Conceptos básicos

ABB DRIVES

Conceptos Básicos

Marzo de 2010, Diego Blanco

Definición General

AC Drive, Frequency converter, Adjustable Frequency Drive (AFD), Variable Speed Drive (VSD), Variable Frequency Drive (VFD)

Es un dispositivo con:

Tres fases de entrada, tres fases de salida hacia el motor

Entrada para un comando de start - stop

Señal de referencia para controlar la salida de frecuencia

¿Qué es un accionamiento de velocidad variable VSD?

= F*x (Nm)

Control motores AC Trifásicos de jaula de Ardilla.

Principal función: Convertir la energía eléctrica en energía mecánica y transmitirla al proceso a través del eje del motor en forma de torque.

Dos cantidades físicas describen el comportamiento del eje del motor: El torque y la velocidad.

“ La función básica de un VSD es controlar el flujo de energía de la red al proceso.”

Que significa la palabra DRIVE?

DRIVE es

1. Equipo eléctrico como Convertidor de frecuencia, solamente.

2. Combinación del equipo eléctrico junto con el motor o

3. Combinación del equipo eléctrico (convertidor de frecuencia), motor y polea o motoreductor.

Hardware and software AC drive está compuesto de:

1. Hardware

De acuerdo al rango de potencia

2. Software

Mayoría de las aplicaciones y requerimientos de los clientes son cubiertos por los parámetros del software estandar.

Para un mismo hardware se puede formar un drive totalmente diferente para algunas aplicaciones con paquetes de software especificos.

Construcción de un AC Drive

DC busRectifier

U2V2W2

M 3 ~Udc

Control electronicscontrol, monitoring and communication

InverterMotor

Actualsignals

Controlsignals

Supply Ud

Ud UdcUsupply

Imotor

UU2-V2

Constucción común de un Drive AC

Variador Real Motor2

Supply1

Diagrama de circuito

Diagra de Bloques

RectificadorConstucción de

un Drive AC

AC to DC

Diode bridge rectifier,Diode Front End, Diode Supply Unit (DSU)

Thyristor Supply Unit (TSU)

Line-Side Converter,IGBT Supply Unit (ISU)

Regenerative supplies

(Active Front Ends)

Rectificador de diodos en diferentes tamaños de variadores AC

…1900...2800…5600 kW

0.37 kW…

Constucción de un Drive AC

Ejemplos de rectificadores regenerativos

E5.5 kW…110 kW

DC link

C U2V2W2

Control Electronicscontrol, monitoring and communication

Monitoring

Control

Supply

FilterInverter 1 Inverter 2

…2500kW…5400kW

La señal de voltaje dc es suavizada por un filtro LCr

Los condensadores DC mantienen el voltaje DC constante

El circuito de precarga es requerido para limitar la corriente de carga de los capacitores:

Resistencia de carga y contactor o

Diodo y resistencia de carga con un puente semicontrolado.

Circuito Intermedio - DC

DC busRectifierL

U2V2W2

Control electronicscontrol, monitoring and communication

U1V1W1

Inverter

Actualsignals

Controlsignals

Supply

Charging curve

Inversor Inverter

Principalmente tecnologías de IGBT´s

C U2V2W2

Inverter+

Rectifier DC busL

Electrónica de Control

Generalmente tarjetas de circuitos impresos

Tarjeta de control de IO

Conexiones de IO

Conexión para comunicáción externa como buses de campo

Tarjeta común para todo el rango de potencias de productos de la misma serie

Tarjeta de interface

Todas las medidas de los circuitos,

Alimentación auxiliar para los circuitos electrónicos

Construcción varia dependiendo de la potencia del equipo

DC link

C U2V2W2

UdU1V1W1

Actual values

Control commands

Supply

Rectifier Inverter 2

Control and IO-board Interface board

FieldbusControl commandsActuals

Electrónica de control

Ejemplo de conexiones de IO

Refrigeración por aire – solución común Sistema de aire acondicionado

Dos circuitos separados Circuito de refrigeración interna – refrigeración forzada Circuito refrigeración externa – unidad HVAC

Temas importantes Volumenes de aire, temperatura, calidad aire

Control unit

INVERTER MODULE

Supply unit Drive unit

SUPPLY MODULE

HVAC UNIT of a electrical room

COLD AIR

HOT AIR

100% of losses to air

Heat dissipation

approx. 2-3% from kVA-rate

Refrigeración por agua El sistema de refrigeración por agua (>200kW)

Dos circuitos separados

Circuito interno de liquido Circuito externo – agua fresca

Temas importantes

Caudal agua, temperatura, calidad de agua Diseño compacto, operación silenciosa Posibilidad de tener un gabinete completamente cerrado.

