índice de contenidos

1 PRINCIPIOS DEL MOTOR A INDUCCIÓN…………………………….. 1

2 PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD DE CA………………. 8

3 REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD DE UN MOTOR

ASÍNCRONO POR VARIACIÓN DE FRECUENCIA……………………..14

4 Regulación de la Velocidad de un motor

asíncrono con convertidor de frecuencia

de tiristores………………………………………………………………17

5 Control vectorial de motores asíncronos……………..21

6 Clasificación de los variadores de frecuencia……….23

7 beneficios de los variadores de velocidad……………..24

8 Bibliografía…………………………………………………………….28

Control de Velocidad Mediante Variadores de frecuencia

Accionamientos Eléctricos

1 PRINCIPIOS DEL MOTOR A INDUCCIÓN

1.1 CONSTRUCCIÓN DEL MOTOR A INDUCCIÓN JAULA DE ARDILLA

El rótor cilíndrico está conectado con un eje. Está sostenido dentro del estátor mediante rulemanes y tapas en los extremos donde está libre para girar. El estátor y el rótor están construidos de acero eléctrico (silicio) .

El rótor tiene barras conductivas intercaladas dentro del mismo, las cuales están eléctricamente cortocircuitadas por anillos conductivos. Cuando son energizados por una fuente de tres fases, los bobinados del estátor inducen una corriente en las barras del rótor. La interacción de campo magnético entre el rótor y el estátor causa un par en el motor, (rotación) .

El extremo del eje del rótor es usualmente conectado a un ventilador, que cuando rota, envía aire de enfriamiento sobre el exterior del motor, e internamente por delante del rótor.

Figura 1.2: Construcción del Estátor Figura 1.3: Bobinados de un Estátor de 2 Polos

1.2 BOBINADOS DEL ESTÁTOR

Como se puede ver en la figura 1.2. El estátor está construido de láminas de acero siliconado, y ensamblado como un cilindro hueco dentro de una carcasa de aluminio o hierro de fundición. Un bobinado distribuido de tres fases está acomodado en ranuras sobre la circunferencia interna. Cada uno de los tres bobinados de estátor tiene dos mitades, en lados opuestos del estátor. Los bobinados están dispuestos separadamente a 120º uno del otro. Estos bobinados están descritos en la Figura 3.1. La sensibilidad de los bobinados es tal que, cuando la corriente pasa a través de cada bobinado, un campo magnético es inducido a través del rótor.

Cuando los tres bobinados son conectados a una fuente de tres fases, ya sea en configuración triángulo o estrella, se puede mostrar que el campo magnético producido rota. La velocidad de rotación del campo está relacionada directamente con la frecuencia de la tensión de la fuente. Esto es, una alimentación de 50 Hz causará una velocidad de rotación del campo de 50 rev/seg (3000 rpm). Esto es ilustrado en la Figura 1.4. Como se puede ver, el modelo de flujo producido tiene dos polos magnéticos (un Polo Norte y un Polo Sur). Así, el motor es conocido como una máquina de dos polos.

Ahora ver la Figura 1.5. En este estátor, cada bobinado tiene cuatro secciones. Cada sección está desplazada 90º de la otra. Así, cuando pasa una corriente a través de cada bobinado, se forman a través del estátor dos campos magnéticos. De esta manera, cada bobinado tiene cuatro polos (máquina de cuatro polos) el campo magnético rota a la mitad de la frecuencia de la alimentación. Por lo que para una alimentación de 50 Hz, la velocidad de rotación del campo magnético es 25 rev/seg (1500rpm).

De manera similar, un campo de estátor de seis polos rota a un tercio de la frecuencia de alimentación,(1000 rpm para 50 Hz) y un campo de estátor de ocho polos rota a un cuarto de la frecuencia de alimentación (750 rpm para 50 Hz).

1.3 ACCIÓN DEL RÓTOR

La Figura 1.6 muestra la construcción de un rótor jaula de ardilla. Este está plagado de láminas de acero siliconado. Las muescas en la circunferencia de cada lámina están alineadas para formar ranuras dentro de las cuales se encuentran las barras del rótor. Estas barras del rótor son aluminio o cobre, y están eléctricamente cortocircuitadas por anillos. Las barras del rótor y los anillos son llamados jaula de ardilla.

