tesina profesional

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA
MECANICA ELECTRICA
ZONA POZA RICA-TUXPAN
“SELECCIÓN DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA
EN EL CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES
ELECTRICOS”
TESINA
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE :
INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA
PRESENTAN :
Guillermo Bautista Hernández
Camilo Cano Avila
DIRECTOR :
ING. JUSTINO BAUTISTA ESPINOSA.
POZA RICA DE HIDALGO
VER. MAYO DEL 2003
INDICE
INTRODUCCIÓN---------------------------------------------------------------------------------------3
CAPITULO I
JUSTIFICACIÓN---------------------------------------------------------------------------------------6
NATURALEZA SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO-------------------------------------7
ENUNCIACION DEL TEMA-------------------------------------------------------------------------9
EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO-----------------------------------------11
CAPITULO II
DESARROLLO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN--------------------------------------------------12
PLANTEMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN-----------------------------------------------13
MARCO CONTEXTUAL-----------------------------------------------------------------------------------------14
MARCO TEÓRICO
SUBTEMA 1.0 GENERALIDADES----------------------------------------------------------------15
1.1.- Definición Del Motor Eléctrico.---------------------------------------------------------16
1.2.- Principios De Operación Del Motor Eléctrico.--------------------------------------18
1.3.- Clasificación De Los Motores Eléctricos.--------------------------------------------30
1.4.- Motores De Corriente Alterna.----------------------------------------------------------35
1.5.- Motores De Corriente Directa.----------------------------------------------------------40
SUBTEMA 2.0 UTILIZACIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS EN LA INDUSTRIA.
2.1.- Motores Eléctricos De Corriente Alterna.--------------------------------------------55
2.2.- Motores Eléctricos De Corriente Directa.--------------------------------------------60
2.3.- Ventajas Y Desventajas Del Uso De Motores De Corriente. Alterna.--------63
2
INDICE
SUBTEMA 3.0 CONTROL DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS DE
CORRIENTE ALTERNA
3.1.- Necesidades De Controlar La Velocidad De Los Motores Eléctricos.-------66
3.2.- Procedimientos Para Controlar La Velocidad.-------------------------------------66
3.3.1.-Variación De La Velocidad Mediante La Modificación De Voltaje.----------67
3.3.2.-Variación De Velocidad Mediante El Cambio Del Numero De Polos.-----70
3.3.3.-Variación De La Velocidad Mediante La Conexión En Cascada.-----------78
3.3.4.-Variación De La Velocidad Mediante La Modificación De La Frecuencia-78
3.3.5.-Variación De La Velocidad Introduciendo Un Segundo Voltaje En El
Circuito Secundario Del Motor-----------------------------------------------------79
SUBTEMA 4.0.- VARIADOR DE FRECUENCIA.
4.1 .-Principios De Operación.------------------------------------------------------------------80
4.2.- Clasificación Y Tipos De Variadores De Frecuencia.----------------------------- 141
4.3.- Parámetros Para Seleccionar Un Variador De Frecuencia-----------------------160
4.4.- Componentes Que Integran Al Variador De Frecuencia.--------------------------164
4.5.- Ventajas Del Empleo De Los Variadores De Frecuencia.-------------------------169
CAPITULO III
CONCLUSIONES------------------------------------------------------------------------------------------172
BIBLIOGRAFÍA----------------------------------------------------------------------------------------------173
INTRODUCCIÓN.
Una de las fuentes principales de energía para impulsar los diferentes tipos de equipo
industrial es el motor eléctrico; ha llegado a la relacionarse íntimamente con la impulsión
de los elementos de las máquinas que en la mayoría de los casos se incluye como parte
integral del diseño de ellas.
Para obtener el máximo rendimiento posible de un motor eléctrico, el usuario debe de
tener un conocimiento adecuado de los principios y características de la operación del
mismo; así como también deberá conocer los diferentes métodos para variar la velocidad,
y con ello, lograr una selección adecuada a sus necesidades, a un bajo costo, otro de los
puntos importantes en nuestro tema es conocer la importancia de variar la velocidad por
medio de una las tecnogías que están de punta en nuestros tiempos.
Existe gran demanda de profesionales debido a que día a día los avances tecnológicos en
las áreas de electrónica, eléctrica, electromecánica y de control son muy rápidos y
requieren de expertos de alto nivel para enfrentar y desarrollar nuevas tecnologías. Debido
a estos cambios, la labor del profesional en electromecánica es entrar en los procesos
industriales actuales. Tal es, el caso del convertidor de frecuencia, aplicado a motores
asíncronos o de inducción para variar su velocidad a quien denominamos un sistema
mecatrónico.
Un sistema mecatrónico se define como la combinación sinérgica de la ingeniería
mecánica de precisión, el control electrónico inteligente, las tecnologías de la información
y el pensamiento sistemático en el diseño de productos y procesos.
Este concepto fue concebido por la ingeniería a finales de los años sesenta para designar
las aplicaciones de la electrónica en le diseño mecánico, y evoluciono hasta convertirse en
un concepto de trabajo. Su origen esta en la síntesis de dos palabras: Mecánica y
electrónica. En un principio era simplificar y mejorar el funcionamiento de sistemas
mecánicos mediante el reemplazo de partes móviles por sistemas electrónicos; después,
descubrieron que podrían
lograrse sistemas mas complejos mediante la fusión de la
3
mecánica, la electrónica y las tecnologías de la computación mismas que dieron origen a
las maquinas de control numérico.
EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS.
TRADICIONAL
Sistemas voluminosos.
Mecanismos complejos.
Ciclos de movimientos no ajustables.
Drives de velocidad constante.
Sincronización mecánica.
Estructuras rígidas y pesadas
Precisión determinada por la tolerancia mecánica de sus partes.
Controles manuales
MECATRONICO.
Sistemas compactos.
Mecanismos simplificados.
Movimientos programables.
Drives de velocidad variables
Sincronización electrónica.
Estructuras ligeras.
Precisión alcanzada por retroalimentación.
Controles automáticos y programables.
Con el objeto de que se tenga una comprensión total del tema se expone de manera
sencilla en que forma se puede variar la velocidad en los motores de CA. Por esta razón
se ha procurado exponer los métodos más eficaces y rápidos para comprender como
opera un variador de frecuencia y a su vez, como elegir un variador de frecuencia de
acuerdo a las necesidades de la industria en las cuales se emplea el motor eléctrico.
Es por ello, que el ingeniero y técnico electricista, además de tener conocimiento sobre el
principio de operación, construcción y funcionamiento, deben de estar al día de las
tecnologías mas actuales en nuestros tiempos.
4
La descripción sistemática de estas operaciones constituyen una excelente ayuda para la
pronta comprensión o entendimiento de lo que es un variador de frecuencia.
CAPITULO 1
5
JUSTIFICACIÓN
El estudio de aquellas industrias que son indispensables para satisfacer las necesidades
primordiales de una sociedad es de suma importancia ya que de ellas depende en gran
parte el desarrollo económico de nuestro país, a estas se les da el nombre de industrias
básicas.
Entre las industrias básicas existen necesidades relevantes para su desarrollo, una de
ellas es el de variar la velocidad, en los motores de corriente alterna, ya que ocasionan un
ahorro de energía, para esto es necesario tener conocimiento sobre los criterios técnicos,
así como de los procedimientos mas comúnmente empleados.
También es vital el tener conocimiento de los procedimientos adecuados de operación,
control y protección de los motores eléctricos los cuales satisfacen las demandas en sus
diferentes modalidades dentro de la industria en general, de esta manera un solo operador
puede controlar fácilmente todo un conjunto de ellos.
El desarrollo de este tema es de gran importancia ya que se busca la operación eficiente
del sistema eléctrico desde el mas pequeño
hasta el mas grande, dentro de una
instalación industrial automatizada.
El propósito de este trabajo es generar la información básica necesaria que permita
auxiliar a los ingenieros que se desempeñen dentro de las actividades relacionadas con el
diseño, construcción, operación y mantenimiento de plantas industriales, consultoria y
construcción en general, ya que deben de tener un amplio conocimiento acerca de los
variadores de velocidad, para el mejor desempeño de su actividad.
En esta tesina
se exponen detalladamente los criterios técnicos más comúnmente
empleados en nuestro país.
6
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO
El presente trabajo tiene como fin abatir los costos por pérdidas que tienen las industrias al
tener elevados consumos de energía reactiva, debido al arranque de los motores de
corriente alterna, ya que es cinco a seis veces la corriente nominal, por cada motor
produciendo una circulación excesiva de corriente eléctrica en sus instalaciones,
provocando daños a la misma por efectos de sobrecargas y con ello un bajo factor de
potencia, teniendo como consecuencia la afectación de los equipos de transformación,
distribución y generación, provocando con ello una deficiencia al rendimiento y
funcionamiento de los equipos en la industria.
Con la finalidad de abatir los costos por perdidas que tienen las empresas al no contar con
un variador de velocidad dentro de su instalación eléctrica, se presenta este trabajo, en el
cual se describen las alternativas más importantes para solucionar este problema.
De acuerdo a las modalidades de titulación en la universidad veracruzana el presente
trabajo cuenta con los siguientes rasgos característicos:
 Es la aplicación de conocimientos científicos a la solución de problemas o necesidades
que se presentan en la industria debido a que no cuenta con un variador de frecuencia
en los motores de corriente alterna ocasionando un bajo factor de potencia dentro de su
instalación.
 Describir los procedimientos para controlar la velocidad.
 Clasificación y tipos de variadores de frecuencia.
 Estudiar las ventajas del empleo de los variadores de frecuencia
 Aplicar técnicas para determinar el comportamiento de los motores de corriente alterna
logrando con ello una mejor estabilidad en sus procesos, calidad y riesgos, etc,
existentes en el sistema eléctrico de la industria.
7
 Contiene un estudio sobre los aspectos de la realidad y la forma de contribuir a
mejorarlo seleccionando el sistema que se adapte a las necesidades de una industria.
 Propuestas para el aprovechamiento óptimo de los equipos ya existentes en la
industria.
Lo anterior, propicia la aplicación de técnicas de estudio para una mejor operación del
sistema, así como una mayor eficiencia de los equipos existentes, finalmente logrando que
los costos por pérdidas de energía, sea mínimo y obteniendo un suministro del fluido
eléctrico más confiable y con mayores rendimientos.
8
ENUNCIACIÓN DEL TEMA
La función primordial de los variadores de frecuencia, es rectificar la tensión alterna de
alimentación, convirtiéndola luego en tensión continúa para después volver a convertirla
en tensión alterna con amplitud y frecuencias variables.
La tensión y frecuencia variable al ser aplicados a los motores asíncronos trifásicos, nos
permiten controlar totalmente su velocidad.
Comparativamente con los sistemas electromecánicos tradicionales los supera en los
siguientes aspectos:
 Tensión del motor nominal total a la frecuencia del motor nominal.
 Semejanza casi perfecta a la alimentación de red sinusoidal.
 Pérdidas de conmutación extremadamente bajas, que proporcionan
un rendimiento muy alto
 Construido con equipo estándar que se puede conseguir por separado
como por ejemplo: bobinas de motor, bobinas de CC. y aislamiento galvánico,
obteniéndose las siguientes ventajas: ahorro de espacio, reducción de costos y
simplificación de instalación.
Software de programación para los siguientes parámetros:
 Entradas de control y salidas de señal programables: arranque, frenado,
aceleración y desaceleración del motor de inducción o asíncrono.
 Sentido de rotación del motor de inducción.
 Protección contra perturbaciones de la red: reducción de armónicas, fallas de fase
y sobrecargas.
9
 Protección térmica del motor.
Panel de mando:
 Teclado, para mando local y programación.
 Display para comunicación entre el convertidor de frecuencia y el operador.
10
EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO.
Para la elaboración de esta tesina se aborda en su parte inicial, una introducción, en la
cual se describe a grandes rasgos lo relacionado al tema descrito anteriormente;
posteriormente se divide en tres capítulos relacionados de la siguiente manera:
En el capitulo I se aborda la justificación del trabajo, posteriormente la naturaleza, sentido
y alcance, explica los objetivos que se pretenden alcanzar con la realización de este
trabajo. en la enunciación del tema se mencionan las funciones primordiales de los que es
un variador de frecuencia, además de hacer mención al tema para el cual estará enfocada
la investigación de este diseño.
El capitulo II se refiere al desarrollo del tema, se expone el planteamiento del tema de la
investigación así como el marco contextual, en el marco teórico se logro recopilar la
suficiente información para dar a conocer
lo que concierne y que esta directamente
relacionado al tema.
El capitulo III está conformado por las conclusiones, en las cuales se presentan
sugerencias para el desarrollo y buen desempeño del variador de frecuencia, aplicados a
motores de corriente alterna, para finalizar el desarrollo de este trabajo, se presenta la
bibliografía, el apéndice y los anexos;
Por último se hace hincapié, que el presente trabajo ha sido elaborado con mucho esmero
y dedicación, guiados por el afán de aportar el mejor de nuestro entusiasmo y el más
noble de nuestro esfuerzo, a la Universidad Veracruzana para resarcirle parte de lo mucho
que recibimos durante el periodo en que fuimos alumnos de ella.
CAPITULO 2
11
DESARROLLO DEL TEMA DE INVESTIGACIÓN.
La problemática que se presenta en la selección de variadores de frecuencia, requieren un
estudio minucioso, para elegir el tipo, la marca y la capacidad del variador de frecuencia.
Esta problemática es debido a la tecnología de punta que a llegado hasta nuestros días,
por lo cual es necesario un estudio minucioso de estos sistemas y los factores
involucrados, que afectan dicho sistema; con el fin de dar una idea concreta de lo que es
un drive se elabora este trabajo.
Actualmente en nuestra sociedad muchos productos y servicios dependen de al
automatización debido a la necesidad de producción así como el ahorro de energía
eléctrica etc.
Muchos, procesos de fabricación precisa, no serían posibles sin el control exacto de la
velocidad; ejemplo el ahorro de la energía, control de la producción, disminuir los paros en
la producción, menos mantenimiento, entre otras.
Por lo anterior, se analizan, el principio de operación, los tipos de variadores existentes en
el mercado, así como sus principales ventajas, y sobre todo lo mas importante, elegir el
tipo de drive de acuerdo a las necesidades de nuestra planta o procesos.
12
PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE INVESTIGACIÓN.
La función primordial del variador de frecuencia es evitar la presencia de altos niveles de
energía eléctrica y de carga reactiva en las redes eléctricas que impiden que se trasmita
toda la potencia activa para la cual esta dimensionada, lo que es motivo de preocupación
permanente tanto para las empresas que distribuyen la energía y las industrias en general
debido a que se logra un ahorro considerable de dicha energía.
Dentro de una industria, al no contar con un variador de frecuencia, produce los siguientes
inconvenientes.
 Aumento de la intensidad de la corriente.
 Pérdidas en los conductores y fuertes caídas de tensión
 Incrementos de potencia de las plantas, transformadores, reducción de su vida útil y
reducción de la capacidad de conducción de los conductores.
 La temperatura de los conductores aumenta y esto reduce la vida de su aislamiento
 Aumento en sus factores por tener un bajo factor de potencia.
Durante los periodos en los que la demanda de energía es mayor, es cuando toda la
capacidad de la red eléctrica se utiliza, en el caso de una industria a mayor productividad,
lo que lleva asociado necesariamente a una mayor demanda de energía reactiva.
La selección y aplicación de los variadores de frecuencia en el control de velocidad de
motores eléctricos, implica el conocimiento de algunos conceptos básicos, para de esa
manera poder usar toda la tecnología existente en el mercado y de esta poder atacar
dicho problema que va en aumento. este trabajo su principal función es dar a conocer los
métodos mas comunes.
Como punto de vista muy particular se pretende atacar las necesidades que las áreas de
automatización y control requieren en la actualidad, así como los retos que podrían surgir
en un futuro dentro de la industria en general.
13
MARCO CONTEXTUAL
Cabe mencionar, que en la presente tesina, por tratarse de una investigación teórica en el
cual se describen los diferentes puntos de vista y enfoques relacionados con el variador de
frecuencia, no se hace mención de un área geográfica ya establecida ya que la presente
investigación esta diversificada para apoyar técnica y teóricamente aquellas personas que
de alguna manera estén involucradas en el diseño de plantas industriales en general, para
la variación de velocidad de los motores eléctricos.
El variar la velocidad en los motores eléctricos de corriente alterna es de gran ayuda o
importancia hoy en día en las industrias en general, ya que el uso del motor eléctrico es
muy común en nuestros días por tal motivo no se desarrolla el presente trabajo en un área
particular; debido a que es muy amplia el área de trabajo donde el motor eléctrico juega un
papel fundamental dentro de la industria en general.
Es importante mencionar las distintas aplicaciones dentro de las diferentes áreas que los
motores eléctricos tienen:
En el control de procesos industriales, es indispensable tener diferentes velocidades como
son: en servicios auxiliares, en plantas de proceso y edificios por el bombeo de agua, el
empleo de compresores etc..; en plantas de bombeo, como en sistemas de agua potable
plantas de tratamiento de agua etc.
De esta manera, esta tesina servirá de consulta a ingenieros, catedráticos, alumnos y a
todas aquellas personas en general que se encuentren relacionadas con el diseño
enfocados con el proceso de manufactura automatizada y que de alguna u otra manera se
encuentren relacionadas con el tema.
MARCO TEORICO
14
SUBTEMA 1.0 GENERALIDADES
Existen gran cantidad y variedad de procesos así como accionamientos en la industria, el
campo, comercios, oficinas, etc., en los cuales se emplea el motor eléctrico.
El primer motor eléctrico construido en 1833 era un motor de la C.C.. Era simple controlar
velocidad y resolver las demandas de varios usos. En 1899, el primer motor de CA era
más simple y robusto que el motor de la C.C.. Sin embargo, la velocidad y las
características fijas del esfuerzo de torsión de los primeros motores de CA no han sido
convenientes para todos los usos.
De los motores eléctricos el de inducción es el que se emplea con mayor frecuencia. Su
sencillez, resistencia y poco mantenimiento que requiere, son algunas de las cualidades
que justifican su popularidad, desde los pequeños motores de potencia fraccionaria de una
o dos fases hasta los motores polifásicos de gran capacidad.
En general el motor de inducción consta de dos partes principales: estator y rotor. El
estator del motor consiste en una armazón o culata, en cuyo interior se instala firmemente
un núcleo laminado y ranurado, en donde se coloca un devanado formado por varios
grupos de bobinas. El rotor puede ser de dos tipos: jaula de ardilla o rotor devanado. El
primero está formado por un conjunto de laminas, que forman una estructura cilíndrica
ranurada. En las ranuras se instalan barras construidas de cobre, acero o alguna aleación
especial, cortocircuitadas en sus extremos con unos anillos de material de conductor. El
rotor devanado es como el anterior una estructura laminada, solo que sus ranuras en vez
de barras alojan un devanado muy similar al del estator. El devanado del rotor se manda al
exterior a través de unos anillos rozantes.
15
1.1
DEFINICIÓN DEL MOTOR ELECTRICO.
Los motores de CA convierten energía eléctrica en energía mecánica por medio de la
inducción electromagnética. Cuando dicho dispositivo se usa para convertir energía
mecánica en energía eléctrica se le llama generador. Así mismo cuando convierte la
energía eléctrica en energía mecánica se le denomina motor, son los motores utilizados en
la industria.
Una maquina eléctrica de CA o CC puede convertir potencia en uno u otro sentido
prácticamente todos los motores y generadores convierten la energía de una forma en otra
mediante la acción de un campo magnético, por lo tanto en este trabajo se considerarán
únicamente maquinas que convierten energía eléctrica en energía mecánica, es decir, los
motores de CA y CC, así mismo se combinan las ventajas del uso de la energía eléctrica
(bajo, costo, facilidad de transporte, limpieza y simplicidad de la puesta en marcha, etc)
con una construcción relativamente simple, costo reducido y buena adaptación a los mas
diversos tipos de carga.
Las maquinas eléctricas están presentes en todos aspectos de la vida moderna. En el
hogar, por ejemplo los motores accionan neveras, congeladores, aspiradoras, batidoras,
ventiladores, aire acondicionado y muchos otros equipos similares. En los sitios de trabajo,
proporcionan la fuerza motriz para casi todas las herramientas. De hecho los generadores
son necesarios para suministrar la potencia suministrar la potencia utilizada para todos
estos motores.
¿Por qué son tan comunes los motores eléctricos en general? La respuesta es muy
simple; la potencia eléctrica es una fuente de energía limpia y eficiente. Un motor eléctrico
no requiere de la ventilación permanente ni del sistema de combustible que necesita una
maquina de combustión interna por lo cual resulta muy apropiado para usos en ambientes
donde la contaminación asociada con la combustión resulta altamente perjudicial.
En la siguiente figura se muestra una vista frontal de un motor eléctrico
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SUSTENTANTES
MOTOR
Camilo Cano Avila
Guillermo Bautista
Hernández
VISTA DE UN
ELECTRICO
FIGURA N0 1
17
1.2 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DEL MOTOR ELECTRICO.
EL motor eléctrico se fundamenta en el descubrimiento que hizo Faraday, en el año de
1831. cuando observo que se generaba un voltaje debido al movimiento relativo entre un
campo magnético y un conductor.
El principio se puede explicar de manera siguiente : un disco metálico de cualquier
material conductor se encuentra girando libremente sobre un eje vertical, sobre el mismo
eje se encuentra un imán el cual también gira de manera libre pero con sus extremos
curvados hacia abajo para que su flujo magnético corte el disco tal como se indica en la
figura N0 2.
Cuando se hace girar el imán, las líneas magnéticas cortan el disco e inducen corrientes
en el; debido a que las corrientes se encuentran en un campo magnético.
La dirección de la fuerza desarrollada entre las corrientes del disco y el campo magnético
que las produce será tal que el disco tiende a seguir el imán en su rotación.
De esta manera en un aparato de inducción de este tipo se produce una acción
generadora que induce corrientes y una acción motriz que obliga a las corrientes inducidas
a seguir el campo del inductor
El disco no puede nunca alcanzar la velocidad del imán; porque, si llegara a alcanzar no
habría movimiento relativo entre el disco y el imán en consecuencia no se induciría f.e.m
en el disco debido a que éste corta el flujo magnético. La corriente en el disco se anularía
entonces y no podría desarrollarse par alguno, lo que daría origen a una reducción de la
velocidad del disco con relación al imán. Como el disco no alcanza la velocidad del imán
existe siempre entre ambos una diferencia de velocidad, está diferencia de velocidad, se
denomina deslizamiento.
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Flujo
magnético
Corrientes
inducidas
en el disco
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Camilo Cano Avila
Guillermo Bautista
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PRINCIPIO DEL MOTOR
DE CA.
FIGURA N0 2
19
El motor elemental consiste en una espira de alambre que gira entre los polos de un imán.
Los extremos de la espira están conectados con delgas del colector que, a su vez, hacen
contacto con las escobillas. Las escobillas tienen conductores que van a una fuente de
tensión de corriente continua.
Tenga presente la acción del dispositivo móvil de los instrumentos y compárela con la del
motor elemental de CC. Cuando la espira esta en posición 1, la corriente que pasa por la
espira hace que el lado superior de la espira se convierta en el polo norte y la parte inferior
en el polo sur, según la regla de la mano izquierda.
Los polos magnéticos de la espira serán atraídos por los polos opuestos correspondientes
del campo. Como resultado, la espira girará en el sentido de las agujas del reloj,
colocando frente a frente a los polos contrarios.
Cuando la espira gira 90 grados hasta la posición 2 se produce la conmutación y la
corriente de la espira se convierte de sentido.
A raíz de esto el campo magnético generado por la espira también se invierte. Ahora están
frente a frente polos iguales, lo que significa que se rechazan, y la espira sigue girando
para tratar de acercar los polos opuestos. Al girar 180 grados, mas allá de la posición 2, la
espira se encuentra en posición 3.
Entonces la situación es la misma que cuando se hallaba en posición 2. Se produce de
nuevo la conmutación y la espira sigue girando. Este es el trabajo fundamental del motor
de corriente continua.
En la figura N0 3 se muestra detalladamente.
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PRINCIPIO DEL
MOTOR ELEC.
FIGURA N0 3
21
Es evidente que el colector desempeña una función trascendental en el funcionamiento del
motor de CC. El colector hace que la corriente de la espira cambie de sentido en el
instante en que los polos contrarios se han colocado frente a frente. Esto produce la
inversión de la polaridad del campo; aparece la repulsión, en vez de atracción, y la espira
sigue girando.
En la armadura de bobinado múltiple, el arrollamiento hace la veces de una bobina cuyo
eje es perpendicular al campo magnético principal y tiene la polaridad que aparece en el
grabado. El polo norte del campo de la armadura o inducido es traído por el polo sur del
campo principal. Esta atracción ejerce una fuerza de torsión en la armadura, que gira en
sentido de las agujas del reloj. Por lo tanto se mantiene una tensión constante y uniforme
en la armadura debido al gran número de bobinas.
Como las bobinas que están cerca entre si son tantas, se produce en el inducido un
campo resultante que parece permanecer estacionario.
CAMPO GIRATORIO
En la figura N0 4 se representa en forma esquemática el estator de un motor trifásico de
dos polos. En un motor real, el devanado de cada fase está distribuido en las ranuras del
estator, pero el hecho de considerarlos concentrados como se indican en la figura no
alteran los resultados.
En la figura se representa la corriente trifásica que circula en las bobinas. Como puede
verse la corriente en la fase A solo puede producir fuerza magnetomotriz (FMM) vertical
hacia arriba o hacia abajo, según el sentido de la corriente; igualmente las fases B y C
sólo podrán producir fuerzas magnemotrices en la dirección de los respectivos pares de
polos. Si en la figura N0 5(a) se considera como punto de partida al correspondiente al
tiempo t1, la FMM de la fase A tendrá ahí su máxima intensidad en el sentido de arriba
hacia abajo en tanto la FMM de las fases B y C tendrán la mitad de la intensidad máxima y
los sentidos indicados en el diagrama a) figura N0 5(b)
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ESTATOR DE UN
MOTOR ELEC.
FIGURA N0 4
23
Al sumar los tres fasores se obtiene un sólo dirigido de arriba hacia abajo, al pasar al
tiempo t2 se observa que la intensidad en la figura A se ha reducido a la mitad que la fase
B tiene la misma intensidad, pero en dirección opuesta a la que tenia en t1 y que en la fase
C la intensidad ha alcanzado el valor máximo, por lo que ahora la suma de los tres fasores
tendrá la misma dirección que el fasor C; es decir, el tiempo t 1 al tiempo t2 el fasor que
representa la FMM total ha girado 600 C, en el sentido de las manecillas del reloj.
Haciendo un análisis similar para los tiempos t3, t4, t5 y t6 se encontrará que el fasor
mencionado seguirá girando 600 en cada caso y habrá dado una vuelta completa al llegar
al tiempo t7 que será coincidente con t1, lo que construye un ciclo completo de variación de
la corriente de la fase A.
De lo anterior, puede concluirse que al ser alimentados con una tensión trifásica
equilibrada los tres devanados de la fase del estator producen una FMM constante que
gira uniformemente y produce un campo magnético igualmente constante, que gira a la
misma velocidad. Como ya se ha mencionado, el campo magnético giratorio en un motor
de dos polos, como el analizado, efectúa una revolución completa por cada ciclo de
corriente alterna, por lo que en este caso la velocidad de rotación N, en revolución por
segundo (rpm) es numéricamente igual a la frecuencia f, y la velocidad N en revolución por
minuto (rpm) será N = 60 f
Si en lugar de un motor de dos polos se considera uno de cuatro, seis o más, la velocidad
del campo magnético será igual al valor anterior dividido entre el número de pares de
polos:
60 f
120 f
N=
P = Número de polos
P/ 2
p
La velocidad con que gira el campo magnético (N) se conoce como velocidad síncrona o
(sincroníca) del motor y conforme a la expresión anterior, se deduce que dicha velocidad
síncrona solo puede cambiar si se verifica la frecuencia y el número de polos.
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(a)
(b)
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CICLO COMPLETO DE
LA
Camilo Cano Avila
VARIACIÓN CORRIENTE
Guillermo Bautista
Desarrollo del par de rotación en un motor de inducción
Hernández
FIGURA N0 5
25
Los elementos conductores del rotor también son cortados por el campo magnético en
movimiento, por lo cual se genera en ellos una fuerza electromotriz que a su vez hace
circular una corriente en cada barra. Para ello es necesario estudiar la ley de Fleming.
Fleming descubrió el método para determinar el sentido de rotación de un motor
conociendo el sentido de la corriente. Fleming halló que existe un relación definida entre el
sentido del campo magnético, el sentido de la corriente en el conductor y el sentido en el
que el conductor tiende a desplazarse. Esta relación se denomino regla de la mano
derecha de Fleming para motores.
Extendiendo el pulgar, el índice y el dedo medio de la mano derecha formando ángulos
rectos entre ellos , y colocando la mano de manera que el índice apunte el sentido de las
líneas de flujo del campo magnético, entonces el pulgar apuntará hacía el movimiento del
conductor y el dedo medio en el sentido de la corriente que pasa por el conductor. Es
evidente que si el sentido del campo magnético se desconoce pero se sabe el movimiento
del conductor y el sentido de la corriente en el conductor, el índice tienen que apuntar en
dirección del campo magnético si se coloca la mano derecha en posición correcta.
En la figura No 6 aparece la regla de la mano derecha de Fleming para motores. Si se
aplica esta regla, usted siempre podrá determinar el sentido de rotación de los motores
conociendo el sentido de la corriente.
Como ya se dijo anteriormente el sentido de la corriente puede deducirse por la regla de la
mano derecha de modo que prácticamente la mitad de las barras conducen un sentido y la
otra mitad en sentido opuesto, como se muestra esquemáticamente en la figura N0 7. Al
aplicar la regla de la mano izquierda a cada barra se observa que, según el sentido de la
corriente y del campo magnético que rodea las barras, en cada una se producirá una
fuerza tangencial que tenderá a hacer girar el rotor. El efecto total es el par de rotación
que se desarrolla en el rotor (fuerza por distancia al eje del giro). Por tal motivo, un motor
de inducción siempre opera a velocidades inferiores a la del campo magnético o síncrona.
26
Movimiento
del conductor
Corriente
Flujo
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REGLA DE LAMANO
DERECHA
FIGURA N0 6
27
La diferencia entre la velocidad del campo (N) y la velocidad real del rotor (N2) se conoce
como deslizamiento (s) y suele expresarse como un porcentaje de la velocidad del campo:
N – N2
S=
X
100
N
Si el rotor de un motor bipolar de 50 ciclos está en reposo y se aplica una corriente de 50
amperes al estator, el flujo de un polo N cortará cada uno de los conductores del rotor 50
veces por segundo y otras tantas veces del polos S, ya que ésta la velocidad del campo
giratorio. Si el estor fuese de cuatro polos, la velocidad del campo se produciría a la mitad,
pero a cada uno de los conductores le cortaría entonces el flujo de los polos N y el de dos
polos S, por revolución del campo y por lo tanto, 50 polo N y 50 polo S en segundo igual
que cuando el motor era bipolar.
Por lo tanto la frecuencia de la corriente del rotor en reposo será la misma que la
frecuencia del estor, el cual quiera que sea
el número de polos. Tomando otras
velocidades del rotor se llega a la conclusión que la frecuencia del estor es: f 2 = s f, siendo
f2 la frecuencia del rotor.
La frecuencia del rotor incluye considerablemente sobre las características de
funcionamiento del motor de inducción.
El deslizamiento necesario para producir la fuerza que impulsa la carga nominal del motor
depende de las características de éste. En general, cuando mayor sea la corriente que
toma el motor en el arranque tanto menor será el deslizamiento a carga plena y mayor
será la eficiencia; cuanto más bajos sea la corriente de arranque, tanto mayor será el
deslizamiento y menor la eficiencia.
Una reducción en el voltaje de línea trae consigo un incremento en el calentamiento del
motor, por el contrario, un incremento en el voltaje de la línea reduce el calentamiento de
forma que el motor puede soportar una carga mayor.
28
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FLUJO DEL ESTATOR
FIGURA N0 7
29
1.3 CLASIFICACION DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS
La gran diversidad de motores eléctricos que se pueden utilizar para proporcionar energía
mecánica, ya sea de corriente continua o alterna; se hace necesario realizar una
clasificación de ellos, con una breve descripción de cada uno junto a una gráfica
comparativa que involucre sus características básicas (corriente contra par o velocidad, a
plena carga de su funcionamiento.
Los motores eléctricos se pueden clasificar de acuerdo al tipo de corriente que utilizan, en:
 De corriente continua.
 De corriente alterna
Motores de corriente continua ; según la forma en que están conectadas las bobinas a la
armadura, su clasificación es la siguiente;

