VARIADOR DE FRECUENCIA ELECTRO-MECÁNICO.

Variador de frecuencia electro-mecánico, que se configura como un dispositivo (1) que comprende un eje (2) en el que se incorpora,

de forma concéntrica, un sistema de transmisión de energía para elementos rotativos con acometida de corriente, conformado por un primer grupo de escobillas (5) y anillos (4) rozantes, el cual está conectado a un distribuidor, conformado por un colector (7) con delgas incorporado también en el citado eje (2), el cual, al aplicársele energía eléctrica y hacerlo girar, hace que, mediante un segundo grupo de escobillas (9) previstas en dicho colector (7), las fases de corriente eléctrica entren en contacto con el motor simultáneamente, conmutando de forma alterna en dicho giro con las distintas conexiones del motor, de manera que se genera un campo electromagnético giratorio que mueve dicho motor a una velocidad o frecuencia directamente proporcional a la del giro del variador.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un variador de frecuencia electro-mecánico, aportando a la

función a que se destina importantes ventajas y características de novedad, que se explicarán en detalle más adelante y que suponen una destacable mejora frente a lo ya conocido.

Más en particular, el objeto de la invención se centra en un variador de frecuencia para motores eléctricos que presenta la innovadora particularidad de ser electro–mecánico ya que tiene la capacidad de variar la frecuencia de los motores girando sobre un eje las fases de corriente y conmutando de forma alterna en su giro con las distintas conexiones del motor.

CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca dentro del sector eléctrico, y su campo de aplicación abarca cualquier tipo de industria donde sea necesario el uso

de motores eléctricos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como es sabido, una pequeña parte de los equipos utilizados en la industria moderna funcionan a

velocidades variables, como por ejemplo los trenes laminadores, los mecanismos de elevación, las máquinasherramientas, etc. En dichos equipos se requiere un control preciso de la velocidad para lograr una

adecuada productividad, una buena terminación del producto elaborado, o garantizar la seguridad de personas y bienes.

El estudio de este fenómeno para cada caso

particular tiene una gran importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los motores y variadores a instalar para un servicio determinado, requieren el conocimiento de las particularidades de éste producto.

Actualmente, la regulación de velocidad puede realizarse por métodos mecánicos, como poleas o engranajes, o por medios eléctricos.

La máquina de inducción alimentada con corriente C.A., especialmente la que utiliza un rotor en jaula de ardilla, es el motor eléctrico más común en todo tipo de aplicaciones industriales y el que abarca un margen de potencias mayor. Pero no basta conectar un motor a la red para utilizarlo correctamente, sino que existen diversos elementos que contribuyen a garantizar un funcionamiento seguro del mismo.

La fase de arranque merece una especial

atención. El par debe ser el necesario para mover la carga con una aceleración adecuada hasta que se alcanza la velocidad de funcionamiento en régimen permanente, procurando que no aparezcan problemas eléctricos o mecánicos capaces de perjudicar al motor, a la instalación eléctrica o a los elementos que hay que mover.

El motor de corriente alterna, a pesar de ser un motor robusto, de poco mantenimiento, liviano e ideal para la mayoría de las aplicaciones industriales, tiene el inconveniente de ser un motor rígido en cuanto

a su velocidad. La velocidad del motor asincrónico depende de la forma constructiva del motor y de la frecuencia de alimentación. Como la frecuencia de alimentación que entregan las compañías de electricidad es constante, la velocidad de los motores asincrónicos es constante, salvo que se varíe el número de polos, el resbalamiento o la frecuencia.

Actualmente, el método más eficiente de controlar la velocidad de un motor eléctrico es por 15 medio de un variador electrónico de frecuencia. No se requieren motores especiales, y son mucho más eficientes que los métodos mecánicos, como poleas o engranajes, pero tienen unos precios muy elevados, lo que los hace inviables económicamente para la mayoría 20 de las aplicaciones, viéndose incrementada exponencialmente esta circunstancia a medida de que el motor a controlar sea más potente, es decir, que se requiera una mayor intensidad de corriente para su funcionamiento, convirtiéndose así en un elemento muy

necesario pero en realidad poco asequible.

El variador de frecuencia regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor, logrando modificar su velocidad, o lo que es lo mismo, son

dispositivos que permiten variar la velocidad y la acopla de los motores asíncronos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.

Se utilizan estos equipos cuando las necesidades de la aplicación sean:

- Dominio de par y la velocidad

- Regulación sin golpes mecánicos

- Movimientos complejos

- Mecánica delicada

El control de los motores eléctricos mediante conjuntos de conmutación “Todo o Nada”, es decir, sin variación de velocidad, es una solución bien adaptada para el accionamiento de una amplia gama de máquinas,

aproximadamente, más del 95% de los motores eléctricos instalados usan esta metodología, precisamente por la antes mencionada inviabilidad económica de los variadores electrónicos. No obstante, ello conlleva limitaciones que pueden resultar incomodas en ciertas aplicaciones.

El arranque de motores asíncronos provoca problemas como que:

-El pico de corriente en el arranque puede perturbar el funcionamiento de otros aparatos conectados a la red,

- Las sacudidas mecánicas que se producen durante los arranques y las paradas pueden ser inaceptables para la

máquina, así como para la seguridad y comodidad de los usuarios,

- Funcionamiento a velocidad constante.

Los arrancadores y variadores de velocidad

electrónicos eliminan estos inconvenientes. Adecuados para motores de corriente tanto alterna como continua, garantizan la aceleración y deceleración progresivas y permiten adaptar la velocidad a las condiciones de explotación de forma muy precisa. Según la clase del

motor, se emplean variados de tipo rectificador controlado, convertidor de frecuencia o regulador de

tensión.