Considere cuando el rótor está acomodado dentro del estátor. El campo magnético rotatorio dado por la corriente de tres fases a través de los bobinados del estátor corta el estátor. Esto causa la inducción de una corriente en las barras del rótor, debido a la Ley de Inducción de Faraday . Ver la Figura 1.7 (a) para una ilustración de este efecto.

La frecuencia de la corriente del rótor es proporcional a la diferencia en la velocidad de rotación entre el rótor y el campo magnético generado por el estátor. Esto es llamado la frecuencia de deslizamiento. La corriente del rótor induce un campo magnético en el rótor a la misma velocidad que el campo del estátor.

Los campos del estátor y rótor interactúan y producen una fuerza en cada barra del rótor. Las fuerzas en cada barra del rótor se combinan para producir un par rotatorio, causando que el rótor sea arrastrado con el campo rotatorio del estátor. Ver la Figura 1.7(b) para una ilustración de esta interacción de par.

1.4 PAR VS. VELOCIDAD

A medida que el rótor incrementa la velocidad, la diferencia de velocidad entre el campo del estátor y las barras del rótor se hace menor. Esto reduce la fuerza del campo inducido en el rótor, reduciendo así el par del rótor. Cuando el rótor alcanza la velocidad del campo del estátor, no hay campo inducido en el rótor, y el par generado es cero. Esto es llamado la velocidad de sincronismo del rótor. Ver la Figura 1.8 para una tabla de velocidades de sincronismos vs número de polos del estátor. Esta lista es para una alimentación de 50 Hz.

Note que los valores de potencia de un motor son proporcionales al producto de su par y velocidad nominales (P = T x w ). Así, un motor de 4 polos funciona a la mitad de velocidad pero al doble del par nominal de un motor de dos polos del mismo valor de potencia.

A medida que la carga en el rótor aumenta, este se frena (aumenta la velocidad de deslizamiento) . Esto causa que el flujo del estátor corte las barras del rótor más rápidamente, incrementando así la corriente y el par del rótor. Sin embargo, con la corriente del motor en aumento, la caída de tensión debida a la impedancia del bobinado del estátor causará que le campo del estátor se debilite. Así, a una carga crítica, llamada par de pull out, el par disponible del motor llega a un pico, para luego caer si la velocidad del motor se reduce más.

Ver la Figura 1.9 para una curva típica de par vs velocidad cuando el motor es excitado con una alimentación de red de tres fases. Cuando el motor es arrancado directo en línea (DOL), mostrará esta característica de par a medida que el rótor se acelere.

1.5 CORRIENTE VS. VELOCIDAD

A medida que el rótor se frena (a medida que la velocidad de deslizamiento aumenta), el valor del flujo cortando el rótor jaula de ardilla aumenta, así como la corriente del rótor. Esto se refleja en un incremento de la corriente del estátor. Cuando el rótor es frenado hasta su parada, con una alimentación de 50 Hz, la corriente del estátor aumenta a un valor bastante alto -típicamente seis veces la corriente de carga completa-. Refiérase a la Figura 1.10 para una curva típica corriente vs velocidad para un motor a inducción jaula de ardilla.

1.6 CONTROL DE VELOCIDAD EN EL MOTOR JAULA DE ARDILLA

De manera inherente, el motor a inducción jaula de ardilla es un motor de velocidad fijada, cuya velocidad es controlada por el número de polos, y la frecuencia de alimentación a la que está conectado. Un pequeño cambio de velocidad se nota a medida que la carga en el motor cambia, como resultado del deslizamiento.

La ecuación de la velocidad del motor es:

N = velocidad del motor en revoluciones por minuto

f = frecuencia de alimentación del motor en Hz

p = número de polos en el estátor

s = deslizamiento del motor en revoluciones por minuto

De esta ecuación, se desprende que la velocidad de un motor a inducción puede ser controlada en tres maneras:

(a) Cambio en el número de polos.

Esto requiere un rótor con dos conjuntos de bobinados, y un conjunto de contactos de potencia para permitir la energización de cada bobinado.

Note que la velocidad no es continuamente variable. Por ejemplo, un motor de polos 2/8 conectado a 50 Hz tiene dos velocidades de sincronismos (3000 y 750 rpm).

(b) Cambio en el valor de deslizamiento.

