Technical guide no_8_es

Guía técnica nº 8

Frenado eléctrico

2 Guía técnica nº 8 - Frenado eléctrico

Índice general

1. Introducción ........................................................... 5

1.1 Concepto general .................................................... 5
1.2 Mapa de las aplicaciones de accionamientos
en función de la velocidad y el par ......................... 5

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

2.1 Principios generales del dimensionado del
frenado eléctrico ...................................................... 7
2.2 Conceptos básicos de descripción de cargas ....... 8
2.2.1 Par constante y par cuadrático ................... 8
2.2.2 Cómo evaluar el par y la potencia de frenado ....... 8
2.2.3 Resumen y conclusiones ............................. 12

3. Soluciones de frenado eléctrico
en accionamientos ................................................ 13

3.1 Frenado de flujo del motor ...................................... 13
3.2 Chopper de frenado y resistencia de frenado ........ 14
3.2.1 El almacenamiento de energía en el
convertidor de frecuencia ............................ 14
3.2.2 Principio del chopper de frenado ............... 15
3.3 Configuración antiparalela de los puentes
de tiristores .............................................................. 17
3.4 Configuración con puente IGBT .............................. 19
3.4.1 Principios generales de las unidades .........
de regeneración IGBT ................................. 19
3.4.2 Regeneración IGBT: objetivos de
regulación ..................................................... 19
3.4.3 Control directo del par en forma de
control directo de la potencia ..................... 20
3.4.4 Dimensionado de una unidad de
regeneración IGBT ....................................... 22
3.5 CC común ................................................................ 22

4. Evaluar el coste del ciclo de vida de distintos
frenados eléctricos .............................................. 24

4.1 Cómo calcular el coste directo de la energía ......... 24
4.2 Cómo evaluar el coste de la inversión .................... 24
4.3 Cómo calcular el coste del ciclo de vida ................ 25

5. Símbolos y definiciones ................................... 29

6. Índice ..................................................................... 30

Guía técnica nº 8 - Frenado eléctrico 3

Capítulo 1 - Introducción

1.1 Concepto En esta nueva guía técnica de ABB se describen las solu-
general ciones prácticas con las que se puede reducir la energía
almacenada y volverla a transformar en energía eléctrica. El
objetivo de esta guía consiste, asimismo, en dar orienta-
ciones prácticas para distintas soluciones de frenado.

1.2 Mapa de las Las aplicaciones de accionamientos se pueden dividir en
tres categorías principales en función de la velocidad y el
aplicaciones de par. La aplicación de accionamientos de CA más habitual es
accionamientos en un cuadrante, en la que la velocidad y el par siempre
en función de la tienen la misma dirección: el flujo de la potencia (velocidad
velocidad y el multiplicada por el par) va del inversor al proceso. En estas
aplicaciones, que suelen ser de bombas y ventiladores, el
par par de la carga tiene un comportamiento cuadrático, por lo
que se las suele llamar aplicaciones a par variable. Algunas
aplicaciones en un cuadrante como las extrusoras o las cintas
transportadoras son aplicaciones a par constante (el par de
la carga no tiene por qué cambiar al cambiar la velocidad).

La segunda categoría son las aplicaciones en dos cuadrantes,
en las que, sin que cambie la dirección de rotación, puede
cambiar la dirección del par (el flujo de potencia puede ir del
accionamiento al motor o viceversa). Un accionamiento en
un cuadrante puede serlo en dos, por ejemplo, al decelerar
un ventilador más rápido que de forma natural con las
pérdidas mecánicas. En muchas industrias, un paro de
emergencia puede precisar de un funcionamiento en dos
cuadrantes aunque el proceso sea en un cuadrante.

La tercera categoría son las aplicaciones en cuatro
cuadrantes en las que puede cambiar libremente la dirección
de la velocidad y el par. Las más típicas son ascensores,
cabrestantes y grúas, si bien muchos procesos de corte,
plegado, tejeduría y bancos de pruebas de motores pueden
necesitar que la velocidad y el par cambien repetidamente.
También cabe mencionar procesos en un cuadrante en los
que el flujo de potencia va principalmente de la maquinaria
al inversor, como una bobinadora o una cinta transportadora
descendente.

Por lo general, desde un punto de vista de ahorro de en-
ergía, un motor de CA con un inversor es mejor que los
métodos de control mecánico como el estrangulamiento. Sin
embargo, se presta menos atención al hecho de que mu-
chos procesos pueden contar con un flujo de la potencia del
proceso al accionamiento, aunque no se ha estudiado cómo
utilizar esta energía de frenado de la forma más económica.


Introducción

Deceleración Aceleración

Aceleración Deceleración

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


Capítulo 2 - Evaluar la potencia de frenado

2.1 Principios La evaluación de la necesidad de frenado empieza por la
generales del mecánica. Normalmente se tiene que frenar el sistema
mecánico en un tiempo concreto, o existen subciclos del
dimensionado proceso en los que el motor funciona en el generador a
del frenado velocidad constante o ligeramente variable.
eléctrico
Es importante destacar que los dispositivos empleados en
el frenado eléctrico se dimensionan en función de la potencia
de frenado. La potencia mecánica de frenado depende del
par y la velocidad de frenado, fórmula (2.1). Cuando mayor
sea la velocidad, mayor será la potencia. Esta potencia se
transmite a una tensión e intensidad determinadas. Cuanto
mayor sea la tensión, menos intensidad se necesita para
una misma potencia, fórmula (2.2). La intensidad es el
componente principal que define el coste en accionamientos
de CA de baja tensión.

