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Accionamientos VF

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El variador VF es un dispositivo complejo de gran funcionalidad, que incorpora una unidad de procesamiento central y una interfaz de usuario. A la izquierda, está alojado en un recinto apropiado para el medio ambiente.

Los seres humanos han hecho uso de los ascensores durante siglos, pero los avances reales no fueron posibles hasta la introducción del motor eléctrico. Hubo ascensores hidráulicos y, antes de ellos, máquinas impulsadas por humanos y animales. Incluso si pudiéramos ignorar las implicaciones humanitarias, sería difícil imaginar que estos arreglos funcionen en el contexto de las aplicaciones actuales de rascacielos de grandes ciudades.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería haber aprendido sobre:
♦ Por qué el motor eléctrico dominaba las aplicaciones de ascensores
♦ Las ventajas relativas de los motores de CC y CA
♦ Cómo se comparan los motores síncronos y asíncronos
♦ Las partes básicas de un variador de frecuencia (VF)
♦ Cómo utilizar un multímetro para solucionar problemas de un variador de frecuencia

Luego, hubo vapor. El vapor de agua caliente, sin embargo, era solo el medio; todavía tenía que haber una fuente de energía. Había que obtener madera o carbón (aún por medios humanos y animales) y luego transportar antes de que pudiera ser quemado. Por el contrario, el motor eléctrico de principios del siglo XX era un motor limpio, silencioso y compacto. Casi siempre funcionó como se esperaba sin protestar, su energía llegaba al sitio a través de dos o tres conductores de metal delgados.

Al principio, no había aire acondicionado. La CC estaba disponible a partir de baterías químicas que se considerarían muy ineficientes según los estándares actuales. Había suficiente energía eléctrica disponible para permitir que los primeros experimentadores construyeran motores de CC prototípicos, pero solo eran adecuados para proyectos de demostración y como curiosidades científicas. Se podría realizar muy poco trabajo útil, pero nunca lo suficiente como para levantar una cabina de ascensor del suelo. Los motores eléctricos viables tuvieron que esperar el desarrollo de la generación de energía en tiempo real con un sistema de distribución. El primero de estos sistemas fue iniciado por Thomas Edison. Inicialmente, Edison estaba motivado para el poder homesy empresas, principalmente para que pudieran tener luces. Con este fin, construyó el primero de muchos sistemas de distribución localizados en el bajo Manhattan. Mejoró la tecnología de dínamo de CC existente, lo que permitió la disponibilidad de mucha más energía.

Debido a que la energía de CC no se puede transformar fácilmente (es decir, aumentar o disminuir), la CA eclipsó rápidamente a la CC como el protocolo de potencia dominante. Pronto surgieron motores de CA, transformadores y tecnología trifásica. El motor de inducción de CA parece haber sido inventado de forma independiente por Galileo Ferraris y Nikola Tesla. Se convirtió en dominante debido a su simplicidad y construcción económica. Se estima que el 90% de los motores de CA actualmente en servicio son máquinas de inducción (asíncronas).

Los nuevos motores de CA (especialmente los de inducción) eran, en cierto modo, muy superiores a sus antepasados ​​de CC, porque la conmutación era externa, como resultado de la naturaleza cíclica de la energía de CA suministrada por la empresa de servicios públicos. El motor de CC, por otro lado, requería conmutación interna para funcionar. Esto fue proporcionado por la combinación de escobilla / conmutador, que es una situación elegante, ya que introduce la corriente magnetizante en el rotor giratorio, mientras que periódicamente invierte la polaridad de esa corriente según sea necesario para que el campo magnético del rotor pueda interactuar con el campo magnético estático producido. por el estator energizado. Pero, dado que la combinación escobilla / conmutador es electromecánica, está sujeta a desgaste y requiere mantenimiento. Los costos de mano de obra y materiales en la vida útil del motor de CC son significativos, especialmente si se descuida el mantenimiento de las escobillas, por lo que hay daños en el conmutador, lo que a menudo implica un desmontaje del motor y trabajo en el taller de máquinas.