Esto se puede hacer mediante el ajuste de la tensión suministrada al motor. Esto causa que la curva par vs velocidad se vuelva menos abrupta, causando así más deslizamiento a medida que la carga del motor aumenta. En general, la reducción de par es proporcional al cuadrado de la reducción de velocidad.

Ver la Figura 1.13.

Para trabajar correctamente, este método requiere una carga con una característica de par vs velocidad creciente. Cualquier variación en el momento de la carga causará una variación en la velocidad del motor.

(c) Ajuste de la frecuencia de alimentación del motor.

Este es el método usado por los variadores de velocidad electrónicos. Esto genera una familia completa de curvas par vs Velocidad, cada una con una velocidad de sincronismo correspondiente a la frecuencia suministrada al motor en cualquier instante. Ver la Figura 2.1. Este es el mejor método de control de velocidad, por las siguientes razones:

 Se mantiene una alta eficiencia a través del rango de velocidades

 Se dispone de control variable de velocidad continuo. Este puede ser controlado electrónicamente, mediante, por ejemplo, una señal de control de 0-10 V o 4-20 mA. Esto convierte al Controlador de rótor de Frecuencia Variable ideal para automatización de proceso.

 El momento del motor disponible es mantenido, aún a bajas velocidades. Así, es adecuado para el uso con cargas de cualquier característica de par.

 Se pueden lograr velocidades mayores que la “velocidad base” de 50 Hz, aunque con el costo de una reducción del par total disponible.

2 PRINCIPIOS DEL CONTROL DE VELOCIDAD DE CA

2.1 AJUSTE DE LA FRECUENCIA DE ALIMENTACIÓN

Ver la Figura 2.1. Mediante el ajuste de la frecuencia de alimentación que es suministrada al motor inducción, se ajuste la velocidad de sincronismo del motor. Esto da un aumento en la familia de curvas par vs velocidad del motor.

2.2 GENERACIÓN DE V/Hz CONSTANTE

Ver la Figura 2.2 (a) . Este es el circuito equivalente completo de una fase de un motor a inducción jaula de ardilla. Estudiando este circuito, se pueden entender las características de salida requeridas de un controlador de frecuencia variable. Con referencia a la Figura 2.2 (a):

Lis = inductancia de fuga del estátor - debida a un imperfecto acoplamiento magnético entre los bobinados adyacentes del estátor

Rs = resistencia del bobinado del estátor - debida a la resistencia del hilo de cobre - causa de pérdidas de estátor

Lm = inductancia de magnetismo del estátor - aumenta al campo rotatorio del estátor

Llr = inductancia de fuga del rótor - debida a un imperfecto acoplamiento magnético entre barras adyacentes del rótor

Rr = resistencia del rótor - debida a la resistencia de las barras del rótor

Este circuito puede ser simplificado ignorando las inductancias de fuga y combinando Rr con RL. Esto está mostrado en la Figura 2.2(b). Notese que existen dos caminos paralelos para la corriente del motor en este circuito equivalente.

Un camino es la corriente de carga, descripta como IL. Esta corriente es “real” y fluye mediante el rótor.

Esta corriente y el deslizamiento del motor aumentan con el incremento de carga del motor.

El otro camino es la corriente de magnetismo, descrita como IM, y fluye mediante el estátor. Esta corriente es “imaginaria” (está retrasada 90º de la corriente real). La corriente de magnetismo determina el flujo en el motor. Es el resultado del entrehierro entre el rótor y el estátor. Esta corriente debería mantenerse esencialmente constante a medida que la carga es variada.

La Figura 2.3 ilustra estos componentes de corriente como vectores. Note como con carga creciente,el ángulo de factor de potencia entre la corriente total IT y la corriente de carga IR se reduce, mejorando así el factor de potencia del motor. También la corriente de magnetismo IM se mantiene constante, sin importar la carga. Esta corriente de magnetismo es la que genera el campo magnético del estátor, afectando así la capacidad de generación de par del motor. La magnitud de esta corriente de magnetismo puede ser calculada desde:

donde:

V = tensión de alimentación

f = frecuencia de alimentación

L = inductancia de magnetismo del estátor

De esto, se puede observar que si la frecuencia de alimentación es reducida si reducir la tensión, entonces la corriente de magnetismo se incrementará inversamente con la frecuencia.