Motor en serie

Motor en derivación (shunt)

Motor compuesto o combinado (compound)
Motores de corriente alterna de inducción, su clasificación es la siguiente;

Motores sincronos

Motores a sincronos
30
CARACTERISTICAS DE LOS MOTORES.
POTENCIA.
Una característica fundamental de los motores tanto de los de CC como los de CA, es la
potencia de salida disponible en el eje del motor. La cual abarca desde una fracción
pequeña de HP, hasta varios miles de HP’s. A los motores de 1HP, s e les denomina
motores de potencia fraccionaria, y los restantes como de potencia integra.
VOLTAJE.
Los motores de CC se extienden de 1.5 a 1500V; los mas comunes empleados son de:
6,12,28,110,220 y 440v; los voltajes mayores, se emplean solo para alimentar a los más
grandes. En los motores de CA se extiende de 1.5 a varios miles de voltios; los que se
utilizan frecuentemente son: 115,208,230, y 440 y para motores de de tamaño pequeño y
medio. Los grandes usan 2300, 4000, y de 6600 volts.
FRECUECIA.
La frecuencia es muy importante en los motores de CA. La que se emplea en la industria,
es casi siempre la de 60Hz; otros valores utilizados a veces son: 25, 40, y 400Hz.
VELOCIDAD
También es una característica del motor, la velocidad de rotación de su eje; se expresa en
revoluciones por minuto (r.p.m). en motores de CD, las velocidades de plena carga para
los cuales se diseñan, se extiende en un amplio margen. Los de CA cuando funcionan
alimentados a 60 Hz, se limitan a 700, 850, y 3500 r.p.m
Debido a los efectos de la fuerza centrifuga, los motores de gran tamaño están limitados a
grandes velocidades que los pequeños. Cuando se necesitan velocidades muy bajas, es
generalmente más ventajoso emplear un motor de mayor velocidad y dotarlo de un
sistema de engranajes de reducción.
31
PAR.
Se llama así a la mitad del efecto de rotación producido en el eje del motor. El par de un
motor es proporcional a la fuerza producida en los conductores de la parte giratoria y la
distancia del eje a la que actúa esta fuerza. Para motores de tamaño medio y grande la
fuerza se expresa en kilogramos y radio de giro que toma en metros.
M=FxR
En donde:
M = par, Kgm
F = Fuerza, Kg
R = Radio, m
En los motores muy pequeños se puede expresar el par en gramos por centímetro, siendo
1Kg = 103 g x cm
POTENCIA EN CV.
La potencia es el trabajo realizado en la unidad de tiempo, se expresa generalmente en
CV, siendo 1 CV equivalente a 75 Kgm/ seg, cuando se cambian los efectos del par y de la
velocidad, se puede calcular la potencia en CV mediante la siguiente fórmula:
CV = (M x s) / 716
En donde:
CV = Potencia, CV
M = Par, Kgm
S = Velocidad, r.p.m
De la ecuación anterior, se puede despejar el “par “, de la siguiente manera:
M = (716 x CV) / S
32
CICLO DE SERVICIO
El espacio de tiempo durante el cual un motor ha de funcionar con carga o el tiempo en
que estará fuera de servicio, si esto ocurre, tiene influencia sobre el tamaño del motor, el
cual debe de ser diseñado para servicio continuo o intermitente. El de servicio continuo, ha
de ser capaz de suministrar potencia a una carga, de manera continua durante las 24
horas del día y no debe de pasar una cierta temperatura para la seguridad de su
funcionamiento. Los motores cuyo servicio es intermitente pueden diseñarse para los
siguientes casos:
a)
Dos horas
b)
Una hora
c)
Media hora
d)
Un número determinado de ciclos de funcionamiento y descanso por hora.
e)
La necesidad de una aplicación especifica
ELEVACIÓN DE TEMPERATURA.
La capacidad de elevación de temperatura de un motor se caracteriza por un aumento
máximo de ésta, por encima en una temperatura ambiente específica, en cualquiera de
sus partes, después de completar un ciclo de servicio.
Los de servicio continuo pueden aumentar 40 o 50 0C sobre una temperatura ambiente de
50 de 250C , y los de servicio intermitente, generalmente se incrementa has ta 50 o 55 0C.
Además de influír en el tamaño del motor el tipo de ciclo se servicio y la máxima elevación
de temperatura permisible, también influyen las consideraciones sobre las posibilidades de
ventilación de las partes. Un motor completamente cerrado, ha de calcularse para una
potencia de salida de motor, que uno del mismo tamaño del tipo abierto, pero cuyas
diferentes partes pueden disipar calor libremente.
33
RENDIMIENTO.
Aunque el rendimiento no debe de considerarse exactamente una característica del motor,
es de suma importancia para el usuario. El rendimiento varía mucho deacuerdo a su
tamaño, como se ve en los siguientes valores aproximados:
1)
¼
CV, 62%
2)
1
CV, 75%
3)
50
CV, 90%
4)
5000 CV, 97%
Se puede calcular el rendimiento por medio de las siguientes ecuaciones:
Rendimiento pociento = Potencia de salidad
X 100
Potencia de entrada.
O también:
Rendimiento por ciento =
Potencia de salida
X 100
Potencia de entrada-perdida
FACTOR DE POTENCIA
El factor de potencia, aunque no da idea de las posibilidades de un motor, es una
característica importante de los motores de CA; varía bastante de unos con respecto a
otros, aproximadamente desde el 50 al 90 %, dependiendo del tipo de que se trate, su
potencia, y de su velocidad. Los de tamaño pequeño y los de poca velocidad, tiene
factores de potencia bajos. Algunas compañías, hacen una reducción del costo de energía
a los consumidores que tienen una carga de motores apreciable, si éstos mantienen el
factor de potencia de la carga por encima de un valor determinado.
34
1.4
MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
Los Motores de Corriente Alterna funcionan bajo el principio de la inducción, por lo cual
también reciben el nombre de Motores de Inducción, pues al igual que el transformador
opera bajo el principio de inducción electromagnética.
Debido a que este tipo de motor no llega a trabajar nunca a su velocidad síncrona,
también se le conoce como MOTOR ASÍNCRONO.
Por el número de fases se clasifican en general como:
a) Trifásicos
b) Bifásicos
c) Monofásicos
Por el tipo de rotor pueden ser:
a) De rotor devanado
b) De rotor de jaula de ardilla
Por lo general, se fabrican de varios polos de acuerdo a la frecuencia y la velocidad de
operación.
Un motor de inducción ésta constituido fundamentalmente por los siguientes elementos:
a)
Estator
b)
Rotor
c)
Carcaza
d)
Auxiliares: tapas anterior y posterior, chumaceras, tornillos de sujeción, caja
de conexiones, base o soporte.
En la figura N0 8 se muestra una vista interna de un motor de corriente alterna.
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MOTOR DE CORRIENTE
TRIFASICA CON ANILLOS
FIGURA N0 8
36
a) ESTATOR
El estator de los motores de inducción está formado por los paquetes de láminas de acero
al silicio troquelados.
El estator representa una de las partes del circuito magnético del motor. El contenido de
silicio, que al igual que en los núcleos de los transformadores depende de las densidades
de flujo usuales, está constituido por paquetes de lámina troqueladas en forma de ranuras
con objeto de que el bobinado del estator pueda alojarse en dichas ranuras. Desde luego
la forma de las ranuras varía de acuerdo con el tamaño o tipo del motor.
En las ranuras del estator se alojan las bobinas del estator, que puede considerarse en
forma análoga al transformador como el circuito primario.
b) ROTOR
El rotor de los motores de inducción pueden ser de dos tipos:

Rotor jaula de ardilla.

