Control de velocidad mediante variadores de frecuencia

Ã−ndice de contenidos
1 PRINCIPIOS DEL MOTOR A INDUCCIÃ N…………………………….. 1
2 PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD DE CA………………. 8
3 REGULACIÃ N DE LA VELOCIDAD DE UN MOTOR
ASÃ NCRONO POR VARIACIÃ N DE FRECUENCIA……………………..14
4 Regulación de la Velocidad de un motor
asÃ−ncrono con convertidor de frecuencia
de tiristores………………………………………………………………17
5 Control vectorial de motores asÃ−ncronos……………..21
6 Clasificación de los variadores de frecuencia……….23
7 beneficios de los variadores de velocidad……………..24
8 BibliografÃ−a…………………………………………………………….28
Control de Velocidad Mediante Variadores de frecuencia
Accionamientos Eléctricos
1 PRINCIPIOS DEL MOTOR A INDUCCIÃ N
1.1 CONSTRUCCIÃ N DEL MOTOR A INDUCCIÃ N JAULA DE ARDILLA
El rótor cilÃ−ndrico está conectado con un eje. Está sostenido dentro del estátor mediante rulemanes y
tapas en los extremos donde está libre para girar. El estátor y el rótor están construidos de acero
eléctrico (silicio) .
El rótor tiene barras conductivas intercaladas dentro del mismo, las cuales están eléctricamente
cortocircuitadas por anillos conductivos. Cuando son energizados por una fuente de tres fases, los bobinados
del estátor inducen una corriente en las barras del rótor. La interacción de campo magnético entre el
rótor y el estátor causa un par en el motor, (rotación) .
El extremo del eje del rótor es usualmente conectado a un ventilador, que cuando rota, envÃ−a aire de
enfriamiento sobre el exterior del motor, e internamente por delante del rótor.
Figura 1.2: Construcción del Estátor Figura 1.3: Bobinados de un Estátor de 2 Polos
1.2 BOBINADOS DEL ESTÓTOR
Como se puede ver en la figura 1.2. El estátor está construido de láminas de acero siliconado, y
ensamblado como un cilindro hueco dentro de una carcasa de aluminio o hierro de fundición. Un bobinado
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distribuido de tres fases está acomodado en ranuras sobre la circunferencia interna. Cada uno de los tres
bobinados de estátor tiene dos mitades, en lados opuestos del estátor. Los bobinados están dispuestos
separadamente a 120º uno del otro. Estos bobinados están descritos en la Figura 3.1. La sensibilidad de los
bobinados es tal que, cuando la corriente pasa a través de cada bobinado, un campo magnético es
inducido a través del rótor.
Cuando los tres bobinados son conectados a una fuente de tres fases, ya sea en configuración triángulo o
estrella, se puede mostrar que el campo magnético producido rota. La velocidad de rotación del campo
está relacionada directamente con la frecuencia de la tensión de la fuente. Esto es, una alimentación de 50
Hz causará una velocidad de rotación del campo de 50 rev/seg (3000 rpm). Esto es ilustrado en la Figura
1.4. Como se puede ver, el modelo de flujo producido tiene dos polos magnéticos (un Polo Norte y un Polo
Sur). AsÃ−, el motor es conocido como una máquina de dos polos.
Ahora ver la Figura 1.5. En este estátor, cada bobinado tiene cuatro secciones. Cada sección está
desplazada 90º de la otra. AsÃ−, cuando pasa una corriente a través de cada bobinado, se forman a
través del estátor dos campos magnéticos. De esta manera, cada bobinado tiene cuatro polos
(máquina de cuatro polos) el campo magnético rota a la mitad de la frecuencia de la alimentación. Por
lo que para una alimentación de 50 Hz, la velocidad de rotación del campo magnético es 25 rev/seg
(1500rpm).
De manera similar, un campo de estátor de seis polos rota a un tercio de la frecuencia de
alimentación,(1000 rpm para 50 Hz) y un campo de estátor de ocho polos rota a un cuarto de la frecuencia
de alimentación (750 rpm para 50 Hz).
1.3 ACCIÃ N DEL RÃ TOR
La Figura 1.6 muestra la construcción de un rótor jaula de ardilla. Este está plagado de láminas de acero
siliconado. Las muescas en la circunferencia de cada lámina están alineadas para formar ranuras dentro de
las cuales se encuentran las barras del rótor. Estas barras del rótor son aluminio o cobre, y están
eléctricamente cortocircuitadas por anillos. Las barras del rótor y los anillos son llamados jaula de
ardilla.
