición
Control Motor

El variador suministra voltaje y frecuencia variable según la necesidad del motor y la carga a él
conectada, para tal efecto, toma la alimentación eléctrica de la red, la cual tiene voltaje y frecuencia fija,
la transforma en un voltaje continuo y luego lo transforma en voltaje alterno trifásico de magnitud y
frecuencia variable por medio de un inversor donde la forma de onda del voltaje de salida no es una
sinusoidal perfecta.
La relación voltaje/frecuencia es configurada por el usuario según la aplicación, siendo las más usuales:
- Una relación lineal, la cual produce un torque constante en todo el rango de velocidad.
- Una relación cuadrática, en la cual el torque disminuye a medida que baja la velocidad.
Según la consigna de frecuencia que se le otorgue al equipo, se entregará al motor un voltaje de

magnitud según la relación v/f configurada, esto hará que el motor gire a una velocidad proporcional a la
frecuencia de consigna.

Esquema simplicado de un variador de frecuencia
Convertidor de Frecuencia Motor

+
Alimentación V1 V3 V5
U, 3 ~
C
U, 1 ~
V2 V4 V6
-
Rectificador Circuito DC Inversor
Control

Rectificación no controlada
- El valor medio de un rectificador no controlado

es 1.35 veces el voltaje de entrada

Rectificación controlada
- Regulando el ángulo de disparo se puede controlar

el nivel de voltaje del bus DC.
- El valor medio del voltaje es 1.35 veces el voltaje de
entrada por el Coseno del ángulo de disparo.

Bus DC intermedio
- Consiste en un circuito de filtrado, utilizando condensadores se suaviza el rizado

del voltaje proveniente de la etapa de rectificación.

Inversor
El inversor genera la frecuencia y el voltaje entregado al motor, usando para ello
dispositivos electrónicos de conmutación y a partir de la tensión suministrada por el bus
DC reconstituye la señal en un patrón de frecuencia y voltaje variable para controlar el
motor en AC, la mayoría de variadores de frecuencia modernos emplea IGBTs (Insulated
Gate Bipolar Transistor) en su etapa de inversión logrando generar pulsos de diferentes
anchos como lo es la señal PWM variando de ese modo el voltaje efectivo.
Detalles de la modulación por ancho de

pulso de la tensión de salida de variadores
de velocidad de 50 Hz

Frecuencia de conmutación de los IGBTs
La frecuencia con la que los IGBTs forman el voltaje alterno para alimentar el motor,
determina el grado de distorsión que podrá tener esta onda con respecto a una onda
sinusoidal pura.
v
i f1
f1 > f2
f2
Esta frecuencia de troceado puede ajustarse y en algunos modelos el equipo es

capaz de bajarla automáticamente si detecta sobretemperatura en los IGBTs.

Operación del variador en los 4 cuadrantes
El variador de frecuencia tiene la posibilidad de conducir y frenar el motor en ambas
direcciones.
Según la aplicación se puede optar por frenado con recuperación (módulo regenerativo)
o frenado con disipación de energía (resistencia de frenado).

Frenado dinámico usando resistencias
de frenado
El circuito de frenado dinámico consiste de un semiconductor y una resistencia
de frenado, vía por la cual se disipa la energía del frenado

Fundamentos de
Definición
Control Motor

Etapa de control motor en variadores
En los terminales de un motor AC se tienen tres cables que transportan el vector suma de
las corrientes que producen flujo y torque.
La figura nos muestra la representación gráfica, la corriente del estator I1 es el vector

suma de las corrientes que producen flujo y torque. El ángulo entre IM e I2 cambia
constantemente bajo diversas condiciones. La corriente del estator debe entonces ser
variada con el fin de producir la corriente de torque requerida, mientras la corriente de
magnetización debe ser mantenida.