Rotor devanado.
Rotor jaula de ardilla.
Recibe este nombre debido a que precisamente tiene la forma de una jaula de ardilla. Aquí
el bobinado está constituido por barras que se vacían sobre el rotor destinado para este
fin; las barras, por lo general, son de aluminio y al fundirse en el rotor debido a la forma
que se les da, quedan unidas entre sí en corto circuito en la forma de una jaula de ardilla,
por lo cual recibe éste nombre. Este tipo de rotor es el que se usa más comúnmente en los
motores.
Rotor devanado.
Se le llama así porque su bobinado está devanado en las ranuras. Está formado por
paquetes
de láminas troqueladas, montadas sobre la flecha o eje. Las bobinas se
devanan sobre las ranuras y su arreglo dependen del número de polos ( el mismo que el
estator) y de fases. En la figura N0 9 se muestra los dos tipos de rotores.
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CLASIFICACIÓN DE
LOS ROTORES
FIGURA N0 9
38
c) Carcaza o Soporte.
La carcaza recibe también el nombre de soporte por ser el elemento que contiene el
estator y los elementos auxiliares del motor.
d) Auxiliares.
Los auxiliares del motor de inducción son elementos necesarios para el funcionamiento de
éste, y dependen del tipo de motor, que se trate, como ejemplos podemos mencionar a las
tapas y los baleros.
Desde el punto de vista de conversión de energía el motor de inducción se puede definir
como sigue: Elemento que convierte la energía mecánica por el principio de inducción
electromagnética.
En el proyecto de cualquier sistema eléctrico industrial de fuerza es muy importante la
selección de motores.
39
1.5
MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA
La mayoría de las máquinas de CD son semejantes a las maquinas de CA ya que en su
interior tienen corriente y voltajes CA. Las máquinas de CC tienen CC solo en su circuito
exterior debido a la existencia de un mecanismo que convierte los voltajes internos de CA
en voltajes de CC en las terminales. Este mecanismo se llama colector, y por ello las
máquinas de CC se conocen también como máquinas con colector.
Los motores de CC son máquinas de CC que se usan como motores, la misma máquina
física puede ser cualquiera de las dos, un motor o un generador; esto depende
simplemente de la dirección en que fluye la potencia a través de ella.
EL sistema de potencia que se instalo en los estados unidos fue un sistema de CC, pero
por los años de 1890 los sistemas de potencia de CA habían aventajado a los primeros
sistemas. A pesar de este hecho, los motores de CC aún representan un porcentaje
considerable de la maquinaria comprada cada año.
Los motores de corriente continua de potencia fraccionaria y subfraccionaria inicialmente
fueron usados, en su mayor parte, sólo donde no se disponía de corriente alterna. Pero
recientemente, el uso de los motores de corriente continua se ha extendido debido a la
creciente demanda de automatismo en los sistemas de regulación de velocidad.
Actualmente, la mayoría de los motores de corriente continua de potencia fraccionaria
funcionan sobre corriente de alimentación rectificada; los de potencia fraccionaria, en gran
proporción funcionan alimentados directamente por baterías, especialmente los motores
de imán permanente.
Sin embargo existe una gran diferencia con respecto la velocidad a plena carga;
A plena carga, los motores de inducción monofásicos de potencia fraccionaria en general
funcionan amenos de 2 por 100 de su velocidad nominal, mientras que la variación en los
motores similares de corriente continua pueden ser de 7,5 por 100 en mas o en menos de
su velocidad nominal.
40
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TIPOS DE MOTORES
DE CC.
FIGURA N0 8
41
Los
tipos
principales
de
motores
de
corriente
continua
están
representados
esquemáticamente en la figura N0 10. Los motores de imán permanente, de uso extendido
en la actualidad, no tienen enrrollamientos inductores de ninguna clase.
1) Motores shunt.
En los motores con arrollamiento shunt el inductor está conectado en derivación con el
inducido, figura N0 10(a) y tiene características de velocidad constante esencialmente
parecidas a las de velocidad de los motores de inducción. Los motores con arrollamiento
shunt estabilizados son los motores con arrollamiento shunt que poseen un pequeño
arrollamiento serie adicionado para estabilizar las características de velocidad, es decir,
para evitar una elevación de la velocidad cuando se aplica la carga. Esta tendencia a
elevarse la velocidad es debida al efecto de debilitamiento del campo a causa de la
reacción del inducido. Los motores de corriente continua de potencia fraccionaria
generalmente no requieren uso de un arrollamiento estabilizador.
2) Motor serie.
En los motores con arrollamiento serie el inductor está conectado en serie con el inducido
y tiene las características de velocidad variable de los motores de serie universales. Una
forma modificada de este tipo de es el motor serie con inductor desdoblado representado
por la figura N0 10(b).
3) Motor compund.
Los motores con arrollamiento compound figura N0 10(c), emplean a la vez un inductor
serie y un inductor shunt y tiene características de velocidad intermedias entre las propias
de los motores shunt y serie, que son función del valor del devanado mixto. El
arrollamiento serie está conectado en un sentido tal que refuerza el inductor shunt,
provocando de esta manera in incremento del flujo. Los motores compount son conocidos
normalmente como motores de velocidad variable. (Los motores compound diferenciales,
en los cuales el inductor serie está conectado de tal manera que se opone el inductor
shunt, son poco empleados a causa de la intensidad de sus características de velocidad.)
42
4) Motores de imán permanente.
Los motores de imán permanente tienen arrollamientos inductores; figura N 0 10(d) en el
circuito magnético está dispuestos un imán permanente para crear el flujo requerido. Estos
motores en la actualidad son suministrados en gran variedad de tamaños y potencias por
números constructores.
CARACTERISTICAS TECNICAS DE LOS MOTORES DE CC.
Motores en derivación (motores shunt). Los motores de cd en derivación son
adecuados para aplicaciones en donde se necesita velocidad constante a cualquier ajuste
del control o en los casos en donde es necesario un rango apreciable de velocidades(por
medio del control de campo). En la figura 12a se muestra la conexión del circuito de
campo. Como la armadura de un motor gira en un campo magnético, se genera una fem
en los conductores que se opone a la dirección de la corriente y se le conoce como fuerza
contraelectromotriz. La fem aplicada debe ser bastante grande como para vencer la fuerza
contraelectromotriz y también para enviar la corriente Ia de la armadura a través de R m, la
resistencia del devanado de la armadura y las escobillas; a sea:
Ea = Eb+ Ia Rm
Volts
( 1)
En donde Ea = fem aplicada y Eb = fuerza contraelectromotriz. Puesto que la fuerza
contraelectromotriz a la velocidad cero, es decir, en el arranque, es idénticamente cero y
como por lo general la resistencia de la armadura es pequeña , es obvio, en vista de la
ecuación (1), que, a menos que se tomen medidas para aplicar el voltaje aplicado,
circulara una corriente excesiva en el motor durante ese arranque. Lo normal es que se
usen dispositivos de arranque que consisten en resistores variables en serie, para limitar
la corriente de arranque de los motores.
El par de un motor es proporcional al número de conductores en la armadura, la corriente
por el conductor y el flujo magnético total en la máquina. La fórmula para el par es:
Par = 0.1175 Z
Polos
Ia ----------------trayectorias
x 10-8
Lb . ft
(2)
43
En donde Z = Número total de conductores en la armadura,
= Flujo magnético total por
polo y Ia = Corriente de la armadura tomada de la línea.
Eb = Ea – IaRm = Z
o bien,
R/min
----------60
polos
------------ X 10-8
trayectorias
Ea – Ia Rm
trayectorias
r/min = 60 ----------------- ---------------- X 10-8
Z
polos
volts
(3)
(4)
Para un motor dado, el número Z de conductores en la armadura, el número de polos y el
número de trayectorias en la armadura son constantes. Por lo tanto, el par se puede
expresar como:
Par = constante X
Ia
(5)
Y, de modo semejante, la velocidad se expresa como:
Velocidad = constante X (Ea – IaRm) /
(6)
Velocidad y par de los motores devanados en serie. Las ecuaciones (6) y (5) se
aplican a los motores de todos los tipos de corriente continúa. En los casos de los motores
devanados en serie, el flujo
aumenta en proporción a la corriente Ia en la armadura; el
par seria proporcional a I²a, si no fuera porque el circuito magnético se satura al aumentar
la corriente. Como Ö crece con la carga, la velocidad cae a medida que aumenta esa
carga. Las características de velocidad y par se muestran en las curvas 3 figura N 0 11.
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CARACTERISTICAS
DEL MOTOR.
FIGURA N0 9
45
Si la carga en un motor devanado en serie se hace pequeña, la velocidad aumenta mucho,
de modo que un motor de este tipo siempre debe conectarse a la carga a través de un
engranaje reductor o directamente. Si se conectara mediante banda y ésta se rompiera, la
velocidad del motor se dispararía y el motor probablemente estallaría.
Para una carga dada y, Por lo tanto, para una corriente dada, la velocidad de un motor
devanado en serie se puede incrementar al poner en derivación el devanado en serie, o
bien, al poner en cortocircuito algunas de las vueltas en serie, de modo que se reduzca el
flujo magnético. La velocidad se puede reducir al introducir una resistencia en serie con la
armadura.
Conexiones del motor en compound. Éstas se muestran en la figura No 12(c). El motor
en compound es un término medio entre los motores devanados en serie y los de en
derivación. En virtud de la existencia del devanado en serie, que ayuda al devanado en
derivación, el flujo magnético por polo aumenta con la carga, de modo que el par se
incrementa con mayor rapidez y la velocidad disminuye más rápidamente que si no
estuviera conectado el devanado en serie; pero el motor no se puede desbocar con cargas
ligeras, por la presencia de la excitación en derivación. En la curva 2 (Figura N o 11) se
muestran las características de velocidad y par para este tipo de máquina.
La velocidad de un motor en compound se puede ajustar por medio de reóstatos en la
armadura y el campo, como en el caso de la máquina en derivación.
Las compound indirectas se usan en motores de cd. En este caso, el campo en serie con
devanado en cinta gruesa se reemplaza con un campo con devanado de alambre, similar
a un campo pequeño con derivación. Este campo se excita por medio de un excitador de
cd
no saturado, por lo general accionado por separado a velocidad constante. Este
excitador, a su vez, es excitado por la corriente de línea del motor, por lo cual se alimenta
la excitación en serie (véase la figura No 13). El voltaje de salida y la corriente del
excitador son proporcionales a la corriente principal del motor; de modo que existe una
proporcionalidad dada entre la corriente de carga del motor y la intensidad de su campo en
serie con devanado de alambre.
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CONEXIÓN DEL CIRCUITO
DE CAMPO DEL MOTOR CD.
FIGURA N0 12
47
El uso de un conmutador de polos y un reóstato en el circuito de la armadura del excitador
en serie permite hacer variar la intensidad e incluso la polaridad del campo en serie. Esto
da lugar a un método fácil para cambiar, si se desea, la composición del motor, para
diversas velocidades, con el fin de mantener la regulación de velocidad constante sobre
cierto rango de velocidades. Si se desea, se puede conectar mecánicamente el reóstato
del excitador en serie al reóstato del campo en derivación, para realizarlo en forma
automática lo anterior.
Alimentaciones de energía eléctrica. Las fuentes de energía eléctrica para los motores
de cd pueden ser baterías, un generador de cd o rectificadores. Los motores de imán
permanente y los miniaturas usan baterías como fuente de energía eléctrica. Los grandes
motores de cd, de número entero de caballos de potencia, como los motores para
laminadoras, emplean generadores de cd como fuentes. La mayor parte de los motores de
cd, de fracciones de caballo y de un número entero de caballos, operan con fuentes de
energía eléctrica rectificadoras. Algunos de los tipos de alimentaciones rectificadoras de
energía eléctrica son las siguientes:
1. Monofásico, de media onda.
2. Rectificador inverso, monofásico, de media onda.
3. Monofásico, de media onda, controlado por el voltaje de corriente alterna.
4. Monofásico, de onda completa, controlado por el ángulo de disparo.
5. Rectificador inverso, monofásico, de onda completa, controlado por el ángulo de
disparo.
6. Trifásico, de media onda, controlado por el voltaje.
7. Trifásico, de media onda, controlado por el ángulo de disparo.
Las designaciones NEMA estándar por letras de las alimentaciones de prueba de energía
eléctrica para motores de cd son las siguientes:
Alimentación A: generador de cd.
Alimentación C: rectificador controlado trifásico de seis pulsos (230 V L-L, 60 Hz
48
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FIGURA N0 13
49
Alimentación D: rectificador controlado trifásico de seis pulsos (con tres tiristores y tres
diodos) con diodo de marcha libre (230/460 V L-L 60 Hz)
Alimentación K: rectificador controlado monofásico de onda completa con diodo de marcha
libre (230/115 V, 60 Hz)
Cuando se hace funcionar un motor de número entero de caballos, de corriente directa,
con una alimentación de corriente alterna rectificada, su rendimiento puede diferir
materialmente del que se obtiene con el mismo motor, cuando se hace funcionar con una
fuente de alimentación de corriente directa de reducida componente alterna residual, como
lo es un generador o una batería.
El voltaje pulsante y las formas de onda de la corriente pueden incrementar el aumento en
la temperatura y el ruido y afectar en forma adversa la conmutación y la eficiencia. Debido
a estos efectos, los motores de cd se deben diseñar o seleccionar en especial para operar
con el tipo particular de alimentación rectificada que se va a usar. El factor de forma y la
componente alterna residual de la corriente de la armadura son dos parámetros
importantes que se tienen que especificarse para los motores que se requiere hacer
funcionar con alimentaciones de energía eléctrica con rectificador. El factor de forma se
define como la razón del valor rms al valor promedio de las corrientes de la armadura. Los
factores de forma nominales recomendados varían desde 2.0, para alimentaciones de
rectificador monofásico de media onda, hasta 1.1, para alimentaciones de rectificador
trifásico de onda completa (véase la NEMA MGI-14.60). En virtud de que las letras usadas
para identificar las alimentaciones de energía, de uso común, se han elegido en orden
alfabético respecto al orden creciente alterna residual, un motor cuya capacidad nominal
se haya dado con base en una de estas alimentaciones puede usarse con cualquier
alimentación designada por una letra anterior del alfabeto. Por ejemplo, un motor cuya
capacidad nominal está basada en una alimentación E puede usarse con una C o una D.
Motores de cd de imán permanente. Existen motores de imán permanente (PM,
permanent magnet) en tamaños de fracciones de caballo y de números pequeños enteros
de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado.
50
No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado
asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo
que fallen y no hay probabilidad de que se presente una sobrevelocidad debida a pérdida
del campo. Se mejora la eficiencia y el enfriamiento por la eliminación de pérdida de
potencia en un campo excitador. Asimismo, la característica par contra corriente se
aproxima más a lo lineal. Por último, un motor PM se puede usar en donde se requiere un
motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua.
Los efectos de la temperatura dependen de la clase de material que se use en el imán.
Los motores de número entero de caballos de potencia con imanes del tipo Alnico resultan
menos afectados por la temperatura que los que tienen imanes de cerámica, porque el
flujo magnético es constante. Por lo común, los imanes de cerámica que se utilizan en los
motores de fracción de caballo tienen características que varían con la temperatura muy
aproximadamente como varía los campos en derivación de las máquinas excitadas.
Las desventajas son la falta de control del campo y de características especiales
velocidad-par. Las sobrecargas pueden causar desmagnetización parcial que cambia las
características de velocidad y de par del motor, hasta que se restablece por completo la
magnetización. En general, un motor PM de número entero de caballos es un poco más
grande y más caro que un motor equivalente con devanado en derivación, pero el costo
total del sistema puede ser menor.
Un motor PM es un término medio entre los motores de devanado compound y los
devanados en serie. Tiene mejor par de arranque, pero alrededor de la mitad de la
velocidad en vacío de un motor devanado en serie. En las aplicaciones en las que
tradicionalmente se emplean motores en compound, podría considerarse el motor PM en
los casos en que se necesiten una eficiencia un poco más alta y una mayor capacidad de
sobrecarga. En las aplicaciones de los motores devanados en serie, la consideración del
costo puede influir en la decisión de hacer el cambio. Por ejemplo, en tamaños de
armazón de 5 in de diámetro, el motor devanado en serie es más económico; pero en
tamaños más de 5 in, este motor cuesta más en volúmenes grandes y el motor PM en
estos tamaños más grandes desafía al motor devanado en serie con sus pares altos y su
baja velocidad en vacío.
51
Motores de cd sin escobillas.
Los motores de cd sin escobillas tienen una armadura estacionaria y una estructura
rotatoria del campo, exactamente en forma opuesta a como están dispuestos esos
elementos en los motores convencionales de cd. Esta construcción aumenta la rapidez del
calor y reduce la inercia del rotor. Imanes permanentes suministran el flujo magnético para
el campo. La corriente directa hacia la armadura se conmuta con transistores, en vez de
las escobillas y las delgas del colector de los motores convencionales de cd.
Es normal que la armadura de los motores de cd sin escobillas contengan de dos a seis
bobinas, en tanto que las armaduras de los motores convencionales de cd contienen de 10
a 50. los motores sin escobillas tienen menos escobillas porque se requieren dos o cuatro
transistores para conmutar cada bobina del motor. Esta disposición se vuelve cada vez
más costosa e ineficiente a medida que aumenta el número de devanados en la figura N 0
14 se muestra un circuito típico de un motor sin escobillas de CD.
Los transistores que controlan cada devanado de un motor sin escobillas de cd se activan
y desactivan a ángulos específicos del rotor. Los transistores suministran pulsos de
corriente a los devanados de la armadura, los cuales son semejantes a los que suministra
un conmutador. La secuencia de conmutación se dispone para producir un flujo magnético
producido por los imanes permanentes del rotor. El par producido por un motor sin
escobillas de cd directamente proporcional a la corriente de la armadura.
Motores de tracción de cd.
Estos son motores de cd devanados en serie cuyas capacidades nominales por lo general
son de 140 hp, 310 V, 2500 r/min. Se usan cuatro motores en cada vehículo de transporte,
dos en cada eje. La alimentación de energía eléctrica es de 600 a 1000 V de cd, desde el
tercer riel, el cual se energiza por medio de grupos rectificadores de 2500 a 5000 kW que
se encuentran en las subestaciones
rectificadoras ubicadas a lo largo de la vía. El
arranque y el control de la velocidad se realizan por medio de un controlador de leva o de
un controlador de disco perforado que se encuentra a bordo del vehículo.
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CIRCUITO TIPICO DE UN
MOTOR SIN ESCOBILLAS
FIGURA N0 14
53
Servomotores de cd. Los servomotores de cd son motores de alto rendimiento que por
lo común se usan como motores primarios en computadoras, maquinaria controlada
numéricamente u otras aplicaciones en donde el arranque y la detención se debe hacer
con rapidez y exactitud.
Los servomotores son de peso ligero, y tienen armaduras de baja inercia que responden
con rapidez a los cambios en el voltaje de excitación. Además, la inductancia muy baja de
la armadura en estos motores da lugar a una baja constante eléctrica de tiempo (lo normal
entre 0.05 y 1.5 ms) que agudiza todavía más la respuesta del motor a las señales de
comando.
Los servomotores incluyen motores de imán permanente, circuito impreso y bobina (o
coraza) móvil. El rotor de un motor acorazado consta de una coraza cilíndrica de bobinas
de alambre de cobre o de aluminio. El alambre gira en un campo magnético en el espacio
anular entre las piezas polares magnéticas y un núcleo estacionario de hierro. El campo es
producido por imanes de fundición de Alnico cuyo eje magnético es radial. El motor puede
tener dos, cuatro o seis polos.
Cada uno de estos tipos básicos tiene sus propias características, como son la inercia,
forma física, costos, resonancia de la flecha, configuración de ésta, velocidad y peso. Aún
cuando estos motores tienen capacidades nominales similares de par, sus constantes
físicas y eléctricas varían en forma considerable. La selección de un motor puede ser tan
sencillo como ajustar uno al espacio del que se disponga. Sin embargo, en general éste no
es el caso, ya que la mayor parte de los servosistemas son muy complejos.
54
TEMA 2.0 UTILIZACIÓN DE LOS MOTORES ELECTRICOS EN LA
INDUSTRIA
2.1 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA (AC)
A nivel industrial los motores que mas se utilizan son los sincrónicos y los tipos jaula de
ardilla, su uso es tan generalizado que al referirse a los motores eléctricos, muchas
personas piensan en el motor tipo jaula de ardilla, suponiendo que este es el único que
existe.
Dado su número y variedad nos limitaremos a exponer los tipos de motores mas
empleados; desde luego el tema es demasiado amplio para cubrirlo aquí en forma
exhaustiva. Las descripciones solo tienen por objeto proporcionar al lector una idea
general de la enorme variedad de equipos empleados en servios públicos e industriales,
para satisfacer las necesidades. Sin embargo se considera útil presentar, donde se
encuentra la aplicación de dichos equipos ya que dentro de una industria, es de gran
importancia para su desarrollo productivo.
Dentro de las aplicaciones mas comunes de los motores están, las siguientes:
Motores Síncronos
Este motor tiene la característica de que su velocidad de giro es directamente proporcional
a la frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta. Por ejemplo si la fuente es de
60Hz, si el motor es de dos polos, gira a 3600 RPM; si es de cuatro polos gira a 1800 RPM
y así sucesivamente. Este motor o gira a la velocidad constante dada por la fuente o, si la
carga es excesiva, se detiene.
El motor síncrono es utilizado en aquellos casos en que los que se desea velocidad
constante. En nuestro medio sus aplicaciones son mínimas y casi siempre están en
relacionadas con sistemas de regulación y control mas no con la transmisión de potencias
elevadas.
Como curiosidad vale la pena mencionar que el motor síncrono, al igual que el motor de
corriente directa, precisa de un campo magnético que posibilite la transformación de
55
enegía eléctrica recibida por su correspondiente armadura en energía mecánica entregada
a través del eje.
A pesar de su uso reducido como motor, la maquina síncronica es la mas utilizada en la
generación de energía eléctrica. Por ejemplo, en nuestro país, todas las centrales
hidroeléctricas y termoeléctricas mediante generadores sincrónicos trifásicos.
Motores Asincrónicos o de Inducción
Si se realizara a nivel industrial una encuesta de consumo de la energía eléctrica utilizada
en alimentar motores, se vería que casi la totalidad del consumo estaría dedicado a los
motores asincrónicos.
Estos motores tienen la peculiaridad de que no precisan de un campo magnético
alimentado con corriente continua como en los casos del motor de corriente directa o del
motor sincrónico.
Una fuente de corriente alterna (trifásica o monofásica) alimenta a un estator. La corriente
en las bobinas del estator induce corriente alterna en el circuito eléctrico del rotor (de
manera algo similar a un transformador) y el rotor es obligado a girar.
De acuerdo a la forma de construcción del rotor, los motores asincrónicos se clasifican en:
 Motor Asincrónico de Rotor Bobinado
 Motor Asincrónico tipo Jaula de Ardilla
Motor de Rotor Bobinado
Se utiliza en aquellos casos en los que la transmisión de potencia es demasiado elevada
(a partir de 200 kW) y es necesario reducir las corrientes de arranque. También se utiliza
en aquellos casos en los que se desea regular la velocidad del eje.
Su característica principal es que el rotor se aloja un conjunto de bobinas que además se
pueden conectar al exterior a través de anillos rozantes. Colocando resistencias variables
en serie a los bobinados del rotor se consigue suavizar las corrientes de arranque . De la
misma manera, gracias a un conjunto de resistencias conectadas a los bobinados del
56
rotor, se consigue regular la velocidad del eje. Un detalle interesante es que la velocidad
del eje nunca podrá ser superior que la velocidad correspondiente si el motor fuera
sincrónico.
Motor Tipo Jaula De Ardilla
Finalmente aquí llegamos al motor eléctrico por excelencia. Es el motor relativamente más
barato, eficiente, compacto y de fácil construcción y mantenimiento.
Siempre que sea necesario utilizar un motor eléctrico, se debe procurar seleccionar un
motor asíncronico tipo jaula de ardilla y si es trifásico mejor.
Por otro lado, la única razón para utilizar un motor monofásico tipo jaula de ardilla en lugar
de uno trifásico será porque la fuente de tensión a utilizar sea también monofásica. Esto
sucede en aplicaciones de baja potencia. Es poco común encontrar motores monofásicos
de mas de 3 kW.
La diferencia con el motor de rotor bobinado consiste en que el rotor esta formado por un
grupo de barras de aluminio o de cobre en formas similar al de una jaula de ardilla.
Características y aplicaciones de los motores tipo jaula de ardilla
La asociación nacional de fabricantes de equipo eléctrico (NEMA), con el fin de tener
uniformidad en la aplicación, ha clasificado este tipo de motores de acuerdo con el par
desarrollado a rotor bloqueado, el par máximo desarrollado, la corriente de arranque o
algunos otros valores y a asignado letras a este tipo de motores.
Las designaciones Nema más comunes son:
 Clase A
 Clase B
 Clase C
 Clase D
57
Designaciones Nema clase “A”
Este motor tiene las siguientes características :Par de arranque menor , una corriente de
arranque normal y deslizamiento bajo. El principal problema de esta clase es que su
corriente de conexión o de arranque es extremadamente alta.
Las corrientes de arranque típicas pueden ser de 500 a 800 por ciento de la corriente
nominal. En tamaños superiores a 7.5 hp es necesario utilizar con estos motores alguna
forma de reducción en el voltaje de alimentación para evitar, durante el arranque,
problemas de caídas de voltaje en las líneas en que se encuentra conectado el motor.
Algunas aplicaciones son : Impulso de ventiladores, bombas, tornos, y otras maquinas y
herramientas.
El deslizamiento a plena carga de estos motores tienen un deslizamiento menor del 20% y
debe de ser menor que el de un motor de clase B.
Designaciones Nema clase “B”
Este motor tiene las siguientes características: par de arranque normal y baja corriente de
arranque. Este motor es el más usado de los del tipo jaula de ardilla, ya que tienen un par
de arranque y un par a rotor bloqueado adecuados para el arranque de una gran variedad
de máquinas industriales; además, toma una corriente aceptable a pleno voltaje.
Algunas de las aplicaciones generales de estos motores son:
En máquinas herramientas, como son tornos, esmeriles, fresas, etc... Para accionar
ventiladores, en sopladores para extracción de humos en chimeneas de tiro forzado,
extracción de gases, etc. Para accionar bombas centrífugas (para bombear agua y
líquidos más densos que el agua hasta 10 H.P. son capacidades adecuadas).
Para accionar prensas, trituradores, molinos de baja carga, compresores de arranque sin
carga, etc.
El deslizamiento a plena carga de estos motores varía entre 1.5 y 3%; los motores de más
de 200 H.P. pueden tener deslizamientos menores del uno por ciento.
58
Designación Nema clase “C”
Este motor tiene las siguientes características:
Alto par de arranque y baja corriente de arranque. Es decir que estos motores tienen un
alto par a rotor bloqueado, baja corriente de arranque y relativamente un bajo
deslizamiento a plena carga.
Algunas de las aplicaciones típicas de estos motores son:
En compresoras de movimiento alternativo (bajo condiciones de carga), elevadores,
transportes de material, trituradores, pulverizadores, alimentadores al hogar de los hornos,
etc.
Estos motores generalmente se diseñan con un par a rotor bloqueado arriba de 200%;
este par se requiere al par a plena carga, cuyo valor es menor al 195%. El deslizamiento a
plena carga de estos motores varía de 1.5 a 3 %.
Designación Nema clase “D”
Las características de este tipo de motor son:
Alto par de arranque, baja corriente de arranque y alto deslizamiento. Usan rotor con alta
resistencia y se emplean comúnmente con carga que tiene muchas pérdidas intermitentes
de altas y bajas.
Las máquinas impulsadoras para estos motores generalmente están provistas de un
volante, que tiene una inercia considerable; en vacío, estos operan con un deslizamiento
muy pequeño que crece cuando se aplica la carga máxima considerablemente,
permitiendo al sistema absorber la energía del volante.
Cuando el motor opera con cargas no intermitentes entonces no es necesario el uso del
volante.
Este tipo de motores se usa generalmente en punzadoras, bombas de movimiento
alternativo, desmenuzadoras, etc.
59
2.2 MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA (DC)
Las máquinas de CD se caracterizan por su versatilidad. Mediante diversas
combinaciones de devanados en derivación(shunt), en serie y excitación separada de los
campos. Debido a la facilidad con la que se puede controlar, a menudo se usan sistemas
de máquinas de CD en aplicaciones donde se necesita una amplia gama de velocidades
de motor o de control de la potencia de éste.
En los últimos años la tecnología de sistemas de control de estado sólido de ha
desarrollado lo suficiente para controladores de corriente alterna, y por lo tanto se
comienza a ver dichos sistemas en aplicaciones que antes se asociaban casi
exclusivamente con las máquinas de CD. Sin embargo éstas continuarán aplicándose
debido a su flexibilidad y a la sencillez relativa de sus sistemas de control, en comparación
con las demás máquinas de CA.
Las máquinas de CD son generalmente mucho mas adaptables al servicio de velocidad
ajustable que las de CA asociadas con un campo giratorio de velocidad constante. En
realidad la fácil susceptibilidad de los motores de CD al ajuste de su velocidad de
operación dentro de un margen muy amplio y mediante diversos métodos, es uno de los
motivos principales de la posición fuertemente competitiva de la máquina de CD en las
aplicaciones industriales modernas.
Vale la pena mencionar lo métodos más comunes de control de velocidad y son los
siguientes:
1. El ajuste del flujo, en general mediante el control de la corriente de campo. Este
método consiste en un termostato que hace variar la corriente de campo .
2. El ajuste de resistencia asociada con
un circuito en la armadura. Este método