Además, existen diversos factores a tener en cuenta a la hora de diseñar un sistema de regulación de velocidad.

a) Límites o gama de regulación. b) Progresividad o flexibilidad de regulación. c) Rentabilidad económica. d) Estabilidad de funcionamiento a una velocidad dada. e) Sentido de la regulación (aumento o disminución con respecto a la velocidad nominal) . f) Carga admisible a las diferentes velocidades. g) Tipo de carga (par constante, potencia constante, etcétera) . h) Condiciones de arranque y frenado.

I) Condiciones ambientales (temperatura, humedad, etc.) j) Tipo de motor (potencia, corriente, voltaje, etc.) . k) Rangos de funcionamiento (velocidad máx., mín.) l) Aplicación momo o multimotor. m) Consideraciones de la red (microinterrupciones,

fluctuaciones de tensión, armónicas, factor de potencia, corriente de línea disponible) .

Las Ventajas de la utilización de un variador de velocidad en el arranque de motores asíncronos son: 25 - La conexión del cableado es muy sencilla.

- Permite arranques suaves, progresivos y sin saltos.

- Controla la aceleración y el frenado progresivo.

- Limita la corriente de arranque.

-Permite el control de rampas de aceleración y 30 deceleración regulables en el tiempo.

- Consigue un ahorro de energía cuando el motor funcione parcialmente cargado, con acción directa sobre el factor de potencia

-Puede controlarse directamente a través de un 35 autómata o microprocesador.

- Se obtiene un mayor rendimiento del motor.

Por otra parte, los inconvenientes de la utilización de un variador de velocidad en el arranque de motores asíncronos son que:

- Es un sistema caro.

-Requiere estudio de las especificaciones del fabricante.

-Requiere un tiempo para realizar la programación.

Los variadores de frecuencia tienen sus principales aplicaciones en los siguientes tipos de máquinas:

• Transportadoras. Controlan y sincronizan la velocidad

de producción de acuerdo al tipo de producto que se transporta, para dosificar, para evitar ruidos y golpes en transporte de botellas y envases, para arrancar suavemente y evitar la caída del producto que se transporta, etc.

• Bombas y ventiladores centrífugos. Controlan el caudal, uso en sistemas de presión constante y volumen variable. En este caso se obtiene un gran ahorro de energía porque el consumo varía con el cubo de la

velocidad, o sea que para la mitad de la velocidad, el consumo es la octava parte de la nominal.

• Bombas de desplazamiento positivo. Control de caudal y dosificación con precisión, controlando la velocidad.

Por ejemplo en bombas de tornillo, bombas de engranajes. Para transporte de pulpa de fruta, pasta, concentrados mineros, aditivos químicos,...

1. VARIADOR DE FRECUENCIA ELECTRO-MECÁNICO, aplicable a motores eléctricos, trifásicos bifásicos o monofásicos, caracterizado porque se configura como un

dispositivo (1) que comprende un eje (2) en el que se

incorpora, de forma concéntrica, un sistema

transmisión de energía para elementos rotativos con

acometida de corriente, conectado a un distribuidor de frecuencia incorporado también en el citado eje (2) , el cual, al aplicársele energía eléctrica y hacerlo girar, hace que las fases de corriente eléctrica entren en contacto con el motor simultáneamente, conmutando de forma alterna en dicho giro, de manera que se genera un campo electromagnético giratorio que mueve dicho motor a una velocidad o frecuencia directamente proporcional a la del giro del variador.

2. VARIADOR DE FRECUENCIA ELECTRO-MECÁNICO, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de transmisión de energía para elementos rotativos lo conforman varios anillos (4) rozantes de cobre, tres para el caso de motores trifásicos y bifásicos y dos para el caso de motores monofásicos, que se disponen acoplados concéntricamente al eje (2) , los cuales están en contacto, de forma individual y aislada, a un primer grupo de escobillas (5) de carbón, tres escobillas (5) o dos, según el motor sea trifásico, bifásico o monofásico, que, a su vez, están conectadas a las respectivas fases de corriente eléctrica del motor, la cual ha sido previamente rectificada para obtener corriente continua; en que dichos anillos (4) , mediante cables (6) de conexión, alimentan individualmente al distribuidor que es circular con secciones aisladas independientes entre sí y que se halla incorporado concéntricamente al eje (2) .

3. VARIADOR DE FRECUENCIA ELECTRO-MECÁNICO, según la reivindicación 2, caracterizado porque el distribuidor de frecuencia consiste en un colector (7)

con delgas (8) de cobre, dispuestas con suficiente separación entre las mismas para evitar el arco voltaico, donde la conexión de los anillos (4) se realiza uniendo varias delgas por fase, y dejando delgas desconectadas intermedias como aislante entre fases, disponiéndose dichas delgas aislantes de forma simétrica, de tal forma que para motores trifásicos y bifásicos los grupos de delgas intermedias serán tres y se dispondrán a 120º entre ellas, y en el caso de motores monofásicos serán solo dos dispuesta a 180º.

1.

4. VARIADOR DE FRECUENCIA ELECTRO-MECÁNICO, según la reivindicación 3, caracterizado porque la transmisión de potencia al motor desde el colector (7) la proporciona un segundo grupo de escobillas (9)

también de carbón, que van conectadas en el colector

(7) dispuestas de forma que quedan conectadas al motor separadas entre sí de forma equidistante.