Arquitectura y funcionamiento de variadores de frecuencia en entornos industriales

Resumen

El documento describe la arquitectura de un variador de frecuencia: bloque de control, bloque de potencia con rectificador, bus de continua e IGBTs, y bloque intermedio. Explica también su integración con el PLC mediante bus de campo, los métodos de configuración y los criterios para elegir el tipo de control según la aplicación industrial.

Puntos clave

El bloque de control debe ejecutar sus tareas en menos de 100 µs, usando DSP o FPGA.
El bloque de potencia está formado por rectificador trifásico, bus de continua y puente inversor de IGBTs.
El frenado dinámico disipa la energía regenerada del motor en una resistencia mediante un IGBT para evitar sobretensiones.
El variador se comunica con el PLC por bus de campo, intercambiando bits de control y estado en ciclos de pocos milisegundos.
Los variadores permiten ahorro energético y prolongan la vida útil de los motores al trabajar a velocidades variables.
Según la aplicación: control escalar en procesos estándar, control vectorial para regular el par y servomotores Brushless para alta precisión.

Ponte a prueba

Hardware del variador

Bloque de control

Debe ejecutar los bloques de control en tiempos inferiores a 100 µs. Para ello, existen varias opciones:

Microprocesadores DSP: Diseñados específicamente para el cálculo.
FPGA (Field Programmable Gate Arrays): A diferencia de los procesadores, que ejecutan instrucciones de forma secuencial, las FPGA realizan operaciones en paralelo, logrando una mayor velocidad de procesamiento.

Bloque de potencia

Se compone de tres subbloques principales: el rectificador trifásico, el bus de continua y el puente inversor de conmutadores (IGBTs). Además, incluye elementos accesorios:

Choques de red eléctrica: Bobinas de conmutación de entrada que favorecen el amortiguamiento de los picos de corriente y el rizado de tensión.
Filtros EMC: Filtros híbridos basados en LC y filtros activos que reducen la distorsión armónica de la corriente de línea.
Choques de salida: Bobinas que reducen la variación de tensión del motor y las corrientes capacitivas en cables largos, permitiendo mayores distancias de cableado.
Funcionamiento del frenado dinámico: Cuando la velocidad del rotor supera la velocidad del campo magnético giratorio, el motor actúa como generador, provocando un aumento de tensión en el bus intermedio que puede generar sobretensiones peligrosas. La solución consiste en hacer circular la corriente a través de un IGBT y una resistencia de frenado para disipar la energía en forma de calor.

Bloque intermedio

Actúa como interfaz entre el bloque de control y el bloque de potencia.

Integración del variador en el sistema de control

El variador se integra con el PLC mediante su conexión a un bus de campo. A través de este, el PLC realiza las siguientes funciones:

Envío de datos: Bits de control (marcha, paro, etc.) y consignas de velocidad.
Recepción de datos: Bits de estado (alarmas, estados de funcionamiento, etc.) y valores de par y velocidad calculados en el variador.

Este intercambio de datos es cíclico y ocurre cada pocos milisegundos. Los parámetros de configuración del variador pueden ajustarse de forma local mediante:

Teclado y display con menú de usuario.
Puerto serie RS232.
Red Ethernet.

Conclusiones

El empleo de reguladores es necesario en procesos que requieren velocidades variables (líneas de envasado, empaquetado, tratamiento de materiales, etc.).
Beneficios: Prolonga la vida útil de los motores y permite un ahorro energético significativo al trabajar a velocidades inferiores.
Los arrancadores estáticos proporcionan rampas de arranque y parada con beneficios similares, pero no permiten obtener pares elevados a bajas frecuencias, salvo en el impulso inicial (boost).
Selección de control:
- Procesos industriales estándar: Control escalar.
- Necesidad de regular el par o mayor precisión: Control vectorial.
- Alta precisión y altas velocidades: Servomotores Brushless.
- Motores sumergidos o sin realimentación: Control vectorial sensorless (basado frecuentemente en filtros de Kalman).

Preguntas frecuentes

¿Qué función tiene el frenado dinámico en un variador?

Cuando el rotor supera la velocidad del campo giratorio, el motor actúa como generador y eleva la tensión del bus intermedio. El IGBT y la resistencia de frenado disipan esa energía en forma de calor.

¿Cómo se comunica el variador con el PLC?

Se conecta a un bus de campo. El PLC envía bits de control y consignas de velocidad, y recibe bits de estado y valores de par y velocidad, con un intercambio cíclico de pocos milisegundos.

¿Qué tipo de control elegir para alta precisión?

Para alta precisión y altas velocidades se recomiendan servomotores Brushless. Para regular el par o mayor precisión se indica el control vectorial.