Centro de Enseñanza Técnica Industrial

VARIADOR DE VELOCIDAD

 

 

 

 

 

VELOCIDAD DEL MOTOR COMO FUNCION DE LA FUERZA CONTRA ELECTROMOTRIZ Y DEL FLUJO.

Existe una ecuación fundamental de la velocidad del motor de CD. Por que permite predecir fácilmente el desempeño de estos motores. Por ejemplo si se debilita mucho el flujo de campo de un motor de CD. El motor se desbocará. Si en la ecuación tiende acero la velocidad tiende a infinito. Igualmente, si se mantienen constantes la corriente de carga y el flujo y se aumenta el voltaje aplicado a las terminales de la armadura del motor, aumentará la velocidad en misma proporción

 

Finalmente, si se fijan el flujo de campo y el voltaje de armaduras y se aumenta la corriente de armaduras debido a la mayor carga, bajara la velocidad del motor en la misma proporción que la disminución de la fuerza contra electromotriz

La forma más fácil de variar la velocidad de un motor de corriente alterna es variando su frecuencia de funcionamiento mediante un regulador electrónico que convierte las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de la red en magnitudes variables.

 

 

Ventajas del control de velocidad mediante un variador:

Economía de energía:

Si dejamos que un motor gire más rápidamente de lo que es necesario estaremos malgastando una cantidad de energía superior a la necesaria.

 

 

 

 

 

Algoritmo de control.

El algoritmo de control usado para controlar este sistema, pensado para obtener un control estacionario estable, es muy sencillo y eficaz. A una frecuencia prefijada se activa un procedimiento que recupera la información sobre las revoluciones efectuadas desde la última lectura. Este procedimiento puede ser llamado por una de las interrupciones periódicas del PC, p.e. la interrupción de usuario del reloj de tiempo real, 0x4a, o la interrupción del temporizador del sistema, 0x08, cuya frecuencia es variable y podemos adaptar a nuestro propósito. Una vez conocido el desplazamiento, calculamos la velocidad real y la comparamos con la velocidad programada. Si la velocidad real es mayor, reducimos el tiempo en alto del pulso de control (ver Modulación por ancho de pulso), si es menor, aumentamos el tiempo en alto del pulso de control, y si es la adecuada, no realizamos ningún cambio. Otro proceso periódico, también realizado por interrupción, debe encargarse de mandar los pulsos de control al motor.

El control de velocidad de motores desde hace tiempo dejo de ser exclusivo de motores de corriente directa y se aplicó a motores de corriente alterna. Sin embargo, la aparición de rectificadores controlados ha hecho que adquiera una mayor importancia en motores de corriente alterna; en motores de inducción se ha obtenido mediante el control de voltaje aplicado al estator o variando la resistencia en el rotor cuando es de tipo devanado, ambos procedimientos pueden ser logrados con el rectificador controlado.

Aplicación del rectificador controlado a motores de inducción.

El rectificador controlado se puede utilizar para el control del voltaje aplicado a las terminales del mismo, colocándolo en serie con las terminales del estator.

También puede ser utilizado en las terminales del rotor para controlar la corriente del mismo, este segundo método constituye el propósito de este trabajo.

Operación del rectificador controlado.-

El funcionamiento del rectificador controlado es esencialmente el de un rectificador en el cual el comienzo de la conducción puede ser controlado mediante una señal de disparo pequeña alimentada a la rejilla. La conducción sola puede detenerse reduciendo la corriente a cero o a un nivel muy bajo. Cuando se utilizan estos dispositivos en corriente alterna, el cese de la conducción se obtiene fácilmente

Los variadores de velocidad.

Por otro lado, también existen motores que operan con cargas variables, a veces en función de la temperatura, otras veces en función de flujo o presión, dependiendo de las necesidades de uso o de la ocupación y es en estos casos en los que utilizando los variadores de velocidad, se adaptan los caballos de potencia (Horse Power - HP) del motor a la necesidad, logrando con esto tener por así decirlo, un motor de potencia variable y por lo tanto un motor que reduce sus requerimientos de energía eléctrica, obteniendo así ahorros sustanciales.

PARTES DE UN VARIADOR DE FRECUENCIA

Todos los variadores de frecuencia modernos cuentan con las siguientes partes principales:

  • Circuito Rectificador. Recibe la tensión alterna y la convierte en continua por medio de un puente rectificador de diodos o tiristores.
  • Circuito intermedio. Consiste en un circuito LC cuya función principal es suavizar el rizado de la tensión rectificada y reducir la emisión de armónicos hacia la red.
  • Inversor. Convierte el voltaje continuo del circuito intermedio en uno de tensión y frecuencia variable mediante la generación de pulsos. Los variadores modernos emplean IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) para generar los pulsos de voltaje de manera controlada.