Los motores de CA síncronos funcionan a una velocidad determinada con precisión por la frecuencia del voltaje de línea, siendo el único otro factor el número de polos por fase. La fórmula es NS = 120f / P, donde NS es la velocidad síncrona del motor, f es la frecuencia del suministro de CA en los terminales de entrada del motor y P es el número de polos magnéticos por fase.

Observe que P está en el denominador de la expresión en el lado derecho de la ecuación, por lo que cuantos más polos se incorporen en la construcción del motor, menor será la velocidad de operación. A 60 Hz, las velocidades comunes del eje son 3,600 rpm para un motor de dos polos, 1800 rpm para un motor de cuatro polos, 1,200 rpm para un motor de seis polos, 900 rpm para un motor de ocho polos, 720 rpm para un motor de 10 polos. motor de polos y 600 rpm para un motor de 12 polos. Estos valores podrían reducirse ajustando la tensión de alimentación, pero esa no sería una buena forma de regular la velocidad, ya que equivaldría a cargar más el motor, acercándolo a una condición de parada. El resultado sería más calor y una vida útil más corta del motor. La forma correcta de regular la velocidad de un motor de CA es alterar la frecuencia, y esta no fue una opción práctica hasta muchas décadas después de la invención del motor de CA, cuando apareció el variador VF.

La velocidad del eje del motor de inducción también depende de la frecuencia de la línea, pero no está sincronizada con precisión con la entrada eléctrica, por lo que se le conoce como motor asíncrono. La velocidad del eje es siempre menor que la velocidad síncrona en una cierta cantidad, y esta relación, expresada como porcentaje, se conoce como "deslizamiento". Hay dos cosas importantes que recordar sobre el deslizamiento. En primer lugar, no es un desperdicio o pérdida de energía el resultado de un diseño inferior. En segundo lugar, no es un desfase como en una carga eléctrica reactiva. Debido al deslizamiento, el rotor del motor de inducción en realidad gira más lento que el campo magnético giratorio producido por el estator. Lo que hace que la transferencia inductiva de potencia del estator al rotor es la diferencia de velocidad entre los dos, por lo que si la velocidad del rotor alcanzara la velocidad del campo magnético giratorio del estator (si el deslizamiento se redujera a cero ), ya no habría transferencia de potencia y el motor no giraría. Por esta razón, una situación de deslizamiento cero para un motor de inducción es imposible. Cuanto más se desacelera el rotor por medio de una carga creciente, mayor es el par, hasta el punto en que la magnitud de la carga hace que el motor se pare. Existe un equilibrio que involucra carga, velocidad, par y deslizamiento en todo momento. Los motores de inducción grandes a plena carga pueden tener más del 1% de deslizamiento, mientras que los motores pequeños suelen tener un deslizamiento cercano al 5%.

El motor de inducción, aunque económico y fácil de mantener, no era adecuado para impulsar elevadores y otras cargas que requerían una regulación suave de la velocidad en incrementos infinitos durante muchas décadas. Para estas aplicaciones, el motor de CC continuó satisfaciendo la necesidad. El mantenimiento de escobillas / conmutadores era algo habitual. Alimentar motores de CC desde una fuente de CA nunca fue un impedimento importante. Un convertidor rotatorio, un tubo de vacío o un rectificador de estado sólido sería suficiente, y esto podría considerarse de manera realista como parte del costo de funcionamiento de un motor de CC.

Todo esto cambió cuando se empezó a utilizar la unidad VF. Este omnipresente equipo también se conoce como "unidad de velocidad variable", "unidad de velocidad ajustable", "unidad de frecuencia ajustable", "unidad de CA", "microdrive" y "unidad de inversor". Estos términos son esencialmente sinónimos, excepto por el hecho de que aquellos que incluyen la palabra "velocidad" también pueden referirse a sistemas no eléctricos o hidráulicos. El variador VF incluye el rectificador, el bus de CC y el inversor, junto con la interfaz de usuario y la protección de sobrecorriente suplementaria (si corresponde) y varios otros accesorios. El término puede usarse o no para incluir el motor.

