Technical Guide No 8 Es

8/6/2019 Technical Guide No 8 Es

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Gua tcnica n 8Gua tcnica n 8

Frenado elctrico


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2 Gua tcnica n 8 - Frenado elctrico


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3Gua tcnica n 8 - Frenado elctrico

ndice general

1. Introduccin ........................................................... 5

1.1 Concepto general .................................................... 51.2 Mapa de las aplicaciones de accionamientos

en funcin de la velocidad y el par ......................... 5

2. Evaluar la potencia de frenado .......................... 7

2.1 Principios generales del dimensionado delfrenado elctrico ...................................................... 7

2.2 Conceptos bsicos de descripcin de cargas ....... 82.2.1 Par constante y par cuadrtico ................... 82.2.2 Cmo evaluar el par y la potencia de frenado ....... 82.2.3 Resumen y conclusiones ............................. 12

3. Soluciones de frenado elctricoen accionamientos ................................................ 13

3.1 Frenado de flujo del motor ...................................... 133.2 Chopper de frenado y resistencia de frenado ........ 14

3.2.1 El almacenamiento de energa en elconvertidor de frecuencia ............................ 14

3.2.2 Principio del chopper de frenado ............... 153.3 Configuracin antiparalela de los puentes

de tiristores .............................................................. 173.4 Configuracin con puente IGBT .............................. 19

3.4.1 Principios generales de las unidades .........de regeneracin IGBT ................................. 19

3.4.2 Regeneracin IGBT: objetivos deregulacin..................................................... 19

3.4.3 Control directo del par en forma decontrol directo de la potencia ..................... 20

3.4.4 Dimensionado de una unidad deregeneracin IGBT....................................... 22

3.5 CC comn ................................................................ 22

4. Evaluar el coste del ciclo de vida de distintosfrenados elctrico s .............................................. 24

4.1 Cmo calcular el coste directo de la energa ......... 244.2 Cmo evaluar el coste de la inversin .................... 244.3 Cmo calcular el coste del ciclo de vida ................ 25

5. Smbolos y definiciones ................................... 29

6. ndice ..................................................................... 30


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1.1 Concepto

general

Captulo 1 - Introduccin

En esta nueva gua tcnica de ABB se describen las solu-

ciones prcticas con las que se puede reducir la energaalmacenada y volverla a transformar en energa elctrica. Elobjetivo de esta gua consiste, asimismo, en dar orienta-ciones prcticas para distintas soluciones de frenado.

Las aplicaciones de accionamientos se pueden dividir entres categoras principales en funcin de la velocidad y elpar. La aplicacin de accionamientos de CA ms habitual esen un cuadrante, en la que la velocidad y el par siempretienen la misma direccin: el flujo de la potencia (velocidad

multiplicada por el par) va del inversor al proceso. En estasaplicaciones, que suelen ser de bombas y ventiladores, elpar de la carga tiene un comportamiento cuadrtico, por loque se las suele llamar aplicaciones a par variable. Algunasaplicaciones en un cuadrante como las extrusoras o las cintastransportadoras son aplicaciones a par constante (el par dela carga no tiene por qu cambiar al cambiar la velocidad).

La segunda categora son las aplicaciones en dos cuadrantes,en las que, sin que cambie la direccin de rotacin, puedecambiar la direccin del par (el flujo de potencia puede ir delaccionamiento al motor o viceversa). Un accionamiento enun cuadrante puede serlo en dos, por ejemplo, al decelerarun ventilador ms rpido que de forma natural con lasprdidas mecnicas. En muchas industrias, un paro deemergencia puede precisar de un funcionamiento en doscuadrantes aunque el proceso sea en un cuadrante.

La tercera categora son las aplicaciones en cuatrocuadrantes en las que puede cambiar libremente la direccinde la velocidad y el par. Las ms tpicas son ascensores,cabrestantes y gras, si bien muchos procesos de corte,plegado, tejedura y bancos de pruebas de motores puedennecesitar que la velocidad y el par cambien repetidamente.Tambin cabe mencionar procesos en un cuadrante en losque el flujo de potencia va principalmente de la maquinariaal inversor, como una bobinadora o una cinta transportadoradescendente.

Por lo general, desde un punto de vista de ahorro de en-erga, un motor de CA con un inversor es mejor que losmtodos de control mecnico como el estrangulamiento. Sin

embargo, se presta menos atencin al hecho de que mu-chos procesos pueden contar con un flujo de la potencia delproceso al accionamiento, aunque no se ha estudiado cmoutilizar esta energa de frenado de la forma ms econmica.

1.2 Mapa de las aplicaciones de accionamientosen funcin de lavelocidad y el par


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Figura 1.1 Mapa de las aplicaciones de accionamientos en funcinde la velocidad y el par.

Introduccin

Deceleracin Aceleracin

Aceleracin Deceleracin


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Elctrica CC CC CA CA

Mec nica (2.1)

(2.2)

La evaluacin de la necesidad de frenado empieza por la

mecnica. Normalmente se tiene que frenar el sistemamecnico en un tiempo concreto, o existen subciclos delproceso en los que el motor funciona en el generador avelocidad constante o ligeramente variable.

Es importante destacar que los dispositivos empleados enel frenado elctrico se dimensionan en funcin de la potenciade frenado. La potencia mecnica de frenado depende delpar y la velocidad de frenado, frmula (2.1). Cuando mayorsea la velocidad, mayor ser la potencia. Esta potencia setransmite a una tensin e intensidad determinadas. Cuanto

mayor sea la tensin, menos intensidad se necesita parauna misma potencia, frmula (2.2). La intensidad es elcomponente principal que define el coste en accionamientosde CA de baja tensin.

En la frmula (2.2) podemos observar la expresin cos .Esta expresin define la intensidad del motor empleada paramagnetizar el motor. La intensidad de magnetizacin no creaningn par y, por tanto, se ignora.