consiste en obtener velocidades menores intercalando resistencias externa en serie
con el circuito de la armadura. Aquí en este método se pueden emplear motores en
serie, en derivación, y compuestos.
3. EL control del voltaje en las terminales de la armadura. Este método consiste como su
nombre lo dice hay un cambio de voltaje en las terminales de la armadura de un motor
en derivación .
60
Dichas máquinas se Utilizan en casos en los que es de importancia el poder regular
continuamente la velocidad del eje y en aquellos casos en los que se necesita de un
troqué de arranque elevado.
Además, utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente continua,
como es el caso de trenes y automóviles eléctricos, motores para utilizar en el arranque y
en los controles de automóviles, motores accionados a pilas o baterías, etc.
Para funcionar, el motor de corriente continua o directa precisa de dos circuitos eléctricos
distintos: el circuito de campo magnético y el circuito de la armadura.
El campo (básicamente un imán o un electroimán) permite la transformación de energía
eléctrica recibida por la armadura en energía mecánica entregada a través del eje. La
energía eléctrica que recibe el campo se consume totalmente en la resistencia externa con
la cual se regula la corriente del campo magnético.
Es decir ninguna parte de la energía eléctrica recibida por el circuito del campo, es
transformada en energía mecánica. El campo magnético actúa como una especie de
catalizador que permite la transformación de energía en la armadura.
La armadura consiste en un grupo de bobinados alojados en el rotor y en un ingenioso
dispositivo denominado colector mediante el cual se recibe corriente continua desde una
fuente exterior y se convierte la correspondiente energía eléctrica en energía mecánica
que se entrega a través del eje del motor.
En la transformación se pierde un pequeño porcentaje de energía en los carbones del
colector, en el cobre de los bobinados, en el hierro (por corriente parásitas e histéresis), en
los rodamientos del eje y la fricción del rotor por el aire.
Los motores de corriente directa se usan en una amplia variedad de aplicaciones
industriales en virtud de la facilidad con la que se puede controlar la velocidad. La
característica velocidad-par se puede hacer variar para casi cualquier forma útil. Es
posible la operación continua sobre un rango de velocidades de 8:1.
61
En tanto los motores de ca tienden a pararse, los motores de cd pueden entregar más de
cinco veces el par nominal (si lo permite la alimentación de energía eléctrica). Se puede
realizar la operación en forma reversa sin conmutar la energía eléctrica.
Existen motores de imán permanente en capacidades nominales de fracciones de caballo
de potencia, en seguida se describen los motores de corriente continua, así como sus
aplicaciones mas comunes:
1. Motor en derivación, en el que el devanado del campo está conectado en paralelo con
la armadura.
2. Motor devanado en serie, en el que el devanado del campo está conectado en serie
con la armadura.
3. Motor en compound, en el que se tiene un devanado del campo en serie y otro en
paralelo. El motor en derivación se utiliza en aplicaciones de velocidad constante,
como en los accionamientos para los generadores de cd en los grupos
motogeneradores de cd. El motor devanado en serie se usa en aplicaciones en las
que se requiere un alto par de arranque, como en la tracción eléctrica, grúas,
malacates, etcétera. En los motores en compound, la caída de la característica
velocidad-par se puede ajustar para que se adecue a la carga.
62
2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE LOS MOTORES DE
CORRIENTE ALTERNA.
De todos los motores eléctricos conocidos, el motor de CA es el que satisface mejor la
condición de reversibilidad. Efectivamente, permite suministrar y absorber elevados pares
mecánicos en una amplia gama de velocidades Por y en los dos sentidos de giro.
Motores con rotor tipo jaula de ardilla.
Este tipo de motores con rotor jaula de ardilla tienen las siguientes ventajas:
a) Tienen una marcha regular y silenciosa con muy poca vibración.
b) Velocidad fija. Los motores de dos polos, a 60 Hz giran a 3450 r.p.m, los de catro
polos operan a 1725 r.p.m, los de seis polos, giran a 1125 r.p.m; difiriendo muy poco
de su velocidad sincronía. La velocidad en motores con este rotor se reduce en 3%
aproximadamente desde la carga cero (en vacío) hasta plena
c) Gran confiabilidad, no tiene escobillas que cambiar no tampoco interruptores
centrífugos dentro del motor; el único contacto físico es en los cojinetes.
d) Fácilmente reversibles. Puede intercambiarse la rotación de estos motores,
intercambiando intercambiando solo dos de las tres líneas que conectan al motor.
Cuando está en marcha, se puede invertir su rotación solamente mediante el cambio
de la polaridad relativa de los devanados, de modo que pasa de plena velocidad a un
sentido a plena velocidad en otro, por accionamiento de un interruptor inverso o
conmutador.
e) Par de arranque alto. Estos motores desarrollan un par de arranque de 200 a 350%
del valor normal a plena carga, dependiendo de su tamaño.
f)
La corriente de arranque es, solamente, de 1,5 a 2,5 veces la corriente nominal,
debido precisamente al empleo de las resistencias de arranque a las que acabamos
63
de eludir : incluso es posible elegir el valor de la corriente eligiendo adecuadamente
dichas resistencias . Recordemos que en los motores con rotor de cortocircuito, la
corriente de arranque es de 4 a 8 veces la corriente nominal del motor.
g) El par de arranque de un motor con rotor bobinado es siempre mucho mayor que
el de un motor con rotor en cortocircuito de las mismas característica.
h) Durante el periodo de arranque, el factor de potencia es bastante mas elevado en un
motor rotor que en uno con rotor en cortocircuito de las mismas características, debido
a la presencia de las resistencias rotatorias que son puramente óhmicas que se
representan un valor elevado respecto a la inductividad del circuito rotatorio durante el
arranque.
i)
En los motores con rotor bobinado es posible una regulación continua de velocidad,
sin saltos, y en un margen mucho más amplio que en los motores con rotor en corto
circuito.
En general el motor jaula de ardilla tiene otras ventajas entre las cuales vale la pena
mencionar y son las siguientes:
1) - Costo inicial bajo.
2) -Su rotor es de construcción simple.
3) -Es compacto y su instalación ocupa poco espacio.
4) -No produce chispas que pudiera provocar un incendio.
5) -Lleva poco equipo de control, ya que no necesita control en el rotor.
Dentro de las desventajas que presentan, se tienen las siguientes:
1. -Su corriente de arranque es relativamente alta.
2. -E l par de arranque es fijo en un motor dado.
64
Motores de rotor devanado
Los motores de rotor devanado tienen tres desventajas sobre los del tipo jaula de ardilla
que a continuación se describen:
1) En ellos se puede desarrollar un alto par de arranque con corriente de arranque baja y
además, pueden operar a plena carga con pequeño deslizamiento y con eficiencia.
2) Se puede cambiar el deslizamiento, cambiando la resistencia del rotor.
3) su desventaja es que proporciona una potencia nominal menor que el motor de jaula
de ardilla, su par de arranque es siempre menor y no siempre uniforme.
65
SUBTEMA 3.0 CONTROL DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES DE
CORRIENTE ALTERNA.
3.1 NECESIDADES DE CONTROLAR LA VELOCIDAD EN LOS MOTORES
ELECTRICOS.
Dentro de las actividades de la ingeniería en controlar la velocidad de los motores
eléctricos se entiende como la acción o conjunto de acciones que se realizan con la
finalidad de gobernar o regular las funciones de un equipo, máquina o motor. Abarcando
todas las comprendidas desde que inicia su operación (arranque), hasta que salen de su
funcionamiento normal, pasando por su aceleración, regulación inversión de velocidad,
etc.
3.2 PROCEDIMIENTOS PARA CONTROLAR LA VELOCIDAD.
El motor de inducción siempre llena de modo admirable los requisitos para impulsión a
velocidad esencialmente constante. Sin embargo muchas aplicaciones de motores
necesitan de varias velocidades a un rango continuo de velocidades ajustables.
La velocidad de los motores de inducción se pueden controlar haciendo uso de los
diferentes procedimientos entre los cuales sobresalen los siguientes :
 Variación de velocidad mediante la modificación de voltaje.
 Variación de velocidad mediante el cambiando del número de polos.
 Variación de velocidad mediante la conexión en cascada.
 Variación de velocidad mediante la modificación de frecuencia.
 Variación de velocidad introduciendo un segundo voltaje en el circuito secundario
del motor.
66
3.3.1 VARIACIÓN DE VELOCIDAD MEDIANTE LA MODIFICACIÓN DE
VOLTAJE.
El motor se puede conectar directamente a la red a través de un interruptor de tres polos,
figura No 15 este proceso es barato y simple; no obstante debido a la necesidad de variar
la velocidad en los motores, se puede lograr variando el voltaje en una se sus fases de
alimentación en un motor de inducción. Una vez variando el voltaje a cada una de sus
fases, la velocidad se modifica, para cualquier carga, con ello el deslizamiento varia
inversamente al cuadrado del voltaje aplicado al devanado del estator. Por ejemplo si el
voltaje se reduce a la mitad, el deslizamiento aumentará cuatro veces su valor. Algunas
veces se emplea este método de control de velocidad con motores pequeños que
accionan ventiladores.
Es decir el par interno desarrollado por un motor de inducción es proporcional al cuadrado
del voltaje aplicado en sus terminales del primario, como indican las dos curvas
características par-velocidad de la figura N0 16. Si la carga tiene la característica par
velocidad que se indican en la línea punteada, la velocidad se reducirá desde n1 hasta n2.
Este método de control se usa a menudo con motores pequeños jaula de ardilla que
mueven ventiladores.
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ALIMENTACIÓN DEL
MOTOR DE CA.
FIGURA N0 15
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CURVA PAR-VELOCIDAD
FIGURA N0 16
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3.3.2
VARIACIÓN DE VELOCIDAD MEDIANTE EL CAMBIO DEL
NUMERO DE POLOS.
La velocidad de un motor de inducción depende de la velocidad del flujo magnético
circulante producido por el devanado del estator ( el cual se desplaza a la velocidad
síncrona). La velocidad síncrona es inversamente proporcional al número de polos. Por
esta razón es posible alterar la velocidad de un motor de inducción con solo cambiar el
número de polos.
Esto se puede conseguir utilizando diferentes devanados para modificar el número de
polos. Este procedimiento no es fácil de utilizar porque no proporciona control gradual de
la velocidad sincrona se puede conseguir determinando rangos de velocidad.
Como se indica en la formula n1 = (60 x f1) / p , la rotación solo se puede controlar
mediante saltos bruscos. En 50Hz, la rotación n1 máxima llega a 3000 rpm.
Pares de polos P
Rotación sincronía n1 en rpm
1
2
3000
1500
3
1000
4
5
6
750
600
500
Tabla No 1 Nos muestra las rotaciones variando el numero de polos.
Los motores de inducido en circuito corto, con el número de polos variables, se pueden
producir económicamente hasta cuatro rotaciones diferentes. Los estatores de los motores
pueden:
a) Equiparse con dos devanados independientes del número de polos diferentes (4 y 6,
por ejemplo de los cuales, según la necesidad).
b) Equiparse con un devanado subdividido, cuyo número de polos se puede reducir a la
mitad mediante un conmutador.
c) Equiparse con dos devanados separados. Si uno o los dos devanados se subdividiera
y fueran conmutables, se obtendrían tres o cuatro rotaciones.
70
Se pueden diseñar el devanado del estator para que mediante cambios sencillos en las
conexiones de las bobinas se puedan cambiar los polos en la relación de 2 a 1. Se puede
seleccionar una de las dos velocidades sincrónicas.
El rotor casi siempre es del tipo de jaula de ardilla. Un devanado de jaula de ardilla
siempre reacciona produciendo un campo del rotor que tiene el mismo número de polos
que el estator que lo induce. Si se usa un rotor devanado se tiene más complicaciones
debido a que el devanado del rotor también se debe de rearreglar para cambiar el número
de polos.
Con dos conjuntos independientes de devanado del estator, cada uno dispuesto para
cambiar polos, se pueden obtener hasta cuatro velocidades sincrónicas en el motor jaula
de ardilla, por ejemplo, 600, 900,1200 y 1800 r/min para funcionamiento a 60Hz.
En la figura N0 17 se muestra los principios básicos de devanados para cambio de número
de polos, en donde aa y a’a’ son dos bobinas que comprenden a parte del devanado de la
fase a del estator. Un devanado real constaría naturalmente de barias bobinas en cada
grupo. Los devanados de las demás fases del estator (que no aparecen en la figura)
estarían dispuestos de igual forma.
En la figura N0 17(a) las bobinas están conectadas para producir un campo de cuatro
polos; en la figura N0 17(b) se ha invertido la corriente en la bobina a’a’ mediante un
controlador y el resultado es un campo de dos polos.
La figura N0 18 muestra los cuatro arreglos posibles de estas dos bobinas; se pueden
conectar en serie o en paralelo, y sus corrientes pueden estar tanto en la misma dirección
(funcionamiento con cuatro polos) o en dirección opuesta (funcionamiento con dos).
Además, las fases de la máquina se pueden conectar ya sea en estrella o en delta, con lo
cual se tiene ocho combinaciones posibles.
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PRINCIPIO DEL CAMBIO
DEL NÚMERO DE POLOS
FIGURA N0 17
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Vale la pena hacer una observación, que para un voltaje de fase dado, las diferentes
conexiones ocasionarán diferentes niveles de densidad de flujo de entrehierro. Por
ejemplo, un cambio de conexión de delta a estrella reducirá el voltaje de la bobina (y por lo
tanto la densidad de flujo de entre hierro), en 3 1/2 para un arreglo dado de bobinas.
Igualmente, si se cambia de una conexión con dos bobinas en serie a dos en paralelo, se
duplicará el voltaje a través de cada bobina y por lo tanto y por lo tanto se duplicara la
magnitud de la densidad de flujo de entrehierro. Desde luego estos cambios en la
densidad de flujo se puede compensar mediante cambios en el voltaje aplicado al
devanado. En cualquier caso se deben de tener en cuenta estos cambios, así como los
correspondientes en el par del motor, cuando se piensa usar una configuración en una
aplicación determinada.
La Figura N0 18 nos muestra cuatro arreglos posibles de las bobinas de la fase a del
estator de cambio de número de polos de un motor de inducción: a)conectado en serie, de
cuatro polos; b) conectado en serie, de dos polos; c) conectado en paralelo en paralelo, de
cuatro polos; d)conectado en paralelo, de dos polos.
Ejemplo:
Se desea convertir un devanado tetrapolar en vipolar. Las rotaciones habituales son:
3000/1500 rpm., 1500/750 y 1000/500rpm
El mejor aprovechamiento del motor se hace mediante la conexión de Dahlander. Por lo
cual, se tiene que desarrollar para pasar de tetra a bipolar.
Dados: diagrama fundamental de un devanado trifasico tetrapolar (un ramal dibujado en la
figura N0 19(a).
Explicación: el devanado trifásico bipolar del estator posee una bobina por ramal, la cual
se compone de varias bobinas parciales. Entonces, el devanado tetrapolar tiene que
poseer dos bobinas (I y II) por ramal. Aparecerán cuatro polos si la terminal e1 de la
bobina I se conecta con el comienzo a2 de la bobina II. La corriente fluye en el mismo
sentido por las dos bobinas y en el lugar en que dos flechas de la corriente entre los lados
de la bobina presenta sentidos contrarios, se forman los polos magnéticos más intensos.
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CUATRO ARREGLOS
POSIBLES DE LAS BOBINAS
FIGURA N0 18
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Exigencia modifíquense las bobinas I y II con el fin de que aparezcan sólo dos polos
magnéticos.
Explicación:
La exigencia se satisface si la terminal e2 de la bobina I se conecta con e2 de la bobina II
(figura N0 19 b). Las flechas sólo presentan sentidos opuestos en dos puntos. Las bobinas
se comportan como si fuesen una sola por cada ramal del devanado.
¿Cuales son las desventajas de esta solución? No cambia el dimensionamiento del motor
ni el número de espiras, por lo cual, en rotación doble, el flujo magnético
y el campo B
deben de disminuir a la mitad del valor existente en la magnetización tetrapolar.
Además de esto, no cambia la sección recta de los conductores de las bobinas y, por lo
tanto, circula la misma corriente, esto es con un campo magnético a la mitad, también el
conjugado tendrá la ,mitad del valor.
A pesar de la rotación doble, en la conexión bipolar se proporciona solo la potencia igual,
pues, P = 6.28 X 0.5 x 2n = 6.28. Por consiguiente, el motor estará mal aprovechado
desde el punto de vista energético.
Exigencia 2: según la figura N0 19(b) el número total constante de espiras es la causa por
la que el campo magnético se reduce a la mitad, por ende, trátese de reducir el número
total de espiras a la mitad para que
continue con el mismo valor que en la conexión
tetrapolar.
Explicación: el número útil de espiras se reduce a la mitad si las bobinas I y II se conectan
en paralelo (figura N0 19c)
¿Qué desventajas presenta esta solución? De hecho, con la mitad del número de espiras,
se mantiene el mismo valor que antes de la comunicación de cuatro a dos polos
magnéticos. Mediante al conexión en paralelo de las bobinas, prácticamente se duplico la
sección recta de los conductores, de modo que circulan una corriente doble.
75
Así mismo, el conjugado se comporta de modo tal que se mantiene una potencia idéntica
en conexión bipolar y tetrapolar.
Desgraciadamente, aumenta en exceso la magnitud de campo magnético en la parte
posterior de la pila de láminas en rotación doble, o sea en número de polos de la mitad, y
también lo hace
, no pudiéndoce alcanzar la potencia deseada. Si se quisiera ejecutar
este motor en la práctica, para no sobrecargar el láminado sería preciso reducir la potencia
en aproximadamente 20% en la construcción tetrapolar, con el fin de obtener en la bipolar,
por lo menos una potencia de 1.5 veces.
Exigencia 3: en la conexión (figura N0 19c) obtuvimos una alta densidad de campo
magnético en el dato posterior del laminado. Este hecho no puede compensar mediante el
número mayor de espiras de las bobinas. Por ende, se debe de encontrar una solución.
Explicación:
disminuye si la tensión aplicada en la bifurcación del devanado se reduce
en el momento de pasar de cuatro a dos polos magnéticos. De ahí se llega a la solución
de conectar el devanado del estator del motor de polos variables, para rotaciones bajas
(cuatro polos ) en triángulo y, para rotaciones altas, en estrella (figura N 0 19d).
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SUSTENTANTES
DESARROLLO DE LA
Camilo Cano Avila
CONECCIÓN DAHLANBER
Guillermo Bautista
Hernández
FIGURA N0 19
77
3.3.3 VARIACIÓN DE VELOCIDAD MEDIANTE LA CONEXIÓN EN CASCADA.
Bajo condiciones de servicio, este procedimiento es la forma más económica de variar la
velocidad de un motor ; consiste en instalar a todos los motores en una sola flecha o en
interconectar rígidamente entre sí a todas las flechas de los motores. El estator del primer
motor se conecta a la línea y su secundario que debe de ser de fase devanada (anillos
deslizantes), se debe de conectar con el primario del segundo motor y así sucesivamente.
El inducido del último motor, puede ser del tipo jaula de ardilla o rotor devanado.
3.3.4 VARIACIÓN DE VELOCIDAD MEDIANTE LA MODIFICACIÓN DE LA
FRECUENCIA.
Se puede controlar la velocidad sincróna de un motor de inducción haciendo variar la
frecuencia de la línea. Para mantener una densidad de flujo aproximadamente constante,
se debería hacer variar el voltaje de la línea directamente con la frecuencia. El par máximo
permanente entonces casi constante.
En virtud de que la velocidad de sincronismo de un motor es directamente proporcional a
la frecuencia. Al variar ésta también varia la velocidad. Mediante éste procedimiento la
velocidad ha de variar en forma continua siempre que la frecuencia también varíe en forma
continua.
Sin embargo el par máximo desarrollado por el motor es inversamente proporcional a la
velocidad síncrona por lo que se si desea tener un par máximo constante, tanto el voltaje
de suministro como la frecuencia de alimentación deberán incrementarse si se desea
aumentar la velocidad.
Este método solo es aplicable cuando se dispone de una fuente de frecuencia variable.
Con el desarrollo de los dispositivos de estado sólido de capacitores comparativamente
grandes es posible utilizar los variadores de velocidad.
El problema principal es determinar la fuente de frecuencia ajustable más efectivo y
económica.
78
3.3.5
VARIACIÓN DE VELOCIDAD INTRODUCIENDO UN SEGUNDO VOLTAJE EN
EL CIRCUITO SECUNDARIO DEL MOTOR.
La velocidad de un motor de inducción se modifica al aplicar un segundo voltaje en su
circuito secundario (rotor). Si este segundo voltaje actúa en dirección opuesta a la
dirección del voltaje inducido en el rotor, la velocidad del rotor sé vera deducida ; sin
embargo su dirección es la misma que la del voltaje inducido en el rotor del motor, este
vera aumentada su velocidad mediante este procedimiento es posible lograr velocidades
menores, iguales a mayores que la velocidad síncrona. Controlar la velocidad
introduciendo un voltaje externo en el circuito secundario de un motor, presenta dos
ventajas.
 No se desprende energía calorífica por inclusión de resistencia.
 La velocidad es prácticamente constante para todas las cargas con el mismo valor
del voltaje aplicado.
79
TEMA 4.0 VARIADOR DE FRECUENCIA
El variador de frecuencia o “Drive” es una unidad electrónica para el control de la
velocidad de los motores de corriente alterna o corriente directa. El variador de frecuencia
controla la velocidad del motor convirtiendo la frecuencia y voltaje de la fuente fija a los
valores variables. La tensión y frecuencia variables aplicadas al motor, permiten controlar
totalmente la velocidad de los motores asíncronos trifásicos.
La industria exige hoy cada vez más las plantas automatizadas y velocidades más altas
de producción. Se hacen los grandes esfuerzos de mejorar los métodos de producción. El
motor de inducción es un elemento importante de la producción. Es por ello que es tan
importante encontrar el método óptimo de control de la velocidad del motor.
4.1 PRINCIPIO DE OPERACIÓN.
Se componen, básicamente, de un circuito rectificador/inversor de potencia, que convierte
la alimentación normal de la red trifásica, en la alimentación requerida por el motor. Hace
algunos años, la única posibilidad de variación de velocidad se hallaba en los motores de
CC pero, en la actualidad, es cada vez mayor el uso de Drives para motores comunes de
CA. La diferencia constructiva y funcional radica, principalmente, en el circuito electrónico
de control. En términos generales, con un Drive pueden obtenerse las siguientes
prestaciones:
Protección térmica integral y contra corto-circuitos, control de límite de corriente, control de
torque, control de 1/1000 y hasta 6 veces la velocidad nominal, etc. (estas variantes
dependen, además, de cada marca y modelo, en la figura siguiente se muestra
físicamente e interiormente un variador de frecuencia.
80
A
B
C
Tipo VLT
3002-3008, 400/500 V
3002-3004, 200V
Donde:
A = Controles.
C = línea
D = Motor
Tipo VLT
3011-3052, 400/500 V
3006-3022, 200 V
Tipo VLT
3060-3250, 500 V
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VISTA FRONTAL DE UN
VARIADOR DE FRECUENCIA
FIGURA N0 20
81
Para nuestro estudio del principio de operación de los variadores de velocidad es
necesario conocer los componentes principales que conforman a todo tipo de variador de
velocidad de la marca que sea.
1.- El Rectificador convierte la CORRIENTE ALTERNA de tres fases voltaje de la red
eléctrica de suministro a un voltaje de CORRIENTE CONTINUA. Hay dos tipos básicos de
rectificadores; el controlado y los rectificadores incontrolados.
2.- El circuito intermedio. Hay tres tipos diferentes. Un tipo convierte el voltaje del
rectificador en un flujo de CORRIENTE CONTINUA. Otro tipo estabiliza el voltaje de
CORRIENTE CONTINUA que pulsa y envía esto encendio al inversor. El tercer tipo de
circuito intermedio convierte un voltaje de CORRIENTE CONTINUA constante del
rectificador en un valor variable.
3.- El inversor controla la frecuencia del voltaje del motor. Un tipo de inversor también
convierte el voltaje de CORRIENTE CONTINUA constante en un voltaje de CORRIENTE
ALTERNA variable.
4.- La electrónica del circuito de control puede transmitir señales, a ambos el rectificador,
el circuito intermedio y el invertido. Las partes ninguna es controlado están
dependientes sobre el diseño del AFD.
A continuación se muestra en el siguiente diagrama los componentes principales de un
variador de velocidad, dicha unidad electrónica se puede dividir en cuatro componentes
principales.
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DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE UN
CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
FIGURA N 0 21
83
EL RECTIFICADOR
Los rectificadores son dispositivos especiales que convierten la CA en corriente CC, los
cuales ofrecen una oposición muy grande al flujo de la corriente en una dirección y una
oposición muy pequeña al flujo de corriente en otra dirección. Por lo tanto cuando, se
aplica una onda senusoidal a un rectificador, éste dejará de pasar una de las alteraciones,
positivas o negativas, según la forma en que se conecte el rectificador al circuito. En
ningún caso pasarán ambas alteraciones. Por lo tanto, un rectificador transforma una
onda senosoidal en una onda de continua pulsante. En la figura N0 22 se muestra el
comportamiento de una oda senosoidal. El voltaje de la fuente es un voltaje de CA
trifásico con una frecuencia fija (3 X 460V), 60 Hz).
Esto debería ser notado hay un retraso de tiempo entre las tres fases. La dirección de
cambios de corriente de fase todo el tiempo basado en la frecuencia de entrada. Una
frecuencia de 60 Hz quiere decir que hay 60 períodos (60 x t) por segundo. Esto quiere
decir que un período es 16.66 msed. El rectificador sea construido de diodos, tiristores o
una combinación de estos semiconductores.
TIPOS DE RECTIFICADORES
RECTIFICADOR INCONTROLADO.
Un rectificador que contiene diodos solamente se llama rectificador incontrolado.
RECTIFICADOR DE ONDA LLENA.
Un rectificador consiste exclusivamente en tiristores se llaman un rectificador onda-llena
controlado.
RECTIFICADOR CONTROLADO DE MEDIA ONDA
Un rectificador que contiene ambos es decir, diodos y tiristores se llama rectificador
controlado de media onda.
RECTIFICADOR INCONTROLADO
El rectificador incontrolado consiste en seis diodos. Un diodo permite que la corriente fluya
en una sola dirección es decir; de ánodo a cátodo Si se hace cualquier tentativa de enviar
la corriente en la dirección opuesta, un diodo bloquea el flujo de corriente, como se
muestra en la figura N0 23.
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COMPORTAMIENTO DE LA CORRIENTE
FIGURA N0 22
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MODO DE OPERACIÓN DEL DIODO
FIGURA N0 23
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Mediante este método la CA se puede convertir a CC.
Con un diodo no es posible controlar la cantidad de flujo corriente como es con otros
semiconductores, cuando un voltaje de CORRIENTE ALTERNA es suministrado a un
circuito de diodo, el se convierte en un voltaje de CORRIENTE CONTINUA pulsante.
Cuando un voltaje de CORRIENTE ALTERNA de tres fases es conectado a un rectificador
incontrolado de tres fases, el voltaje se convierte en un voltaje de CORRIENTE
CONTINUA Pulsante.
En la siguiente figura N0 24 se muestra como se comporta la corriente continua de tres
fases cuando es conectado a un rectificador incontrolado.
El rectificador incontrolado se compone de dos grupo de diodos, un grupo contiene los
diodos D1, D3 y D5; El segundo grupo se compone de los diodos D2, D4 y D6., cada diodo
están conduciendo 1/3 T(1200).
Los dos grupos de diodos están conduciendo en vueltas. El intervalo del tiempo entre los
dos grupos es 1/6 T (600).
En el grupo de los diodo D1, D3 y D5 conducirán el voltaje más positivo. Si el voltaje en L 1
es el más positivo, después el terminal A tendrá el mismo valor que L 1, sobre los dos otros
diodos allí son voltajes inversos del tamaño VL1-2 y VL1-3.
Los grupos de los diodos D2, D4 y D6 el terminal B tendrán el voltaje más negativo de las
fases.
Donde la fase L3 tiene el más negativo entonces el diodo 3 será conductor. Sobre los dos
otros diodos hay voltajes inversos de los tamaños VL3-1 y VL3-2..
El voltaje de la salida del rectificador incontrolado es la diferencia entre los voltajes de los
dos grupos del diodo (figura N0 25). El valor medio del voltaje de C.C. pulsante es 1,35 X
el voltaje de línea de la CA .
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RECTIFICADOR INCONTROLADO
FIGURA N0 24
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(b) VOLTAJE DE SALIDA DEL RECTIFICADOR
TRIFÁSICO INCONTROLADO
FIGURA N0 25
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RECTIFICADOR CONTROLADO DE ONDA COMPLETA
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RECTIFICADOR CONTROLADO DE ONDA
COMPLETA
FIGURA N0 26
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El rectificador controlado de onda completa tiene tiristores en vez de diodos. El tiristor
hace la función del diodo, es decir el tiristor permite que la corriente fluya en una dirección
solamente, del ánodo al cátodo, mostrado en la figura N0 26.
Sin embargo existe una gran diferencia; un tiristor conducirá solamente la corriente cuando
el tercer terminal llamado la puerta recibe una señal eléctrica. Por lo tanto, el tiristor
conducirá hasta que la corriente se convierte en cero.
Una señal en la puerta no puede parar la corriente. Los tiristores se utilizan en
rectificadores e inversores. La señal en la puerta es la señal de control del tiristor y es
designada .
es retraso indicado grados. El valor del grado indica retraso de paso a
cero hasta el punto donde el tiristor debe comenzar a conducir.
El voltaje rectificado puede ser variado cambiando
, como se muestra en la figura N0 27
y 28. El rectificador controlado de onda completa provee un voltaje de C.C. del valor medio
siguiente: el voltaje 1,35 de línea de la CA de X cos . comparó al rectificador incontrolado,
el rectificador controlado produce disturbios grandes y las pérdidas en la CA alinea.
Esto es debido al hecho de que el rectificador dibuja la corriente en intervalos cortos. Los
tiristores se aplican típicamente solamente en la sección del inversor del variador de
frecuencia .
Cuando está entre 00 y 900 el acoplamiento de el tiristor es usado como el rectificador.
Cuando está entre 900 y 3000 el acoplamiento es usado como el inversor. La onda
completa de tres fases puede ser controlado y separado en dos grupos de tiristores que
son: T1, T3 y T5 y T2, T4 y T6 respectivamente.
es determinado del punto donde el
diodo correspondiente de un rectificador incontrolado comienza a conducir. Este punto es
300 después del cruce de cero del voltaje. Es decir, la descripción sigue el del rectificador
incontrolado.
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MODO DE OPERACIÓN DEL DIODO
FIGURA N0 27
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VOLTAJE DE SALIDA DEL RECTIFICADOR
TRIFASICO CONTROLADO DE ONDA
COMPLETA
FIGURA N 0 28
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La ventaja del rectificador controlado sobre el incontrolado son las siguientes:

La característica que tiene de frenar la energía de alimentación que no alcanza a
polarizar el tiristor (picos de corriente),

El circuito intermedio( Enlace de CC.)(picos de corriente) pueden ser transferido de
nuevo a la línea de CORRIENTE ALTERNA.
CIRCUITO INTERMEDIO (BÚS)
El circuito intermedio puede ser considerado como la fuente, de donde el motor, por el
inversor, recibe su energía. Entonces el circuito intermedio puede ser aumentado según
tres principios diferentes. El tipo de circuito intermedio usado depende del tipo de
rectificador y el inversor referidos.
El circuito intermedio mostrado en la figura N0 29, consiste en una bobina grande.
Esto se utiliza con un diseño controlado del estilo del rectificador solamente. La bobina
convierte el voltaje variable del rectificador en una corriente de CORRIENTE CONTINUA
variable. La carga determina el nivel del voltaje de motor. Este tipo de circuito intermedio
tiene la ventaja que frenando, la energía de alimentación es enviada hacia atrás a la línea
de CA, sin el uso de componentes extras.
El circuito del intermedio puede también consistir en un filtro que contiene un condensador
y una bobina mostrado en la figura N0 30. Este circuito intermedio se puede combinar con
ambos tipos del rectificador. El filtro alisa el voltaje de C.C. pulsante que viene del
rectificador. Si el rectificador es controlado, el voltaje es sostenido constante en una
frecuencia dada.
El voltaje conducido al inversor es así un voltaje de C.C. alisado de una amplitud variable.
Si el rectificador es incontrolado el voltaje en la entrada del inversor se convierte en un
voltaje de C.C. con una amplitud constante. Con este tipo de bús intermedio del circuito, la
carga determina el tamaño de la corriente del motor dibujada.
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CIRCUITO INTERMEDIO DE
CORRIENTE ALTERNA VARIABLE
FIGURA N 0 29
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CIRCUITO INTERMEDIO DE
VOLTAJE CONSTANTE O VARIABLE
FIGURA N 0 30
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Finalmente, es posible insertar un interruptor delante de un filtro, según lo demostrado en
la figura N0 31. El interruptor tiene un transistor que alternativamente cambie el voltaje de
C.C. rectificado y apagado. El circuito de control mide el voltaje variable detrás del filtro y
lo compara con la señal de entrada. Si hay una diferencia, la proporción entre la
conducción y el bloqueo es regulada.
El voltaje de CORRIENTE CONTINUA se hace variable y el tamaño Vv depende de
cuanto tiempo el transistor está ecendido:
Vv = V x (ton )/ (ton-toff )
Cuando el transistor del interruptor se ha apagado, la corriente y la bobina con el filtro
creará un alto voltaje a través del transistor. Para evitar esto, el interruptor es protegido por
un diodo. Cuando el transistor da vuelta por intervalos según lo demostrado en la figura N 0
29, el voltaje medio será el más alto en este caso 2. El filtro del bús intermedio del circuito
alisa el voltaje cuadrado de la onda del interruptor. El condensador, la bobina con filtro
sostienen en voltaje constante en un ciclo (factor) de trabajo dado.
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CIRCUITO INTERMEDIO DE
VOLTAJE VARIABLE
FIGURA N 0 31
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LOS TRANSISTORES DEL INTERRUPTOR VARIAN
EL VOLTAJE INTERMEDIO DEL CIRCUITO
FIGURA N0 32
99
El inversor
El inversor es el último módulo en el AFD (variador de frecuencia) antes del motor. Aquí la
adaptación final del voltaje de la salida ocurre. Si el motor es conectado directamente a la
línea de la CA las condiciones de trabajo ideales estarán en el punto de trabajo nominal.
AFD(variador de frecuencia) proporcionan condiciones operacionales excelentes en la
gama entera del control, puesto que el voltaje de la salida se empareja a las condiciones
de la carga. Es por lo tanto posible llevar a cabo una magnetización constante del motor.
Del circuito intermedio al inversor recibe cualquiera de las siguientes parametros.
1.
Una corriente variable de la C.C.
2.
Un voltaje de C.C. variable.
3.
Un voltaje de C.C. constante
El inversor debe convertir la fuente intermedia de los circuitos de la C.C. en una fuente de
la CA para el motor. El inversor puede tener funciones adicionales: Cuando el inversor
recibe una corriente o un voltaje variable el inversor debe contribuir la frecuencia
solamente. Sin embargo, cuando el voltaje es constante el inversor debe controlar la
frecuencia y la amplitud del voltaje. El diseño si diferencian los inversores, pero en
principio se construyen de la misma manera. Los componentes principales son
semiconductores controlados colocados en tres ramas. La mayoría de los tiristores del
inversor han sido substituidos hoy por los transistores. La ventaja de transistores es que
pueden cambiar de conductivo a la condición no-conductivo en cualquier momento,
mientras que los tiristores no cambian la condición hasta la próxima vez que la corriente
pasa a través de ellos por el cero.
Los cambios del rango de la frecuencia del inversor transistorizado puede extenderse
significativamente de: 300 Hz a 15 KHz.
Los semiconductores del inversor dan vuelta por intervalos en base de señales del circuito
del control. Las señales pueden ser controladas según diversos principios. Los inversores
basados sobre control actual requieren generalmente más componentes que los
inversores que regulan voltaje.
100
Este inversor consiste en seis diodos, seis tiristores y seis condensadores (figura N 0 33).
Los condensadores deben incluir la energía necesario para dar vuelta apagado a los
tiristores. El tamaño de los condensadores y de los tiristores debe estar de acuerdo con el
tamaño del motor. Los condensadores permiten que los tiristores cambien de modo que el
flujo actual 1200 de la C.C. desplazara en las bobinas de la fase. Cuando los terminales
del motor se proveen periódicamente de la corriente en las vueltas u-v, se produce V-w,
W-u, u-v...., un campo rotatorio intermitente con la frecuencia requerida. Las corrientes del
motor están al cuadrado-ondulado, pero el voltaje del motor será sinusoidal. Sin embargo,
habrá picos del voltaje cada vez que la corriente se cambia adentro o hacia fuera. Los
diodos aíslan los condensadores de la corriente de la carga del motor.
El inversor (figura N0 34) consiste en seis tiristores. En principio la función es igual sin
importar el tipo de semiconductor que usted ve. El circuito de control da vuelta a los
semiconductores por intervalos según diversos principios y están variando así la
frecuencia de la salida. Los intervalos de la conducción de los semiconductores de los
inversores forman un patrón, que se repite continuamente.
El patrón de la conmutación de los semiconductores es controlado por el tamaño del
voltaje variable. Los más comunes son producidos por un patrón de la conmutación de 6 o
18 pulsos. Un oscilador controlado voltaje hará siempre que la frecuencia sigue la amplitud
del voltaje.
Este principio del control del inversor llama amplitud de la modulación de pulso (figura N 0
35). Otro principio aplica un voltaje intermedio fijo del circuito. El voltaje del motor se hace
variable mientras que las bobinas del motor se aplican con el voltaje intermedio del circuito
por períodos más cortos o más largos.
La frecuencia es controlada aplicando pulsos positivos en un medio período y pulsos
negativos en el medio período siguiente. Este principio también varía la anchura de los
pulsos de voltaje, llamada modulación de anchura de pulso figura N0 35.
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INVERSOR PARA LA CORRIENTE
INTERMEDIA VARIABLE DEL CIRCUITO
FIGURA N 0 33
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INVERSOR PARA EL VOLTAJE INTERMEDIO
VARIABLE O CONSTANTE DEL CIRCUITO
FIGURA N 0 34
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Modulación de la amplitud de pulso
Modulación de la anchura de pulso
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MODULACIÓN DE LA
AMPLITUD DE PULSO
FIGURA N0 35
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Transistores.
Los transistores se pueden utilizar para los altos voltajes y las altas frecuencias de la
conmutación. Pueden sustituir los tiristores usados previamente en el inversor del variador
de frecuencia(AFD). El contrario al tiristor y al diodo el transistor es independiente del paso
a cero de la corriente. El transistor se puede cambiar de conducir a la condición no
conductora en cualquier momento. El límite superior de la frecuencia de la conmutación
ahora es varios cientos kilociclos. El ruido acústico produjo debido a la magnetización del
pulso del motor puede ser evitado. La alta frecuencia de la conmutación también tiene la
ventaja que la modulación del voltaje de la salida del inversor de la frecuencia es muy
flexible. Una forma de onda actual del motor perfecto cercano se obtiene a través de un
patrón especial de la conmutación para los transistores del inversor (figura N 0 36). La
frecuencia de la conmutación del inversor es un compromiso entre las pérdidas en el
motor debido a la distorsión actual del motor y las pérdidas en el inversor.
Cuando la frecuencia de conmutación aumenta las pérdidas en el inversor aumentarán por
el número de conmutaciones del semiconductor.
Los transistores de alta frecuencia pueden ser agrupados como sigue:
 bipolar.
 Mos-fet
 IGBT
El transistor de IGBT es una combinación del transistor bipolar y los transistores del Mosfet, tiene las características deseadas los transistores del Mos-fet en la entrada y
características de los transistores bipolares las mejores en la salida.
La figura N0 37 demuestra las diferencias más importantes. Los transistores de IGBT se
satisfacen bien para el Variador de frecuencia(AFDs). Las ventajas primarias son la gama
de la energía, las buenas características conductoras, la alta frecuencia de la conmutación
y el control simple.
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COMO LA FRECUENCIA DE LA
CONMUTACIÓN AFECTA LA
CORRIENTE DEL MOTOR
FIGURA N 0 36
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ENERGÍA Y GAMA DE FRECUENCIA DE
LOS TRANSISTORES DE LA ENERGÍA
FIGURA N 0 37
107
Modulación de la amplitud de pulso (PAM)
La amplitud del voltaje de salida es variada por el interruptor de circuito intermedio o por el
rectificador de entrada, y la frecuencia es variada por el inversor.
Una señal de salida normal es arreglada de 6 o 18 pulso por periodo. Un modelo de
conmutación de 6 pulsos quiere decir que cada uno de los seis semiconductores del
inversor es controlado con un pulso por el período. Con una conmutación de 18 pulsos
modelan cada semiconductor es controlado con tres pulsos por el período.