Control unit

External liquid circuit

INU MODULE

Supply unit Drive unit Liquid Cooling unit

Internal closed liquid circuit

DSU MODULE

Controles de drive ACCircuitos de

Control y controladores

InverterInverter control

Motor control

HARDWARE

PWM- modulatorU, fScalar U

Vector Speedcontrol

Motor modelMotor data (G99)

Speedcontrol

Motor modelMotor data (G99)Switch. logic

SOFTWARE

Switching orders

Speed ref (Freq. Ref)

Application &

Process Control

•PID controller

•Block program

•Sequence program

•Timed functions

•Loaded App. Sw (Crane, Winder…)

Control de aplicación y procesos

Drive AC es parte del control de proceso.

Control de proceso generalmente se encuentra en un sistema separado.

Reference

Actual

ACSxxxSPEED or FREQUENCY

REFERENCEPID

Circuitos de Control y

controladores

Reference

Process actualPID

ACSxxxRef.

El control de proceso puede estar integrado en el drive = Control PID

Elimina la necesidad de un controlador separado

Salida del controlador PID es también:

Referencia de velocidad o

Referencia de frecuencia

controladores Control de aplicación y procesos

Macros de Aplicación Macros de aplicación son sets de parámetros preprogramados

Las Macros ayudan a encontrar valores correctos de parámetros para una determinada aplicación

Ejemplos de Macros

Motor potentiometer, Hand/Auto and PID control

Posibilidad de tener 2 macros de usuario

Un drive, dos diferentes aplicaciones

Beneficios

Costo- tiempo-trabajo eficiente en el diseño

Fácil y rápida puesta en marcha

controladores

Tecnologías de control de motor

Control Escalar

Inconvenientes:

No se utiliza la orientación de campo.

Se ignora el estado del motor.

No se controla el par.

Se utiliza un modulador retardatorio.

Ventajas:

Bajo coste

No requiere un dispositivo de retroalimentación - simple

Control del Motor: Escalar

Actual

Frequency reference modulator

Processcontrol

PWM Uref

Reference

U/f-curve

Application

Macros

Tecnologías de control de motor

Ventajas:

Buena respuesta del par

Control preciso de la velocidad

Inconvenientes:

Se requiere retroalimentación.

Coste elevado.

Se requiere modulador.

Control Vectorial

Speedcontrol

Torquereference

Speed reference

Torquereferenceandselector

Modulator

Voltage

Current

Motormodel

Torquecontrol

Act.torque

Measured speed

PWM Fluxcontrol

Angle of rotor

Act.flux

Fluxreference

Control del Motor: Vectorial

Tecnologías de control para variación de velocidad

Control DTC

Características:

Las variables de control son el flujo magnetizante y el par del motor.

Con el DTC no hay modulador y no se requiere un tacómetro o un codificador de posición para retroalimentar la velocidad o la posición del eje del motor.

El control de par y la velocidad se basan en el estado electromagnético del motor.

Es un accionamiento con una respuesta de par 10 veces más rápida y precisión de velocidad 8 veces superior que la de cualquier accionamiento de CA.

Conceptos

LTorque=F*L*sin()

Torque es la longitud del brazo multiplicado por la fuerza Y el angulo del eje.

El control de torque directo calcula la fuerza requerida para garantizar el máximo torque.

Configuración básica

Frequency converter

U, 3 ~

V2 V4 V6

Rectifier DC- circuit Inverter unit

Torque sin ()

La corrientes I es el brazo necesario para generar el torque

El flujo es la fuerza

Bases control de torque directoU3

Un modelo exacto del motor permite monitorear y controlar el estado eléctrico del motor realizando cálculos 40.000 veces por segundo.