Por otra parte, esta intensidad de magnetizacin del motor

no se toma de la fuente de alimentacin de CA que alimentaal convertidor (la intensidad al inversor es menor que laintensidad al motor). Ello significa que, en la seccin dealimentacin, cos suele ser aproximadamente 1,0. Cabedestacar en la frmula (2.2) que se ha supuesto que no seproduce ninguna prdida cuando la potencia de CC seconvierte en potencia de CA. En esta conversin se producenalgunas prdidas que se pueden ignorar en este contexto.

Captulo 2 - Evaluar la potencia de frenado

2.1 Principios

generales deldimensionadodel frenadoelctrico


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Carga

CargaMotor

Carga

Carga

Carga

Carga

2.2 Conceptos bsicos dedescripcin decargas

Las cargas se suelen clasificar en cargas a par constante oa par cuadrtico. Una carga a par cuadrtico significa que elpar de la carga es proporcional al cuadrado de la velocidad.Tambin significa que la potencia es la velocidad elevada alcubo. En las aplicaciones a par constante, la potencia es

directamente proporcional a la velocidad.

Par constante:

C: constante

2.2.1 Par constante y par cuadrtico

Par cuadrtico:

2.2.2 Cmoevaluar el par y la potencia de

frenado

En caso de funcionamiento en rgimen permanente ( ( ace-leracin angular) = cero) el par del motor tiene que hacer queel par de rozamiento corresponda proporcionalmente a lavelocidad angular y al par de la carga a esa velocidad angu-

lar. El par y la potencia de frenado necesarios en funcin deltiempo vara mucho en estos dos tipos distintos de carga.

Estudiemos primero el caso en que la carga es a par constantey el sistema de accionamiento no puede generar el par defrenado (accionamiento con funcionamiento en un cuadrante).Para calcular el tiempo de frenado necesario se puede aplicarla siguiente ecuacin. Hay que fijarse en que la frmula (2.7)destaca que el par necesario para la aceleracin (odeceleracin) inercial, el par de rozamiento y carga est endireccin opuesta al par del motor.

En la prctica es difcil definir exactamente el efecto delrozamiento. Al asumir que el rozamiento es igual a cero, elmargen de error en el tiempo calculado es inexistente.

Evaluacin de la potencia de frenado

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

(2.7)

(2.8)


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)FinalArranque

nn _

CargaT

Carga

Arranque Final )= Arranque Finaln ) _ n(

(nArranque _ n Final )

Carga

,


Para despejar t se deriva la frmula:

Suponiendo que la inercia de la carga sea de 60 kgm 2 y que

el par de la carga sea de 800 Nm en todo el rango develocidades, con una carga a 1000 rpm y el par del motorpuesto a cero, la carga pasa a velocidad cero en el tiempo:

Esto es as en las aplicaciones en las que el par de la cargaes constante al empezar el frenado. Cuando desaparece elpar de la carga (por ej., al romperse una cinta transportadora)aunque no cambie la energa cintica de la mecnica, el parde la carga que decelerara la mecnica no est activo. Ental caso, si el motor no est frenando, la velocidad slodisminuir como resultado del rozamiento mecnico.

Supongamos ahora que tenemos la misma inercia y el mismopar de la carga a 1000 rpm, pero que el par de la cargacambia de forma cuadrtica . Si el par del motor se fuerzaa cero, el par de la carga disminuye en proporcin cuadrticaa la velocidad. Si el tiempo de frenado acumulativo sepresenta en funcin de la velocidad, vemos que el tiempo

de frenado natural a la velocidad ms baja (de 200 rpm a100 rpm) aumenta de forma considerable en comparacincon el cambio de velocidad de 1000 rpm a 900 rpm.

Curva de frenado natural con carga constante

P o t e n c i a

[ 1 0 * k W ] , T i e m p o

[ s ] , P a r

[ 1 0 0 * N m

]

Tiempo acumulativoPotencia de frenadonatural [kW] *10

Par de frenadonatural [Nm] * 100

Velocidad [rpm]

(2.9)

(2.10)

(2.11)

Figura 2.1 Tiempo de frenado acumulativo, potencia y par de

frenado en funcin de la velocidad.


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Figura 2.2 Curva de frenado natural para un par y una potencia defrenado en funcion de la velocidad de un ventilador de 90 kW.

Figura 2.3 Tiempo de frenado acumulativo de un ventilador de 90 kW.

Ahora pensemos en un caso en el que se exige que el sistemamecnico frene en un tiempo determinado a partir de unavelocidad concreta.

El ventilador de 90 kW tiene una inercia de 60 kgm 2. El puntode funcionamiento nominal del ventilador es 1000 rpm. Elventilador se tiene que parar en 20 segundos. El efecto defrenado natural provocado por las caractersticas de la cargaes el mximo al principio del frenado. La energa mxima dela inercia se puede calcular con la frmula (2.12). La potenciamedia de frenado se puede calcular dividiendo esta energa

de frenado por el tiempo. Este valor es, por supuesto, muyconservador debido a que no se tienen en cuenta lascaractersticas de carga del ventilador.


Se puede trazar fcilmente una curva de frenado naturalpartiendo de la potencia y la velocidad en el punto nominalaplicando las frmulas (2.5) y (2.6).

Curva de frenado natural con carga cuadrtica

P o t e n c i a

[ 1 0 * k W ] , T i e m p o

[ s ] , P a r

[ 1 0 0 * N m

]

T i e m p o

[ s ]

Potencia de fre-nado [kW] * 10

Par de frenado[Nm] * 100

Velocidad [rpm]

Tiempo de frenado

Curva de frenado natural con carga cuadrtica

Velocidad [rpm]


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,

,


Cuando se dimensiona el chopper de frenado para este valorde 16,4 kW y la capacidad de frenado del motor a unavelocidad mayor es muy superior a 16,4 kW, el accionamientodebe incorporar una funcin de supervisin para obtener lamxima potencia de regeneracin, funcin disponible enalgunos accionamientos.

