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Convertidores de frecuencia: retos y aplicaciones futuras La tecnología de los convertidores de frecuencia está madura en cuanto a su uso en el control de motores, pero la rápida evolución que han sufrido estos equipos en los últimos diez años ha hecho que su aplicación efectiva en algunas áreas esté todavía en proceso de estudio.

os convertidores de frecuencia son todavía una tecnología emergente empujada por la evolución de los componentes de electrónica de potencia y los microprocesadores. Con todo, ya se recurre a ellos en un amplio abanico de aplicaciones, como la robótica, los equipos de automatización, los vehículos eléctricos, los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, la propulsión de barcos y las turbinas eólicas, entre otras muchas aplicaciones [1]. El mercado mundial de convertidores de frecuencia está creciendo rápidamente. En algunas regiones se ha producido un crecimiento durante la última década de un 10% anual, doblando prácticamente su implantación al séptimo año. La tabla 1 muestra algunos valores de diferentes mercados (hay que tener en cuenta la relación entre el euro y el dólar para valorar el verdadero crecimiento del número de unidades vendidas en una zona en relación a las otras). Los principales responsables de este incremento de unidades vendidas son los componentes semiconductores que se utilizan actualmente en su fabricación, especialmente

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los IGBT de potencia y los microcontroladores/DSP/circuitos integrados de aplicación específica [2] [3]. Estos factores de diseño y construcción, unidos a la globalización económica y a la continua reducción de costes, ayudan a los convertidores de frecuencia a ser cada vez más competitivos y a que vayan ganando cuota de mercado en detrimento de otras tecnologías (accionamientos de velocidad fija, mecánicos, hidráulicos). La experiencia adquirida en la industria y los resultados de las últimas investigaciones indican que los convertidores de frecuencia destinados a aplicaciones industriales, de baja tensión y de potencia media (de 0,5 a 500 kW), sufrirán un fuerte desarrollo en la próxima década. Tendencias de desarrollo La tendencia general en el desarrollo de los convertidores de frecuencia, como de todo equipo industrial, es una reducción del precio, del volumen y del peso, mientras que el número de funciones está en continuo crecimiento. Es decir, el mercado exige la máxima relación entre funcionalidad y precio. Esto se está

Mercado

1991

2002

Crecimiento anual

Europa América del Norte Japón Resto del mundo Total

0,44 0,40 0,49 0,27 1,60

1,08 0,72 0,73 0,96 3,49

~ 7,7% ~ 5,0% ~ 3,4% ~ 11,1% ~ 6,7%

■ Tabla 1. Evolución del mercado mundial de convertidores de frecuencia (en billones de euros) para baja tensión hasta 160 kW.

consiguiendo en los convertidores de frecuencia gracias al uso de tarjetas de expansión con funcionalidades específicas que se pueden añadir al equipo según las necesidades y que permiten un elevado nivel de integración, a la vez que se aumenta la fiabilidad y se reducen los costes de fabricación. Las principales especificaciones que se les demanda, y a las que los fabricantes prestan mayor atención, abarcan los protocolos de comunicación estándar, el tipo de control y de motor, el comportamiento del eje y la interface hombre-máquina. No obstante, también es necesario tener en cuenta otros aspectos aparte de su coste, para mantener esta evolución de aumento de la cuota de mercado en la gama de potencias, como son robustez, fiabilidad, flexibilidad e integración. Todo esto muestra la complejidad de la tecnología de los convertidores de frecuencia de nueva generación. Sus requisitos, por la necesidad de controlar el motor para obtener el comportamiento deseado del eje y sus configuraciones se muestran en las figuras de la página siguiente. Como es bien sabido, la arquitectura de los convertidores estáticos de potencia industriales se compone de tres partes principales: rectificador, bus de corriente continua y ondulador. En la actualidad, la situación dominante para sistemas trifásicos en el rango de potencias de 0,5 a 500 kW es la de seis diodos en el rectificador y seis IGBT en el ondulador. En cambio, para sistemas monofásicos de potencias bajas es necesario un rec-

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Requisitos de los convertidores de frecuencia.