En la fórmula (2.2) podemos observar la expresión cosφ.
Esta expresión define la intensidad del motor empleada para
magnetizar el motor. La intensidad de magnetización no crea
ningún par y, por tanto, se ignora.

Por otra parte, esta intensidad de magnetización del motor
no se toma de la fuente de alimentación de CA que alimenta
al convertidor (la intensidad al inversor es menor que la
intensidad al motor). Ello significa que, en la sección de
alimentación, cosφ suele ser aproximadamente 1,0. Cabe
destacar en la fórmula (2.2) que se ha supuesto que no se
produce ninguna pérdida cuando la potencia de CC se
convierte en potencia de CA. En esta conversión se producen
algunas pérdidas que se pueden ignorar en este contexto.

Mecánica
(2.1)

Eléctrica CC CC CA CA (2.2)


Evaluación de la potencia de frenado

2.2 Conceptos Las cargas se suelen clasificar en cargas a par constante o
básicos de a par cuadrático. Una carga a par cuadrático significa que el
par de la carga es proporcional al cuadrado de la velocidad.
descripción de También significa que la potencia es la velocidad elevada al
cargas cubo. En las aplicaciones a par constante, la potencia es
directamente proporcional a la velocidad.

2.2.1 Par Par constante:
constante y par
C: constante
cuadrático
Carga (2.3)

Carga
(2.4)

Par cuadrático:

Carga
(2.5)

Carga
(2.6)

2.2.2 Cómo En caso de funcionamiento en régimen permanente (α (ace-
leración angular) = cero) el par del motor tiene que hacer que
evaluar el par y el par de rozamiento corresponda proporcionalmente a la
la potencia de velocidad angular y al par de la carga a esa velocidad angu-
frenado lar. El par y la potencia de frenado necesarios en función del
tiempo varía mucho en estos dos tipos distintos de carga.

Motor Carga (2.7)

Estudiemos primero el caso en que la carga es a par constante
y el sistema de accionamiento no puede generar el par de
frenado (accionamiento con funcionamiento en un cuadrante).
Para calcular el tiempo de frenado necesario se puede aplicar
la siguiente ecuación. Hay que fijarse en que la fórmula (2.7)
destaca que el par necesario para la aceleración (o
deceleración) inercial, el par de rozamiento y carga está en
dirección opuesta al par del motor.

Carga
(2.8)

En la práctica es difícil definir exactamente el efecto del
rozamiento. Al asumir que el rozamiento es igual a cero, el
margen de error en el tiempo calculado es inexistente.



Potencia [10 * kW], Tiempo [s], Par [100 * Nm]
Curva de frenado natural con carga constante

Tiempo acumulativo
Potencia de frenado
natural [kW] *10
Par de frenado
natural [Nm] * 100

Velocidad [rpm]
Figura 2.1 Tiempo de frenado acumulativo, potencia y par de
frenado en función de la velocidad.

Arranque Final
) _
(nArranque n Final )
=
Carga
(2.9)
Para despejar t se deriva la fórmula:
_
nArranque n Final) (2.10)
TCarga
Suponiendo que la inercia de la carga sea de 60 kgm2 y que
el par de la carga sea de 800 Nm en todo el rango de
velocidades, con una carga a 1000 rpm y el par del motor
puesto a cero, la carga pasa a velocidad cero en el tiempo:
_
(nArranque n Final)
,
Carga (2.11)
Esto es así en las aplicaciones en las que el par de la carga
es constante al empezar el frenado. Cuando desaparece el
par de la carga (por ej., al romperse una cinta transportadora)
aunque no cambie la energía cinética de la mecánica, el par
de la carga que deceleraría la mecánica no está activo. En
tal caso, si el motor no está frenando, la velocidad sólo
disminuirá como resultado del rozamiento mecánico.

Supongamos ahora que tenemos la misma inercia y el mismo
par de la carga a 1000 rpm, pero que el par de la carga
cambia de forma cuadrática. Si el par del motor se fuerza
a cero, el par de la carga disminuye en proporción cuadrática
a la velocidad. Si el tiempo de frenado acumulativo se
presenta en función de la velocidad, vemos que el tiempo
de frenado natural a la velocidad más baja (de 200 rpm a
100 rpm) aumenta de forma considerable en comparación
con el cambio de velocidad de 1000 rpm a 900 rpm.



Potencia [10 * kW], Tiempo [s], Par [100 * Nm]
Curva de frenado natural con carga cuadrática

Potencia de fre-
nado [kW] * 10
Par de frenado
[Nm] * 100

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

Se puede trazar fácilmente una curva de frenado natural
partiendo de la potencia y la velocidad en el punto nominal
aplicando las fórmulas (2.5) y (2.6).

Curva de frenado natural con carga cuadrática
Tiempo [s]

Tiempo de frenado

Velocidad [rpm]

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 sistema
mecánico frene en un tiempo determinado a partir de una
velocidad concreta.

El ventilador de 90 kW tiene una inercia de 60 kgm2. El punto
de funcionamiento nominal del ventilador es 1000 rpm. El
ventilador se tiene que parar en 20 segundos. El efecto de
frenado natural provocado por las características de la carga
es el máximo al principio del frenado. La energía máxima de
la inercia se puede calcular con la fórmula (2.12). La potencia
media de frenado se puede calcular dividiendo esta energía
de frenado por el tiempo. Este valor es, por supuesto, muy
conservador debido a que no se tienen en cuenta las
características de carga del ventilador.



(2.12)

, (2.13)

Cuando se dimensiona el chopper de frenado para este valor
de 16,4 kW y la capacidad de frenado del motor a una
velocidad mayor es muy superior a 16,4 kW, el accionamiento
debe incorporar una función de supervisión para obtener la
máxima potencia de regeneración, función disponible en
algunos accionamientos.