Como hemos visto, la velocidad de un motor de CA, ya sea síncrono o asíncrono (inducción) depende de la frecuencia de la potencia suministrada a los terminales del motor. A partir de esto, se puede concluir correctamente que es posible regular la velocidad del motor cambiando la frecuencia. Esto es lo que sucede en una unidad VF. Un variador VF puede conectarse a cualquier motor de CA (síncrono o de inducción) y usarse para controlar su velocidad, aunque hay algunos límites que deben observarse:

  • Dado que muchos motores de CA incorporan un ventilador de refrigeración interno, cuando el motor funciona a velocidad reducida bajo carga, experimentará un aumento de temperatura debido a la disminución de la disipación de calor. Esta tendencia puede mitigarse suministrando aire externo o refrigeración líquida, o tomando medidas para reducir la temperatura ambiente, ya sea mediante aire acondicionado o ventilando la sala de máquinas.
  • Hacer funcionar un motor más rápido que la velocidad nominal puede reducir la vida útil del rodamiento.
  • El variador VF puede producir una salida que se desvía de la onda sinusoidal perfecta en la que prosperan los motores de CA. Los inversores electrónicos primitivos producían una salida de onda cuadrada, lo que provocaría un sobrecalentamiento del motor de CA. Además, debido a los rápidos tiempos de subida y bajada de la forma de onda, habría problemas de calidad de la energía que afectarían a otros equipos dentro (e incluso fuera) de la instalación donde se aloja el inversor.

Una onda sinusoidal perfecta es consecuencia de la naturaleza circular de un generador rotatorio. Un examen de un gráfico que muestra el nivel de voltaje (eje vertical) trazado contra el tiempo (eje horizontal) revela la esencia de la onda sinusoidal: la tasa de cambio del voltaje es mayor cuando el voltaje es menor (más cercano a cero) y menor cuando el nivel de voltaje es mayor (el más cercano a los polos negativo / positivo). Trigonométricamente, la salida eléctrica de un rotor giratorio será una onda sinusoidal, porque el seno de un ángulo es el lado opuesto a él sobre la hipotenusa de un triángulo rectángulo. Esto es generado por un vector giratorio.

A lo largo de los años, el inversor de CA electrónico (a diferencia del rotativo) ha mejorado para que su salida se aproxime más a una onda sinusoidal pura. Esta ha sido una buena noticia para el motor de CA, porque se ha hecho posible regular su velocidad variando la frecuencia en los terminales de entrada del motor sin crear armónicos dañinos e interferencias electromagnéticas.

Una motivación para usar un variador de frecuencia es reducir el consumo eléctrico, al tiempo que permite al usuario arrancar y detener el motor de manera conveniente, invertir su dirección, controlar la velocidad y realizar otras modificaciones en el funcionamiento del motor. Cualquiera de estos comandos se puede iniciar automáticamente y es posible programar y monitorear parámetros y ver diagnósticos.

Cuando se le pide que arranque un motor, el variador VF generalmente suministra energía a una frecuencia y voltaje reducidos. No existe la alta corriente de entrada que se ve en un motor que tiene arranque directo en línea. Una vez que el motor comienza a girar, el voltaje y la frecuencia aumentan a un ritmo controlado suavemente hasta que se alcanza la velocidad de funcionamiento. Este procedimiento proporciona ahorros de energía sustanciales si hay arranques frecuentes. Además, los componentes mecánicos y eléctricos experimentarán menos desgaste. La misma lógica se aplica para detener el motor, donde una desaceleración suave en rampa puede proporcionar beneficios.

Se acumulan ahorros adicionales en el uso de energía y el desgaste de la máquina cuando la operación a una velocidad reducida es una opción. Por ejemplo, el variador VF para un ventilador de ventilación podría programarse para operar a una velocidad más baja cuando la temperatura ambiente cae por debajo de un nivel específico o cuando el equipo está menos activo, cualquiera de estas condiciones causa menos calor.

Otra motivación para usar un variador de frecuencia es cuando se necesitan velocidades variables para la aplicación prevista. Se requiere que un motor de ascensor funcione a más de una velocidad y son deseables transiciones suaves en rampa. Se utilizan transmisiones VF, en estas situaciones, y son muy superiores a las soluciones anticuadas de cajas de engranajes o poleas múltiples.