Considere cuando el rótor está acomodado dentro del estátor. El campo magnético rotatorio dado por la
corriente de tres fases a través de los bobinados del estátor corta el estátor. Esto causa la inducción de
una corriente en las barras del rótor, debido a la Ley de Inducción de Faraday . Ver la Figura 1.7 (a) para
una ilustración de este efecto.
La frecuencia de la corriente del rótor es proporcional a la diferencia en la velocidad de rotación entre el
rótor y el campo magnético generado por el estátor. Esto es llamado la frecuencia de deslizamiento. La
corriente del rótor induce un campo magnético en el rótor a la misma velocidad que el campo del
estátor.
Los campos del estátor y rótor interactúan y producen una fuerza en cada barra del rótor. Las fuerzas en
cada barra del rótor se combinan para producir un par rotatorio, causando que el rótor sea arrastrado con el
campo rotatorio del estátor. Ver la Figura 1.7(b) para una ilustración de esta interacción de par.
1.4 PAR VS. VELOCIDAD
A medida que el rótor incrementa la velocidad, la diferencia de velocidad entre el campo del estátor y las
barras del rótor se hace menor. Esto reduce la fuerza del campo inducido en el rótor, reduciendo asÃ− el
par del rótor. Cuando el rótor alcanza la velocidad del campo del estátor, no hay campo inducido en el
rótor, y el par generado es cero. Esto es llamado la velocidad de sincronismo del rótor. Ver la Figura 1.8
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para una tabla de velocidades de sincronismos vs número de polos del estátor. Esta lista es para una
alimentación de 50 Hz.
Note que los valores de potencia de un motor son proporcionales al producto de su par y velocidad nominales
(P = T x w ). AsÃ−, un motor de 4 polos funciona a la mitad de velocidad pero al doble del par nominal de un
motor de dos polos del mismo valor de potencia.
A medida que la carga en el rótor aumenta, este se frena (aumenta la velocidad de deslizamiento) . Esto
causa que el flujo del estátor corte las barras del rótor más rápidamente, incrementando asÃ− la
corriente y el par del rótor. Sin embargo, con la corriente del motor en aumento, la caÃ−da de tensión
debida a la impedancia del bobinado del estátor causará que le campo del estátor se debilite. AsÃ−, a una
carga crÃ−tica, llamada par de pull out, el par disponible del motor llega a un pico, para luego caer si la
velocidad del motor se reduce más.
Ver la Figura 1.9 para una curva tÃ−pica de par vs velocidad cuando el motor es excitado con una
alimentación de red de tres fases. Cuando el motor es arrancado directo en lÃ−nea (DOL), mostrará esta
caracterÃ−stica de par a medida que el rótor se acelere.
1.5 CORRIENTE VS. VELOCIDAD
A medida que el rótor se frena (a medida que la velocidad de deslizamiento aumenta), el valor del flujo
cortando el rótor jaula de ardilla aumenta, asÃ− como la corriente del rótor. Esto se refleja en un
incremento de la corriente del estátor. Cuando el rótor es frenado hasta su parada, con una alimentación
de 50 Hz, la corriente del estátor aumenta a un valor bastante alto -tÃ−picamente seis veces la corriente de
carga completa-. Refiérase a la Figura 1.10 para una curva tÃ−pica corriente vs velocidad para un motor a
inducción jaula de ardilla.
1.6 CONTROL DE VELOCIDAD EN EL MOTOR JAULA DE ARDILLA
De manera inherente, el motor a inducción jaula de ardilla es un motor de velocidad fijada, cuya velocidad es
controlada por el número de polos, y la frecuencia de alimentación a la que está conectado. Un pequeño
cambio de velocidad se nota a medida que la carga en el motor cambia, como resultado del deslizamiento.
La ecuación de la velocidad del motor es:
N = velocidad del motor en revoluciones por minuto
f = frecuencia de alimentación del motor en Hz
p = número de polos en el estátor
s = deslizamiento del motor en revoluciones por minuto
De esta ecuación, se desprende que la velocidad de un motor a inducción puede ser controlada en tres
maneras:
(a) Cambio en el número de polos.
Esto requiere un rótor con dos conjuntos de bobinados, y un conjunto de contactos de potencia para permitir
la energización de cada bobinado.
Note que la velocidad no es continuamente variable. Por ejemplo, un motor de polos 2/8 conectado a 50 Hz
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tiene dos velocidades de sincronismos (3000 y 750 rpm).
(b) Cambio en el valor de deslizamiento.