Si se desea optimizar el dimensionado del chopper de
frenado para un tiempo de frenado concreto se puede
empezar observando la figura (2.3). La velocidad pasa
rápidamente de 1000 a 500 rpm sin frenado adicional. El
efecto de frenado natural es el máximo al principio del
frenado, lo que indica claramente que no hace falta empezar
a frenar el motor con esta potencia de 16 kW. Tal como puede
verse en la figura (2.3), la velocidad pasa de 1000 rpm a 500
rpm sin frenado adicional en menos de 10 segundos. En
este punto temporal el par de la carga sólo es el 25% del
nominal y la energía cinética que conserva el ventilador
también es sólo el 25% de la energía a 1000 rpm. Si se repite
a 500 rpm el cálculo realizado a 1000 rpm, puede verse que
la potencia de frenado para una deceleración de 500 rpm a
0 rpm es aproximadamente igual a 8 kW. Tal como se ha
dicho en cálculos anteriores, este valor también es
conservador porque no se tiene en cuenta la curva de frenado
natural provocada por las características de la carga.

En resumen, se consigue sin problemas un tiempo de
deceleración de 20 segundos de 1000 rpm a 0 rpm con un
chopper y una resistencia de frenado dimensionados para
8,2 kW. Fijando el límite de la potencia regenerativa del
accionamiento a 8,2 kW se fija el nivel de la potencia de
frenado a un nivel adecuado.

(2.14)

, (2.15)



2.2.3 Resumen Existen dos tipos básicos de carga: a par constante y a par
y conclusiones cuadrático.

Aplicación a par constante:

La característica del par de la carga no depende de la
velocidad. El par de la carga es aproximadamente el mismo
en todo el rango completo de velocidades.
La potencia aumenta linealmente a medida que aumenta
la velocidad y viceversa.
Aplicaciones a par constante típicas: grúas y cintas
transportadoras.

Aplicación a par cuadrático:

El par de la carga es proporcional al cuadrado de la
velocidad.
Cuando aumenta la velocidad, la potencia es igual a la
velocidad al cubo.
Aplicaciones a par cuadrático típicas: ventiladores y
bombas.

Evaluación de la potencia de frenado:

Las características de carga cuadrática significan una
deceleración natural rápida entre el 50-100% de las
velocidades nominales, lo que debe utilizarse al
dimensionar la potencia de frenado necesaria.
El par de la carga cuadrático significa que a velocidades
bajas la deceleración natural se debe principalmente al
rozamiento.
La característica del par de la carga constante es una
deceleración natural constante.
La potencia de frenado depende del par y la velocidad al
punto de funcionamiento concreto. Dimensionar el chopper
de frenado basándose en la potencia máxima 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 frenado
el efecto de frenado natural es reducido, lo que influye en
el dimensionado del chopper de frenado.


Capítulo 3 - Soluciones de frenado
eléctrico en accionamientos

Los accionamientos de CA modernos constan de un rectifi-
cador de entrada que convierte la tensión de CA en tensión
de CC que se almacena en condensadores de CC. El inver-
sor convierte a su vez la tensión de CC en tensión de CA
alimentando al motor de CA a la frecuencia deseada. La
potencia de proceso necesaria fluye a través del rectificador,
de las barras de CC y el inversor hacia el motor. La cantidad
de energía almacenada en los condensadores de CC es muy
pequeña en comparación con la potencia necesaria, es decir,
el rectificador tiene que dar constantemente la potencia que
necesita el motor más las pérdidas del sistema de
accionamiento.

3.1 Frenado de El frenado de flujo es un método que se basa en las pérdidas
flujo del motor del motor. Cuando se necesita frenado en el sistema de
accionamiento, aumenta el flujo del motor y, asimismo, el
componente de intensidad de magnetización empleado en
el motor. Se puede controlar fácilmente el flujo mediante el
principio de control directo del par (si se desea más
información sobre el DTC véase la Guía técnica nº 1). Con el
DTC se controla directamente el inversor para obtener el
par y el flujo del motor deseados. Durante el frenado de
flujo el motor está bajo control DTC, lo que asegura que se
pueda frenar según la rampa de velocidad especificada. Este
concepto es muy distinto al freno por inyección de CC que
suele utilizarse en accionamientos. En el método por
inyección de CC se inyecta intensidad de CC al motor para
que se pierda el control del flujo del motor durante el frenado.
El método de frenado de flujo con DTC permite que el motor
pase rápidamente de frenar a actuar como motor cuando se
necesite.

En el frenado de flujo el aumento de la intensidad significa
un aumento de las pérdidas en el motor. La potencia de fre-
nado también aumenta aunque no aumente la potencia de
frenado aplicada al convertidor de frecuencia. El aumento
de la intensidad genera un aumento de las pérdidas en las
resistencias del motor. Cuando mayor sea la resistencia,
mayor será la disipación de la energía de frenado en el mo-
tor. Normalmente, en motores de baja potencia (menos de
5 kW) la resistencia del motor es relativamente grande en
relación con la intensidad nominal del motor. Cuanto mayor
sea la potencia o la tensión del motor, menor será la resis-
tencia del motor en relación con la intensidad del motor.
Dicho de otro modo, el frenado de flujo alcanza su máxima
eficacia en un motor de baja potencia.


Soluciones de frenado eléctrico en accionamientos

Par de frenado (%)

Sin frenado de flujo

Potencia nom. motor
, Frenado de flujo

Figura 3.1 Porcentaje de par de frenado del motor del par nominal
en función de la frecuencia de salida.