Un variador VF con interfaz de operador proporciona diagnósticos útiles que, en caso de mal funcionamiento, pueden informar al técnico de la causa y mostrar soluciones sugeridas. La lectura alfanumérica mostrará un código de error. El manual del operador, generalmente suministrado como parte de la instalación original, proporcionará la clave. Si falta este manual, debería estar disponible como descarga gratuita desde el sitio web del fabricante. Se sugiere que, como parte del programa de mantenimiento preventivo, las copias del manual correcto estén disponibles en cada cuarto de máquinas y archivadas en el taller de mantenimiento.

Sin contar el motor como parte del variador, el variador VF tiene las secciones principales que componen el tren de fuerza. El extremo frontal consta de un rectificador de onda completa, que es necesario para un variador de frecuencia de CA a CA. (También existe un variador VF de CC a CA, que se utiliza cuando el suministro eléctrico es CC, como en un sistema solar fotovoltaico). La configuración habitual es una entrada trifásica y una salida trifásica que alimenta un motor de inducción trifásico, aunque ocasionalmente se utiliza equipo monofásico, y en ocasiones el motor es síncrono (no inducción) para aplicaciones especializadas. Se podría usar un rectificador de media onda, pero haría un uso menos eficiente de la energía disponible y la salida sería más difícil de filtrar.

La segunda etapa dentro del variador es el bus de CC. Dos conductores pesados ​​transmiten la potencia rectificada. Una parte de esta etapa consta de uno o más condensadores en derivación a través del bus de CC. Dado que un capacitor ofrece una impedancia mucho mayor a CC que a un nivel de voltaje fluctuante, el capacitor cumple su propósito de filtrar la ondulación que de otro modo sería prominente en la salida del rectificador. Para ayudar en este proceso, se puede insertar una bobina inductiva en serie dentro del bus de CC. El objetivo es obtener DC pura. Cuanto menos ondulación haya en el bus de CC, mejor funcionará el sistema.

El bus de CC alimenta la etapa del inversor, que contiene seis dispositivos de estado sólido configurados como tres cadenas conectadas en paralelo, cada una compuesta por dos de los dispositivos conectados en serie. La salida trifásica que va al motor es transportada por tres conductores, cada uno conectado al punto medio de una de las cadenas en serie. Observe que la configuración del dispositivo y el cableado de la etapa del inversor se parecen mucho a los de la etapa del rectificador. Si el variador VF se visualiza como simétrico, con tres líneas portadoras de corriente en su entrada y tres líneas portadoras de corriente en su salida, y el bus de CC está en el medio, la resolución de problemas con un multímetro y / o un osciloscopio se simplificará enormemente .

Los dispositivos de estado sólido pueden estar encerrados en un módulo o ser componentes discretos con disipadores de calor sustanciales. En un momento, los dispositivos semiconductores eran rectificadores controlados por silicio, pero desde mediados de la década de 1980, el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) se ha convertido en el componente habitual en la etapa del inversor de accionamiento VF. Estos dispositivos activos ubicuos se caracterizan por una impedancia de entrada muy alta. Consumen una corriente infinitesimal y, por lo tanto, son prácticamente invisibles para el circuito de control.

Se debe tener mucho cuidado al manipular el IGBT, ya que puede ser destruido por una carga estática en el cuerpo del técnico o una herramienta sin conexión a tierra. Los dispositivos de reemplazo de este tipo a menudo se envían empaquetados en espuma conductora, de modo que los cables, que se introducen en la espuma, se desvían juntos y no pueden adquirir una diferencia de voltaje estático. Deben conservarse en este embalaje hasta la instalación.

Las disposiciones de cableado de las etapas rectificadora e inversora facilitan la verificación de los componentes activos. Primero, inspeccione todas las terminaciones de energía (entrada, salida y en el motor) en busca de flojedad o corrosión. Inspeccione visualmente para ver si un componente activo (condensador o inductor) parece quemado o distorsionado. El voltaje de entrada debe ser uniforme para los tres tramos (con no más de un 5% de diferencia) y ciertamente no una fase caída. En el motor, cuando se apaga, debe haber una resistencia de CC uniforme entre cada par de patas y una resistencia de megaohmios muy alta de cada pata a tierra.