Este efecto causará que el motor se sature magnéticamente, a menos que la tensión suministrada al motor sea reducida con la frecuencia.

Entonces, en un controlador de velocidad electrónico, la tensión de alimentación al motor debe ser ajustada en proporción con la frecuencia, para mantener la corriente en el camino de magnetismo constante.

Ver la Figura 2.4. En el controlador de velocidad, a medida que la frecuencia es ajustada de 0 a 50 Hz, la salida de tensión es ajustada de 0 a 100% (p. ej. 0 a 400 Vca) . Esto asegura condiciones de flujo en el motor aparentemente constantes. Esto se conoce como mantenimiento de un valor de tensión-frecuencia constante.

Notese que la frecuencia puede ser incrementada más allá de los 50 Hz. Así la velocidad del motor puede ser aumentada. Sin embargo, la tensión al motor no puede ser incrementada más allá del 100%, debido a la tensión de alimentación limitada. De esta manera, encima de 50 Hz, el valor tensión-frecuencia se reduce, reduciendo así el flujo en el motor. Esto reduce el par total del motor disponible a velocidades por encima de 50 Hz. Esto es conocido como debilitamiento de campo.

2.3 REFUERZO DE TENSIÓN

La Figura 2.2 muestra un diagrama del circuito equivalente de una fase de un motor a inducción. Nuestras discusiones hasta ahora han ignorado los efectos de las impedancias en serie del estátor, RS y XLS. Estos dos últimos términos provocan una caída de tensión cuando el motor es cargado, lo que lleva a una reducción de la tensión eficaz que es aplicada al motor. Esto causa el debilitamiento del campo del estátor y una resultante reducción del par disponible. Esto es más evidente a bajas velocidades cuando la tensión aplicada al motor ya es baja.

Para superar esto, se puede aplicar un refuerzo de tensión al motor. Esto aumenta el valor de tensión-frecuencia a bajas velocidades, como muestra la Figura 2.5. El refuerzo es requerido usualmente en cargas con alto par de arranque, p. ej. cintas transportadoras, o cargas de alta inercia. La sobre-aplicación del refuerzo puede causar que el motor se sature, sobrecargando así el motor o el controlador.

Los últimos Variadores de Velocidad de Motores de CA “inteligentes” pueden calcular automáticamente y aplicar la óptima cantidad de refuerzo.

2.4 TIPOS DE CARGA, DERIVA

En general, un motor a inducción puede ser operado desde un Controlador de Velocidad de Motores de CA sin pérdida significativa en el funcionamiento. Sin embargo, debe tenerse en mente lo siguiente: (Figura 2.25)

 Hasta 50 Hz, el momento total disponible del motor es aproximadamente constante (la potencia disponible aumenta de cero a cero velocidad a la nominal a 50 Hz).

 Por encima de 50 Hz, el momento disponible disminuye. Esto es debido a la reducción en la corriente de magnetismo (debilitamiento del campo).

 A velocidades reducidas, el ventilador de enfriamiento del motor a inducción no es efectivo. Por esto, el motor no debería estar continuamente cargado al momento total a velocidades reducidas, a menos que sea provisto de un enfriamiento suplementario. Ver la Figura 2.26 para un ejemplo de deriva.

 Antes de decidir el tamaño del motor y del variador requerido, es importante entender las características de par vs velocidad de la carga particular.

Han sido identificadas cuatro tipos básicos de carga, en términos de características de momento vs velocidad. La Figura 2.27 indica una carga de potencia constante. El par requerido por la carga aumenta cuando la velocidad disminuye, de tal manera que el producto del par y la velocidad (potencia) permanece constante. Ejemplos son bobinadoras que controlan la bobina desde su eje central y tornos.

La Figura 2.28 indica una carga de par constante. En este tipo de carga, el par requiere mantenerse constante sin importar la velocidad. Esta es una característica muy común. Ejemplos son cintas transportadoras, montacargas e imprentas. Se debe tener cuidado si la intención es controlar por períodos extensos a bajas velocidades.

La Figura 2.29 indica una carga donde el par es proporcional a la velocidad. Tales cargas incluyen mezcladores, bombas de desplazamiento positivo, compresores, etc. Tales cargas no suelen causar problemas de calentamiento en el motor. Tales cargas no suelen necesitar la aplicación de REFUERZO.