Esto se puede hacer mediante el ajuste de la tensión suministrada al motor. Esto causa que la curva par vs
velocidad se vuelva menos abrupta, causando asÃ− más deslizamiento a medida que la carga del motor
aumenta. En general, la reducción de par es proporcional al cuadrado de la reducción de velocidad.
Ver la Figura 1.13.
Para trabajar correctamente, este método requiere una carga con una caracterÃ−stica de par vs velocidad
creciente. Cualquier variación en el momento de la carga causará una variación en la velocidad del motor.
(c) Ajuste de la frecuencia de alimentación del motor.
Este es el método usado por los variadores de velocidad electrónicos. Esto genera una familia completa de
curvas par vs Velocidad, cada una con una velocidad de sincronismo correspondiente a la frecuencia
suministrada al motor en cualquier instante. Ver la Figura 2.1. Este es el mejor método de control de
velocidad, por las siguientes razones:
 Se mantiene una alta eficiencia a través del rango de velocidades
 Se dispone de control variable de velocidad continuo. Este puede ser controlado electrónicamente,
mediante, por ejemplo, una señal de control de 0-10 V o 4-20 mA. Esto convierte al Controlador de rótor
de Frecuencia Variable ideal para automatización de proceso.
ï”· El momento del motor disponible es mantenido, aún a bajas velocidades. AsÃ−, es adecuado para el uso
con cargas de cualquier caracterÃ−stica de par.
ï”· Se pueden lograr velocidades mayores que la “velocidad base” de 50 Hz, aunque con el costo de una
reducción del par total disponible.
2 PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD DE CA
2.1 AJUSTE DE LA FRECUENCIA DE ALIMENTACIÃ N
Ver la Figura 2.1. Mediante el ajuste de la frecuencia de alimentación que es suministrada al motor
inducción, se ajuste la velocidad de sincronismo del motor. Esto da un aumento en la familia de curvas par
vs velocidad del motor.
2.2 GENERACIÃ N DE V/Hz CONSTANTE
Ver la Figura 2.2 (a) . Este es el circuito equivalente completo de una fase de un motor a inducción jaula de
ardilla. Estudiando este circuito, se pueden entender las caracterÃ−sticas de salida requeridas de un
controlador de frecuencia variable. Con referencia a la Figura 2.2 (a):
Lis = inductancia de fuga del estátor - debida a un imperfecto acoplamiento magnético entre los
bobinados adyacentes del estátor
Rs = resistencia del bobinado del estátor - debida a la resistencia del hilo de cobre - causa de pérdidas de
estátor
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Lm = inductancia de magnetismo del estátor - aumenta al campo rotatorio del estátor
Llr = inductancia de fuga del rótor - debida a un imperfecto acoplamiento magnético entre barras
adyacentes del rótor
Rr = resistencia del rótor - debida a la resistencia de las barras del rótor
Este circuito puede ser simplificado ignorando las inductancias de fuga y combinando Rr con RL. Esto está
mostrado en la Figura 2.2(b). Notese que existen dos caminos paralelos para la corriente del motor en este
circuito equivalente.
Un camino es la corriente de carga, descripta como IL. Esta corriente es “real” y fluye mediante el rótor.
Esta corriente y el deslizamiento del motor aumentan con el incremento de carga del motor.
El otro camino es la corriente de magnetismo, descrita como IM, y fluye mediante el estátor. Esta corriente
es “imaginaria” (está retrasada 90º de la corriente real). La corriente de magnetismo determina el flujo en
el motor. Es el resultado del entrehierro entre el rótor y el estátor. Esta corriente deberÃ−a mantenerse
esencialmente constante a medida que la carga es variada.
La Figura 2.3 ilustra estos componentes de corriente como vectores. Note como con carga creciente,el
ángulo de factor de potencia entre la corriente total IT y la corriente de carga IR se reduce, mejorando
asÃ− el factor de potencia del motor. También la corriente de magnetismo IM se mantiene constante, sin
importar la carga. Esta corriente de magnetismo es la que genera el campo magnético del estátor,
afectando asÃ− la capacidad de generación de par del motor. La magnitud de esta corriente de magnetismo
puede ser calculada desde:
donde:
V = tensión de alimentación
f = frecuencia de alimentación
L = inductancia de magnetismo del estátor
De esto, se puede observar que si la frecuencia de alimentación es reducida si reducir la tensión, entonces
la corriente de magnetismo se incrementará inversamente con la frecuencia.
Este efecto causará que el motor se sature magnéticamente, a menos que la tensión suministrada al motor
sea reducida con la frecuencia.