Circuito de control. El circuito de control enciende y apaga los IGBT para generar los pulsos de tensión y frecuencia variables. Además, realiza las funciones de supervisión de funcionamiento monitoreando la corriente, voltaje, temperatura, etc. con teclados e interfaces amigables de fácil empleo.

Los variadores de frecuencia más empleados son los PWM (Modulación de Ancho de Pulsos) que emplean en el circuito de entrada puente de diodos rectificadores. En el circuito intermedio poseen condensadores y bobinas para disminuir el rizado del voltaje rectificado, además las bobinas ayudan a disminuir el contenido armónico de la corriente generada por el variador de frecuencia y por ende a mejorar el factor de potencia. Algunos fabricante emplean las bobinas de línea en lugar de las bobinas DC del circuito intermedio, pero tienen la desventaja de ocupar más espacio, generar una caída de tensión mayor y disminuir la eficiencia del variador.

La sección del inversor utiliza los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) para convertir la tensión continua del circuito intermedio en una tensión de salida con frecuencia variable. Los IGBT envían pulsos de duración variable hacia el motor y como respuesta se obtiene una corriente casi senoidal.

Los IGBT conmutan a una frecuencia entre 2 a 16kHz, llamada frecuencia portadora. Una frecuencia portadora alta reduce el ruido acústico del motor pero disminuye la eficiencia y la longitud permisible del cable hacia el motor. Además, los IGBT generan mayor calor a una frecuencia portadora más alta. Los IGBT pueden generar altos picos de voltaje que son potencialmente perjudiciales para el motor. Estos picos se producen por el fenómeno de reflexión que duplica el voltaje del circuito DC. Cuando mayor es la longitud de los cables, mayor el efecto de reflexión. Estos picos originan perforaciones en el aislamiento del motor y gradualmente lo van destruyendo. Algunos fabricante solo permiten una longitud de 7m de cable hacia el motor. Para contrarrestar este efecto, se emplean las bobinas de motor, permitiendo en algunos casos una distancia de hasta 300m de cable al motor. Los nuevos IGBT de 3ra generación controlan mejor la generación de los pulsos de voltaje y por lo tanto el efecto de reflexión es menor.

Los variadores requieren de señales de control para su arranque, parada y variación de velocidad; así como enviar señales de referencia a otros dispositivos como PLC u otros variadores. Es importante que estas señales estén aisladas galvánicamente para evitar daños en los sensores o controles y evitar la introducción de ruido en el sistema de control.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Los variadores de frecuencia ofrecen una excelente alternativa de automatización de sistemas y control de energía en todo tipo de aplicaciones. Su empleo se ha incrementado enormemente en los últimos 10 años por los grandes beneficios que ofrece en el ahorro de energía, costos operativos y de mantenimiento. Además, si tenemos en cuenta que más del 60% de la energía eléctrica que se produce se consume en motores eléctricos, las aplicaciones potenciales de los variadores de frecuencia son enormes.

 

APLICACIONES TIPICAS DE VARIADORES DE FRECUENCIA

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

  • 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 radios de dosificación. Ejm: transportadores 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, fan coils 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. Ejm: bombas de tornillo, de engranajes, bombas de lóbulos para transporte de chocolate, pulpa de fruta, pasta, slurries, concentrados mineros, aditivos químicos, etc.
  • Ascensores y elevadores. Permiten un arranque y parada suave del elevador manteniendo el torque del motor, evitando así que la carga su mueva y se golpee.
  • Extrusoras y prensas de tornillo. Reemplazan a los sistemas hidráulicos tradicionales proporcionando una variación amplia de velocidad y control total de torque. Ejm: prensas de harina de pescado, extrusoras de snaks, pasta, plásticos, etc.
  • Separadores Centrífugos. Realizan un arranque suave y progresivo de la centrífuga evitando los picos de corriente y las velocidades de resonancia del sistema.
  • Otras aplicaciones importantes se dan en laminadoras, prensas mecánicas, compresores de aire, máquinas textiles, máquinas herramienta, pozos de petróleo, etc.

Lo más importante para determinar si es factible el empleo de un variador de frecuencia, es tener un profundo conocimiento del proceso a ser controlado; así como conocer las ventajas y limitaciones comparado con otros sistemas alternativos. Es por lo general un proceso multi disciplinario que debe involucrar tanto a Ingenieros de Producción, de Proceso, Mantenimiento mecánico, eléctrico y electrónico, Instrumentistas, etc. iniciado por un deseo de obtener una ventaja de calidad y economía. Colocar un variador de frecuencia es hacer a un motor eléctrico "inteligente".

 

 

 

Ejemplo de un Variador de Voltaje

 

El motor puede ser cambiado por un taladro, practica realizada, y funcional

Este circuito no lo he comprobado, pero habrá que checar si funcione, si lo hacen me avisan.