La Figura 2.30 indica una carga donde el par es proporcional al cuadrado de la velocidad. Este es un tipo de carga muy común, y se aplica a bombas centrífugas y ventiladores. Más del 70% de las cargas usadas en motores controlados por Variadores de Velocidad de Motores de CA están en esta categoría. El par requerido a bajas velocidades es muy pequeño.

Figura 2.29: Carga de Momento Proporcional Figura 2.30: Carga de Momento Proporcional al

a la Velocidad Cuadrado de la Velocidad

Los cuatro tipos de carga de arriba son una simplificación de las características prácticas de la carga. En la realidad una carga puede exhibir una combinación de dos o más de los tipos de carga de arriba. Por ejemplo, una bomba de alta elevación muestra una característica de ley cuadrada combinada con una característica de par constante correspondiente a la cabeza estática del sistema.

Para lograr la mejor utilidad del motor, es necesario diseñar el sistema de manera tal que el motor funcione tan cerca de su base de velocidad (velocidad 50 Hz) como sea posible, bajo condiciones normales de funcionamiento. Esto incluye la selección del número de polos del motor y los niveles de transmisión para asegurar esto. El funcionamiento del motor a una velocidad significantemente más baja que la base de velocidad significa que el motor no está entregando la potencia total disponible, y dependiendo del tipo de carga, puede causar el sobrecalentamiento del motor. El funcionamiento más rápido que la base de velocidad causa una reducción en el par disponible, y también puede causar sobrecalentamiento y excesivo desgaste.

3 REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD DE UN MOTOR ASÍNCRONO POR VARIACIÓN DE FRECUENCIA

La posibilidad de regular la velocidad de un motor asíncrono por variación de la frecuencia se deduce de la expresión:

ωο = 2 π ƒ1

P

Para obtener una frecuencia regulable, se utilizan alternadores especiales o convertidores de frecuencia variable, que alimentan un motor o grupo de motores asíncronos que se encuentran en las mismas condiciones de funcionamiento.

En el caso de regulación de la frecuencia, hay que intentar obtener características mecánicas que, en toda la gama de regulación, presenten rigidez y un tipo de motor que posea suficiente capacidad de sobrecarga. Esto se puede conseguir haciendo marchar el motor a flujo magnético constante. Para un motor asíncrono, se puede admitir aproximadamente, la proporcionalidad

U1 = ƒ1 Φ.

Para conservar del flujo magnético y, de acuerdo con la expresión anterior, debe realizarse la regulación invariable

Mostramos una grafica en la que se representa las características de un motor asíncrono, en el caso de regulación por variación de la frecuencia y variación proporcional de la tensión. Como nos indicaba la formula anterior

O como estaríamos más acostumbrados a ver esta representación, par frente a velocidad o deslizamiento:

Con este sistema de regulación, la rigidez de las características mecánicas es relativamente elevada. El valor del par crítico en la zona de las frecuencias elevadas, permanece prácticamente invariable. Esta condición no se cumple para las frecuencias menores, a consecuencia del crecimiento relativo de la caída de tensión en el estátor que provoca una notable disminución del par critico. Esto es lo que confirma la siguiente expresión:

Para frecuencias elevadas, el valor de R1 es muy inferior al de X1+X2 se puede admitir que:

Siendo Xcc =X1+X2.

Como se puede admitir que:

Xcc ≈ ƒ1

ωο ≈ ƒ2

se tiene que:

En el caso de una gran disminución de la frecuencia, las relaciones anteriores ya no son validas, porque la reactancia de dispersión

Xcc = X1 + X´2

Resulta comparable, en magnitud, a la resistencia del estátor R1 ,e incluso, inferior a esta última. La influencia de la caída de tensión en el estátor tiene más importancia, lo que provoca una disminución del valor del par crítico.

Para mantener la capacidad de sobrecarga del motor, es deseable que, para frecuencias pequeñas, la tensión disminuya menos que la frecuencia.

Un problema de variar la frecuencia de la tensión es que el par motor también disminuye, con lo que esta no la podremos variar o disminuir tanto como queremos y depende en gran medida de la carga que tengamos conectada al eje del motor, ya que nos podemos encontrar situaciones en las que el motor se pare e incluso no nos llegue a arrancar, como se puede ver en la siguiente gráfica.