Entonces, en un controlador de velocidad electrónico, la tensión de alimentación al motor debe ser
ajustada en proporción con la frecuencia, para mantener la corriente en el camino de magnetismo constante.
Ver la Figura 2.4. En el controlador de velocidad, a medida que la frecuencia es ajustada de 0 a 50 Hz, la
salida de tensión es ajustada de 0 a 100% (p. ej. 0 a 400 Vca) . Esto asegura condiciones de flujo en el motor
aparentemente constantes. Esto se conoce como mantenimiento de un valor de tensión-frecuencia constante.
Notese que la frecuencia puede ser incrementada más allá de los 50 Hz. AsÃ− la velocidad del motor
puede ser aumentada. Sin embargo, la tensión al motor no puede ser incrementada más allá del 100%,
debido a la tensión de alimentación limitada. De esta manera, encima de 50 Hz, el valor
tensión-frecuencia se reduce, reduciendo asÃ− el flujo en el motor. Esto reduce el par total del motor
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disponible a velocidades por encima de 50 Hz. Esto es conocido como debilitamiento de campo.
2.3 REFUERZO DE TENSIÃ N
La Figura 2.2 muestra un diagrama del circuito equivalente de una fase de un motor a inducción. Nuestras
discusiones hasta ahora han ignorado los efectos de las impedancias en serie del estátor, RS y XLS. Estos
dos últimos términos provocan una caÃ−da de tensión cuando el motor es cargado, lo que lleva a una
reducción de la tensión eficaz que es aplicada al motor. Esto causa el debilitamiento del campo del estátor
y una resultante reducción del par disponible. Esto es más evidente a bajas velocidades cuando la tensión
aplicada al motor ya es baja.
Para superar esto, se puede aplicar un refuerzo de tensión al motor. Esto aumenta el valor de
tensión-frecuencia a bajas velocidades, como muestra la Figura 2.5. El refuerzo es requerido usualmente en
cargas con alto par de arranque, p. ej. cintas transportadoras, o cargas de alta inercia. La sobre-aplicación del
refuerzo puede causar que el motor se sature, sobrecargando asÃ− el motor o el controlador.
Los últimos Variadores de Velocidad de Motores de CA “inteligentes” pueden calcular automáticamente y
aplicar la óptima cantidad de refuerzo.
2.4 TIPOS DE CARGA, DERIVA
En general, un motor a inducción puede ser operado desde un Controlador de Velocidad de Motores de CA
sin pérdida significativa en el funcionamiento. Sin embargo, debe tenerse en mente lo siguiente: (Figura
2.25)
ï”· Hasta 50 Hz, el momento total disponible del motor es aproximadamente constante (la potencia disponible
aumenta de cero a cero velocidad a la nominal a 50 Hz).
 Por encima de 50 Hz, el momento disponible disminuye. Esto es debido a la reducción en la corriente de
magnetismo (debilitamiento del campo).
 A velocidades reducidas, el ventilador de enfriamiento del motor a inducción no es efectivo. Por esto, el
motor no deberÃ−a estar continuamente cargado al momento total a velocidades reducidas, a menos que sea
provisto de un enfriamiento suplementario. Ver la Figura 2.26 para un ejemplo de deriva.
 Antes de decidir el tamaño del motor y del variador requerido, es importante entender las
caracterÃ−sticas de par vs velocidad de la carga particular.
Han sido identificadas cuatro tipos básicos de carga, en términos de caracterÃ−sticas de momento vs
velocidad. La Figura 2.27 indica una carga de potencia constante. El par requerido por la carga aumenta
cuando la velocidad disminuye, de tal manera que el producto del par y la velocidad (potencia) permanece
constante. Ejemplos son bobinadoras que controlan la bobina desde su eje central y tornos.
La Figura 2.28 indica una carga de par constante. En este tipo de carga, el par requiere mantenerse constante
sin importar la velocidad. Esta es una caracterÃ−stica muy común. Ejemplos son cintas transportadoras,
montacargas e imprentas. Se debe tener cuidado si la intención es controlar por perÃ−odos extensos a bajas
velocidades.
La Figura 2.29 indica una carga donde el par es proporcional a la velocidad. Tales cargas incluyen
mezcladores, bombas de desplazamiento positivo, compresores, etc. Tales cargas no suelen causar problemas
de calentamiento en el motor. Tales cargas no suelen necesitar la aplicación de REFUERZO.