Si se desea optimizar el dimensionado del chopper defrenado para un tiempo de frenado concreto se puedeempezar observando la figura (2.3). La velocidad pasarpidamente de 1000 a 500 rpm sin frenado adicional. Elefecto de frenado natural es el mximo al principio delfrenado, lo que indica claramente que no hace falta empezara frenar el motor con esta potencia de 16 kW. Tal como puedeverse en la figura (2.3), la velocidad pasa de 1000 rpm a 500rpm sin frenado adicional en menos de 10 segundos. En

este punto temporal el par de la carga slo es el 25% delnominal y la energa cintica que conserva el ventiladortambin es slo el 25% de la energa a 1000 rpm. Si se repitea 500 rpm el clculo realizado a 1000 rpm, puede verse quela potencia de frenado para una deceleracin de 500 rpm a0 rpm es aproximadamente igual a 8 kW. Tal como se hadicho en clculos anteriores, este valor tambin esconservador porque no se tiene en cuenta la curva de frenadonatural provocada por las caractersticas de la carga.

En resumen, se consigue sin problemas un tiempo de

deceleracin de 20 segundos de 1000 rpm a 0 rpm con unchopper y una resistencia de frenado dimensionados para8,2 kW. Fijando el lmite de la potencia regenerativa delaccionamiento a 8,2 kW se fija el nivel de la potencia defrenado a un nivel adecuado.

(2.12)

(2.13)

(2.14)

(2.15)


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Existen dos tipos bsicos de carga: a par constante y a parcuadrtico.

Aplicacin a par constante:

La caracterstica del par de la carga no depende de lavelocidad. El par de la carga es aproximadamente el mismoen todo el rango completo de velocidades.La potencia aumenta linealmente a medida que aumentala velocidad y viceversa.

Aplicaciones a par constante tpicas: gras y cintastransportadoras.

Aplicacin a par cuadrtico:

El par de la carga es proporcional al cuadrado de lavelocidad.Cuando aumenta la velocidad, la potencia es igual a lavelocidad al cubo.

Aplicaciones a par cuadrtico tpicas: ventiladores ybombas.

Evaluacin de la potencia de frenado:

Las caractersticas de carga cuadrtica significan unadeceleracin natural rpida entre el 50-100% de lasvelocidades nominales, lo que debe utilizarse aldimensionar la potencia de frenado necesaria.El par de la carga cuadrtico significa que a velocidadesbajas la deceleracin natural se debe principalmente alrozamiento.La caracterstica del par de la carga constante es unadeceleracin natural constante.La potencia de frenado depende del par y la velocidad alpunto de funcionamiento concreto. Dimensionar el chopperde frenado basndose en la potencia mxima de frenado

suele provocar un sobredimensionado.La potencia de frenado no depende de la intensidad (par)nominal del motor ni de la potencia tal cual.Si desaparece el par de la carga cuando empieza el frenadoel efecto de frenado natural es reducido, lo que influye enel dimensionado del chopper de frenado.

2.2.3 Resumen y conclusiones



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3.1 Frenado deflujo del motor

Los accionamientos de CA modernos constan de un rectifi-cador de entrada que convierte la tensin de CA en tensinde CC que se almacena en condensadores de CC. El inver-sor convierte a su vez la tensin de CC en tensin de CAalimentando al motor de CA a la frecuencia deseada. Lapotencia de proceso necesaria fluye a travs del rectificador,de las barras de CC y el inversor hacia el motor. La cantidadde energa almacenada en los condensadores de CC es muypequea en comparacin con la potencia necesaria, es decir,el rectificador tiene que dar constantemente la potencia quenecesita el motor ms las prdidas del sistema deaccionamiento.

El frenado de flujo es un mtodo que se basa en las prdidasdel motor. Cuando se necesita frenado en el sistema deaccionamiento, aumenta el flujo del motor y, asimismo, elcomponente de intensidad de magnetizacin empleado enel motor. Se puede controlar fcilmente el flujo mediante elprincipio de control directo del par (si se desea msinformacin sobre el DTC vase la Gua tcnica n 1). Con el

DTC se controla directamente el inversor para obtener elpar y el flujo del motor deseados. Durante el frenado deflujo el motor est bajo control DTC, lo que asegura que sepueda frenar segn la rampa de velocidad especificada. Esteconcepto es muy distinto al freno por inyeccin de CC quesuele utilizarse en accionamientos. En el mtodo porinyeccin de CC se inyecta intensidad de CC al motor paraque se pierda el control del flujo del motor durante el frenado.El mtodo de frenado de flujo con DTC permite que el motorpase rpidamente de frenar a actuar como motor cuando senecesite.

En el frenado de flujo el aumento de la intensidad significaun aumento de las prdidas en el motor. La potencia de fre-nado tambin aumenta aunque no aumente la potencia defrenado aplicada al convertidor de frecuencia. El aumentode la intensidad genera un aumento de las prdidas en lasresistencias del motor. Cuando mayor sea la resistencia,mayor ser la disipacin de la energa de frenado en el mo-tor. Normalmente, en motores de baja potencia (menos de5 kW) la resistencia del motor es relativamente grande enrelacin con la intensidad nominal del motor. Cuanto mayorsea la potencia o la tensin del motor, menor ser la resis-tencia del motor en relacin con la intensidad del motor.Dicho de otro modo, el frenado de flujo alcanza su mximaeficacia en un motor de baja potencia.