tificador activo (IGBT). Y tal como se anuncia en [2], en un futuro a corto plazo será difícil la aparición de un competidor del ondulador de 6 pulsos con IGBT. La tarea principal será el diseño y la optimización del circuito de potencia en cuanto a refrigeración, fiabilidad, compactación y, por supuesto, coste. Opcionalmente se puede añadir un filtro a la entrada del convertidor para reducir los niveles de armónicos a la entrada de acuerdo a los estándares mundiales, como la IEC-61003-2, porque la presencia de armónicos implica un aumento de la complejidad y del coste de las instalaciones eléctricas y sus elementos. Para ello, la norma citada anteriormente identifica como soluciones el uso de filtros pasivos y de circuitos de corrección del factor de potencia (PFC). En este punto también se debe considerar si el rectificador es pasivo (tiristores o diodos), con el que se puede obtener un nivel de armónicos aceptable, o si es activo (IGBT), con el que se mejora el comportamiento lineal y añade capacidad regenerativa, aunque el rendimiento resulta afectado. Estos inconvenientes de rendimiento y de necesidad de filtros adicionales podrían solucionarse de manera fácil y económica en el futuro si los convertidores de frecuencia utilizan configuraciones multipulso, es decir, disponiendo de transformadores decaladores para obtener 12 o 18 pulsos [6]. El motor controlado con convertidores con mayor implantación industrial es el de inducción. Una al-

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■

Diferentes configuraciones de los convertidores de frecuencia: montado en cuadro IP00/IP20 (arriba); descentralizado IP54 (medio); integrado IP54/IP65 (abajo).

ternativa a considerar son los motores síncronos de imanes permanentes, ya disponibles como estándares en Japón hasta los 300 kW. Los materiales magnéticos han experimentado durante la última década un espectacular aumento de densidad energética (kJ/m3) y si disminuye el coste de los materiales magnéticos de tierras raras este rango puede ampliarse. Sin embargo, para que el precio de estos motores también sea bajo para aplicaciones de propósito general, es necesario controlarlos en lazo abierto, lo que causa problemas de estabilidad y arranque. Actualmente se trabaja en mejorar los motores asíncronos en áreas como la eficiencia energética y en aplicaciones con inversión de sentido de giro. Esto hace que los motores asíncronos tengan un rendimiento ele-

vado para los niveles medios de potencia, por lo que el rango de potencias más prometedor económicamente para los motores de imán permanente está por debajo de los 10 kW. Aun así, las aplicaciones para las que son adecuados estos motores de imanes permanentes son muchas, desde los servoaccionamientos hasta los accionamientos directos para posicionamiento y para tracción. Entre las exigencias que se reclaman a los diseñadores de convertidores de frecuencia, y hacia la que éstos dirigen parte de sus esfuerzos, se encuentra el desarrollo de un software para que el control y la monitorización de los equipos, así como el resto de puntos de la interface entre el convertidor y el exterior, se desarrollen en el entorno más accesible y amigable posible.

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Valores típicos

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Control escalar con Control por vector Control vectorial compensación de tensión

Servoaccionamiento

Rango de velocidades 1:10 (lazo abierto) 1:25 (lazo abierto)

1:50 (lazo abierto) 1:10000 (lazo cerrado)1:10000 (lazo cerrado)

Error de velocidad estático

2%

1%

0%

0%

Tiempo de crecimiento No disponible del par

No disponible

10 ms

< 1 ms

< 1 ms

Tiempo de crecimiento > 100 ms de la velocidad

> 50 ms

> 20 ms

< 10 ms

< 10 ms

Par inicial de arranque Bajo

Medio

Alto

Alto

Alto

Precio

Muy bajo

Bajo

Medio

Alto

Alto

Aplicación típica

Bombas Ventiladores

Transportador

Empaquetadoras Grúas

Grúas Ascensores

Robótica

■

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Control escalar simple

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10%

Tabla 2. Visión general de diferentes esquemas de control para convertidores de frecuencia.