Principales ventajas del frenado de flujo:

Con el método de control DTC no se necesitan componentes
ni costes adicionales.
El motor se controla durante el frenado, a diferencia del
freno por inyección de CC que se suele usar en
convertidores.

Principales desventajas del frenado de flujo:

Mayor tensión térmica en el motor si se repite el frenado
durante períodos breves.
La potencia de frenado está limitada por las características
del motor, como por ejemplo la resistencia.
El frenado de flujo es útil principalmente en motores de
baja potencia.
3.2 Chopper de En los accionamientos estándar el rectificador suele ser un
frenado y rectificador de diodos de 6 pulsos o 12 pulsos que sólo
puede suministrar alimentación desde la red de CA a las
resistencia de barras de CC, pero no al revés. Si cambia el flujo de la
frenado potencia como ocurre en las aplicaciones en dos o cuatro
cuadrantes, la potencia suministrada por el proceso carga
3.2.1 El los condensadores de CC siguiendo la fórmula (3.1) y
almacenamiento empieza a aumentar la tensión de bus de CC. La capacitancia
de energía en el C esproduce relativamente bajo en un accionamiento deque
un valor CA
que un rápido aumento de la tensión, tensión
convertidor de sólo pueden soportar los componentes de un convertidor
frecuencia de frecuencia hasta un nivel determinado.



(3.1)

(3.2)

Se puede impedir un aumento excesivo de la tensión de bus
de CC de dos formas: el inversor impide el flujo de potencia
del proceso al convertidor de frecuencia. Ello se consigue
limitando el par de frenado para mantener una tensión de
bus de CC constante. Esta operación se denomina control
de sobretensión y es una prestación estándar de la mayoría
de accionamientos modernos. Sin embargo, ello significa
que el perfil de frenado de la maquinaria no se realiza según
la rampa de velocidad especificada por el usuario.

La capacidad de almacenamiento de energía del inversor
suele ser muy poca. Por ejemplo, en un accionamiento de
90 kW la capacitancia suele ser de 5 mF. Si el accionamiento
recibe alimentación de 400 V CA, las barras de CC tienen
1,35 * 400 = 565 V CC. Suponiendo que los condensadores
puedan soportar un máximo de 735 V CC, el tiempo en que
se puede alimentar una potencia nominal de 90 kW al
condensador de CC puede calcularse del siguiente modo:

(3.3)

Este rango de valores se aplica por lo general a todos los
accionamientos de CA de baja tensión modernos con
independencia de su potencia nominal. En la práctica ello
significa que el regulador de sobretensión y su regulador
'bestia de carga' del par del motor de CA tiene que ser muy
rápido. También la activación de la regeneración o del
chopper de frenado tiene que ser muy rápida cuando se usa
al configurar el accionamiento.

3.2.2 Principio La otra posibilidad de limitar la tensión de bus de CC consiste
del chopper de en dirigir la energía de frenado hacia una resistencia a través
de un chopper de frenado. El chopper de frenado es un
frenado conmutador eléctrico que conecta la tensión de bus de CC a
una resistencia en la que la energía de frenado se transforma
en calor. Los choppers de frenado se activan
automáticamente cuando la tensión de bus de CC actual
supera un nivel determinado según la tensión nominal del
inversor.



UDC+ R+
V1

C1
Circuito R-
de
control

UDC-

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

Principales ventajas de la solución con el chopper y la
resistencia de frenado:

Construcción eléctrica sencilla y tecnología bien conocida.
Inversión básica baja en el chopper y la resistencia.
El chopper funciona aunque se pierda la alimentación de
CA. Puede resultar necesario el frenado ante un fallo
momentáneo de la red principal, como por ejemplo en
ascensores u otras aplicaciones de alta seguridad.

Principales desventajas del chopper y la resistencia de
frenado:

Se pierde la energía de frenado si no se puede utilizar el
aire calentado.
El chopper y las resistencias necesitan más espacio.
Puede necesitarse una mayor inversión en el sistema de
recuperación de la refrigeración y calefacción.
Los choppers de frenado se suelen dimensionar para un
ciclo concreto, por ejemplo, 100% potencia 1/10 minutos,
para tiempos de frenado más largos se necesita un
dimensionado más exacto del chopper de frenado.
Mayor riesgo de incendios debido al calentamiento de las
resistencias y a la posible presencia de polvo y
componentes químicos en el ambiente.
La mayor tensión de bus de CC durante el frenado causa
un mayor esfuerzo eléctrico al aislamiento del motor.

Cuándo se debe aplicar un chopper de frenado:

El ciclo de frenado se necesita sólo de vez en cuando.
La cantidad de energía de frenado en relación con la energía
de actuación como motor es extremadamente pequeña.
El frenado se necesita durante un fallo momentáneo de la
red principal.



Cuándo hay que plantearse otras soluciones distintas a un
chopper y una resistencia de frenado:

Frenado continuo o repetido a intervalos regulares.
La cantidad total de energía de frenado es elevada en
relación con la energía de actuación como motor necesaria.
La potencia de frenado instantáneo es alta, por ejemplo,
varios centenares de kW durante varios minutos.
El aire ambiente incorpora cantidades importantes de
polvo u otros componentes potencialmente combustibles,
explosivos o metálicos.

3.3 Configura- En un convertidor de frecuencia, los puentes rectificadores
de diodos se pueden sustituir por los dos rectificadores
ción antiparalela controlados por tiristores en antifase. Esta configuración
de los puentes permite cambiar el puente rectificador según el flujo de
de tiristores potencia que se necesite en el proceso.

