Control de velocidad de un motor de ca

Control de Velocidad de un Motor de CA: Todo

En el entorno de la ingeniería eléctrica, los motores de corriente alterna (CA) son componentes esenciales que impulsan una amplia gama de dispositivos, desde electrodomésticos como aspiradoras y secadores de pelo hasta bombas, cintas transportadoras y herramientas de máquinas en grandes plantas industriales. En cualquier aplicación donde se utilicen motores eléctricos, el control de velocidad del motor es un factor fundamental.

Velocidad de Funcionamiento de los Motores de CA

Los motores de inducción de CA son, por naturaleza, dispositivos de velocidad constante. La velocidad del campo magnético rotatorio se denomina velocidad síncrona. La velocidad síncrona (S) de un motor se define como S = 120(F) ÷ P, donde (F) es la frecuencia de la línea de entrada y (P) es el número de polos del motor.

En los Estados Unidos, la frecuencia de la línea de CA es de 60 Hertz a 120 Voltios. Por lo tanto, un motor de inducción de CA de cuatro polos tendría una velocidad síncrona de 1800 rpm. Sin embargo, en la práctica, cuando se aplica una carga al motor, este funcionará a una velocidad inferior a 1800 rpm. Esta diferencia de velocidad se denomina deslizamiento y normalmente se expresa como un porcentaje. Dado que el número de polos en una máquina es fijo, la única variable que queda por cambiar es la frecuencia de la línea de entrada, lo que constituye la base para el funcionamiento de un controlador de velocidad del motor conocido como Variador de Frecuencia (VFD).

El Variador de Frecuencia (VFD)

El VFD realiza dos funciones: en primer lugar, convierte la señal de CA de entrada en una señal de CC mediante rectificación; en segundo lugar, invierte la señal de CC rectificada de nuevo en una señal de CA de frecuencia variable.

Un motor de CC podría tener su velocidad cambiada aumentando o disminuyendo el voltaje aplicado. Este no es el caso de un motor de CA. Un motor de inducción de CA se dañará si el voltaje de alimentación de entrada varía significativamente.

Controlador de Velocidad del Motor de CA

Un controlador de CA, también conocido como Variador de Frecuencia (VFD), Controlador de Velocidad Ajustable (ASD) y Convertidor de Frecuencia (FC), controla la velocidad del motor de CA. El motor de CA recibe energía con una frecuencia variable generada por el controlador de CA. Esta salida ajustable permite un control preciso de la velocidad del motor.

Componentes de un Controlador de Velocidad de CA

Un controlador de velocidad de CA consta de tres componentes principales:

• Rectificador
• Inversor
• Enlace de CC

La entrada de CA se convierte en CC mediante un rectificador. El inversor convierte el voltaje de CC de nuevo en CA como salida a la frecuencia deseada.

Tipos de Variadores de Frecuencia

Los variadores de frecuencia (VFD) se dividen en tres tipos básicos:

• Inversor de Fuente de Corriente (CSI)
• Inversor de Fuente de Voltaje (VSI)
• Modulación de Ancho de Pulso (PWM)

Las secciones de un VFD incluyen un Convertidor, un Enlace de CC y un Inversor.

Inversor de Fuente de Corriente (CSI)

Un Inversor de Fuente de Corriente (CSI) convierte el voltaje de CA de entrada y controla la frecuencia y el voltaje que alimenta el Motor de Inducción de CA. El CSI convierte la CA de entrada en un voltaje de CC variable mediante:

• Rectificadores controlados por silicio (SCR)
• Tiristores conmutados por compuerta (GCT)
• Tiristores conmutados por compuerta simétrica (SGCT)

Inversor de Fuente de Voltaje (VSI)

El Inversor de Fuente de Voltaje (VSI) funciona de forma similar al CSI, convirtiendo la CA de entrada en voltaje de CC. La diferencia es que el VSI utiliza un puente rectificador de diodos para lograr la conversión. El puente utiliza condensadores para mantener un voltaje de CC constante, así como para almacenar energía para el sistema de accionamiento.

La sección del inversor utiliza varios tipos de transistores y tiristores que actúan como interruptores para crear una salida de Modulación de Ancho de Pulso (PWM) para controlar la frecuencia y el voltaje aplicados al motor.

Modulación de Ancho de Pulso (PWM)

La Modulación de Ancho de Pulso (PWM) emplea un puente rectificador de diodos, como un VSI, convirtiendo el voltaje de CA de entrada en CC. Las ondas generadas por el rectificador se suavizan utilizando los grandes condensadores del enlace de CC. Esto garantiza un voltaje de bus de CC estable.

Los Transistores Bipolares de Puerta Aislada (IGBT) de alta potencia se utilizan en la etapa del inversor de múltiples pasos del accionamiento para encenderse y apagarse para controlar tanto la frecuencia como el voltaje suministrado al motor en una salida de forma de onda sinusoidal. Variar el ancho de pulso del voltaje da como resultado un voltaje de potencia promedio que se suministra al motor. El número de transiciones de forma de onda por segundo determina la frecuencia que necesita el motor.