Se espera que los convertidores de frecuencia proporcionen un mayor control de la velocidad y del par para permitir una mayor y mejor automatización de cualquier tipo de aplicación industrial. La tabla 2 muestra cinco tipos de estrategias de control diferentes, sus diferentes características de funcionamiento y ejemplos de aplicación. Debido a la marcada tendencia a la disminución de costes, el control vectorial y los servoaccionamientos (motores síncronos de imanes permanentes con control vectorial) se convertirán en las opciones más interesantes desde el punto de vista de este sector. En aplicaciones sensibles al coste con accionamientos controlados por velocidad en lazo abierto, la disponibilidad de potentes procesadores de bajo coste para el control de motores permite el desarrollo de mejores métodos de control de velocidad y par. Y a nivel de control de aplicaciones avanzadas, los procesadores de coma flotante de bajo coste y de bajo consumo energético harían posible añadir muchas nuevas posibilidades a los accionamientos, que hasta ahora mayoritariamente sólo eran de interés académico, como el control de tolerancias a fallos, la estimación avanzada de variables de proceso, la capacidad para ejecutar módulos de programa en PC o incluso el control fuzzy si mereciera la pena. Otro punto a considerar es la tendencia en la industria a realizar ins-

talaciones descentralizadas, es decir, a instalar los equipos lo más próximos a la aplicación. Así, el convertidor se colocaría integrado en el motor o cerca de él, a fin de ahorrar espacio y reducir costes de instalación. La viabilidad de este hecho depende de si se pueden conectar directamente las diferentes unidades descentralizadas con un bus de comunicación y, a la vez, de dotarse de un índice de protección elevado (sobre todo en relación al agua) y soportar un mayor nivel de vibraciones. Esta robustez seguramente atraería la atención de otras aplicaciones no necesariamente industriales. Posibles desarrollos futuros En líneas generales, el mercado de los convertidores de frecuencia a corto plazo parece brillante. Todas las nuevas plantas y factorías están controladas informáticamente, por lo que son necesarios motores que se conecten a estas interfaces informáticas. Además, en una época como la actual, cuando el coste de los combustibles fósiles crece, aumentará la demanda de estos convertidores para el ahorro energético en aplicaciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Comunicaciones e interface convertidor-exterior El actual desarrollo hacia la comunicación digital vía serie continuará y esto quizás tendrá una influencia

significativa en las cuotas de mercado de los accionamientos eléctricos, en su diseño y en su funcionalidad. La capacidad de comunicación facilita el control y la monitorización, así como la integración en cualquier sistema. Y además puede incluir otras funcionalidades, como las de seguridad. Esta evolución es claramente favorable para los convertidores de frecuencia, porque desde su diseño se les ha dotado de capacidad de comunicación e interconexión con otros equipos y/o sistemas de una manera fácil. Motores electrónicos Si se integran un convertidor y un motor en un solo equipo se puede definir el concepto de motor electrónico (ver foto en página siguiente). Los motores actuales con convertidores de frecuencia [4] representan la primera generación de estos motores electrónicos, que normalmente sólo se utilizan como reguladores de velocidad. La mayoría de las aplicaciones industriales trabajan con motores eléctricos sin controles electrónicos (entre el 80 y 90%), por lo que a día de hoy representan una gran oportunidad para futuros desarrollos de estos motores denominados electrónicos, especialmente en el rango de potencias por debajo de 5-10 kW, no sólo por la capacidad de regular la velocidad del motor, sino también por otras características propias, como

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Algunas aplicaciones prácticas