Captulo 3 - Soluciones de frenadoelctrico en accionamientos


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,

Principales ventajas del frenado de flujo:

Con el mtodo de control DTC no se necesitan componentesni costes adicionales.El motor se controla durante el frenado, a diferencia delfreno por inyeccin de CC que se suele usar en

convertidores.Principales desventajas del frenado de flujo:

Mayor tensin trmica en el motor si se repite el frenadodurante perodos breves.La potencia de frenado est limitada por las caractersticasdel motor, como por ejemplo la resistencia.El frenado de flujo es til principalmente en motores debaja potencia.

Figura 3.1 Porcentaje de par de frenado del motor del par nominalen funcin de la frecuencia de salida.

3.2 Chopper defrenado y resistencia defrenado

3.2.1 El almacenamientode energa en elconvertidor de

frecuencia

En los accionamientos estndar el rectificador suele ser unrectificador de diodos de 6 pulsos o 12 pulsos que slopuede suministrar alimentacin desde la red de CA a lasbarras de CC, pero no al revs. Si cambia el flujo de lapotencia como ocurre en las aplicaciones en dos o cuatrocuadrantes, la potencia suministrada por el proceso cargalos condensadores de CC siguiendo la frmula (3.1) yempieza a aumentar la tensin de bus de CC. La capacitanciaC es un valor relativamente bajo en un accionamiento de CAque produce un rpido aumento de la tensin, tensin queslo pueden soportar los componentes de un convertidor

de frecuencia hasta un nivel determinado.

Soluciones de frenado elctrico en accionamientos

Par de frenado (%)

Sin frenado de flujo

Frenado de flujoPotencia nom. motor


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3.2.2 Principiodel chopper defrenado

Se puede impedir un aumento excesivo de la tensin de busde CC de dos formas: el inversor impide el flujo de potenciadel proceso al convertidor de frecuencia. Ello se consiguelimitando el par de frenado para mantener una tensin debus de CC constante. Esta operacin se denomina controlde sobretensin y es una prestacin estndar de la mayorade accionamientos modernos. Sin embargo, ello significaque el perfil de frenado de la maquinaria no se realiza segn

la rampa de velocidad especificada por el usuario.

La capacidad de almacenamiento de energa del inversorsuele ser muy poca. Por ejemplo, en un accionamiento de90 kW la capacitancia suele ser de 5 mF. Si el accionamientorecibe alimentacin de 400 V CA, las barras de CC tienen1,35 * 400 = 565 V CC. Suponiendo que los condensadorespuedan soportar un mximo de 735 V CC, el tiempo en quese puede alimentar una potencia nominal de 90 kW alcondensador de CC puede calcularse del siguiente modo:

Este rango de valores se aplica por lo general a todos losaccionamientos de CA de baja tensin modernos conindependencia de su potencia nominal. En la prctica ellosignifica que el regulador de sobretensin y su regulador'bestia de carga' del par del motor de CA tiene que ser muyrpido. Tambin la activacin de la regeneracin o delchopper de frenado tiene que ser muy rpida cuando se usaal configurar el accionamiento.

La otra posibilidad de limitar la tensin de bus de CC consisteen dirigir la energa de frenado hacia una resistencia a travsde un chopper de frenado. El chopper de frenado es unconmutador elctrico que conecta la tensin de bus de CC auna resistencia en la que la energa de frenado se transformaen calor. Los choppers de frenado se activanautomticamente cuando la tensin de bus de CC actualsupera un nivel determinado segn la tensin nominal delinversor.


(3.1)

(3.2)

(3.3)


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Principales ventajas de la solucin con el chopper y laresistencia de frenado:

Construccin elctrica sencilla y tecnologa bien conocida.Inversin bsica baja en el chopper y la resistencia.El chopper funciona aunque se pierda la alimentacin deCA. Puede resultar necesario el frenado ante un fallomomentneo de la red principal, como por ejemplo enascensores u otras aplicaciones de alta seguridad.

Principales desventajas del chopper y la resistencia defrenado:

Se pierde la energa de frenado si no se puede utilizar elaire calentado.El chopper y las resistencias necesitan ms espacio.Puede necesitarse una mayor inversin en el sistema derecuperacin de la refrigeracin y calefaccin.Los choppers de frenado se suelen dimensionar para unciclo concreto, por ejemplo, 100% potencia 1/10 minutos,para tiempos de frenado ms largos se necesita un

dimensionado ms exacto del chopper de frenado.Mayor riesgo de incendios debido al calentamiento de lasresistencias y a la posible presencia de polvo ycomponentes qumicos en el ambiente.La mayor tensin de bus de CC durante el frenado causaun mayor esfuerzo elctrico al aislamiento del motor.

Cundo se debe aplicar un chopper de frenado:

El ciclo de frenado se necesita slo de vez en cuando.La cantidad de energa de frenado en relacin con la energade actuacin como motor es extremadamente pequea.El frenado se necesita durante un fallo momentneo de lared principal.

Figura 3.2 Ejemplo de diagrama de circuitos del chopper defrenado. UDC significa los terminales de las barras de CC y R losterminales de las resistencias.


UDC+

UDC-

R+

R-

V1

C1Circuitodecontrol


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3.3 Configura-cin antiparalela

de los puentesde tiristores

En un convertidor de frecuencia, los puentes rectificadoresde diodos se pueden sustituir por los dos rectificadorescontrolados por tiristores en antifase. Esta configuracin

permite cambiar el puente rectificador segn el flujo depotencia que se necesite en el proceso.

Los principales componentes de la unidad de alimentacinpor tiristores son dos puentes de tiristores de 6 pulsos. Elpuente directo convierte la alimentacin trifsica de CA enCC. Suministra alimentacin a los convertidores (inversores)mediante el circuito intermedio. El puente inverso conviertela CC en CA cuando se necesita desviar el poder de frenadodel motor sobrante a la red de alimentacin.

Figura 3.3 Diagrama lineal de una unidad de alimentacin por titistores antiparalela.