Ley de control escalar
El torque entregado en el eje de un motor eléctrico asíncrono trifásico de corriente
alterna es directamente proporcional a la tensión de alimentación e inversamente
proporcional a la
frecuencia de alimentación, mientras que su velocidad es proporcional a la frecuencia de
la de alimentación.
El variador con una ley de control escalar alimenta al motor con un voltaje “senoidal” de
acuerdo a una relación V/f predeterminada. Mayormente es usado en aplicaciones
simples de control de velocidad con o sin realimentación de velocidad.
Debido a que mantiene una relación constante de V/f, el variador puede controlar la
velocidad del motor conectado pero no es capaz de regular el torque. El variador sólo
trabaja con la corriente total del motor y no distingue que parte de la corriente se utiliza
para inducir flujo (Im) y que parte se transforma en par motor (I2).
La función “compensación de deslizamiento” altera la referencia de frecuencia; cuando la

carga varía; para mantener la velocidad actual del motor cerca de la velocidad deseada.

Ley de control vectorial
El control vectorial es un control basado en la medición del flujo magnético del motor,
obteniendo un control más eficiente y de mejor dinámica comparado con uno del tipo
escalar.
La suma vectorial de las corrientes del sistema trifásico del estator da como resultado un
vector corriente que se utilizará para :
- Generar el par motor

- Generar corriente inducida en el rotor (flujo en el rotor)
El flujo es calculado a partir de un algoritmo matemático del motor y la corriente del

estator.
En la práctica se han desarrollado varios modelos de control denominados: Control
Vectorial de Flujo, Control Vectorial de Campo, Control de Orientación de Campo, etc.
La diferencia entre los distintos modelos radica en el método de la estimación del flujo y
el método de control de corriente o flujo del motor.

Compatibilidad Electromagnética (EMC)
Compatibilidad electromagnética, es la capacidad de un equipo eléctrico-electrónico que

le permite operar sin problemas dentro de un entorno electromagnético. El equipo no
debe interferir o distorsionar la operación de cualquier otro dispositivo dentro de su
entorno.
Inmunidad o Susceptibilidad.- El equipo eléctrico debe ser inmune a interferencias de

baja y alta frecuencia. Fenómenos de alta frecuencia incluyen descarga electrostática,
transitorios, radiación electromagnética, disturbios de radio frecuencia. Típicos efectos
de baja frecuencia son armónicos de voltaje y desbalance.
Emisión.- El equipo posee un limite de emisión de interferencias de tal manera que no

ponga en riesgo el funcionamiento de otros equipos en la red. Una fuente de emisión de
alta frecuencia son los IGBTs y el sistema de control, la cual puede ser propagada por
conducción o por radiación.

Filtros RFI
El filtro RFI permite atenuar las interferencias conducidas deribándolos a tierra por
intermedio de un circuito de baja impedancia, en caso de instalar un variador en un
sistema IT (neutro aislado o neutro impedante) se recomienda desconectar el filtro
RFI.
La utilización de estos filtros únicamente es posible en redes de tipo TN (puesta a

neutro) y TT (neutro a tierra).
La norma IEC/EN 61800-3 indica que en las redes de tipo IT, los filtros pueden hacer
que el funcionamiento de los controladores de aislamiento se vuelva aleatorio.

Armónicos
Una discusión acerca de los variadores de frecuencia conduce a menudo a un
cuestionamiento acerca de los armónicos. Cuando se evalúa la implementación de un
variador de frecuencia es necesario conocer cual es la influencia de los armónicos
generados en el correcto funcionamiento del sistema.
Las tres fases de alimentación de CA normalmente funcionan a 60 Hz a esto se le

conoce como la frecuencia fundamental. Un armónico es cualquier forma de onda de
corriente y tensión cuyas frecuencias son un múltiplo entero de la frecuencia
fundamental. Por ejemplo para fuentes de alimentación de 60 Hz, los armónicos estarían
en 120 Hz, 180 Hz, 240 Hz, 300 Hz, etc…
Estos son originados por cargas no lineales que están presentes en los dispositivos de
electrónica de potencia y el grado de distorción THD (V/I) puede variar dependiendo de
la modificaciones estructurales y los filtros internos instalados en el equipo que permiten
la atenuación de estos armónicos.
Algunas Consecuencias:
- Disparo intempestivo de los interruptores y sistemas de protección diferencial
- Calentamiento excesivo de los conductores y los transformadores
- Sobrecarga en los bancos de condensadores