Para obtener una frecuencia variable se emplean diferentes tipos de convertidores.

4 Regulación de la Velocidad de un motor asíncrono con convertidor de frecuencia de tiristores

Explicaremos este convertidor ya que es el que hemos dado en las prácticas.

Estos convertidores estáticos son los más empleados en la industria porque entre los convertidores estáticos, los que están constituidos por tubos de vacío no encuentran aplicación en el control industrial, a causa de su gran volumen, pequeña duración y rendimiento relativamente bajo. En lo que se refiere a los convertidores basándose en transistores, la falta de disponibilidad de triodos de cristal de gran potencia, solamente permite realizar equipos para potencias máximas de unos cuatrocientos (400) vatios. Solamente los tiristores ofrecen posibilidades para la regulación de la velocidad de los motores asíncronos, hasta potencias relativamente elevadas.

Los esquemas de principio de conexión de los convertidores de frecuencia, pueden agruparse en dos clases principales:

Convertidores de frecuencia de enlace directo

Convertidores de frecuencia con circuito intermedio de corriente continua.

El convertidor de frecuencia de enlace directo sirve para transformar una frecuencia elevada en una frecuencia menos elevada.

En las instalaciones industriales es más empleado el convertidor de frecuencia de tiristores con circuito intermedio de corriente continua, cuyo esquema de bloques o funcional se representa en la figura siguiente. El convertidor comprende dos (2) elementos de potencia, un rectificador controlador RC y un ondulador ON. A la entrada del RC se aplica una tensión alterna no variable, a la frecuencia industrial; a su salida se obtiene una corriente continua de tensión variable la cual alimenta el ondulador ON, transformando la energía de la corriente continua en energía de una corriente alterna, de tensión y frecuencia variables. Además de los dos (2) elementos de potencia reseñados, el convertidor lleva también un sistema de mando constituido por un bloque de control del rectificador BCR y un bloque de control del ondulador BCO.

Este sistema de control permite regular la frecuencia de salida en muy amplios limites; esta ultima viene determinada por la frecuencia de conmutación de los tiristores T1 a T6, controlable por el bloque del mando del ondulador BCO. En este esquema de montaje, se efectúa separadamente la regulación de la tensión y la de la frecuencia, lo que permite obtener, por medio de un bloque monitor de velocidad BMV, la relación deseada entre la tensión y la frecuencia, en los bornes del motor asíncrono. Si en el bloque BMV, la señal piloto se compara a la señal servomandada en velocidad, se puede realizar un sistema de control automático de frecuencias y, por consiguiente, garantizar velocidades de giro muy estables, del motor asíncrono. La representación del sistema de control la podemos poner en forma esquemática de la siguiente forma:

Diagrama de bloques de un sistema de control

Si estudiamos detenidamente este sistema de rectificador y motor lo podemos descomponer en varias partes:

Circuito rectificador y filtrado: Es el circuito que rectifica la onda de la red convirtiéndola en corriente continua. Su circuitería será de la forma:

Circuito inversor: Es un circuito que mediante inversores obtenemos una salida ondulatoria, su esquema será de la forma:

Y la forma de onda que conseguimos con estos inversores será de la forma:

En este caso de alimentación del motor asíncrono por medio de convertidor, la curva de la tensión de salida esta deformada, ya que ésta depende del factor de potencia que, a su vez, varía con la carga aplicada sobre el eje motor.

Esta modulación de onda hace que la corriente a la salida sea lo más parecida a una onda sinusoidal, para ello tendremos que dar pulsos de tensión de la siguiente forma:

Consiguiendo una tensión de la forma que necesitamos. Este tipo de ondulación se utiliza en el control vectorial de la velocidad, obteniéndose formas de onda de la siguiente forma:

Que se obtiene forma de ondas mejores que antes y con menos conmutaciones que estas.

Una vez visto como se convierte la onda y cual es el principio de funcionamiento para entender como es la regulación de la velocidad y del par del motor asíncrono tenemos que explicar lo que es el control vectorial de estas maquinas.

5 Control vectorial de motores asíncronos

Una onda senosoidal de tres fases se puede representar como un conjunto de tres vectores rotatorios (fasores) . La velocidad de rotación de estos fasores se relaciona directamente con la frecuencia y las posiciones vectoriales instantáneas se relacionan con el punto en el ciclo y el largo del vector representa la magnitud y la corriente que están siendo representadas.