Los principales componentes de la unidad de alimentación
por tiristores son dos puentes de tiristores de 6 pulsos. El
puente directo convierte la alimentación trifásica de CA en
CC. Suministra alimentación a los convertidores (inversores)
mediante el circuito intermedio. El puente inverso convierte
la CC en CA cuando se necesita desviar el poder de frenado
del motor sobrante a la red de alimentación.

Directo Inverso

3 Ucc

L

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

Sólo funciona uno de los puentes mientras el otro está
bloqueado. El ángulo de disparo del tiristor se controla
constantemente para mantener la tensión del circuito
intermedio al nivel deseado. La selección del puente directo/
inverso y el control de la tensión del circuito intermedio se
basan en la determinación de la intensidad de alimentación,
la tensión de alimentación y la tensión del circuito intermedio.
La reactancia de CC filtra las crestas de intensidad del circuito
intermedio.



Principales ventajas del puente de tiristores antiparalelo:

Solución bien conocida.
Inversión menor a la necesaria con una solución IGBT.
La tensión de CC se puede regular a un valor inferior que
la red, lo que en algunas aplicaciones especiales puede
ser ventajoso.

Principales desventajas del puente de tiristores antiparalelo:

La tensión de bus de CC siempre es inferior a la tensión de
alimentación de CA para mantener un margen de
conmutación. De este modo, la tensión alimentada al motor
es más baja que la CA de entrada. Sin embargo, esto se
puede solucionar utilizando un autotransformador
elevador en la alimentación.
Si la CA de alimentación desaparece se corre el riesgo de
que se fundan los fusibles debido al fallo de conmutación
de los tiristores.
Cosφ varía con la carga.
La distorsión armónica total es más alta que en las unidades
IGBT regenerativas.
La distorsión de la intensidad fluye a través de otras
impedancias de la red y puede provocar una distorsión de
la tensión no deseada en otros dispositivos alimentados
desde el punto donde existe la distorsión de tensión.
No se dispone de capacidad de frenado durante los
fallos momentáneos de la red principal.
Tensión / V, Intensidad / A

Tensión de fase
sinusoidal
Tensión de fase no
sinusoidal
Intensidad de red

Tiempo / ms

Figura 3.4. Ejemplo de ondas de tensión de intensidad y tensión de
un puente antiparalelo durante el frenado.



3.4 Configura- La regeneración IGBT se basa en los mismos principios que
la transmisión de energía en una red de distribución de
ción con puente energía. En una red de distribución de energía se conectan
IGBT entre sí varios generadores y puntos de carga. Se puede
suponer que en el punto de conexión la red de distribución
de energía es un generador síncrono de gran tamaño con
3.4.1 Principios una frecuencia fija. El puente IGBT de entrada del
accionamiento (más tarde la unidad convertidora) se puede
generales de considerar otro sistema de tensión de CA conectado a través
las unidades de de una reactancia al generador. El principio de la transmisión
regeneración de energía entre dos sistemas de CA con una tensión U y
IGBT conectados entre sí se puede calcular con la fórmula (3.4).

ULinea *U Rec (3.4)
=

La fórmula indica que para transmitir la energía entre estos
dos sistemas tiene que existir una diferencia de fase en el
ángulo entre las tensiones de los dos sistemas de CA. Para
controlar el flujo de la energía entre los dos sistemas se
tiene que controlar el ángulo.

Unidad generadora Unidad generadora

,

,

,

,

,

,

,
Orden de los armónicos

Figura 3.5. Onda de tensión de la intensidad de red y armónicos
típicos de una unidad generadora IGBT.

3.4.2 Regenera- En las unidades de regeneración IGBT existen tres objetivos
ción IGBT: de regulación generales. El primero consiste en mantener
estable la tensión de bus de CC con independencia del valor
objetivos de absoluto y la dirección del flujo de la potencia. Así se asegura
regulación que los inversores que alimentan motores de CA puedan
funcionar óptimamente independientemente del punto de
funcionamiento gracias a una tensión de bus de CC estable.
La tensión de bus de CC es estable cuando el flujo de potencia
hacia las barras de CC es igual al de salida de éstas. Esta
regulación del flujo de potencia se consigue regulando el
ángulo de potencia entre los dos sistemas de CA.



Escalón de carga

Potencia / kW, Tensión / 10 * V
Tensión de CC
Potencia

Tiempo / ms

Figura 3.6. Cambio rápido de funcionamiento regenerativo a motor.
La tensión de bus de CC es muy estable durante esta transición.
El segundo objetivo de regulación consiste en minimizar la
intensidad de alimentación necesaria (funcionar a cosϕ = 1,0),
lo que se consigue regulando la tensión de salida de la unidad
convertidora. En algunas aplicaciones se desea que la unidad
convertidora IGBT también funcione a modo de carga
inductiva o capacitativa.

El tercer objetivo de regulación es minimizar el contenido de
armónicos de la intensidad de alimentación. Los principales
criterios de diseño en este caso son el valor de la reactancia
y que el método de regulación sea adecuado.

3.4.3 Control El control directo del par (DTC) es una forma de regular un
directo del par motor de CA alimentado por un inversor. El principio del
control activa y desactiva los conmutadores IGBT
en forma de directamente a partir de la diferencia entre el par actual del
control directo motor de CA y el par de referencia del usuario (Guía técnica
de la potencia nº 1). El mismo principio se aplica a una unidad convertidora
que regula el flujo de potencia desde la red de alimentación
al accionamiento y viceversa. La potencia se multiplica por
el par por la frecuencia angular, que es constante en la red:
controlar el par significa controlar el flujo de potencia.