Armónicos
Para un rectificador
trifásico los armónicos de
intensidad presentes son
generados por la ecuación
6n ± 1, esto es la 5, 7, 11,
13, 17, 19, etc. La
magnitud de la intensidad
disminuye al aumentar la
frecuencia.
Esta intensidad armónica

añadida no transporta
potencia pero es una
intensidad sumada que
circula por los cables.

Armónicos
El principio de cómo
las componentes
armónicas son
sumadas a la
corriente fundamental
y distorsionan su
forma original es
mostrada en la figura
donde solamente la
5th es mostrada.

Armónicos
Pulsos de rectificación y su influencia en armónicos de corriente.
6 pulsos de rectificación.- consiste en un puente de 6 diodos junto con un condensador y una inductancia que forman
un filtro pasa bajos para suavizar la corriente DC, es simple y costo relativamente bajo.
12 pulsos de rectificación.- la entrada está formada por un transformador de tres bobinados o dos transformadores
de dos bobinados con un desfase de 30°, los armónicos generados están en oposición de fases y eliminados entre sí
24 pulsos de rectificación.- El rectificador de 24 pulsos está formado por dos transformadores de tres bobinados cada
uno desfasados 30°, prácticamente se eliminan todos los armónicos de bajo orden.

Fundamentos de
Definición
Control Motor

Inductancia de línea
La inductancia de línea se ubica entre el variador de frecuencia y el suministro, esta reactancia agregada
actúa atenuando la magnitud de los armónicos en corriente del sistema y con ello se reduciendo el THD.
Las inductancias de línea permiten asegurar una mejor protección contra sobretensiones de red y obtener
un valor del THD < 45%.
Inductancia DC
La inductancia DC se conecta directamente al variador de frecuencia y permite atenuar los armónicos de
corriente actuando directamente sobre el bus DC, en conjunto con los filtros pasivos se puede obtener
un THD < 10%.

Reflexión de voltaje
Una onda de voltaje viajando a través de una línea de transmisión es reflejada desde la
transición de la impedancia de línea y la impedancia de carga al final de la línea.
- Si no hay diferencia de impedancias no hay reflexión de onda.

- Si hay una gran diferencia la amplitud de la onda reflejada puede acercarse al valor de
la onda original.
Debido a que la impedancia del motor es mayor que la impedancia del cable de
conexión, la teoría de transmisión de ondas predice una reflexión de voltaje.
Los principales factores que influyen en la reflexión de voltaje son; la distancia entre
variador-motor, el tiempo de disparo de los IGBTs y la diferencia de impedancias entre el
cable y el motor.
Si la distancia del cable motor es mayor a la longitud crítica que es calculada en función
del tiempo de disparo y la velocidad de propagación de los pulsos que viajan a través
del cable, el voltaje en borneras del motor puede llegar a duplicar la tensión del bus DC.

Reflexión de voltaje
La inductancia y capacitancia de los cables, el motor y el variador pueden formar un

circuito resonante donde los pulsos de voltaje forman una sobreoscilación que combinado
con el fenómeno de reflexión se pueden obtener voltajes mayores al doble del bus DC.

Inductancia motor
Son inductancias que se instalan en serie con el motor, incrementan el tiempo de

disparo y con ello la longitud crítica del cable.
Las inductancias motor permiten limitar el dv/dt en las borneras del motor para
longitudes menores a 50m y filtra las perturbaciones causadas por un contactor situado
entre la inductancia y el motor.