Así en el convertidor podremos descomponer los fasores de tensión para la tensión de salida del inversor, esta estrategia de descomposición la podemos ver en la siguiente figura, y las respectivas ecuaciones para poderla realizar:

Pero el control de velocidad por medio de este mecanismo es muy complejo ya que una variación de la frecuencia provoca variaciones en el flujo y en el par del motor que en ocasiones podrían no ser deseadas. Para ello se establece un sistema dinámico del motor de inducción, referido a un sistema de ejes coordenados, que desacopla las variables del motor, escogiendo un control independiente de velocidad y de par equiparables a la sencillez de un motor de continua, como se muestran en la figura siguiente:

Esto ha sido posible a los desarrollos de los dispositivos electrónicos de potencia de fácil control, alta capacidad de conmutación y capacidad media de potencia, al desarrollo de sistemas de control digital de señales (DSP) con gran potencia de procesamiento y recursos propios de microcontroladores de gama alta.

6 Clasificación de los variadores de frecuencia

Variadores de Gama Baja

No incorporan filtros de RFI (EMC) ni bobinas de choque.

Grado de protección IP00 o IP21.

Temperatura de trabajo cuarenta (40) grados centígrados.

Display de segmentos (numérico).

Dispone de menos de cuatro (4) entradas digitales y menos de dos (2) salidas digitales.

No incorpora comunicación serie.

Se suelen instalar en aplicaciones sencillas, tales como cintas transportadoras y ventiladores donde la consigna se establece por teclado o potenciómetro.

Variadores de Gama Media

Los filtros de RFI y las bobinas de choque son opcionales.

Grado de protección IP21 .

Temperatura de trabajo cuarenta (40) grados centígrados.

Display alfanumérico.

Incorpora comunicación serie, pero dispone de pocos protocolos de comunicación.

Esta provisto de alimentación veinticuatro (24) voltaje de corriente continua (Vcc).

Dispone entre cuatro (4) y siete (7) entradas y dos (2) ó tres (3) salidas digitales.

PID interno.

Control escalar.

Algunos incorporan macros de aplicaciones.

Variadores de Gama Alta

Equipado con filtros a la entrada.

Bobinas de choque a la entrada y salida.

Grado de protección IP54.

Temperatura de trabajo cincuenta (50) grados centígrados.

Display alfanumérico extraíble con protección IP54.

Mínimo de siete (7) entradas y tres (3) salidas digitales.

Selección de control vectorial o control escalar.

Frecuencia de conmutación 2 a 16Khz.

Suministro de par doscientos cincuenta (250) por ciento a velocidad cero.

PLC incorporado para desarrollar con el propio variador cualquier aplicación deseada, o configurar un variador a su medida, poder disponer de temporizadores, tantos PID como requiera la aplicación, puertas lógicas, contadores, generadores de pulsos, osciladores, funciones de transferencia, tablas, funciones aritméticas, etc.

Estas clasificaciones no son exactas ni limitativas, pero nos puede ayudar de forma muy simple a tener una perspectiva del mercado y de las alternativas existentes.

7 beneficios de los variadores de velocidad

7.1 AHORRO DE ENERGÍA CON VARIADORES DE VELOCIDAD

Si se tiene una aplicación de controlador de un motor asíncrono que no necesita correr a toda velocidad, entonces se pueden reducir los costos de energía controlando el motor con variadores de velocidad (VDS, con controlador de frecuencia variable) . Los controladores de velocidad permiten “fraccionar” la velocidad del equipo y controlar de velocidad al requerimiento del proceso en cada momento. No hay otro método de control de motor asíncrono que permite llevar acabo esto.

Con un modesto variador de velocidad se presentaría un flujo de corriente:

Y con un excelente variador obtendríamos:

Si por el contrario el variador fuese deficiente:

Los controladores de velocidad, y aquellos que son aplicados a las cargas, pueden generalmente ser divididos dentro de dos grupos: momento constante y momento variable. La energía ahorrada por aplicaciones de potencia o momento variable es mucho más representativa en comparación a aquellas aplicaciones por momento constante. Las cargas de momento variable, incluyendo bombas centrífugas y ventiladores, están compuestas en su mayoría por aplicaciones HVAC.