Slo funciona uno de los puentes mientras el otro estbloqueado. El ngulo de disparo del tiristor se controlaconstantemente para mantener la tensin del circuitointermedio al nivel deseado. La seleccin del puente directo/ inverso y el control de la tensin del circuito intermedio sebasan en la determinacin de la intensidad de alimentacin,la tensin de alimentacin y la tensin del circuito intermedio.La reactancia de CC filtra las crestas de intensidad del circuitointermedio.


Cundo hay que plantearse otras soluciones distintas a unchopper y una resistencia de frenado:

Frenado continuo o repetido a intervalos regulares.La cantidad total de energa de frenado es elevada en

relacin con la energa de actuacin como motor necesaria.La potencia de frenado instantneo es alta, por ejemplo,varios centenares de kW durante varios minutos.El aire ambiente incorpora cantidades importantes depolvo u otros componentes potencialmente combustibles,explosivos o metlicos.

Directo Inverso

L

Ucc3


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Principales ventajas del puente de tiristores antiparalelo:

Solucin bien conocida.Inversin menor a la necesaria con una solucin IGBT.La tensin de CC se puede regular a un valor inferior que

la red, lo que en algunas aplicaciones especiales puedeser ventajoso.

Principales desventajas del puente de tiristores antiparalelo:

La tensin de bus de CC siempre es inferior a la tensin dealimentacin de CA para mantener un margen deconmutacin. De este modo, la tensin alimentada al motores ms baja que la CA de entrada. Sin embargo, esto sepuede solucionar utilizando un autotransformadorelevador en la alimentacin.

Si la CA de alimentacin desaparece se corre el riesgo deque se fundan los fusibles debido al fallo de conmutacinde los tiristores.Cos vara con la carga.La distorsin armnica total es ms alta que en las unidadesIGBT regenerativas.La distorsin de la intensidad fluye a travs de otrasimpedancias de la red y puede provocar una distorsin dela tensin no deseada en otros dispositivos alimentadosdesde el punto donde existe la distorsin de tensin.No se dispone de capacidad de frenado durante losfallos momentneos de la red principal.

Figura 3.4. Ejemplo de ondas de tensin de intensidad y tensin deun puente antiparalelo durante el frenado.


T e n s i

n / V

, I n t e n s i

d a d / A

Tensin de fasesinusoidal

Tensin de fase nosinusoidal

Intensidad de red

Tiempo / ms


19/32


,

,

,

,

,

,

,

Linea Rec*U=U

3.4 Configura-cin con puenteIGBT

3.4.1 Principios generales de las unidades de regeneracinIGBT

La regeneracin IGBT se basa en los mismos principios quela transmisin de energa en una red de distribucin deenerga. En una red de distribucin de energa se conectanentre s varios generadores y puntos de carga. Se puedesuponer que en el punto de conexin la red de distribucin

de energa es un generador sncrono de gran tamao conuna frecuencia fija. El puente IGBT de entrada delaccionamiento (ms tarde la unidad convertidora) se puedeconsiderar otro sistema de tensin de CA conectado a travsde una reactancia al generador. El principio de la transmisinde energa entre dos sistemas de CA con una tensin U yconectados entre s se puede calcular con la frmula (3.4).

La frmula indica que para transmitir la energa entre estosdos sistemas tiene que existir una diferencia de fase en elngulo entre las tensiones de los dos sistemas de CA. Paracontrolar el flujo de la energa entre los dos sistemas setiene que controlar el ngulo.

Figura 3.5. Onda de tensin de la intensidad de red y armnicostpicos de una unidad generadora IGBT.

3.4.2 Regenera-cin IGBT:objetivos de regulacin

En las unidades de regeneracin IGBT existen tres objetivosde regulacin generales. El primero consiste en mantenerestable la tensin de bus de CC con independencia del valorabsoluto y la direccin del flujo de la potencia. As se aseguraque los inversores que alimentan motores de CA puedanfuncionar ptimamente independientemente del punto defuncionamiento gracias a una tensin de bus de CC estable.

La tensin de bus de CC es estable cuando el flujo de potenciahacia las barras de CC es igual al de salida de stas. Estaregulacin del flujo de potencia se consigue regulando elngulo de potencia entre los dos sistemas de CA.


Unidad generadora Unidad generadora

Orden de los armnicos

(3.4)


20/32


El segundo objetivo de regulacin consiste en minimizar laintensidad de alimentacin necesaria (funcionar a cos = 1,0),lo que se consigue regulando la tensin de salida de la unidad

convertidora. En algunas aplicaciones se desea que la unidadconvertidora IGBT tambin funcione a modo de cargainductiva o capacitativa.

El tercer objetivo de regulacin es minimizar el contenido dearmnicos de la intensidad de alimentacin. Los principalescriterios de diseo en este caso son el valor de la reactanciay que el mtodo de regulacin sea adecuado.

El control directo del par (DTC) es una forma de regular un

motor de CA alimentado por un inversor. El principio delcontrol activa y desactiva los conmutadores IGBTdirectamente a partir de la diferencia entre el par actual delmotor de CA y el par de referencia del usuario (Gua tcnican 1). El mismo principio se aplica a una unidad convertidoraque regula el flujo de potencia desde la red de alimentacinal accionamiento y viceversa. La potencia se multiplica porel par por la frecuencia angular, que es constante en la red:controlar el par significa controlar el flujo de potencia.

3.4.3 Controldirecto del par en forma decontrol directode la potencia


Figura 3.6. Cambio rpido de funcionamiento regenerativo a motor.La tensin de bus de CC es muy estable durante esta transicin.