Garantiza el torque necesario en el eje dle motor seleccionando el vector de voltaje ideal

para generar el torque requerido. El torque requerido es el objetivo primordial de control, el cual se lleva a cabo realizando calculos de torque cada 25 s y comparandolo con el nivel de torque deseado.

La conmutación de los IGBT se realiza de acuerdo a la comparación de torque.

Inverter

Rectifier

DC bus

Switch

commands

Optimumpulseselector

Torque comparator

comparator Flux

Torquestatus

Controlsignals

position

Adaptive motor model

Switch positions

DC bus voltage

Motor current

Torque reference controller

Actual torque

Actual flux

Actual speed

Internal torque reference

Flux reference controller

Internal fluxreference

Speedcontroller

+ accelerationcompensator

Torque reference

Speed reference

Flux optimising

Flux braking

Field weakening

On/Off

status+

DTC core

Direct Torque Control Basic Diagram

Implementacion

Tecnologías de control para variación de velocidad

Ventajas: Respuesta rápida del par: Esto reduce de forma considerable el tiempo de caída de la

velocidad durante una oscilación de la carga,.

Control del par a bajas frecuencias: Este aspecto es especialmente beneficioso para las grúas y los ascensores, donde la carga debe iniciarse y detenerse de forma regular sin sacudidas.

Linealidad del par: Esto es importante en las aplicaciones de precisión, como en el caso de las bobinadoras utilizadas en la industria del papel,

Precisión de la velocidad dinámica: Después de un cambio súbito de la carga, el motor puede recuperarse y alcanzar un estado estable con una rapidez considerable.

SELECCIÓN DE UN VSD

CARGAS CONSTANTES CARGAS VARIABLES

1. ¿Que hace la maquina?

Identificación de la aplicación y el tipo de carga.

2. ¿Es estrictamente necesario controlar la velocidad del equipo?

- Considerado como método de arranque

3. ¿ Cuál es el rango de variación de velocidad?

- Ventilación forzada.

- Torque producido por drive-motor.

4. ¿Cuál es el ciclo de trabajo?

- Ciclo de trabajo en una bomba.

5. Datos de placa del motor.

- Potencia, Tensión nominal, Frecuencia

nominal, Corriente nominal, velocidad nominal.

6. ¿Cómo son las condiciones medio ambientales?

- Temperatura, Humedad, Polvo.

7. ¿Cómo será controlado el equipo?

- Entradas, salidas, comunicación.

8. Consideraciones/Elementos adicionales.

* Protecciones adicionales.

* Filtros de salida

Variación de velocidad: ahorros considerables de energía:

Apliaciones en bombas y ventiladores

Mejora en la calidad del proceso: Mejor control del proceso

Reducción en el uso de equipo externo : Control PID integrado.

Arranque y parada suave: Mejor vida útil de los equipos.l

Beneficios de utilizar un VSD?...protege el medio ambiente y tiene otros beneficios

http://www.abb.com/drives

BOMBA CENTRIFUGA Y MOTOR AC

PRESION Y CAUDAL CARACTERÍSTICOS

Punto de Operación

H = Presión (psi).Q = Caudal (g.p.m).

CURVA DEL SISTEMA

LEYES DE AFINIDAD DE LAS BOMBAS

Las leyes de afinidad describen la relación entre velocidad (n), caudal (Q ), Presión (H) y potencia (P) de la bomba.

La relación entre P y n es esencial cuando se busca optimizar el consumo de energia de una bomba.

La potencia (P) requerida es proporcional al cubo de la velocidad (n) o flujo (Q).

Controlar el flujo es necesario cuando éste varía

Ejemplo: Consumo de agua en el hogar.

Métodos para el control de flujo

Control por Válvula

Control de By - Pass

Control On-Off

Control Con Variador de Velocidad

Cuanta energia usted ahorra?

ABB ha desarrollado las siguientes herramientas para ayudar a calcular de ahorro de la energía:

FanSave Para comparación de consumo de energía entre diferentes métodos de control.

PumpSave Comparación de consumo de energía entre diferentes metodos de control en sistemas de bombeo.

http://www.abb.com/drives

Cálculo de ahorro energético

ABB DRIVESCEMEXArmónicos

Distorsión Armónica

Efectos de Etapa Rectificadora.