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La Figura 2.30 indica una carga donde el par es proporcional al cuadrado de la velocidad. Este es un tipo
de carga muy común, y se aplica a bombas centrÃ−fugas y ventiladores. Más del 70% de las cargas usadas
en motores controlados por Variadores de Velocidad de Motores de CA están en esta categorÃ−a. El par
requerido a bajas velocidades es muy pequeño.
Figura 2.29: Carga de Momento Proporcional Figura 2.30: Carga de Momento Proporcional al
a la Velocidad Cuadrado de la Velocidad
Los cuatro tipos de carga de arriba son una simplificación de las caracterÃ−sticas prácticas de la carga. En
la realidad una carga puede exhibir una combinación de dos o más de los tipos de carga de arriba. Por
ejemplo, una bomba de alta elevación muestra una caracterÃ−stica de ley cuadrada combinada con una
caracterÃ−stica de par constante correspondiente a la cabeza estática del sistema.
Para lograr la mejor utilidad del motor, es necesario diseñar el sistema de manera tal que el motor funcione
tan cerca de su base de velocidad (velocidad 50 Hz) como sea posible, bajo condiciones normales de
funcionamiento. Esto incluye la selección del número de polos del motor y los niveles de transmisión para
asegurar esto. El funcionamiento del motor a una velocidad significantemente más baja que la base de
velocidad significa que el motor no está entregando la potencia total disponible, y dependiendo del tipo de
carga, puede causar el sobrecalentamiento del motor. El funcionamiento más rápido que la base de
velocidad causa una reducción en el par disponible, y también puede causar sobrecalentamiento y
excesivo desgaste.
3 REGULACIÃ N DE LA VELOCIDAD DE UN MOTOR ASÃ NCRONO POR VARIACIÃ N DE
FRECUENCIA
La posibilidad de regular la velocidad de un motor asÃ−ncrono por variación de la frecuencia se deduce de
la expresión:
Ï Î¿ = 2 Ï… Æ 1
P
Para obtener una frecuencia regulable, se utilizan alternadores especiales o convertidores de frecuencia
variable, que alimentan un motor o grupo de motores asÃ−ncronos que se encuentran en las mismas
condiciones de funcionamiento.
En el caso de regulación de la frecuencia, hay que intentar obtener caracterÃ−sticas mecánicas que, en toda
la gama de regulación, presenten rigidez y un tipo de motor que posea suficiente capacidad de sobrecarga.
Esto se puede conseguir haciendo marchar el motor a flujo magnético constante. Para un motor
asÃ−ncrono, se puede admitir aproximadamente, la proporcionalidad
U1 = Æ 1 Φ.
Para conservar del flujo magnético y, de acuerdo con la expresión anterior, debe realizarse la regulación
invariable
Mostramos una grafica en la que se representa las caracterÃ−sticas de un motor asÃ−ncrono, en el caso de
regulación por variación de la frecuencia y variación proporcional de la tensión. Como nos indicaba la
formula anterior
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O como estarÃ−amos más acostumbrados a ver esta representación, par frente a velocidad o deslizamiento:
Con este sistema de regulación, la rigidez de las caracterÃ−sticas mecánicas es relativamente elevada. El
valor del par crÃ−tico en la zona de las frecuencias elevadas, permanece prácticamente invariable. Esta
condición no se cumple para las frecuencias menores, a consecuencia del crecimiento relativo de la caÃ−da
de tensión en el estátor que provoca una notable disminución del par critico. Esto es lo que confirma la
siguiente expresión:
Para frecuencias elevadas, el valor de R1 es muy inferior al de X1+X2 se puede admitir que:
Siendo Xcc =X1+X2.
Como se puede admitir que:
Xcc â
Æ 1
Ï Î¿ â
Æ 2
se tiene que:
En el caso de una gran disminución de la frecuencia, las relaciones anteriores ya no son validas, porque la
reactancia de dispersión
Xcc = X1 + X´2
Resulta comparable, en magnitud, a la resistencia del estátor R1 ,e incluso, inferior a esta última. La
influencia de la caÃ−da de tensión en el estátor tiene más importancia, lo que provoca una disminución
del valor del par crÃ−tico.
Para mantener la capacidad de sobrecarga del motor, es deseable que, para frecuencias pequeñas, la tensión
disminuya menos que la frecuencia.
Un problema de variar la frecuencia de la tensión es que el par motor también disminuye, con lo que esta
no la podremos variar o disminuir tanto como queremos y depende en gran medida de la carga que tengamos
conectada al eje del motor, ya que nos podemos encontrar situaciones en las que el motor se pare e incluso no
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nos llegue a arrancar, como se puede ver en la siguiente gráfica.