Tiempo / ms

Tensin de CC

P o t e n c i a

/ k W

, T e n s i

n / 1 0 * V

Escaln de carga

Par_REF Par directo y flujoControl de histresisFlujo_REF

HistresisPar_BITSFlujo_BITSControl_BITS

S1, S2, S3Lgica deconmuta-cin ptima

ASICS

Tensin CC

S1, S2, S3

Intensidad

Flujo_ACT Par_ACT

Modelo de transmi-sin de potencia

Calcular losvalores actuales

Control tensin de CC

L

(3.5)

Figura 3.7. Diagrama de control fundamental de la unidad regenerativa IGBT con DTC.

Potencia


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El mtodo de control DTC con la tecnologa IGBT contribuyea que se generen pocos armnicos. Por ello, la unidad dealimentacin IGBT puede sustituir a las configuraciones dealimentacin de 12 pulsos o 18 pulsos en un cuadrante quese suelen utilizar para reducir los armnicos en la seccin

de alimentacin. Una unidad de alimentacin IGBT tambines una solucin, por tanto, en aquellos casos en los que elmayor problema son los armnicos y no cmo canalizar laenerga de frenado.

Principales ventajas de una unidad de regeneracin IGBT:

Pocos armnicos en la alimentacin tanto en actuacincomo motor como en regeneracin.Dinmica alta durante los cambios rpidos de flujo en laseccin de carga.

Posiblidad de aumentar la tensin de CC ms que laalimentacin de CA de entrada, lo que puede usarse paracompensar una red dbil o aumentar la capacidad de parmximo del motor en la frecuencia de inicio dedebilitamiento del campo.Compensacin total de las cadas de tensin del sistemagracias a la posibilidad de sobrepar de la tensin.Posibilidad de regular el factor de potencia.Funcionamiento con cortes de la red con sincronizacinautomtica a la rejilla.La tensin de bus de CC tiene aproximadamente el mismovalor durante la monitorizacin que durante el frenado. Sinesfuerzos de tensin adicionales ni aislamiento delbobinado del motor durante el frenado.

Figura 3.8. Posibilidad de sobrepar de la tensin de alimentacin.


Tiempo / ms

Tensin CC actual

Tensin CC de refer. T e n s

i n

/ V


22/32


,ent

ent

IU*

Para dimensionar la unidad IGBT se parte de la potencianecesaria. Supongamos que la potencia en el eje necesariadurante la actuacin como motor es de 130 kW y que lapotencia de frenado, de 100 kW. Para dimensionar la unidadde alimentacin IGBT se selecciona el valor mximo depotencia de actuacin como motor o de frenado, que eneste caso es de 130 kW. La tensin del motor es de 400 V. Elvalor mnimo para la red de alimentacin es de 370 V.

En este caso se puede usar el sobrepar de tensin: seaumenta la tensin de bus de CC hasta una tensin de CA de400 V. Sin embargo, la intensidad de alimentacin necesariase calcula partiendo del nivel 370. Suponiendo que existenprdidas del 5% del sistema en el motor y el accionamiento,la potencia total necesaria de la rejilla es de 136,5 kW. Laintensidad de alimentacin se puede calcular con la frmula:

3.4.4 Dimensio- nado de unaunidad de regeneracin

IGBT

La unidad de regeneracin IGBT se selecciona partiendonicamente de la intensidad calculada.

Cuando en un proceso hay varios accionamientos y un motornecesita capacidad de frenado mientras los dems funcionancomo motor, la solucin con barras de CC comunes es muy

eficaz para reaprovechar la energa mecnica. Un sistemade accionamiento con barras de CC comunes consta de unrectificador de alimentacin aparte que convierte CA en CC,e inversores que alimentan a motores de CA conectados alas barras de CC comunes (las barras de CC son el canal

3.5 CC comn


Principales desventajas de una unidad de regeneracin IGBT:

Mayor coste de compra.No se dispone de la capacidad de frenado durante fallosmomentneos de la red principal.

Armnicos de la tensin de alta frecuencia debido a laelevada frecuencia de conmutacin. Estos componentesde la tensin de varios kilohertzios pueden excitar a lospequeos condensadores que se utilicen en otrosdispositivos elctricos. Con un diseo y disposicinadecuados de los transformadores de alimentacin de losdistintos dispositivos se evitan estos fenmenos.

Cundo se debe utilizar una unidad de regeneracin IGBT:

El frenado es continuo o se repite con regularidad.

El poder de frenado es muy alto.Cuando se ahorra espacio es comparacin con la solucina base de resistencias de frenado.Cuando los lmites de los armnicos de red son cruciales.

(3.6)


23/32


Figura 3.9. Configuracin bsica de las barras de CC comunes.

Principales ventajas de las barras de CC comunes:

Flujo de potencia fcil de equilibrar entre accionamientos.Bajas prdidas del sistema al convertir la energa de frenadogracias a las barras de CC comunes.

Aunque la potencia de frenado instantneo sea mayor quela potencia de actuacin como motor, no se tienen quedimensionar el chopper y la resistencia de frenado paraobtener una plena potencia de frenado.Si se necesita la potencia de frenado durante perodosprolongados se pueden usar varios rectificadores.

Principales desventajas de la solucin con barras de CCcomunes con un rectificador en un cuadrante:

La potencia instantnea de actuacin como motor tiene

que ser mayor que o igual a la potencia de frenado.Se necesitan el chopper y la resistencia de frenado si lapotencia de frenado instantneo es mayor que la potenciade actuacin como motor.Si hay pocos motores, el coste adicional de un inversordedicado que desconecte el dispositivo de las barras deCC aumenta el coste de la inversin.

Cundo utilizar la solucin con barras de CC comunes conun rectificador en un cuadrante:

El nmero de accionamientos es alto.La potencia de actuacin como motor siempre es ms altaque la potencia de frenado o slo se necesita una potenciade frenado baja para el chopper de frenado.


que desplaza la energa de frenado de un motor en beneficiode los dems motores). En la figura (3.9) se indica laconfiguracin bsica de las barras de CC comunes.