Control de Velocidad de los Motores de CC

Los motores de CC se utilizan en aplicaciones de control de velocidad preciso debido a su capacidad de proporcionar rotación desde una posición de parada hasta la velocidad máxima de forma bastante fácil y eficiente. El control de la velocidad de un motor de CC en serie cuando el campo está en serie con la armadura se realiza aumentando o disminuyendo el voltaje aplicado al circuito.

En un motor de CC en derivación donde el campo está en paralelo con la armadura, la velocidad se controla aumentando o disminuyendo el voltaje aplicado a la armadura utilizando un reóstato.

En lugar de reóstatos, ahora se utilizan Rectificadores Controlados por Silicio (SCR), ya que pueden manejar grandes cantidades de potencia sin problemas de disipación de calor. Además, los SCR son mucho más pequeños en tamaño y se interconectan fácilmente con los Controladores Lógicos Programables (PLC).

Control de Flujo

La velocidad de un motor de CC se puede controlar cambiando el flujo aplicado a él, ya que la velocidad del motor es inversamente proporcional al flujo por polo. Para controlar el flujo, se añade una resistencia variable o un reóstato en serie con el devanado de campo. Aumentar la resistencia aumentará la velocidad, ya que disminuirá el flujo. En los motores en derivación, la corriente de campo es bastante pequeña, por lo que este método funciona de forma bastante eficiente. El control de flujo es un método fácil y conveniente para el control de velocidad, ya que las pérdidas de potencia son pequeñas debido a la pequeña corriente de campo en derivación.

Control de Armadura

La velocidad de un motor de CC es directamente proporcional a la contra-FEM. Eso significa que, cuando el voltaje de alimentación y la resistencia de la armadura se mantienen constantes, entonces la velocidad es directamente proporcional a la corriente de la armadura. Por lo tanto, si añadimos resistencia en serie con la armadura, la corriente disminuye, y por lo tanto la velocidad también disminuirá. Cuanto mayor sea la resistencia en serie con la armadura, mayor será la disminución de la velocidad. En el Método de Control de Armadura se desperdicia una gran cantidad de potencia y es útil para motores pequeños.

Control de Voltaje

El control de voltaje se utiliza para controlar la velocidad de los motores de CC en derivación y en serie.

Control de Voltaje Múltiple

El campo en derivación recibe un voltaje de excitación fijo, pero se aplican voltajes variables a la armadura. Este voltaje a través de la armadura se controla mediante una conmutación adecuada y la velocidad del motor es generalmente proporcional al voltaje a través de la armadura.

Los motores de campo en derivación se valoran por su versatilidad, ya que este control de velocidad basado en voltaje les permite funcionar de forma fiable en una amplia gama de aplicaciones industriales.

Sistema Ward-Leonard

El control de velocidad del motor de CC del sistema Ward-Leonard se utiliza cuando se requiere un control de velocidad muy preciso del motor. En este método, la salida del generador se alimenta a la armadura del motor cuya velocidad se va a controlar. El voltaje de salida del generador se puede variar empleando el regulador de campo de cero a su valor máximo, variando así el voltaje de la armadura de forma suave, lo que da como resultado un control muy suave de la velocidad del motor de CC.

Consultas habituales

Estas son algunas de las preguntas que suelen hacerse sobre el control de velocidad de los motores de CA:

• ¿Qué es un variador de frecuencia? Un variador de frecuencia (VFD) es un dispositivo electrónico que controla la velocidad de un motor de CA. El VFD funciona convirtiendo la corriente alterna de entrada en corriente continua, y luego invirtiendo la corriente continua en corriente alterna de frecuencia variable.
• ¿Cuáles son los diferentes tipos de VFD? Hay tres tipos principales de VFD: inversores de fuente de corriente (CSI), inversores de fuente de voltaje (VSI) y modulación de ancho de pulso (PWM).
• ¿Cómo funciona un VFD? Un VFD funciona controlando la frecuencia y el voltaje que se aplica a un motor de CA. Esto permite controlar la velocidad del motor.
• ¿Cuáles son las ventajas de utilizar un VFD? Las ventajas de utilizar un VFD incluyen un mejor control de la velocidad, un funcionamiento más eficiente y una mayor duración del motor.
• ¿Cuáles son las desventajas de utilizar un VFD? Las desventajas de utilizar un VFD incluyen un mayor coste inicial y la necesidad de un mantenimiento regular.

Tabla comparativa

Esta tabla compara los tres tipos principales de VFD:

El control de velocidad de los motores de CA es esencial para una amplia gama de aplicaciones. Los variadores de frecuencia (VFD) proporcionan una forma eficaz de controlar la velocidad de los motores de CA. Hay tres tipos principales de VFD: inversores de fuente de corriente (CSI), inversores de fuente de voltaje (VSI) y modulación de ancho de pulso (PWM). Cada tipo de VFD tiene sus propias ventajas y desventajas, y el tipo adecuado para una aplicación en particular dependerá de los requisitos específicos de esa aplicación.

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