Las cargas de momento constante incluyen transportadoras de vibración, taladros a presión, máquinas para madera y otras aplicaciones donde el controlador sigue una razón constante V/Hz .

En aplicaciones de potencia variable, el momento requerido varía en forma proporcional a la velocidad al cuadrado, y la potencia requerida varía en forma proporcional a la velocidad al cubo, resultando en una gran reducción de caballos de fuerza por cada reducción pequeña en velocidad. El motor consumirá sólo el 25% de la misma cantidad de energía en 50% de velocidad en comparación a lo que será a 100% de velocidad. Esto está referido a las “Leyes de afinidad”, las cuales definen la mejor relación entre velocidad, flujo de corriente, momento, y caballos de fuerza.

El siguiente diagrama ilustra estas relaciones:

Los variadores de velocidad (VSDs) permiten consumir menos energía en comparación a otras técnicas de control de velocidad cuando los requerimientos de carga son menores que trabajar a toda velocidad, como es usualmente el caso en las aplicaciones de HVAC.

7.2 CONTROL SEGURO DEL PROCESO CON VARIADORES DE VELOCIDAD

Ningún otro método de control de motor asíncrono se compara al de los variadores de velocidad cuando estos tienen un control preciso sobre el proceso. A una tensión neta total (cruzando el límite) los iniciadores pueden sólo arrancar el motor a toda velocidad, con inicio amortiguado, reducir la tensión de los amortiguadores y pueden sólo gradualmente llevar el motor a toda velocidad, y retornar hasta desconectar. Los variadores de velocidad, por otro lado, pueden ser programados para llevar al motor a una velocidad precisa, detenerlo en una posición precisa, o aplicar un valor específico de momento.

Los modernos variadores de velocidad en Corriente Alterna son muy cerrados al controlador en Continua, en términos de respuesta a un momento y velocidad. Sin embargo, los motores de AC son mucho más confiables que los motores en DC, haciéndolos de mayor relevancia.

La mayoría de los controladores utilizados en el campo, emplean el tipo de control Voltz/Hertz, lo cual significa que ellos proveen una “operación de lazo abierto”. Estos controladores son incapaces de retribuir o retroceder y salir del proceso, pero son suficiente para la mayoría de las aplicaciones de controlador de velocidad variable.

Muchos controladores de velocidad “de lazo abierto” ofrecen compensación “SLIP” aún, el cual es capaz de medir la salida de corriente y estimar la diferencia existente entre la velocidad actual y el “set point” (el valor de entrada programado) . El controlador entonces automáticamente ajustará su propio límite al “set point” basado en esta estimación.

La mayoría de los controladores de momento variable tienen capacidad PID (Capacidad Integral y Diferencial) para aplicaciones de ventiladores y bombas, la cual permite que el controlador congele el valor del “set point” basado en la actual realimentación del proceso

Altos niveles de exactitud para otras aplicaciones pueden también ser logradas a través de los controladores que ofrecen una operación de lazo cerrado. La operación de lazo cerrado puede ser lograda con un campo orientado a un vector controlador, o un controlador o sensor.

7.3 AUMENTO DE LA VIDA UTIL DEL EQUIPO Y REDUCCIÓN DEL MANTENIMIENTO

Los métodos de inicio a una sola velocidad para encender los motores se inician abruptamente, sujetando el motor a un alto momento y la corriente de arranque que surge es por encima de 10 veces de la corriente de carga neta. Los variadores de velocidad llevan gradualmente al motor hasta la velocidad de operación, reduciendo los costos por mantenimiento y reparación, y extendiendo la vida del motor y del equipo controlador.

Arrancadores amortiguados, o arrancadores amortiguados de voltaje reducido, son también capaces de acelerar el motor gradualmente, pero los controladores pueden ser programados para acelerar el motor mucho más gradualmente y lentamente, y puede operar el motor a menos que se presente una reducción de la velocidad nominal, por el uso y el tiempo. Los controladores de velocidad pueden también acelerar el motor en puntos patrones especializados para minimizar la caída de tensión mecánica y eléctrica. Por ejemplo, una curva S patrón puede ser aplicada a una aplicación de transporte.

8 Bibliografía

Accionamientos eléctricos: “Control de velocidad mediante variadores de frecuencia”

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