Etapa de alimentacin Etapas de frenado Etapas de accionamiento

Unidadde controlauxiliar

ACU ICU FIU

24 V

CA

Unidad deentrada

Unidad defiltro slocon alimen-tacin IGBT

UInidad dealimentacinDSU/TSU/ IGBT

Unidad de frenado (opcional)

Barras de CC comunes

Unidadde alimen-tacin

Chopper

R e s

i s t e n c

i a

Inversor Inversor


24/32


Coste Ciclo Frenado (h/d a) Potencia media frenado (kW)Precio Energ a (Euros/kWh)

* ** 365

=

Captulo 4 - Evaluar el coste del ciclode vida de distintos frenados elctricos

Cada vez es ms importante evaluar el coste del ciclo devida total al invertir en productos para ahorrar energa. Elaccionamiento de CA se emplea para regular la velocidad yel par. Esta funcin bsica de los accionamientos de CAsignifica ahorros en el consumo de energa en comparacincon otros mtodos de control. En las aplicaciones de bombasy ventiladores apenas se necesita el frenado. Sin embargo,los accionamientos de CA modernos se utilizan cada vezms en aplicaciones que necesitan frenado.

Antes hemos citado diversos criterios tcnicos. A conti-nuacin se analizan los factores econmicos de las distintasopciones de frenado elctrico.

4.1 Cmocalcular el costedirecto de laenerga

El coste directo de la energa se puede calcular partiendo,por ejemplo, del precio de la energa y del tiempo y lapotencia de frenado calculados por da. Si bien el precio dela energa vara segn los pases, se puede aplicar un precioaproximado de 0,05 euros por kilowatio-hora.1 Euro ~ 1 USD. El coste anual de la energa se puede calcularcon la frmula:

Por ejemplo, un accionamiento de 100 kW funciona 8000 horasal ao y frena con una potencia media de 50 kW durante5 minutos cada hora, es decir, 667 horas al ao. El costedirecto anual de la energa de frenado es de 1668 Euros.

Las inversiones necesarias para los distintos mtodos defrenados varan. Deben evaluarse los siguientes componentesdel coste de la inversin.

Chopper de frenado:

El coste de la inversin adicional que representan el choppery la resistencia de frenado ms el coste del espacioadicional que se necesita para estos componentes.El coste de la inversin en ventilacin adicional necesaria

para el chopper de frenado.

4.2 Cmoevaluar el costede la inversin

(4.1)


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Arranque Final)( (n

Arranque _ n

Final)

Frenado elctrico por tiristores o IGBT:

Coste adicional de la inversin en el frenado regenerativoIGBT o por tiristores en comparacin con el mismoaccionamiento sin frenado elctrico.

Barras de CC comunes:

Coste adicional de la inversin en el chopper y la resistenciade frenado, incluyendo el espacio necesario para estoscomponentes en una solucin con barras de CC comunes.Diferencia del coste de la inversin entre la solucin conbarras de CC comunes y un nico accionamiento.

El clculo del coste del ciclo de vida apoya la decisin

puramente econmica al realizar una inversin. El precio dela energa y de los accionamientos vara segn el pas, lacompaa elctrica, el tamao de la empresa, los tipos deinters, el tiempo durante el que se utiliza la inversin y lasituacin macroeconmica global. Los valores absolutos delos precios indicados en los siguientes ejemplos se usannicamente para ilustrar los principios del clculo.

Caso 1 - Frenado de vez en cuando

Imaginemos la siguiente aplicacin:La potencia continua de actuacin como motor es de200 kW a una velocidad de eje de 1500 rpm. En caso de quese emita un comando de paro de emergencia, la rampa tieneque disminuir en 10 segundos. Partiendo de la experienciaen el proceso, cada mes se activa un paro de emergencia.La inercia J del sistema de accionamiento es de 122 kgm 2.Cuando se activa el paro de emergencia se puede pasarpor alto el par de la carga.

Clculo del par de frenado necesario para el motor:

4.3 Cmocalcular el costedel ciclo de vida

El par tpico de un motor de 200 kW y 1500 rpm es de unos1200 Nm. Un motor de CA normal regulado instantneamentepor un inversor puede funcionar a un par igual a un 200%del valor nominal. Para obtener pares ms altos se necesitauna intensidad de motor propocionalmente ms alta.

Evaluar el coste del ciclo de vida de distintos frenados elctricos

(4.2)


26/32


, ,Euros/kWh EurosCoste

,

Fr, max

La potencia de frenado es la mxima al principio del ciclo defrenado.

El chopper y la resistencia de frenado tienen que soportarinstantneamente la intensidad para una potencia de 300 kW.

A continuacin se calcula la potencia media de frenado.

Coste de la resistencia de frenado:El chopper de frenado necesario debe soportar una potenciamxima de frenado de 300 kW. Si el accionamiento tiene unafuncin de limitacin de potencia se puede dimensionar laresistencia de frenado segn los 150,3 kW. El coste adicionaldel chopper y la resistencia de frenado es de 4000 Euros.La resistencia de frenado necesita 0,4 m 2 de espacioadicional. El coste del espacio es de 500 Euros/m 2.

Debido a la reducida energa total de calefaccin y al uso delfrenado en caso de emergencia, el coste de la refrigeracinadicional se considera desdeable.

El coste total adicional de la inversin se compone de:

Chopper y resistencia de frenado en armario, 4000 Euros.Espacio de 0,4 m 2 * 500 Euros/m 2, 200 Euros.

El coste total de la energa perdida durante un frenado es:

En este caso el coste de la energa de frenado es desdeable.

Coste del accionamiento en cuatro cuadrantes:El coste adicional de la inversin en un frenado elctrico conpuente de tiristores antiparalelo comparado con unaccionamiento con chopper de frenado es de 7000 Euros.Tal como caba esperar, el ahorro de energa no puede usarsecomo argumento para justificar la inversin adicional.