Momentos de torsión.

Pérdidas de calor Aumentadas.
Ambos efectos secundario se debe debido al hecho de que al motor se le suministra
voltajes del pulso en vez de voltajes sinusoidales. Cada voltaje periódico se puede dividir
en un número de voltajes del seno diversas amplitudes y diferentes frecuencias (voltajes
armónicos). Los esfuerzos de torsión totales son disturbados levemente por las
frecuencias armónicas porque el motor no puede convertir con eficacia los voltajes de alta
frecuencia a los esfuerzos de torsión.
Esto se puede observar en la corriente del motor, él seno-formado por el voltaje del motor.
Debido a la pérdida de calor creciente las bobinas del motor se cargan más de lo normal.
La pérdida total de la flecha no debe exceder lo que el motor es capas de soportar. Por lo
tanto el motor no se debe cargar al 100% todo el tiempo. Si una aplicación requirió 100%
continuamente, lo recomendable es que se debe de instalar un motor más grande.
La diferencia entre un modelo 6-y 18-pulsos es de que el patrón(modelo) 18-pulse reduce
substancialmente los efectos secundarios voltajes armónicos y las corrientes. Esto se ve
claramente al comparar las corrientes del motor (figura N0 38). Seno-formó la corriente del
motor menos las corrientes armónicas que afectan la operación del motor.
108
18 pulsos
6 pulsos
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LA CORRIENTE DEL MOTOR SENO SE FORMA
MAS CON UNA SEÑAL DE 18 PULSOS
FIGURA N 0 38
109
El inversor varía la amplitud y la frecuencia del voltaje de la salida. El principio del control
está trabajando con un voltaje seno-formado de la referencia para cada salida de AFD.
Los tres voltajes Vs1, Vs2 y V s3 son suministrados un voltaje triangular. Los
semiconductores dan vuelta encendido o apagado, donde el voltaje triangular y la
referencia del seno se interceptan con otro (figura N0 39).
La tarjeta electrónica de control compara los puntos de intersección. El pulso de salida es
negativo donde el voltaje triangular es más alto que el voltaje formado de seno y positivo
donde está mas bajo. El voltaje de salida máximo del AFD así es determinado por el
voltaje del bus de circuito intermedio. El voltaje de salida (figura N 0 40) es controlado
aplicando voltaje intermedio al bus del circuito al motor durante periodos cortos o más
largos.
La frecuencia de la salida es controlada aplicando pulsos positivos en un medio período y
pulsos negativos en el medio período siguiente. La amplitud de los pulsos de voltaje
negativos y positivos de la línea a posiciones neutras dentro del motor será igual a la mitad
del voltaje de circuito intermedio. La frecuencia de conmutación afecta el ruido audible de
motor.
El inversor varía la amplitud y la frecuencia del voltaje de la salida. El principio del control
está trabajando con un voltaje seno-formado de la referencia para cada salida de AFD.
Los tres voltajes Vs1, Vs2 y V s3 son suministrados un voltaje triangular. Los
semiconductores dan vuelta encendido o apagado, donde el voltaje triangular y la
referencia del seno se interceptan con otro (figura N0 39).
Los semiconductores, y sus tarifas de alta frecuencia de la conmutación, han permitido
que el ruido audible sea reducido substancialmente. Usando estos semiconductores
avanzados es posible alcanzar la corriente de salida casi sinusoidal. Un PWM AFD que
usa una modulación enteramente sinusoidal de la referencia puede ceder solamente hasta
86,6% de la tensión nominal. El voltaje Vm del circuito del inmediato es igual a 2 por el
voltaje de fuente. La línea al voltaje neutral considerado por el motor es igual a la mitad del
voltaje intermedio del circuito dividido por 2
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PRINCIPIO DEL PWM SENO
CONTROLADO.
FIGURA N 0 39
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VOLTAJE DE LA SALIDA
EN PWM.
FIGURA N 0 40
112
2 es así igual a la mitad del voltaje de línea de la CA. El voltaje de línea a línea de los
terminales de salida es igual a 3 por el voltaje neutrol de la línea, que es 0,866 veces la
línea de la CA. Es posible aumentar el voltaje de la salida del AFD a un valor más alto que
esto fácil de conseguir con la modulación pura del seno.
La manera tradicional de obtener el voltaje adicional es reducir el número de pulsos,
cuando la frecuencia excede cerca de 40 hertzios. Este método tiene la desventaja que
hay un cambio del voltaje del paso. Esto causas una corriente inestable del motor. Cuando
el número de pulsos se reduce, el contenido de armónicos en la salida de AFD aumenta y
así que haga las pérdidas del motor. Otro método es utilizar otros voltajes de la referencia
en vez allí de las referencias Vs1-3 del seno.
Éstos podían por ejemplo ser voltajes del trapezoide, voltajes paso-formados o voltajes
con una cierta forma de onda. Es relativamente fácil al producir el voltaje de la referencia
que utiliza el tercer armónico de la referencia del seno mostrada en la figura N 0 41 .
Agregando un cierto tercer voltaje armónico el voltaje al motor se puede aumentar hasta
15,5%.
El principio del control de los danfoss VVC.
El inversor del WC de los danfoss AFD controla la amplitud y la frecuencia del voltaje de la
salida Figura N0 42.
El circuito de control utiliza un modelo matemático que calcule dos diversos factores:

La conmutación óptima mide el tiempo para los semiconductores

La magnetización óptima del motor en la carga que varía (véase las posibilidades
de la compensación).
El principio por los tiempos de la conmutación trabaja como sigue:

Numéricamente la fase más grande es para un 1/6 período del seno sostenido fijo
en el potencial positivo o negativo.
113
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EL VOLTAJE PUEDE AUMENTAR
UTILIZANDO EL TERCER ARMONICO
FIGURA N 0 41
114