El principio del modo en el que los componentes armónicos

se suman a la intensidad fundamental se muestran en la Figura.

Orden de los componentes armónicos n = 6K +/- 1.

Fundamental + fifth (H5) +seventh (H7) +thirteenth (H13) +twenty-fifth (H25) = diode current

Ejemplos de distorsión

5th harmonic: frequency = 5 x fundamental; e.g. 5 x 50 Hz

Armónicos, teoría básica

Converter load

Other loads

is(t) = i1(t) + ih(t)

Point of Common Coupling (PCC)

Ls u(t)

Corrientes de armónicos son creados por cargas no lineales.

Estas cargas pueden considerarse como fuentes de inyección de armónicos de corriente hacia la red.

Armónicos en corriente generan caidas de tensión sobre las impedancias de la red generando los armónicos en tensión.

ZIh Uh

Fuentes de armónicos

Cargas no lineales incluyen:

Arrancadores Suaves,

Variadores de Velocidad,

Iluminación por balasto,

Otros dispositivos elecntrónicos,

Efectos de los armónicos.

Armónicos de corriente:

Perdidas adicionales en el cableado.

Calentamiento en dispositivos como transformadores, motores, cables.

Mal funcionamiento en circuit brakers.

Disminución del factor de potencia.

Armónicos de tensión: Puede afectar otros componentes conectados al sistema eléctrico

Problemas en equipos de comunicación.

Resonancia con capacitores para corrección del factor de potencia.

Terminología importante

Point of common coupling (PCC) – Punto de la red donde los límites de armónicos tienen que ser cumplidos.

Por ejemplo, algunas definiciones alternativas de acuerdo con el estándar IEEE519.

“Punto de acople común (PCC) con la empresa de servicios públicos.”

“Dentro de una planta industrial, el punto acople común es el punto entre las cargas lineales y no lineales.”

Sin embargo, el cumplimiento de los límites de armónicos en los terminales de entrada de las cargas no lineales, a menudo es requerido.

PCC Ejemplo

LVP W M

M V PW M

13.8 K V

4.16 K V

PCC1 (Harm onic Current D istortion)

PCC2 (Harm onicVoltage D istortion)

S ubsta tion T ransform er

To o ther u tility custom ersTo o ther u tility custom ers

Reactancias, AC o DC

AC LineReactor

DC LinkReactor

Diferentes técnicas de diseño.

Distorsión armónica de corriente THD (current) en terminales del drive30% - 40%

Filtros pasivos de armónicos

Filtro ”pasa bajos”

Instala en serie con el variador de velocidad.

Valor típicos de armónicos 5%, 8% or 12%.

Filtros trampa de armónicos

Uso común en subestaciones o multiples drives.

Distorsión armónica de corriente THD (current) en terminales del variador 10% - 14%.

Desempeño dependel del balance de fases en la red.

Optional

Soluciones multi pulso

6 pulse rectifier

Transformer (if included) and cabling simple

Current quite distortedIthd 32% to 48% with 3% reactor (depending on network impedance)

DC/ACDC/AC

Transformer and cabling more complicated

Current slightly distortedIthd 8% to 12% (depending on network impedance)

12 pulse rectifier 18 pulse rectifier

Transformer and cabling complicated

Current wave form goodIthd 5% to 8% (depending on network impedance)

Harmonic Attenuation - the 12 Pulse Rectifier

= 30o Phase shift between windings

Soluciones multipulso

En bornes de cada uno de los rectificadores se tiene una distorsión armónica igual a la de un drive de 6 pulsos.

Desfase en el devanado secundario del transformador cancela 5th, 7th, 17th … componente

Cancelación en el primario del transformador

Filtro activo

Drive de bajos armónicos (Low harmonic Drive)

Mitigación de armónicos en el variador mismo.

Drive equipado con un rectificador activo

Filtro LCL integrado

Bajo contenido de distorsión armónica.

Distorsión armónica de corriente menor al 5.0%.

Solución mas simple:

Solución Multipulso

Arreglos de filtros externos

Low Harmonic Drive?

DC link

U1V1W1

M 3 ~Ud

InverterMotor

Monitoring

Control

Supply

Uline UDC Uout

InverterFilter

Active supply unit

ABB DRIVESMantenimiento preventivo

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