(4.3)

(4.4)

(4.5)

(4.6)


27/32


,Coste = 2,4 (h/d a Euros/kWh Euros(


Caso 2 - Aplicacin en gras

Imaginemos la siguiente aplicacin:Gra con una potencia de elevacin de 100 kW. La granecesita plena potencia tanto en el motor como en elgenerador. El tiempo de funcionamiento de la elevacin mslargo puede ser de 3 minutos. El tiempo medio en serviciode la gra durante un ao es del 20%.

Coste del frenado por resistencia:El chopper y la resistencia de frenado tienen quedimensionarse para un frenado continuo de 100 kW debidoal tiempo mximo de frenado de 3 minutos. Normalmente,el dimensionado del chopper de frenado mximo se realizapara un tiempo de frenado de 1 minuto cada 10 minutos.

Chopper y resistencia de frenado en armario: 7800 Euros.

La construccin mecnica de la gra permite tener el chopperde frenado en armarios. No se necesita ms espacio.

Se supone que el 50% del tiempo de servicio la gra funcionaen el lado del generador, un promedio de 2,4 h/da. El costetotal de la energa desperdiciada es:

Coste del accionamiento en cuatro cuadrantes:Para gras se recomienda el accionamiento IGBT en cuatrocuadrantes.

El coste adicional de la inversin en el frenado elctrico conun puente de entrada IGBT en comparacin con elaccionamiento con chopper de frenado es de 4000 Euros.

El clculo de la amortizacin directa indica que con unainversin adicional de 4000 Euros se obtiene el mismo ahorrode energa durante el primer ao de uso.

Case 3 - Aplicacin en una centrfuga

Imaginemos la siguiente aplicacin:Centrfuga de azcar con motor de 6 polos y una potencianominal de 160 kW. El motor necesita todo el par duranteun perodo de 30 segundos para acelerar el cesto cargado

hasta una velocidad mxima de 1100 rpm, la centrfugasepara la solucin de la carga durante 30 segundos a altavelocidad. Una vez se seca la carga el motor decelera la

(4.7)


28/32


centrfuga tan rpido como le es posible para permitir sudescarga y recarga.En un ciclo por lotes los tiempos de carga, separacin ydescarga son fijos, con lo que la nica oportunidad deaumentar la produccin consiste en aumentar las velocidades

de aceleracin y deceleracin. Esto se consigue utilizandoun accionamiento IGBT en cuatro cuadrantes, ya que se puedeaplicar una sobretensin de enlace de CC para sufuncionamiento en el rango de frecuencia de inicio dedebilitamiento del campo (de 1000 a 1100 rpm). As se puedenahorrar unos 3 segundos por ciclo, con lo que se reduce eltiempo de ciclo de 110 segundos a 107 segundos. Ellopermite aumentar la produccin, lo que significa que semejora la productividad del proceso. La ventaja de precioque representa el IGBT es del 10%.



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Captulo 5 - Smbolos y definiciones

B: Coeficiente de rozamiento

C: Constante o coeficiente

CA: Corriente o tensin continua

CC: Corriente o tensin continua

cos : Coseno del ngulo elctrico entre la tensin y laintensidad fundamental

FP: Factor de Potencia, que se define como FP = P/S(potencia/voltamperio) = I

1/ I

s* FPD (Con una

intensidad sinusoidal, FP es igual al FPD).

FPD: Factor de Potencia de Desplazamiento, definido comocos 1; 1 es el ngulo de fase entre la intensidad defrecuencia fundamental usada por el equipo y elcomponente de frecuencia fundamental de la tensinde alimentacin.

I: Intensidad [en Amperios, A]

J: Inercia [kgm2

]n: Velocidad de rotacin [revoluciones por minuto,rpm]

P: Potencia [en Vatios, W]

T: Par (Newton metro, Nm)

t: Tiempo

THD: La Distorsin Armnica Total en la intensidad es:

donde I 1 es el valor efectivo de la intensidad dela frecuencia fundamental. La THD en tensin se puedecalcular de forma similar.

U: Tensin [V]

W: Energa [en Julios, J]

: Velocidad angular [radianes/segundo, 1/s]

(5.1)


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Captulo 6 - ndice

A

almacenamiento de energa 14,15

Bbombas 12

CCC comn 22, 23, 25centrfuga 27cintas transportadoras 12control de sobretensin 15control directo del par 13, 20cos 7, 18, 29chopper de frenado 11, 12, 15,16, 17, 23, 24, 25, 26, 27

Ddistorsin armnica 18, 29

Een cuatro cuadrantes 5en dos cuadrantes 5

en un cuadrante 5, 8, 21, 23

Ffrenado de flujo 13, 14frenado natural 10, 11, 12frenado por inyeccin de CC 13

Ggra 12, 27

I

IGBT 18, 19, 20, 21, 22, 24, 27,28impedancia 18, 20inercia 9, 10, 25, 29inversor 13, 15, 16, 19, 20, 23,25

Ppar constante 8, 12par cuadrtico 8, 12potencia de CA 7

potencia de CC 7

potencia de frenado 7, 11, 12,

13, 15, 17, 22, 23, 26puente de tiristores 17, 18, 26

Rrectificador 13, 14, 17, 22, 23rozamiento 8, 9, 12

Ssobredimensionado 12

U

unidad convertidora 19, 20

Vventiladores 12


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M A R C A D

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T A L

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D IC O

ABB Industria, S.A.Polgono Industrial del S.O.08192 - Sant Quirze del VallsBarcelonaEspaa

Telfono 93 728 8700Fax 93 712 4243Internet http://www.abb.com/motors&drives

C o p y r

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Documents

Technical Guide No 8 Es