Dos de la otras fases son variados para que el voltaje de salida que resulta sea
completamente sinusoidal y la amplitud correcta.
Se asegura el voltaje clasificado completo del motor. No es necesario la sobre modulación,
utilizar el tercer armónico. La corriente del motor es enteramente sinusoidal y el
funcionamiento del motor es el mismo, tal como la operación de la línea de la CA.
Las otras dos fases son variadas para que el voltaje del rendimiento resultante sea
completamente sinusoidal y la amplitud correcta.
control de la secuencia
La magnetización óptima de motor es alcanzada, porque el AFD modela las constantes R1
y X1 del motor y los adapta a los tamaños diferentes de motor. El AFD calcula el voltaje de
salida óptimo sobre la base de estos datos. Como el AFD mide la corriente de carga
continuamente, esto puede cambiar el voltaje de salida según la carga.
La magnetización de motor es emparejada al motor y esto compensa los cambios de
carga. A diferencia del principio del seno controlaron PWM, el WC controla el principio es
basado en producción digital del voltaje de salida deseado.
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EL VOLTAJE COMPLETO DE LA SALIDA
SE PUEDE OBTENER CON EL PRINCIPIO
DE CONTROL DEL VVC DE DANFFOS
FIGURA N 0 42
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LA ACUMULACIÓN DEL DISEÑO
DEL VVC
FIGURA N0 43
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El diseño VVC
El diseño del WC incluye un número de diversas funciones:
Se coloca incluyendo los datos, Cuál el procesador micro de la computadora que transmite
al circuito sobre el bus de datos.
La calculadora de la dirección
Calculando la dirección para una tabla del coseno, que se coloca en una memoria rom.
Multiplicator, que calcula el producto de la amplitud y el valor solicitado de la tabla del
coseno. Para cada intervalo de cálculo, el multiplicator calcula dos valores t1 y la t 2 que
es cortar en partes para los semiconductores de inversor. El contador de tiempo que
convierte t1 y t2 a las señales de control. El regulador de secuencia que distribuye el
control señala sobre las salidas del circuito 1-6 según la carta en la figura N0 43.
En la figura N0 43, se muestra, que el semiconductor T4 está sostenido fijo en el potencial
negativo mientras que el T1 y T5 de los semiconductores están modulando la forma del
seno en el T1 siguiente del intervalo es ayuda fijada en el potencial positivo mientras que
los semiconductores T4 y T6 están modulando la forma del seno. el T1 es el período, a
donde el T1 del semiconductor se activa y está cambiando +.
t2 es el período correspondiente para el semiconductor T5 una adición de los voltajes de
la fase demostrará que el voltaje entre los terminales de salida del AFD alcanza su valor
clasificado Y es completamente formado de seno por ello no es necesario la sobre modulación y usar tercer armónico, mostrada en la figura N0 44.
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EL CONTROL DEL VOLTAJE DA
UN RENDIMIENTO COMPLETO
FIGURA N 0 44
119
Los armónicos y el campo rotatorio
Los motores de CA han sido diseñado para los voltajes CA Seno-formados y corrientes.
Dicho de otra manera los motor puede todavía estar controlados por los voltajes
cuadrados del pulso debido al hecho de que todos los voltajes periódicos pueden ser
divididos en varios voltajes del seno. Estos voltajes del seno tienen diversas frecuencias y
amplitudes. El motor será controlado por el seno-voltaje dominante mostrado en la figura
N0 45 .
Si el voltaje de la salida del AFD(variador de frecuencia) no es sinusoidal el motor recibirá
los voltajes sobrearmonicos además del voltaje de la frecuencia requerida (frecuencia
fundamental o el 1er armónico).
Las frecuencias armónicas están 5,7,11, y 13 veces más arriba que la frecuencia
fundamental y sus amplitudes están disminuyendo con el aumento de la frecuencia (figura
N0 46). Las frecuencias armónicas causan las pulsaciones del esfuerzo de torsión,
vibración, ruido audible creciente, eficacia reducida del motor y las pérdidas de calor
crecientes en el motor.
Estas desventajas son especialmente significativas a las velocidades bajas. Alrededor de
la velocidad clasificada del motor las frecuencias armónicas no tienen mucha influencia,
cuando la velocidad se aumenta a 1,5 veces el valor clasificado. Esto es debido al hecho
de que las frecuencias armónicas son tan altas aquí, de que son reducidas por los
reactancias de las bobinas del motor.
Con el PWM seno-controlado es especialmente importante considerar que la cantidad de
frecuencias armónicas depende del cociente entre la frecuencia del voltaje triangular y la
frecuencia del voltaje del seno. Si el cociente entre las dos frecuencias es 6 entonces el
quinto y el séptimo armónico tendrá una alta amplitud. Si el cociente es 15, entonces el
décimotercer y decimoséptimo armónico será alto. El cociente entre las frecuencias debe
por lo tanto ser alto y divisible por tres. Todos los armónicos con una frecuencia divisible
por tres se eliminan en un sistema trifásico.
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EL ARMONICO INDICA CUANTAS VECES
ES MAS ALTA LA FRECUENCIA BASICA
FIGURA N 0 45
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Amplitud del armonico
fundamental amps
Amplitud del armonico
fundamental amps
Número de armonicos
Número de armonicos
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AMPLITUDES ARMONICAS DE SEÑALES
DE 6 PULSOS Y DE 18 PULSOS
FIGURA N0 46
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Pulsos PAM
El cociente entre los diversos armónicos se puede demostrar en un sistema de
coordenadas. El eje de la x demuestra la frecuencia del armónico y el eje de las y
demuestra la amplitud del armónico en lo referente a la amplitud del primer A1 armónico.
Los armónicos afectan el campo de rotatorio del motor.
Es posible medir la calidad de los diversos patrones de la conmutación. Un analizador del
vector genera el cuadro en base del campo de operacional la corriente del estator y voltaje
del estator. Este cuadro se puede exhibir en un osciloscopio.
La figura N0 47, demuestra los campos rotatorios para un motor conectado con un PAMAFD 6-pulsos, un PAM-AFD 18-pulsos un PWM-AFD y un VVC-AFD, respectivamente.
El diámetro del círculo indica la fuerza del campo magnético. La uniformidad del círculo
indica lo bien que el AFD controla la magnetización. Los bordes de la figura indican cómo
el AFD no controla la magnetización, es decir se desvía del perímetro del círculo. Con
ello, la operación del motor será inestable y el esfuerzo de torsión aumentará.
El diámetro del círculo indica la fuerza del campo magnético. La uniformidad del círculo
indica qué bien que el AFD controla la magnetización. Los bordes en el cuadro desplegado
indican cómo el AFD no controla, es decir se desvía del círculo o del perímetro. El
funcionamiento de motor será inestable y los momentos de torsión aumentarán.
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EL CAMPO ROTATORIO DEL MOTOR SE
PUEDE EXHIBIR EN UN OCILOSCOPIO
FIGURA N0 47
124
circuito de control
El circuito de control es el cuarto bloque principal del AFD. El circuito de control está
manejando dos muslos: Controla los semicondutors del AFD y recibe señales del equipo
circundante al AFD y transmite señales del AFD al otro equipo, mostrado en la figura N 0
48. Tales señales pueden ser de un operador en un panel de control o de un control del
PLC. Por muchos años el control del AFD(variador de frecuencia) fue basado en la técnica
análoga. Sin embargo, el AFD(variador de frecuencia) utiliza hoy la electrónica micro que
incorpora la informática digital.
La técnica avanzada hoy en día, ha reducido las funciones calculadoras del circuito de
control substancialmente. Es posible ahora almacenar los patrones del pulso para los
semiconductores del inversor en una memoria de los datos. El microprocesador construido
en el AFD(variador de frecuencia) calcula el patrón óptimo del pulso para el motor usado.
La figura demuestra un AFD(variador de frecuencia) controlado PAM con un interruptor
intermedio del circuito. El circuito de control controla el interruptor y el inversor. Esto se
hace en base del valor instantáneos del voltaje intermedio del circuito.
El voltaje de circuito intermedio controla el contador de dirección para la memoria de
datos. Esta memoria contiene la secuencia de salida de modelo de pulso para los
semiconductores del inversor. La dirección contando la velocidad sigue el voltaje de
circuito intermedio. Con el aumento de voltaje de circuito intermedio las secuencias son
traspasadas más rápido y la frecuencia de la salida del AFD aumenta. Ya que el
interruptor controla el voltaje de circuito intermedio primero es comparado con la señal de
referencia del sistema.
La señal de referencia es una señal de voltaje, que se espera dé el voltaje de salida
correcto y la frecuencia de salida. Cualquier diferencia entre la referencia y señales
intermedias del circuito hará que un regulador Pl cambie la frecuencia de interruptor. El
voltaje de circuito intermedio constantemente es emparejado a la señal de referencia.
125
Circuito de control para
anular la frecuencia
Secuencia del
generador
PI Regulador
de voltaje
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PRINCIPIO DEL CIRUITO DE CONTROL
PARA UN CIRCUITO INTERMEDIO
CONTROLADO
FIGURA N 0 48
126
La computadora en general.
El microprocesador consiste en tres unidades básicas, cada uno con las funciones
individuales, en la figura N0 49 se muestra un diagrama simplificado de una PC.
El microprocesador es el corazón de la computadora, si el procesor se provee de la
secuencia de las instrucciones derecha (programa), él puede ejecutar un número de
funciones en los datos almacenados en la memoria de computadora. El microprocesador
obra recíprocamente con las unidades según el programa incorporado.
La memoria debe almacenar el programa y varios datos.
El programa se puede almacenar en circuitos de un EPROM (memoria sólo para leer
programas borrables).
Un EPROM no pierde su contenido en caso de que exista la pérdida del voltaje. La
información en un EPROM se puede borrar solamente por la exposición a la luz
ultravioleta. El microprocesador puede leer solamente la información, información no
programada en el EPROM.
La memoria de acceso (RAM) no conservará datos después de una pérdida del voltaje. La
memoria (RAM) es donde el microprocesador almacena temporalmente datos durante la
operación.
La tercera sección es el I/O con el cual contiene las entradas y hace salir la Información
cuando la computadora necesita comunicarse. El equipo periférico I/Os proporciona
conexiones a las impresoras de los paneles de control o al otro equipo electrónico en el
sistema. Un bús es un número de conductores paralelos que ligan las unidades juntas
como computadora de trabajo.
El bus de datos transfiere datos entre las unidades. El bus de dirección transporta señales
de donde los datos deben ser tomados y a donde deben ser entregados. El autobús de
control asegura que la fecha está transferida en la orden derecha.
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ESTRUCTURA DEL PRINCIPIO
DE LA COMPUTADORA
FIGURA N 0 49
128
La computadora de AFD.s
Además de las tres unidades mencionadas previamente la computadora del AFD también
abarca una memoria que hace posible al usuario programar, como se muestra en la figura
N0 50 Esta memoria es un EEPROM (eléctricamente memoria sólo para leer programable
borrable). Puede ser programada y ser reprogramada eléctricamente. Cuando el AFD se
debe programar para una función específica que se utiliza un EEPROM así que la
información no se pierde. La computadora del AFD también incluye un ASIC (circuito
integrado específico del uso). El ASIC es un circuito integrado donde sus funciones son
especificadas por el diseñador de AFD.s. Un ejemplo de tal diseño sería el principio del
control del WC de Danfoss. Las entradas y la salida de la tarjeta de control el número de
entradas y de salidas es dependientes en el tipo de aplicación. AFD en usos
automatizados debe por ejemplo poder recibir las señales del control análogo y numérico,
como se muestra gráficamente en la figura N0 51.
 Las señales análogas pueden tener cualquier valor dentro de una gama específica.
 Las señales numéricas pueden tener dos valores solamente (POR INTERVALOS)
No hay estándares del sistema para las señales de control; sin embargo, algunas señales
se utilizan tan extensamente que pueden ser miradas como tal. Un ejemplo de estas
señales análogas del estándar, sería 0-10 V o 4-20 mA. Las salidas digitales de un PLC
deben emparejar eléctricamente las entradas digitales del AFD. Típicamente estas señales
numéricas son de un voltaje nominal de 24 VDC.
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LA COMPUTADORA DEL
AFD (VARIADOR DE FREC.
FIGURA N 0 50
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Donde;
V = voltaje
t = tiempo
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SEÑAL ANALOGA Y
SEÑAL NUMERICA
FIGURA N 0 51
131
Comunicación serial
En un proceso de trabajo el AFD es una parte activa del equipo. Está instalado en un
sistema sin la regeneración (control) o en un sistema con la regeneración (regulación) del
proceso.
Un sistema sin la regeneración se puede acumular con un solo potenciómetro. Un sistema
con la regeneración exige más e incluye a menudo un regulador programable de la lógica
(PLC).
El PLC puede entregar el control (velocidad) y señales de control (comienzo, parada, y el
invertir) las señales de salida del AFD, e, la corriente del motor o la frecuencia del motor,
se utiliza a menudo son usados en la conjunción con el metro de panel, leer en voz alta la
demostración, etc.
Un sistema del PLC, como se muestra en la figura N0 52, consiste en tres componentes
básicos;
 Unidad central
 Módulos de la entrada y de salida
 Unidad de programación
Un programa de control se incorpora en la unidad central por medio de la unidad de
programación. La unidad central clasifica las señales de entrada y activa las señales de
salida según el programa. La unidad central puede procesar solamente señales numéricas
internamente (figura N0 53) que los medios señalan cambiar entre dos valores, e.g. 24 V y
0V . Los altos voltajes se pueden indicar como 1. ó ENCENDIDO y la baja tensión como 0
ó APAGADO.
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ESTRUCTURA DEL
PRINCIPIO DEL PLC
FIGURA N 0 52
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LA SEÑAL NUMERICA PUEDE SE ON O OFF PARA
INTERVALOS CORTOS O LARGOS DE TIEMPO
FIGURA N 0 53
134
Básicamente y AFD y un PLC puede ser ligado junto de dos maneras:
Un método es conectar las entradas y las salidas del PLC usando los alambres separados
con las entradas y las salidas del AFD. Las entradas y las salidas del PLC sustituyen así
los componentes separados tales como potenciómetros, controlan contactos y
exhibiciones.
El otro método, mostrado en la figura N0 54, es transferir varias señales en diversas horas
sobre un par de conductores. La información A se transfiere durante el T1 del intervalo del
tiempo al t2 y la información B se transfiere del t2 a T3 etc. Esta forma de transmisión de
la señal se llama comunicación serial. El principio que se elegirá para la comunicación
serial depende de la clase de comunicación requerida y del número de las unidades
conectadas, en la figura N0 55 se muestra lagunas normas para las conexiones.
Un principio exige mucho el conductor, si cada unidad debe transmitir y recibir datos otro
principio permite para que varias unidades se comuniquen sobre dos alambres solamente.
Aquí es posible conectar varios receptores pero solamente un remitente. Un tercer
principio permite para todas las unidades conectadas enviar y recibir datos sobre dos
alambres. El puente de comunicaciones entre ellos se llama un autobús. Asegurar que las
unidades de diversas marcas puedan tomar la señal serial toda la de las unidades debe
tener un nivel común de la señal.
Hay varios estándares que describen los niveles comunes de la señal.
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LA COMUNICACIÓN SERIAL ASEGURA UNA TRANSMISIÓN
MAS RAPIDA DE LA SEÑAL, INSTALACIÓN SIMPLIFICADA
FIGURA N0 54
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NORMAS PARA LA CONEXIÓN
EN EN SERIE
FIGURA N 0 55
137
Hasta la fecha RS 232 ha sido el estándar del hardware más común, el uso de él, sin
embargo, es limitado debido a la distancia corta y la velocidad de transmisión baja, RS
232 principalmente es usado donde las señales se deben transmitir periódicamente, por
ejemplo con terminales y las impresoras. RS 422 y 423 se satisfacen para las distancias
largas de la transmisión y velocidades más altas de la transmisión.
Se satisfacen para la automatización de proceso, donde la transmisión de señal es mas
continua.
RS 485 es el único estándar donde están las unidades múltiples del acoplamiento posible
para la operación sobre un par común de cables. Las unidades transmiten datos sobre
conexión común del alambre (el bús)
En la comunicación entre el PLC Y AFD allí son tres tipos de señales, mostradas en la
figura N0 56:

Señales de control (cambio de la velocidad, parada del comienzo, invirtiendo)

Señal del estado (corriente del motor, frecuencia del motor, frecuencia alcanzada)

Señales de alarmar (temperatura parada, excesiva del motor)
El AFD controla el motor según las señales recibidas del PLC. El AFD transmite la
información al PLC sobre cómo las señales de control afectan el motor/proceso (señales
de estado). Si el AFD para debido a condiciones de la operación anormal transmite una
señal de alarmar a los PLC.
RS 485 y hace posible diseñar sistemas de proceso de diversas maneras. Por ejemplo, el
PLC puede ser colocado en un panel y controlar mucho AFDs en un panel alejado, como
ilustra en la figura N0 57.
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TRES TIPOS DE SEÑAL ENTRE
EL PLC Y EL AFD
FIGURA N 0 56
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EL AUTOBUS PROPORCIONA MUCHAS NUEVAS
POSIBILIDADES PARA EL DISEÑO DE APLICACIÓN
FIGURA N 0 57
140
4.2 CLASIFICACIÓN Y TIPOS DE VARIADORES DE FRECUENCIA.
Los Variadores de Velocidad o "Drives", son dispositivos electrónicos destinados al control
de motores de todo tipo. Se dividen en tres familias fundamentales:
 Drives de Corriente Alterna (CA),
 Drives de Corriente Contínua (CC)
 Servo Drives.
Se componen, básicamente, de un circuito rectificador/inversor de potencia, que convierte
la alimentación normal de la red trifásica, en la alimentación requerida por el motor. Hace
algunos años, la única posibilidad de variación de velocidad se hallaba en los motores de
CC pero, en la actualidad, es cada vez mayor el uso de Drives para motores comunes de
CA. La diferencia constructiva y funcional radica, principalmente, en el cicuito electrónico
de control. En términos generales, con un Drive pueden obtenerse las siguientes
prestaciones:
 Protección térmica integral y contra corto-circuitos,
 control de límite de corriente,
 control de torque, control de 1/1000 y hasta 6 veces la velocidad nominal, etc.
(estas variantes dependen, además, de cada marca y modelo).
En este subtema se brindará información acerca de los distintos Productos que se hallan
en el Mercado, y que puedan ser integrados en un sistema automático de control.
141
CONVERTIDORES DE FRECUENCIA MARCA LENZE PARA
MOTORES DE CA.
Lenze dispone a través de su línea de convertidores de frecuencia Global Drive, equipos
con alimentación monofásica y trifásica, con características que permiten adaptarlos
fácilmente a las más variadas aplicaciones, mostrado en la figura N0 58.
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CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
MARCA LENZE PARA CA
FIGURA N 0 58
142
El nuevo convertidor de frecuencia, diseñado para aplicaciones básicas en potencias de
0,33 a 3HP en alimentación monofásica. Ofrece una solución simple y económica para
control de motores trifásicos con alimentación monofásica, mostrado en la figura N 0 59.
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CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
PARA POTENCIAS DE 0.33 A 3 HP, CA
FIGURA N 0 59
143
El convertidor de frecuencia de la línea LZF permite gracias a su bajo precio, diseño
compacto y su forma de operación sencilla, ser utilizado en diferentes aplicaciones. Ofrece
las características encontradas en convertidores más grandes y costosos mostrado en la
figura N0 60.
Abarca el rango de potencias de 1 a 25 HP en alimentación trifásica.
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CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
PARA POTENCIAS DE 1 A 25 HP, CA
FIGURA N0 60
144
Los convertidores de la línea 8220, son equipos de potencia media, con excelentes
cualidades técnicas de accionamiento, funciones adecuadas al mercado y de fácil
operación y montaje. Abarca el rango de potencias de 20 a 150 HP. Permiten la operación
con el 120 % del torque (para ventiladores o bombas) o con el 150 % (para elevación o
transporte de materiales)(figura N0 61)
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CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
PARA POTENCIAS DE 20 A 150 HP, CA
FIGURA N 0 61
145
El convertidor de frecuencia, mostrado en la figura siguiente, 8200 vector, ofrece una
solución conveniente y práctica para una gran variedad de aplicaciones. Su diseño flexible
permite diversas posibilidades de combinación de convertidores y módulos específicos
para cada aplicación. Incluye filtros RFI y módulo de frenado dinámico. Abarca el rango de
potencias de:
 0,33 - 3 HP entrada monofásica 220 v
 0,75 - 10 HP entrada trifásica 180 - 264 v
 0,75 - 15 HP entrada trifásica 320 - 550 v
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CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
DE CA
FIGURA N 0 62
146
Los convertidores de la línea 8200 marca motec, mostrado en la figura N 0 63 pueden ser
montados directamente sobre el motor o en una pared, permitiendo la descentralización de
sistemas,
ahorrando
espacios
en
los
tableros
y
distancias
de
cableado.
Abarca el rango de potencias de:
 0,33 y 0,5 HP entrada monofásica / trifásica 220 v
 0,75 - 3 HP entrada trifásica 380 -550 v
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CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
DE CA
FIGURA N 0 63
147
Los convertidores de la línea 9300 Vector Control son equipos de alta potecia. Mostrado
en la figura N0 64, Tiene funciones preestablecidas, incluyendo el control de velocidad y
torque, control de danzarín, acoplamiento digital de velocidad, etc. Permite entregar 150 %
del torque a 0,5 Hz. Cubre un rango de potencias entre 0,5 y 120 HP
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CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
PARA POTENCIAS DE 0,5 A 120 HP
FIGURA N0 64
148
VARIADORES DE VELOCIDAD PARA MOTORES DE CORRIENTE
CONTÍNUA
Serie 506: Variadores de Velocidad desde 3 hasta 12 Amperes
Esta línea de variadores de velocidad de alimentación monofasica, ofrece un amplio rango
de características, bajo costo y diseño compacto. Su construcción tipo IP20 lo hace ideal
para su instalación dentro de gabinetes sin necesidad de elementos adicionales, mostrado
en la figura siguiente.
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CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
PARA CC
FIGURA N 0 65
149
Serie 512C: Variadores de Velocidad desde 4 hasta 32 Amperes
En esta línea el circuito de control aislado, una gran lista de facilidades para el usuario y,
hacen de este modelo 512C el variador ideal, mostrado en la figura N 0 66, es para
aplicaciones de motor simple o aplicaciones de varios variadores. Alimentación
monofasica. Se pueden usar con motores de imán permanente o shunt bobinado.
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PARA CC , SERIE 512C
FIGURA N 0 66
Serie 590: Variadores de Velocidad desde 35 hasta 2800 Amperes
150
La serie 590, mostrado en la figura N0 67, ofrece al usuario de variadores de velocidad de
corriente continua, la alternativa de poder elegir entre tres tecnologías de control
diferentes. La elección es entre Digital, Analógico o "Link" (encadenado por medio de fibra
óptica), esto permite una gran integración del control. Con un módulo de potencia común a
todos los modelos, se puede intercambiar la placa de control y permite una fácil transición
entre una tecnología y otra minimizando las partes de repuesto
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590 Digital
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PARA CC , SERIE 590
FIGURA N 0 67
151
Es el variador de corriente continua más flexible y potente. Extenso software de funciones
de aplicación (incluyendo en forma estándar funciones para devanador y control PID),
configurable por medio de diagrama en bloques, comunicación serie, y entradas / salidas
programables hacen de este variador un sistema de control total en un solo módulo.
590 Link
Comunicaciones de Ultra alta velocidad, comunicaciones por fibra óptica de alta inmunidad
al ruido y configurabilidad total, sumando todo esto hace al "LINK" a lo máximo en
variadores de velocidad de corriente contínua dentro de un sistema de control de
procesos. Un sistema de comunicaciones basado en una simple fibra óptica acoplado a
alta velocidad con entradas y salidas / remotas reduce tiempo de instalación y costo hasta
un 50% comparado con los cableados tradicionales.
590 Analog
Las características de este modelo es por lejos una avanzada respecto a aquellos
normalmente asociados con tecnología analógica. Un control comprensible por medio de
diagramas en bloque, flexibilidad para el usuario, diagnósticos hacen de éste un variador
una solución altamente efectiva
Serie 590H: Variadores de Velocidad de 950 hasta 2800 Amperes
La serie 590 H, mostrado en la figura N0 68, dan precisión de control velocidad y torque
para motores de alta potencia en el rango de 950 a 2800 A. Disponibles en tecnología
Digital, Analógica o Link la serie 590 H forma parte del liderazgo de la serie 590 de
variadores de corriente continua.
152
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PARA POTENCIAS DE 950 Y 2800 A
FIGURA N0 68
153
Serie 514 C Variadores de Velocidad de 4 hasta 32 Amperes
Con la serie 514 C, mostrado en la figura N0 69, es posible el control de motores de
corriente contínua en cuatro cuadrantes y regenerativo. Es ideal para aplicaciones de tiro o
donde se requieran características de desaceleración rápidas y precisas. Junto con la
versión 512 C no regenerativa, ofrecen una solución altamente efectiva.
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SERIE 514C,
FIGURA N 0 69
154
La variedad y las cada vez mayores posibilidades de aplicación para accionamientos de
control electrónico tienen como consecuencia la aparición de las más diversas exigencias
para un componente esencial - el convertidor de frecuencia. Al buscar un convertidor de
frecuencia, el usuario busca un producto versátil. Los convertidores de frecuencia 8200, y
9300 LZF, mostrados en la figura N0 70 Vector control cumplen con este requisito.
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PARA CC.
FIGURA N 0 70
155
SERVO-CONVERTIDORES CON FUNCIONES TECNOLOGICAS Y PLC
Los servo-convertidores 9300, mostrado en la figura N0 70 y 71 , son un sistema de
accionamiento de gran calidad e innovador. El control de la velocidad y del par así como el
control angular son la base de los requisitos dinámicos que deben cumplir los
servoaccionamientos más modernos. Altos pares iniciales de arranque y buena
concentricidad son otros de los requisitos habituales. Todo ello no es ningún problema
para los servoaccionamientos Global Drive.
Pero los servo-convertidores son capaces de mucho más. A través de las funciones de
tecnológicas integradas, se han integrado en los equipos soluciones de software a medida
para diversos sectores.
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SERVO-CONVERTIDORTES
9300.
FIGURA N 0 70
156
La funcionalidad PLC, mostrado en la figura N0 72, integrada en el servo-convertidor
permite funciones de regulación y control. Con ayuda de un lenguaje de programación
conocido de la técnica de la automatización, el usuario mismo puede adaptar el equipo a
sus necesidades.
Ventajas de los accionamientos de corriente continua con control electrónico:
 Alto rango de ajuste de velocidad
 Concentricidad precisa del eje del motor
 Buenas características de control
Gran dinámica
Debido a estas características, los accionamientos de corriente continua son
accionamientos de control universales para prácticamente todas las aplicaciones.
Los motores de corriente continua para el uso con controles de velocidad requieren un
especial rendimiento de la conmutación. Las siguientes características de los motores de
corriente continua garantizan una conmutación sin chispas:
Estructura de 4 polos con polos de conmutación