Para obtener una frecuencia variable se emplean diferentes tipos de convertidores.
4 Regulación de la Velocidad de un motor asÃ−ncrono con convertidor de frecuencia de tiristores
Explicaremos este convertidor ya que es el que hemos dado en las prácticas.
Estos convertidores estáticos son los más empleados en la industria porque entre los convertidores
estáticos, los que están constituidos por tubos de vacÃ−o no encuentran aplicación en el control
industrial, a causa de su gran volumen, pequeña duración y rendimiento relativamente bajo. En lo que se
refiere a los convertidores basándose en transistores, la falta de disponibilidad de triodos de cristal de gran
potencia, solamente permite realizar equipos para potencias máximas de unos cuatrocientos (400) vatios.
Solamente los tiristores ofrecen posibilidades para la regulación de la velocidad de los motores
asÃ−ncronos, hasta potencias relativamente elevadas.
Los esquemas de principio de conexión de los convertidores de frecuencia, pueden agruparse en dos clases
principales:
• Convertidores de frecuencia de enlace directo
• Convertidores de frecuencia con circuito intermedio de corriente continua.
El convertidor de frecuencia de enlace directo sirve para transformar una frecuencia elevada en una frecuencia
menos elevada.
En las instalaciones industriales es más empleado el convertidor de frecuencia de tiristores con circuito
intermedio de corriente continua, cuyo esquema de bloques o funcional se representa en la figura siguiente. El
convertidor comprende dos (2) elementos de potencia, un rectificador controlador RC y un ondulador ON. A
la entrada del RC se aplica una tensión alterna no variable, a la frecuencia industrial; a su salida se obtiene
una corriente continua de tensión variable la cual alimenta el ondulador ON, transformando la energÃ−a de
la corriente continua en energÃ−a de una corriente alterna, de tensión y frecuencia variables. Además de
los dos (2) elementos de potencia reseñados, el convertidor lleva también un sistema de mando
constituido por un bloque de control del rectificador BCR y un bloque de control del ondulador BCO.
Este sistema de control permite regular la frecuencia de salida en muy amplios limites; esta ultima viene
determinada por la frecuencia de conmutación de los tiristores T1 a T6, controlable por el bloque del mando
del ondulador BCO. En este esquema de montaje, se efectúa separadamente la regulación de la tensión y
la de la frecuencia, lo que permite obtener, por medio de un bloque monitor de velocidad BMV, la relación
deseada entre la tensión y la frecuencia, en los bornes del motor asÃ−ncrono. Si en el bloque BMV, la
señal piloto se compara a la señal servomandada en velocidad, se puede realizar un sistema de control
automático de frecuencias y, por consiguiente, garantizar velocidades de giro muy estables, del motor
asÃ−ncrono. La representación del sistema de control la podemos poner en forma esquemática de la
siguiente forma:
Diagrama de bloques de un sistema de control
Si estudiamos detenidamente este sistema de rectificador y motor lo podemos descomponer en varias partes:
• Circuito rectificador y filtrado: Es el circuito que rectifica la onda de la red convirtiéndola en corriente
continua. Su circuiterÃ−a será de la forma:
• Circuito inversor: Es un circuito que mediante inversores obtenemos una salida ondulatoria, su esquema
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será de la forma:
Y la forma de onda que conseguimos con estos inversores será de la forma:
En este caso de alimentación del motor asÃ−ncrono por medio de convertidor, la curva de la tensión de
salida esta deformada, ya que ésta depende del factor de potencia que, a su vez, varÃ−a con la carga
aplicada sobre el eje motor.
Esta modulación de onda hace que la corriente a la salida sea lo más parecida a una onda sinusoidal, para
ello tendremos que dar pulsos de tensión de la siguiente forma:
Consiguiendo una tensión de la forma que necesitamos. Este tipo de ondulación se utiliza en el control
vectorial de la velocidad, obteniéndose formas de onda de la siguiente forma:
Que se obtiene forma de ondas mejores que antes y con menos conmutaciones que estas.
Una vez visto como se convierte la onda y cual es el principio de funcionamiento para entender como es la
regulación de la velocidad y del par del motor asÃ−ncrono tenemos que explicar lo que es el control
vectorial de estas maquinas.
5 Control vectorial de motores asÃ−ncronos
Una onda senosoidal de tres fases se puede representar como un conjunto de tres vectores rotatorios (fasores) .
La velocidad de rotación de estos fasores se relaciona directamente con la frecuencia y las posiciones
vectoriales instantáneas se relacionan con el punto en el ciclo y el largo del vector representa la magnitud y
la corriente que están siendo representadas.