■ Motor con convertidor integrado. (Fuente: Danfoss). una interface de comunicación integrada, hasta quizás wireless. El uso de motores electrónicos seguramente superará el coste propio del conjunto motor y convertidor, pero para los fabricantes supondrá un ahorro en costes importante en producción y logística, al disponer de un único motor con posibilidad de conexión a diferentes niveles de tensión y de frecuencia a la entrada, al disponer de velocidad y par variables a la salida y al integrar una interface de comunicación vía serie. Incluso también pueden sustituir a muchas de las soluciones de control usadas actualmente para alimentar los motores, como por ejemplo los arranques estrella-triángulo y los sistemas de inversión de giro. En aplicaciones con reductores, el uso de motores electrónicos puede reducir el número de transmisiones necesarias debido a la capacidad de variar la velocidad, disminuyendo así el número de piezas de recambio. También posibilitan reducir el número de motores distintos necesarios en una máquina o en una planta, pues un motor electrónico puede emular a un par de motores subdimensionados. Por ejemplo, el rango de potencia desde 0,55 hasta 3 kW puede ser cubierto por dos motores de 1,1 kW y 3 kW en lugar de seis. Además, la penalización en el rendimiento de un motor por sobredimensionamiento se puede eliminar con un control óptimo del convertidor. Aplicaciones Son muchas las aplicaciones que se pueden beneficiar de las funcionali-

Sistemas multibomba El control de la velocidad en sistemas de aumento de la presión es bien conocido desde hace tiempo para sistemas grandes, pero es ahora cuando aparece la necesidad en sistemas de menor tamaño, para mejorar el control de la presión y reducir el consumo energético de las bombas. En los sistemas multibomba modernos, se controlan en paralelo diferentes bombas con sus convertidores individuales para cubrir un amplio rango de condiciones. Si se añade un accionamiento integrado a cada bomba y se les intercomunica con un bus de comunicación serie puede obtenerse un sistema robusto. En algunos casos, el número de bombas puede reducirse, ya que la habilidad de controlar el flujo y/o la presión no está relacionada para nada con el número de bombas. De esta manera, la complejidad del sistema puede disminuir. Además, el sistema de control puede incluir funciones avanzadas de distribución de las horas de funcionamiento, funciones de fiabilidad y redundancia, entre otras. Lavadora con convertidor de frecuencia con conexión a diferentes valores de tensión El coste de lavar la ropa se ha reducido por 4 en los últimos 25 años. Aumentar el control del tambor es la llave para mejorar en el futuro el proceso de lavado a fin de ahorrar agua y, por lo tanto, energía para calentarla. La presencia del convertidor de frecuencia permite la conexión a diferentes niveles de tensión, por lo que se puede vender la misma lavadora en diferentes mercados con el mismo convertidor y motor trifásico (sin escobillas), simplificando así la logística, los stocks y el servicio. Y al mismo tiempo, optimiza el sistema motor y reduce el estrés del resto de accionamientos (correa, polea y tambor), por lo que el consumo energético puede reducirse. Incluso, mediante un accionamiento directo se puede prescindir de partes mecánicas como la correa y la polea. Turbocompresor hermético de alta velocidad [5]

El turbocompresor hermético de alta velocidad de la figura es un excelente ejemplo de lo que se puede conseguir combinando las tecnologías de los convertidores de frecuencia, los motores de alta velocidad y los turbocompresores en un diseño integrado. El compresor tiene poco peso y volumen debido a su alta velocidad de funcionamiento (18.000 a 48.000 rpm), además de todas las características ya mencionadas como el ahorro energético, el control de la potencia continuamente, conexión a diferentes valores de tensión y frecuencia, etc. El único inconveniente sería el coste de desarrollo, porque muchas partes deben diseñarse específicamente.

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tuaciones de baja carga.

Referencias [1] B.K. Bose (ed.). Power Electronics and Variable Frequency Drives. Technology and Applications. IEEE Press, ISBN 0-7803-1084-5, 1996. [2] P. Thøgersen, F. Blaabjerg. Adjustable Speed Drives in the Next Decade. Future Steps in Industry and Academia. Journal of Electric Power Components and Systems, Vol. 32, No. 1, 2004, pp. 13-32. [3] J. Mario Pacas. Future trends in motion control. PCIM Europe 12/2000, pp.18-21. [4] www.danfoss.com/drives Products Frequency Converter Motor. [5] www.turbocor.com Turbo compressor. [6] S. Hansen, P. Nielsen, F. Blaabjerg. Harmonic Cancellation by Mixing Non.linear single-phase and three-phase loads. IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 36, No. 1, 2000, pp. 152-159.