(3.5)

Par_REF Par directo y flujo ASICS
Flujo_REF Control de histéresis
Par_BITS
Histéresis Flujo_BITS Lógica de S1, S2, S3
Control_BITS conmuta-
ción óptima
Flujo_ACT Par_ACT

Modelo de transmi- Tensión CC
sión de potencia
S1, S2, S3
L
Calcular los
valores actuales
Intensidad
Control tensión de CC

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



El método de control DTC con la tecnología IGBT contribuye
a que se generen pocos armónicos. Por ello, la unidad de
alimentación IGBT puede sustituir a las configuraciones de
alimentación de 12 pulsos o 18 pulsos en un cuadrante que
se suelen utilizar para reducir los armónicos en la sección
de alimentación. Una unidad de alimentación IGBT también
es una solución, por tanto, en aquellos casos en los que el
mayor problema son los armónicos y no cómo canalizar la
energía de frenado.

Principales ventajas de una unidad de regeneración IGBT:

Pocos armónicos en la alimentación tanto en actuación
como motor como en regeneración.
Dinámica alta durante los cambios rápidos de flujo en la
sección de carga.
Posiblidad de aumentar la tensión de CC más que la
alimentación de CA de entrada, lo que puede usarse para
compensar una red débil o aumentar la capacidad de par
máximo del motor en la frecuencia de inicio de
debilitamiento del campo.
Compensación total de las caídas de tensión del sistema
gracias a la posibilidad de sobrepar de la tensión.
Posibilidad de regular el factor de potencia.
Funcionamiento con cortes de la red con sincronización
automática a la rejilla.
La tensión de bus de CC tiene aproximadamente el mismo
valor durante la monitorización que durante el frenado. Sin
esfuerzos de tensión adicionales ni aislamiento del
bobinado del motor durante el frenado.
Tensión / V

Tensión CC actual
Tensión CC de refer.

Tiempo / ms

Figura 3.8. Posibilidad de sobrepar de la tensión de alimentación.



Principales desventajas de una unidad de regeneración IGBT:

Mayor coste de compra.
No se dispone de la capacidad de frenado durante fallos
momentáneos de la red principal.
Armónicos de la tensión de alta frecuencia debido a la
elevada frecuencia de conmutación. Estos componentes
de la tensión de varios kilohertzios pueden excitar a los
pequeños condensadores que se utilicen en otros
dispositivos eléctricos. Con un diseño y disposición
adecuados de los transformadores de alimentación de los
distintos dispositivos se evitan estos fenómenos.

Cuándo se debe utilizar una unidad de regeneración IGBT:

El frenado es continuo o se repite con regularidad.
El poder de frenado es muy alto.
Cuando se ahorra espacio es comparación con la solución
a base de resistencias de frenado.
Cuando los límites de los armónicos de red son cruciales.

3.4.4 Dimensio- Para dimensionar la unidad IGBT se parte de la potencia
necesaria. Supongamos que la potencia en el eje necesaria
nado de una durante la actuación como motor es de 130 kW y que la
unidad de potencia de frenado, de 100 kW. Para dimensionar la unidad
regeneración de alimentación IGBT se selecciona el valor máximo de
IGBT potencia de actuación como motor o de frenado, que en
este caso es de 130 kW. La tensión del motor es de 400 V. El
valor mínimo para la red de alimentación es de 370 V.

En este caso se puede usar el sobrepar de tensión: se
aumenta la tensión de bus de CC hasta una tensión de CA de
400 V. Sin embargo, la intensidad de alimentación necesaria
se calcula partiendo del nivel 370. Suponiendo que existen
pérdidas del 5% del sistema en el motor y el accionamiento,
la potencia total necesaria de la rejilla es de 136,5 kW. La
intensidad de alimentación se puede calcular con la fórmula:

,
Ient (3.6)
* Uent

La unidad de regeneración IGBT se selecciona partiendo
únicamente de la intensidad calculada.

3.5 CC común Cuando en un proceso hay varios accionamientos y un motor
necesita capacidad de frenado mientras los demás funcionan
como motor, la solución con barras de CC comunes es muy
eficaz para reaprovechar la energía mecánica. Un sistema
de accionamiento con barras de CC comunes consta de un
rectificador de alimentación aparte que convierte CA en CC,
e inversores que alimentan a motores de CA conectados a
las barras de CC comunes (las barras de CC son el canal



que desplaza la energía de frenado de un motor en beneficio
de los demás motores). En la figura (3.9) se indica la
configuración básica de las barras de CC comunes.

Etapa de alimentación Etapas de frenado Etapas de accionamiento

Unidad Unidad de Unidad de UInidad de Unidad de frenado (opcional)
de control entrada filtro sólo alimentación
auxiliar con alimen- DSU/TSU/
tación IGBT IGBT
Barras de CC comunes
ACU ICU FIU

Resistencia
Chopper
Unidad Inversor Inversor
24 V de alimen-
tación

CA

Figura 3.9. Configuración básica de las barras de CC comunes.

Principales ventajas de las barras de CC comunes:

Flujo de potencia fácil de equilibrar entre accionamientos.
Bajas pérdidas del sistema al convertir la energía de frenado
gracias a las barras de CC comunes.
Aunque la potencia de frenado instantáneo sea mayor que
la potencia de actuación como motor, no se tienen que
dimensionar el chopper y la resistencia de frenado para
obtener una plena potencia de frenado.
Si se necesita la potencia de frenado durante períodos
prolongados se pueden usar varios rectificadores.