Polos principales en posición geométrica especial para la supresión de reacciones
del inducido
Garantizan una vida más larga de las escobillas (hasta 15.000 h) incluso con mayor par de
arranque o de freno.
157
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FIGURA N0 71
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FIGURA N 0 72
159
4.3 PARÁMETROS PARA SELECCIONAR A UN VARIADOR DE
FRECUENCIA.
TAMAÑOS
Para elegir el tamaño del convertidor de frecuencia, es necesario elegir el convertidor de
frecuencia a base de la corriente real del motor IM a la carga máxima de la planta.
La corriente de salida nominal IVLT,N debe ser equivalente o superior a la corriente del
motor necesaria .
Ejemplo:
En una planta de calefacción (carga cuadrática), el motor el motor de la bomba es un
motor de 7.5 KW, 3X 380 v, que consume 14 A a carga máxima.
Debe de elegirse un VLT 3008 que puede suministrar continuamente 16 A (IVLT,N).
Si no se dispone de información sobre la intensidad del motor necesaria, debe de elegirse
un convertidor de frecuencia cuya intensidad de salida nominal IVLT,N es equivalente o
superior a la intensidad del motor nominal I M,N del motor utilizado en la planta. El valor de
la intensidad de motor nominal IMN se indica en la etiqueta o el catalogo del motor, en la
figura N0 73, se ilustra la operación continua y la operación intermitente.
Los tipos VLT superiores a 3004 (3008 a 500 V) tienen una salida superior utilizando una
carga cuadrática denominada carga VT (par variable).
Algunas especificaciones técnicas pueden cambiar de modalidad CT a VT (por ejemplo, se
reduce la longitud máxima del cable.
Las tabla 1.1 nos muestra las especificaciones técnicas en las cuales de acuerdo a VT
(parvariable) y CV, se elige el tipo de variador de frecuencia de acuerdo a la alimentación
de la red: 3 X 200/220/230.
Las tablas 1.2 y 1.3 , nos muestra las especificaciones técnicas en las cuales de acuerdo a
VT (par variable) y CV, se elige el tipo de variador de frecuencia
de acuerdo a la
Alimentación de la red: 380/400/415 V y 380/400/415 V respectivamente.
160
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TABLA PARA ELEGIR EL TIPO
DE VARIADOR .
FIGURA N 0 73
161
Tabla 1.1 Alimentación de la red: 3 X 200/220/230
Tipo VLT
Potencia de eje
típica
CT
[kW] VT
1,1
1,5
2,2
4,0 5,5
5,5 7,5
7,5 11
11
15
3002
3003
3004
3006
3008
3011
3022
CT: Par constante
CV: Par cuadrático
Intensidad de salidad
constante IVLT,N
CT
[A] VT
5,4
7,8
10,6
19
25
25
32
32
46
46
61
potencia de salida
constante a 230 V
CT [kVA] VT
2,2
3,1
4,2
7,6
10,0
10,0 12,7
12,7 18,3
18,3 24,3
Tabla 1.2 Alimentación de la red: 380/400/415 V
Tipo VLT
Potencia de eje
típica
CT
[kW] VT
1,1
1,5
2,2
4,0 5,5
5,5 7,5
7,5 11
11
15
15
22
22
30
30
37
37
45
45
55
55
75
75
90
90 110
110 132
132 160
160 200
3002
3003
3004
3006
3008
3011
3016
3022
3032
3042
3052
3060
3075
3100
3125
3150
3200
3250
CT: Par constante
VT: Par cuadrático
Intensidad de salidad
constante IVLT,N
CT
[A] VT
2,8
4,1
5,6
10,0 13,0
13,0 16,0
16,0 24,0
24,0 32,0
32,0 44,0
44,0 61,0
61,0 73,0
73,0 88,0
86,0 105
105
139
139
168
168
205
205
243
243
302
302
368
potencia de salida
constante a 230 V
CT [kVA] VT
2,0
2,9
4,0
7,2
9,3
9,3
11,5
11,5
17,3
17,3
23,0
23,0
31,3
31,6
43,8
43,8
52,5
52,5
63,3
61,8
75,5
75,5
99,9
99,9
120
120
147
147
174
174
207
209
268
162
Tabla 1.3 Alimentación de la red: 380/400/415 V
Tipo VLT
Potencia de eje
típica
CT
[kW] VT
1,1
1,5
2,2
4,0
5,5
7,5 11
11
15
15
22
22
30
30
37
37
45
55
75
75
90
90 110
110 132
132 160
160 200
200 250
3002
3003
3004
3006
3008
3011
3016
3022
3032
3042
3052
3060
3075
3100
3125
3150
3200
3250
CT: Par constante
VT: Par cuadrático
Intensidad de salidad
constante IVLT,N
CT
[A] VT
2,6
3,4
4,8
8,2
11,0
14,5 21,7
21,7 27,9
27,9 41,6
41,6 54,0
54,0 65,0
65,0 77,0
77,0 96,0
96,0 124
124
156
156
180
180
240
240
302
302
361
potencia de salida
constante a 230 V
CT [kVA] VT
2,3
2,9
4,1
7,1
9,5
12,6
18,8
18,8
24,1
24,1
36,0
36,0
46,8
46,8
56,3
56,3
66,7
67,0
83,5
83,0
107
107
135
135
156
156
208
208
262
262
313
163
4.4 COMPONENTES QUE INTEGRAN AL VARIADOR DE FRECUENCIA.
El convertidor de frecuencia se puede dividir en ocho componentes principales, como se
muestra en la figura N0 74, las cuales son:
1. Alimentación de red
3 x 200/220/230 V c.a., 50/60 Hz.
3 x 380/400/415 V c.a., 50/60 Hz.
3 x 440/460/500 V c.a., 50/60 Hz.
2. Rectificador
El Rectificador convierte la CORRIENTE ALTERNA de tres fases voltaje de la red eléctrica
de suministro a un voltaje de CORRIENTE CONTINUA.
3. Circuito intermedio (enlace c.c.)
Tensión continua = v 2 x tensión de alimentación.
4. Bobinas en el circuito intermedio
Filtran la tensión continua recortando los picos y limitan la interferencia procedente
de la red.
5. Condensadores en el circuito intermedio
Suavizan la tensión continua.
6. Inversor
Convierte la tensión continua en tensión alterna variable, con frecuencia variable.
7. Bobinas de salida
Ventajas de las bobinas:
 Puede incrementarse la distancia al motor.
 Protección completa contra cortocircuitos y defecto a tierra.
 Conmutación ilimitada en la salida del convertidor de frecuencia.
164
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DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE UN
VARIADOR DE FRECUENCIA
FIGURA N 0 74
165
8. Salida
Tensión alterna variable, un 10-110% de la tensión de alimentación.
Frecuencia variable: 0-120/0-500 Hz.
9. Tarjeta de control
Contiene el microprocesador que controla el inversor generador del tren de impulsos que
convierte la tensión continua en tensión alterna y frecuencia variables.
Entradas de control y salidas de señal programables en cuatro configuraciones
La técnica digital utilizada en la serie VLT 3000 permite redefinir las distancias
Entradas de control y salidas de señal, programando hasta cuatro configuraciones
definidas por el usuario.
Las funciones deseadas se programan fácilmente mediante el teclado adjunto del
Variador de frecuencia.
Protección contra perturbaciones de red
La serie VLT 3000 está protegida contra los transitorios que pueden surgir en la red, por
ejemplo, al conectar los condensadores de corrección del factor de potencia o en el caso
de descarga atmosférica en la alimentación.
La tensión nominal y el par máximo pueden mantenerse incluso con un 10% de bajada de
tensión en la red.
Pequeñas perturbaciones de red
Ya que la serie VLT 3000 lleva incorporadas como estándar bobinas en el circuito
intermedio, lla generación de armónicos es baja.
Esto definitivamente mejora también el factor de potencia, reduciendo los armónicos en la
red.
Supresión eficaz de la interferencia de la radiofrecuencia
La serie VLT 3000 puede suministrarse con filtro RFI, cumpliendo con EN 55011. Sin
embargo algunos tipos de VLT llevan incorporado como estándar un filtro de red que
166
cumple con EN 55011, clase A, grupo 1, que se espera se convertirá en requisito mínimo
en zonas industriales.
Los filtros pueden obtenerse como opciones o en módulos para los demás tipos.
Distancia al motor
Como estándar, la serie VLT 3000 está provistas de bobinas de motor incorporadas, que
permiten instalar al motor a considerable distancia del convertidor de frecuencia sin
bobinas adicionales.
Protección sofisticada del VLT
La medición constante de la intensidad en las tres fases de motor protege las salidas de
potencia de la serie VLT 3000, incluso en el caso de producirse cortocircuitos o defectos a
tierra en las terminales del motor.
La vigilancia continua de las tres fases de motor permite la conmutación por medio de un
contactor. Ya que se vigilan eficazmente las tres fases de alimentación, el convertidor VLT
3000 se detiene si falta una fase. Así puede evitarse una sobrecarga del inversor y de los
condensadores del circuito intermedio que reduciría considerablemente la vida útil del
convertidor.
El equipo estándar de la serie VLT 3000 incorpora un relé térmico que desconecta el
inversor en caso de sobrecalentamiento.
Aislamiento galvánico
La serie VLT 3000 está provista de un aislamiento de seguridad como estándar, estando
aislados galvánicamente los elementos de tensión de la unidad de potencia, de los
elementos de la unidad de control, según VDE 0160/0106 (PELV.)
Protección del motor
La serie VLT 3000 lleva incorporada una protección térmica electrónica del motor.
El convertidor de frecuencia calcula la temperatura del motor partiendo de la tensión, la
intensidad y el tiempo.
La protección térmica del motor es comparable con los relés térmicos de los cables de
motor. Por lo tanto,ofrece protección superior a un bimetal tradicional en el que, debido al
167
control de velocidad, no se toman en consideración los cambios en las condiciones de
refrigeración.
Para obtener una protección óptima contra el sobrecalentamiento del motor cuando éste
está cubierto o bloqueado, o si falla la ventilación, es necesario incorporar un termistor y
conectarlo a la entrada del termistor del convertidor de frecuencia.
168
4.5 VENTAJAS DEL EMPLEO DE LOS VARIADORES DE FRECUENCIA.
Los variadores de velocidad amplían el campo de regulación allí donde las condiciones de
caudal fluctúan o donde hay necesidad de controlar la presión, temperatura, nivel etc.
En aplicaciones donde intervienen bombas, tales como estaciones de bombeo, grupos de
presión, sistemas de regadío, etc. podemos mantener un parámetro constante en función
de la velocidad de la bomba. No obstante la decisión de usar un Variadores de Velocidad
en una determinada aplicación debe de estar basada en un completo entendimiento del
impacto de éste sobre la instalación.
PRINCIPALES VENTAJAS DE LA REGULACIÓN MEDIANTE VARIADORES DE
FRECUENCIA:
Mejora de proceso
El control de la velocidad según el proceso de producción ofrece varias ventajas;
 El aumento de producción de materia prima.
 El ahorro considerable de la tarifa de CA y obteniendo así una mayor producción en
menos tiempo requerida.
Calidad mejorada
El número de arranque/paro se reduce considerablemente. La operación
innecesariamente de la maquinaria en un determinado ciclo, puede por lo tanto ser
evitada.
Mantener siempre
Constante el parámetro a controlar, control continuo.
Reducción de la potencia
Absorbida por el motor en función de la disminución de la velocidad de la bomba.
169
Compensación
de la potencia reactiva del motor.
Menos mantenimiento
El AFD no exige ningún mantenimiento.
Entorno de trabajo mejorado
La velocidad de las bandas transportadoras se puede adaptar a la velocidad de trabajo
necesaria. En planta embotelladora, el ruido de la botella es reducido ajustando la
velocidad para satisfacer la tarifa de la producción. En usos de la ventilación la velocidad
del ventilador ca se empareje para satisfacer la demanda, y así reducir el ruido.
Disminución
De las averías mecánicas y eléctricas.
Reducción
Del costo de la obra civil en los sistemas de bombeo.
Ahorro de la energía
Se ahorra la energía mientras que la velocidad del motor se empareja continuamente a la
demanda momentánea. Un buen ejemplo de esto se puede considerar en una bomba y en
un equipo de ventilación donde el consumo de energía es reducido por el cubo de la
velocidad.
CUÁNDO SE PRODUCE AHORRO
En aplicaciones donde el requerimiento de par es proporcional al cuadrado de la velocidad
y la carga no requiere que la bomba trabaje a la máxima velocidad de forma continuada,
se puede obtener una reducción en el consumo de energía.
Este tipo de carga es común en aplicaciones de bombas centrífugas. Con este tipo de
carga, la potencia consumida es proporcional al cubo de la velocidad en el eje de la
bomba, y el flujo (caudal) es aproximádamente proporcional a la velocidad en el eje. De
esta forma se pueden conseguir significantes ahorros de energía a través de la variación
170
de la velocidad en contraposición con los métodos más tradicionales como el de
estrangulación de válvulas o el de by-pass.
LOS VARIADORES DE FRECUENCIA TIENEN SUS PRINCIPALES APLICACIONES EN
LOS SIGUIENTES TIPOS DE MÁQUINAS:
El motor de CA controlado AFD se utiliza en todas las clases de plantas automatizadas.
Aparte de la optimización de las características del motor de CA, el control variable de la
velocidad de los motores de CA da el siguiente

Fajas o cadenas transportadoras. Para poder controlar y sincronizar la velocidad
de producción de la planta de acuerdo al tamaño de producto o para controlar los ratios
de dosificación. Ejem. Transportadoras de botellas o envases.

Bombas centrífugas. Para realizar un control de caudal determinado o para
empleo en sistemas de presión constante y volumen variable. Es la aplicación ideal
para un variador de frecuencia, porque representa enormes ahorros en consumo de
electricidad. Típicamente reemplazan a sistemas con tanque hidroneumático, tanque
elevado, intercambio de calor, etc.

Ventiladores Centrífugos. Al igual que en el caso de bombas centrífugas, su
empleo representa grandes ahorros de consumo de electricidad. Se emplean por
ejemplo en ventiladores de calderos y hornos, control de presurización de salas de
proceso, extractores de aire, fancoils en sistemas de aire acondicionado, torres de
enfriamiento, etc.

Bombas de desplazamiento positivo. Permiten un control exacto de caudal y
dosificación por medio del control de la velocidad. Ejem. bombas de tornillo, de
engranajes, bombas de lóbulos para transporte de chocolate, pulpa de fruta,
concentrados mineros, aditivos químicos, etc.
Asensores y elevadores. Permiten un arranque y parada suave del elevador manteniendo
el torque del motor.
171
CONCLUSIONES
En el presente trabajo se logro que el contenido estuviera bien fundamentado y
actualizado lo que permite que sea de gran utilidad para operarios, técnicos especialistas
o ingenieros en esta rama, para servir de apoyo al realizar un proyecto de igual similitud.
Por lo tanto se concluyen los siguientes puntos :
 Se recomienda a los operarios del variador de velocidad hacer revisiones periódicas
de los ajustes de los dispositivos de protección por cualquier variación de la
impedancia del sistema que se presente por cambios en las instalaciones.
 Se recomienda a las personas encargadas de realizar la solicitud de Adquisición de
equipo, especificar clara y detalladamente el contenido de la requisición para eliminar
imprevistos y que el equipo no sea recibido sea el que fue solicitado.
 Y por ultimo se recomienda la intervención de personas experimentadas en caso de
fallas imprevistas ; con conocimientos y habilidades para su aplicación en el campo, lo
cual proporcionara a los usuarios una reanudación más eficiente.
172
BIBLIOGRAFIA
MAQUINAS ELECTRICAS.
AUTOR: Stephen J Chapman
Mc Graw Hill
2a EDICION: AGOSTO DE 1990.
EDITORIAL : Nomos, Bogota, Colombia.
MAQUINAS ELECTRICAS
5ª EDIC.
AUTOR: Fitzgerald, A.F
MANIOBRA, MANDO Y CONTROL ELECTRICOS (ENCICLOPEDIA DE ELEC.).
AUTORES : Carlos Buigas Sans.
Ignacio Munilla Morales.
Juan Villata Esquius.
EDITORIAL : CEAC.
MOTORES ELECTRICOS DE POTENCIA FRACCIONARIA Y SUBFRACCIONARIA.
AUTOR : Cyril G. Veinott.
EDITORIAL :
BOMBAS (TEORIA DISEÑO Y APLICACIONES)
AUTOR : Manuel Viejo Zuicary.
APUNTES DE LA MATERIA : MAQUINAS ELECTRICAS III.
Impartida por el ing. Justino Bautista Espinosa.
MOTORES ELÉCTRICOS DE POTENCIA FRACCIONARIA Y SUBFRACCIONARIA
AUTOR : Cyril G. Veinott, D. Eng
EDITORIAL: Mc Graw Hill 1978.
173
CURSO DE TRANSFORMADORES Y MOTORES TRIFASICOS DE INDUCCION
AUTOR: Enriquez Harper
3ª EDICIÓN
EDITORIAL: Limusa
1995.
Octava Reimpresión De La Tercera Edición
CURSO DE MAQUINAS DE C.C
AUTOR: Gilberto Enriquez Harper
EDIT. Limusa
MAQUINAS ELECTRICAS DE C.A
AUTOR: Robert Arnold
Wilhelm Stehr
EDITO: Trillas
EQUIPOS ELECTROMECÁNICOS INDUSTRIALES
ENCICLOPEDIA CEAC
D. Francisco Ruiz Vasallo
D. Francisco Pelanins Valles
Ediciones Ceac
MANIOBRA, MANDO Y CONTROLES ELÉCTRICOS
Enciclopedia, Ceac De Electricidad
AUTORES:
D. Enrique Oños Prados
D. Jose Ramírez Vazquez
Ediciones Ceac
6ª Edición: Febrero 1989.
MANUAL DE INGENIERIA ELÉCTRICA
TOMO II
AUTORES:
Donald G. Fink
H. Wayne Beaty
174
Mc. Graw Hill
Impreso En Colombia
Se Imprimieron 500 Ejemplares En El Mes De Noviembre De 1997.
Impreso Por Lerner Ltda.
MANUAL CONTROL DE VELOCIDAD PARA MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA.
MARCA: DANFOSS
TECNOLOGÍA DE MEDICIÓN Y CONTROL.
MANUAL DEL VLT 3000
MARCA: DANFOSS
TECNOLOGÍA DE MEDICIÓN Y CONTROL.
MANUAL DEL VLT 5000
MARCA: DANFOSS
TECNOLOGÍA DE MEDICIÓN Y CONTROL.
CONTROL DE LOS MOTORES ELECTRICOS
AUTOR: R.L MC. TYRE
ALFA OMEGA MARCOMBA
175