Para comprobar los componentes del variador de frecuencia, apague la unidad. Recuerde que los condensadores electrolíticos grandes pueden contener energía eléctrica letal mucho tiempo después de que el equipo se haya desconectado de la fuente de alimentación. No trabaje en el variador VF a menos que sepa cómo sangrar y medir dicho voltaje.

Si su multímetro tiene la función de "verificación de diodos", es mejor usar este modo, ya que mide la caída de voltaje real (en lugar de una pseudoresistencia) con el ohmímetro proporcionando polarización. Conecte la sonda del multímetro negativo al bus de CC positivo. Luego, toque la sonda positiva sucesivamente a cada uno de los tres terminales de entrada. Si ve una pequeña caída de voltaje de polarización directa entre cada pata y el bus de CC positivo, entonces todo va bien. A continuación, invierta las sondas. Si ve la misma caída de voltaje de polarización directa, esta parte del variador VF es buena. Un corto indicará que el rectificador tiene uno o más diodos defectuosos. Si lee un abierto, busque una resistencia de carga abierta. Si este procedimiento preliminar indica un problema, se deben verificar los componentes individuales.

La etapa de salida se verifica de manera similar. Conecte la sonda positiva al bus de CC negativo y toque la sonda negativa, a su vez, a cada uno de los terminales de salida. Busque una caída de voltaje de polarización directa. Luego, toque la sonda negativa con el bus de CC positivo y la sonda positiva con cada uno de los terminales de salida. Nuevamente, busque la caída de voltaje de polarización directa. Si lee un corto, la etapa del inversor está fallada. Un abierto indicaría daños en el inversor o un fusible de bus de CC fundido. Si ese es el caso, es mejor no lanzarle otro fusible y esperar lo mejor. Existe una alta probabilidad de que una falla haya causado un fuerte flujo de corriente y el fusible protegió a otros componentes de daños. El mejor enfoque es hacer todo lo posible para identificar el defecto subyacente. Para verificar el (los) capacitor (es) del bus, haga una verificación de ohmios entre los conductores del bus positivo y negativo. No debería ver un corto.

Se pueden realizar pruebas más avanzadas con un osciloscopio. Primero, observe la entrada: los problemas de suministro de energía pueden causar ondas sinusoidales mal formadas o armónicos que pueden dañar las instalaciones del equipo. Luego, observe el voltaje en el bus de CC: debe ser una CC agradable y limpia sin ondulaciones significativas. Si hay un componente de CA en el bus de CC, la etapa del inversor no funcionará correctamente.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

Utilice las siguientes preguntas de refuerzo del aprendizaje para estudiar para el Examen de evaluación de educación continua disponible en línea en www.elevatorbooks.com o en la p. 95 de este número.
♦ ¿Qué ventajas poseen los motores de inducción?
♦ ¿Cuáles son las dos funciones de un conmutador en un motor de CC?
♦ ¿Qué dos factores determinan la velocidad de un motor síncrono?
♦ ¿Por qué es necesario el "deslizamiento" para un motor de inducción?
♦ ¿Por qué una combinación de variador de frecuencia / motor es más barata de operar que un motor de CA directo?

Mire los voltajes en la salida del inversor o en los terminales del motor. El pulso sinusoidal superpuesto a la onda portadora de frecuencia mucho más alta, cuando se conecta a la carga del motor altamente inductiva, genera una corriente de onda sinusoidal que debe variar según sea necesario para regular la velocidad del motor.

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El motor de inducción se nutre de una onda sinusoidal analógica o una reproducción digital que se aproxima mucho a ella.
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David Herres tiene una licencia de Master Electrician de New Hampshire y ha trabajado como electricista en la parte norte de ese estado durante muchos años. Se ha centrado en la redacción desde 2006, habiendo escrito para revistas como ELEVATOR WORLD, Construcción y mantenimiento eléctrico, Negocio de cableado, Negocio eléctrico, Nuts and Volts, PV Magazine, Electrical Connection, Solar Connection, Solar Industry Magazine, Fine HomeRevista de construcción y Noticias de Ingeniería.

Mundo del ascensor | Portada de febrero de 2014

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