Principales desventajas de la solución con barras de CC
comunes con un rectificador en un cuadrante:

La potencia instantánea de actuación como motor tiene
que ser mayor que o igual a la potencia de frenado.
Se necesitan el chopper y la resistencia de frenado si la
potencia de frenado instantáneo es mayor que la potencia
de actuación como motor.
Si hay pocos motores, el coste adicional de un inversor
dedicado que desconecte el dispositivo de las barras de
CC aumenta el coste de la inversión.

Cuándo utilizar la solución con barras de CC comunes con
un rectificador en un cuadrante:

El número de accionamientos es alto.
La potencia de actuación como motor siempre es más alta
que la potencia de frenado o sólo se necesita una potencia
de frenado baja para el chopper de frenado.


Capítulo 4 - Evaluar el coste del ciclo
de vida de distintos frenados eléctricos

Cada vez es más importante evaluar el coste del ciclo de
vida total al invertir en productos para ahorrar energía. El
accionamiento de CA se emplea para regular la velocidad y
el par. Esta función básica de los accionamientos de CA
significa ahorros en el consumo de energía en comparación
con otros métodos de control. En las aplicaciones de bombas
y ventiladores apenas se necesita el frenado. Sin embargo,
los accionamientos de CA modernos se utilizan cada vez
más en aplicaciones que necesitan frenado.

Antes hemos citado diversos criterios técnicos. A conti-
nuación se analizan los factores económicos de las distintas
opciones de frenado eléctrico.

4.1 Cómo El coste directo de la energía se puede calcular partiendo,
por ejemplo, del precio de la energía y del tiempo y la
calcular el coste potencia de frenado calculados por día. Si bien el precio de
directo de la la energía varía según los países, se puede aplicar un precio
energía aproximado de 0,05 euros por kilowatio-hora.
1 Euro ~ 1 USD. El coste anual de la energía se puede calcular
con la fórmula:

Coste = Ciclo Frenado (h/día) * Potencia media frenado (kW) *
Precio Energía (Euros/kWh) * 365
(4.1)

Por ejemplo, un accionamiento de 100 kW funciona 8000 horas
al año y frena con una potencia media de 50 kW durante
5 minutos cada hora, es decir, 667 horas al año. El coste
directo anual de la energía de frenado es de 1668 Euros.

4.2 Cómo Las inversiones necesarias para los distintos métodos de
evaluar el coste frenados varían. Deben evaluarse los siguientes componentes
del coste de la inversión.
de la inversión
Chopper de frenado:

El coste de la inversión adicional que representan el chopper
y la resistencia de frenado más el coste del espacio
adicional que se necesita para estos componentes.
El coste de la inversión en ventilación adicional necesaria
para el chopper de frenado.


Evaluar el coste del ciclo de vida de distintos frenados eléctricos

Frenado eléctrico por tiristores o IGBT:

Coste adicional de la inversión en el frenado regenerativo
IGBT o por tiristores en comparación con el mismo
accionamiento sin frenado eléctrico.

Barras de CC comunes:

Coste adicional de la inversión en el chopper y la resistencia
de frenado, incluyendo el espacio necesario para estos
componentes en una solución con barras de CC comunes.
Diferencia del coste de la inversión entre la solución con
barras de CC comunes y un único accionamiento.

4.3 Cómo El cálculo del coste del ciclo de vida apoya la decisión
calcular el coste puramente económica al realizar una inversión. El precio de
la energía y de los accionamientos varía según el país, la
del ciclo de vida compañía eléctrica, el tamaño de la empresa, los tipos de
interés, el tiempo durante el que se utiliza la inversión y la
situación macroeconómica global. Los valores absolutos de
los precios indicados en los siguientes ejemplos se usan
únicamente para ilustrar los principios del cálculo.

Caso 1 - Frenado de vez en cuando

Imaginemos la siguiente aplicación:
La potencia continua de actuación como motor es de
200 kW a una velocidad de eje de 1500 rpm. En caso de que
se emita un comando de paro de emergencia, la rampa tiene
que disminuir en 10 segundos. Partiendo de la experiencia
en el proceso, cada mes se activa un paro de emergencia.
La inercia J del sistema de accionamiento es de 122 kgm2.
Cuando se activa el paro de emergencia se puede pasar
por alto el par de la carga.

Cálculo del par de frenado necesario para el motor:

( ) (n _n )
Arranque Final Arranque Final

(4.2)

El par típico de un motor de 200 kW y 1500 rpm es de unos
1200 Nm. Un motor de CA normal regulado instantáneamente
por un inversor puede funcionar a un par igual a un 200%
del valor nominal. Para obtener pares más altos se necesita
una intensidad de motor propocionalmente más alta.



La potencia de frenado es la máxima al principio del ciclo de
frenado.

Fr, max
(4.3)

El chopper y la resistencia de frenado tienen que soportar
instantáneamente la intensidad para una potencia de 300 kW.
A continuación se calcula la potencia media de frenado.

(4.4)

, (4.5)

Coste de la resistencia de frenado:
El chopper de frenado necesario debe soportar una potencia
máxima de frenado de 300 kW. Si el accionamiento tiene una
función de limitación de potencia se puede dimensionar la
resistencia de frenado según los 150,3 kW. El coste adicional
del chopper y la resistencia de frenado es de 4000 Euros.
La resistencia de frenado necesita 0,4 m2 de espacio
adicional. El coste del espacio es de 500 Euros/m2.

Debido a la reducida energía total de calefacción y al uso del
frenado en caso de emergencia, el coste de la refrigeración
adicional se considera desdeñable.