Fundamentos de
Definición
Control Motor

Tipos de Carga
TORQUE CONSTANTE .- El torque constante es típico de manejos fijos de volumen, por ejemplo
fajas transportadoras, tornillos transportadores y compresores. El torque es constante y la potencia
proporcional a la velocidad.
TORQUE CUADRATICO .- El torque cuadrático es el tipo de carga más común. Aplicaciones típicas
son las bombas y ventiladores centrífugos. El torque es cuadrático y la potencia es proporcional al
cubo de la velocidad.

Tipos de Carga
TORQUE ALTO DE ARRANQUE .- En ciertas aplicaciones es necesario un alto torque a baja
velocidad. Aplicaciones típicas son extrusoras, bombas de tornillo.

Factores importantes en la selección del
variador de frecuencia
- Datos de placa motor
- Tipo de carga
- Opción de frenado regenerativo
- Condiciones Ambientales: altura, temperatura, polución
- Condiciones de instalación: distancia del cable motor, fluctuaciones de voltaje
- Grado de distorción armónica (THD)
- Numero de entradas / salidas lógicas y analógicas
- Necesidad de comunicación

Gracias por su
atención…

Fundamentos de Variadores

Cargado por

Copyright:

Formatos disponibles

Fundamentos de Variadores

Cargado por

Información del documento

Descripción original:

Título original

Derechos de autor

Formatos disponibles

Compartir este documento

Compartir o incrustar documentos

Opciones para compartir

¿Le pareció útil este documento?

¿Este contenido es inapropiado?

Copyright:

Formatos disponibles

Fundamentos de Variadores

Cargado por

Copyright:

Formatos disponibles

Fundamentos de

Selección del variador

Schneider Electric Perú 2

El variador de velocidad es un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos, hidráulicos,

Muchos motores eléctricos operan a velocidad constante o cuasi-constante, con valores

Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales,

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 3

Los variadores de velocidad electrónicos se dividen principalmente en:

- Variadores de frecuencia en corriente continua.

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 4

Para el caso de un motor síncrono, la velocidad síncrona es:

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 5

Selección del variador

Schneider Electric Perú 6

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 7

- Control de la aceleración y desaceleración

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 8

El variadores de frecuencia están presentes en todas las aplicaciones industriales que

Manejo de materiales : Elevación : Industria maderera :

Maquinas de proceso : Industria textil : Embalaje :

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 9

-Tiempo de respuesta en comandos -Control de freno adaptado a

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 10

-Operación hasta 1000 Hz. -Regulación PID dedicado para procesos.

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 11

-Alta resolución de la velocidad de -Tiempo de respuesta del cambio de

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 12

Selección del variador

Schneider Electric Perú 13

Según la consigna de frecuencia que se le otorgue al equipo, se entregará al motor un voltaje de

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 14

Convertidor de Frecuencia Motor

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 15

- El valor medio de un rectificador no controlado

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 16

- Regulando el ángulo de disparo se puede controlar

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 17

- Consiste en un circuito de filtrado, utilizando condensadores se suaviza el rizado

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 18

Detalles de la modulación por ancho de

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 19

Esta frecuencia de troceado puede ajustarse y en algunos modelos el equipo es

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 20

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 21

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 22

Selección del variador

Schneider Electric Perú 23

La figura nos muestra la representación gráfica, la corriente del estator I1 es el vector

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 24

La función “compensación de deslizamiento” altera la referencia de frecuencia; cuando la

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 25

- Generar el par motor

El flujo es calculado a partir de un algoritmo matemático del motor y la corriente del

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 26

Compatibilidad electromagnética, es la capacidad de un equipo eléctrico-electrónico que

Inmunidad o Susceptibilidad.- El equipo eléctrico debe ser inmune a interferencias de

Emisión.- El equipo posee un limite de emisión de interferencias de tal manera que no

Schneider Electric Perú VVD_CONFIG /GBM 27