AsÃ− en el convertidor podremos descomponer los fasores de tensión para la tensión de salida del inversor,
esta estrategia de descomposición la podemos ver en la siguiente figura, y las respectivas ecuaciones para
poderla realizar:
Pero el control de velocidad por medio de este mecanismo es muy complejo ya que una variación de la
frecuencia provoca variaciones en el flujo y en el par del motor que en ocasiones podrÃ−an no ser deseadas.
Para ello se establece un sistema dinámico del motor de inducción, referido a un sistema de ejes
coordenados, que desacopla las variables del motor, escogiendo un control independiente de velocidad y de
par equiparables a la sencillez de un motor de continua, como se muestran en la figura siguiente:
Esto ha sido posible a los desarrollos de los dispositivos electrónicos de potencia de fácil control, alta
capacidad de conmutación y capacidad media de potencia, al desarrollo de sistemas de control digital de
señales (DSP) con gran potencia de procesamiento y recursos propios de microcontroladores de gama alta.
6 Clasificación de los variadores de frecuencia
Variadores de Gama Baja
• No incorporan filtros de RFI (EMC) ni bobinas de choque.
• Grado de protección IP00 o IP21.
• Temperatura de trabajo cuarenta (40) grados centÃ−grados.
• Display de segmentos (numérico).
• Dispone de menos de cuatro (4) entradas digitales y menos de dos (2) salidas digitales.
• No incorpora comunicación serie.
• Se suelen instalar en aplicaciones sencillas, tales como cintas transportadoras y ventiladores donde la
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consigna se establece por teclado o potenciómetro.
Variadores de Gama Media
• Los filtros de RFI y las bobinas de choque son opcionales.
• Grado de protección IP21 .
• Temperatura de trabajo cuarenta (40) grados centÃ−grados.
• Display alfanumérico.
• Incorpora comunicación serie, pero dispone de pocos protocolos de comunicación.
• Esta provisto de alimentación veinticuatro (24) voltaje de corriente continua (Vcc).
• Dispone entre cuatro (4) y siete (7) entradas y dos (2) ó tres (3) salidas digitales.
• PID interno.
• Control escalar.
• Algunos incorporan macros de aplicaciones.
Variadores de Gama Alta
• Equipado con filtros a la entrada.
• Bobinas de choque a la entrada y salida.
• Grado de protección IP54.
• Temperatura de trabajo cincuenta (50) grados centÃ−grados.
• Display alfanumérico extraÃ−ble con protección IP54.
• MÃ−nimo de siete (7) entradas y tres (3) salidas digitales.
• Selección de control vectorial o control escalar.
• Frecuencia de conmutación 2 a 16Khz.
• Suministro de par doscientos cincuenta (250) por ciento a velocidad cero.
• PLC incorporado para desarrollar con el propio variador cualquier aplicación deseada, o configurar un
variador a su medida, poder disponer de temporizadores, tantos PID como requiera la aplicación, puertas
lógicas, contadores, generadores de pulsos, osciladores, funciones de transferencia, tablas, funciones
aritméticas, etc.
Estas clasificaciones no son exactas ni limitativas, pero nos puede ayudar de forma muy simple a tener una
perspectiva del mercado y de las alternativas existentes.
7 beneficios de los variadores de velocidad
7.1 AHORRO DE ENERGÃ A CON VARIADORES DE VELOCIDAD
Si se tiene una aplicación de controlador de un motor asÃ−ncrono que no necesita correr a toda velocidad,
entonces se pueden reducir los costos de energÃ−a controlando el motor con variadores de velocidad (VDS,
con controlador de frecuencia variable) . Los controladores de velocidad permiten “fraccionar” la velocidad
del equipo y controlar de velocidad al requerimiento del proceso en cada momento. No hay otro método de
control de motor asÃ−ncrono que permite llevar acabo esto.
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Con un modesto variador de velocidad se presentarÃ−a un flujo de corriente:
Y con un excelente variador obtendrÃ−amos:
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Si por el contrario el variador fuese deficiente:
Los controladores de velocidad, y aquellos que son aplicados a las cargas, pueden generalmente ser divididos
dentro de dos grupos: momento constante y momento variable. La energÃ−a ahorrada por aplicaciones de
potencia o momento variable es mucho más representativa en comparación a aquellas aplicaciones por
momento constante. Las cargas de momento variable, incluyendo bombas centrÃ−fugas y ventiladores,
están compuestas en su mayorÃ−a por aplicaciones HVAC.