El coste total adicional de la inversión se compone de:

Chopper y resistencia de frenado en armario, 4000 Euros.
Espacio de 0,4 m2 * 500 Euros/m2, 200 Euros.

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

Coste , Euros/kWh , Euros
(4.6)
En este caso el coste de la energía de frenado es desdeñable.

Coste del accionamiento en cuatro cuadrantes:
El coste adicional de la inversión en un frenado eléctrico con
puente de tiristores antiparalelo comparado con un
accionamiento con chopper de frenado es de 7000 Euros.
Tal como cabía esperar, el ahorro de energía no puede usarse
como argumento para justificar la inversión adicional.



Caso 2 - Aplicación en grúas

Grúa con una potencia de elevación de 100 kW. La grúa
necesita plena potencia tanto en el motor como en el
generador. El tiempo de funcionamiento de la elevación más
largo puede ser de 3 minutos. El tiempo medio en servicio
de la grúa durante un año es del 20%.

Coste del frenado por resistencia:
El chopper y la resistencia de frenado tienen que
dimensionarse para un frenado continuo de 100 kW debido
al tiempo máximo de frenado de 3 minutos. Normalmente,
el dimensionado del chopper de frenado máximo se realiza
para un tiempo de frenado de 1 minuto cada 10 minutos.

Chopper y resistencia de frenado en armario: 7800 Euros.

La construcción mecánica de la grúa permite tener el chopper
de frenado en armarios. No se necesita más espacio.

Se supone que el 50% del tiempo de servicio la grúa funciona
en el lado del generador, un promedio de 2,4 h/día. El coste
total de la energía desperdiciada es:

Coste = 2,4 (h/día , (Euros/kWh Euros
(4.7)

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

El coste adicional de la inversión en el frenado eléctrico con
un puente de entrada IGBT en comparación con el
accionamiento con chopper de frenado es de 4000 Euros.

El cálculo de la amortización directa indica que con una
inversión adicional de 4000 Euros se obtiene el mismo ahorro
de energía durante el primer año de uso.

Case 3 - Aplicación en una centrífuga

Centrífuga de azúcar con motor de 6 polos y una potencia
nominal de 160 kW. El motor necesita todo el par durante
un período de 30 segundos para acelerar el cesto cargado
hasta una velocidad máxima de 1100 rpm, la centrífuga
separa la solución de la carga durante 30 segundos a alta
velocidad. Una vez se seca la carga el motor decelera la



centrífuga tan rápido como le es posible para permitir su
descarga y recarga.
En un ciclo por lotes los tiempos de carga, separación y
descarga son fijos, con lo que la única oportunidad de
aumentar la producción consiste en aumentar las velocidades
de aceleración y deceleración. Esto se consigue utilizando
un accionamiento IGBT en cuatro cuadrantes, ya que se puede
aplicar una sobretensión de enlace de CC para su
funcionamiento en el rango de frecuencia de inicio de
debilitamiento del campo (de 1000 a 1100 rpm). Así se pueden
ahorrar unos 3 segundos por ciclo, con lo que se reduce el
tiempo de ciclo de 110 segundos a 107 segundos. Ello
permite aumentar la producción, lo que significa que se
mejora la productividad del proceso. La ventaja de precio
que representa el IGBT es del 10%.


Capítulo 5 - Símbolos y definiciones

B: Coeficiente de rozamiento

C: Constante o coeficiente

CA: Corriente o tensión continua

CC: Corriente o tensión continua

cosφ: Coseno del ángulo eléctrico entre la tensión y la
intensidad fundamental

FP: Factor de Potencia, que se define como FP = P/S
(potencia/voltamperio) = I1 / Is * FPD (Con una
intensidad sinusoidal, FP es igual al FPD).

FPD: Factor de Potencia de Desplazamiento, definido como
cosφ1; φ1 es el ángulo de fase entre la intensidad de
frecuencia fundamental usada por el equipo y el
componente de frecuencia fundamental de la tensión
de alimentación.

I: Intensidad [en Amperios, A]

J: Inercia [kgm2]

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

P: Potencia [en Vatios, W]

T: Par (Newton metro, Nm)

t: Tiempo

THD: La Distorsión Armónica Total en la intensidad es:

(5.1)

donde I1 es el valor efectivo de la intensidad de
la frecuencia fundamental. La THD en tensión se puede
calcular de forma similar.

U: Tensión [V]

W: Energía [en Julios, J]

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


Capítulo 6 - Índice

A potencia de frenado 7, 11, 12,
almacenamiento de energía 14, 13, 15, 17, 22, 23, 26
15 puente de tiristores 17, 18, 26

B R
bombas 12 rectificador 13, 14, 17, 22, 23
rozamiento 8, 9, 12
C
CC común 22, 23, 25 S
centrífuga 27 sobredimensionado 12
cintas transportadoras 12
control de sobretensión 15 U
control directo del par 13, 20 unidad convertidora 19, 20
cosφ 7, 18, 29
chopper de frenado 11, 12, 15, V
16, 17, 23, 24, 25, 26, 27 ventiladores 12

D
distorsión armónica 18, 29

E
en cuatro cuadrantes 5
en dos cuadrantes 5
en un cuadrante 5, 8, 21, 23

F
frenado de flujo 13, 14
frenado natural 10, 11, 12
frenado por inyección de CC 13

G
grúa 12, 27

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

P
par constante 8, 12
par cuadrático 8, 12
potencia de CA 7
potencia de CC 7


D IC O
ÓR
N

L
BIE N T A
AM
O
AD
M AR C

Copyright © ABB Automation Group Ltd, 2001 3BFE 64455575 R0106 Especificaciones sujetas a cambio sin previo aviso.
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