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dades ofrecidas por los convertidores de frecuencia. Entre las ventajas que éstos ofrecen se encuentran el ahorro energético, las funcionalidades adicionales, la reducción del coste de componentes, de sistemas y de la instalación eléctrica, tal como se describe a continuación. El ahorro energético se obtiene gracias al control de la velocidad basado en la demanda real, optimizando así los costes de operación. Además, el aumento de la eficiencia y la menor velocidad media pueden añadir beneficios secundarios, como una disminución del gradiente de temperatura del equipo y una menor emisión de ruido acústico. La posibilidad de añadir funcionalidades específicas permite diferenciar los equipos, a la vez que incorporar conocimientos e ideas a los equipos ya instalados. Muchas aplicaciones están actualmente restringidas a una velocidad fija de operación y pueden beneficiarse de las funcionalidades de los convertidores de frecuencia, como el control de la aceleración y la independencia de la velocidad y del par de la tensión y frecuencia de red. La reducción del coste de componentes se consigue por el uso más eficiente de los motores y de las máquinas (bombas, ventiladores, compresores, etc.), como resultado de alcanzar una velocidad máxima mayor al poder variar la frecuencia de salida del ondulador que los alimenta, y que también hace posible

utilizar motores de inducción trifásicos baratos, robustos y eficientes. La reducción del coste total de un sistema es substancial porque se disminuye la complejidad y el número de componentes, tanto en la parte eléctrica como en la mecánica. Se pueden reemplazar algunos componentes electromecánicos y mecánico-hidráulicos como contactores, temporizadores, válvulas, amortiguadores, etc., por las funcionalidades de control incluidas en los accionamientos. Las soluciones integradas, donde convertidor, motor y máquina (si es posible) están acoplados mecánicamente, tienen unas claras ventajas para accionamientos de baja potencia. El diseño para asegurar la compatibilidad electromagnética es más sencillo y barato, aunque es necesaria una carcasa más robusta (IP54/65). Estas soluciones integradas se usan, entre otras aplicaciones, en calefacción, ventilación y aire acondicionado para aumentar el control del proceso (control de la presión del aire), para las bombas de vacío para la fabricación de silicio, para el control de la velocidad de unidades de tratamiento de aire en explotaciones agropecuarias y para bombas de sistemas de circulación de fluidos, donde los convertidores de frecuencia pueden sustituir al tradicional sistema de válvulas y bombas, eliminando así la caída de presión de la válvula de control y minimizando las necesidades energéticas en si-

A modo de conclusiones La evolución de los convertidores de frecuencia la impulsan diferentes agentes. Dos de los principales factores son el potencial ahorro energético y el aumento del control del comportamiento del eje motor. En un futuro, también serán importantes la demanda global de equipos con capacidad de adaptarse a diferentes valores de tensión y de frecuencia; la reducción del número de motores y engranajes necesarios en una máquina o planta; la reducción del coste total, incluyendo operación, instalación, espacio necesario, mantenimiento y recambios; herramientas de programación potentes y amigables; la flexibilidad y posibilidad de añadir nuevas funcionalidades con tarjetas plug & play; y la comunicación a través de diferentes protocolos de comunicación. El tipo de motor más común continuará siendo el motor asíncrono estándar, pero en aplicaciones con cambio de sentido de giro, los motores asíncronos y los síncronos de imanes permanentes cobrarán mayor importancia, incluyendo las soluciones con motor y convertidor integrados. Para el rango de potencias bajas (de 2 a 10 kW), los motores de imanes permanentes puede que dominen la próxima década. Así que los fabricantes de convertidores de frecuencia tienen por delante una gran cantidad de retos. En potencias bajas es posible conseguir tanto un mejor comportamiento como un menor consumo de energía. El mercado de máquinas es enorme y en la próxima década se puede esperar un cambio tecnológico de los accionamientos de velocidad fija hacia los de velocidad regulable, pero sin obviar, como siempre, el coste. Frede Blaabjerg Roberto Villafáfila Paul Thoegersen Samuel Galceran CITCEA-UPC www.citcea.upc.edu www.iet.aau.dk

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