Las cargas de momento constante incluyen transportadoras de vibración, taladros a presión, máquinas
para madera y otras aplicaciones donde el controlador sigue una razón constante V/Hz .
En aplicaciones de potencia variable, el momento requerido varÃ−a en forma proporcional a la velocidad al
cuadrado, y la potencia requerida varÃ−a en forma proporcional a la velocidad al cubo, resultando en una
gran reducción de caballos de fuerza por cada reducción pequeña en velocidad. El motor consumirá
sólo el 25% de la misma cantidad de energÃ−a en 50% de velocidad en comparación a lo que será a 100%
de velocidad. Esto está referido a las “Leyes de afinidad”, las cuales definen la mejor relación entre
velocidad, flujo de corriente, momento, y caballos de fuerza.
El siguiente diagrama ilustra estas relaciones:
Los variadores de velocidad (VSDs) permiten consumir menos energÃ−a en comparación a otras técnicas
de control de velocidad cuando los requerimientos de carga son menores que trabajar a toda velocidad, como
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es usualmente el caso en las aplicaciones de HVAC.
7.2 CONTROL SEGURO DEL PROCESO CON VARIADORES DE VELOCIDAD
Ningún otro método de control de motor asÃ−ncrono se compara al de los variadores de velocidad cuando
estos tienen un control preciso sobre el proceso. A una tensión neta total (cruzando el lÃ−mite) los
iniciadores pueden sólo arrancar el motor a toda velocidad, con inicio amortiguado, reducir la tensión de los
amortiguadores y pueden sólo gradualmente llevar el motor a toda velocidad, y retornar hasta desconectar.
Los variadores de velocidad, por otro lado, pueden ser programados para llevar al motor a una velocidad
precisa, detenerlo en una posición precisa, o aplicar un valor especÃ−fico de momento.
Los modernos variadores de velocidad en Corriente Alterna son muy cerrados al controlador en Continua, en
términos de respuesta a un momento y velocidad. Sin embargo, los motores de AC son mucho más
confiables que los motores en DC, haciéndolos de mayor relevancia.
La mayorÃ−a de los controladores utilizados en el campo, emplean el tipo de control Voltz/Hertz, lo cual
significa que ellos proveen una “operación de lazo abierto”. Estos controladores son incapaces de retribuir o
retroceder y salir del proceso, pero son suficiente para la mayorÃ−a de las aplicaciones de controlador de
velocidad variable.
Muchos controladores de velocidad “de lazo abierto” ofrecen compensación “SLIP” aún, el cual es capaz
de medir la salida de corriente y estimar la diferencia existente entre la velocidad actual y el “set point” (el
valor de entrada programado) . El controlador entonces automáticamente ajustará su propio lÃ−mite al “set
point” basado en esta estimación.
La mayorÃ−a de los controladores de momento variable tienen capacidad PID (Capacidad Integral y
Diferencial) para aplicaciones de ventiladores y bombas, la cual permite que el controlador congele el valor
del “set point” basado en la actual realimentación del proceso
Altos niveles de exactitud para otras aplicaciones pueden también ser logradas a través de los
controladores que ofrecen una operación de lazo cerrado. La operación de lazo cerrado puede ser lograda
con un campo orientado a un vector controlador, o un controlador o sensor.
7.3 AUMENTO DE LA VIDA UTIL DEL EQUIPO Y REDUCCIÃ N DEL MANTENIMIENTO
Los métodos de inicio a una sola velocidad para encender los motores se inician abruptamente, sujetando el
motor a un alto momento y la corriente de arranque que surge es por encima de 10 veces de la corriente de
carga neta. Los variadores de velocidad llevan gradualmente al motor hasta la velocidad de operación,
reduciendo los costos por mantenimiento y reparación, y extendiendo la vida del motor y del equipo
controlador.
Arrancadores amortiguados, o arrancadores amortiguados de voltaje reducido, son también capaces de
acelerar el motor gradualmente, pero los controladores pueden ser programados para acelerar el motor mucho
más gradualmente y lentamente, y puede operar el motor a menos que se presente una reducción de la
velocidad nominal, por el uso y el tiempo. Los controladores de velocidad pueden también acelerar el
motor en puntos patrones especializados para minimizar la caÃ−da de tensión mecánica y eléctrica. Por
ejemplo, una curva S patrón puede ser aplicada a una aplicación de transporte.
8 BibliografÃ−a
Accionamientos eléctricos: “Control de velocidad mediante variadores de frecuencia”
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