La velocidad de un motor de inducción trifásico se puede controlar cambiando el número de polos del estator por fase, como es el caso de los motores de polo consecuentes, o cambiando la frecuencia del voltaje aplicado. Ambos métodos producen un cambio en la velocidad síncrona del campo magnético giratorio.
Dado que la velocidad de un motor de corriente alterna depende directamente de la frecuencia, los sistemas y accionamientos de velocidad variable han estado desde siempre asociados a los motores de corriente continua, ya que su control resulta más sencillo, dejando relegados a los motores de corriente alterna a trabajos y aplicaciones de velocidad constante.
La velocidad de sincronización de los motores asíncronos trifásicos es proporcional a la frecuencia de la corriente de alimentación e inversamente proporcional al número de pares de polos que constituyen el estator.
Donde:
n= velocidad de sincronización en RPM
f= frecuencia en Hz
p= número de polos
El cuadro que se muestra en la tabla siguiente se indica que cuando se cambia la frecuencia, se produce un cambio correspondiente en la velocidad síncrona.
Tabla de velocidades de motor en función de la frecuencia
Estos datos no significan que sea posible aumentar la velocidad de un motor asíncrono alimentándolo a una frecuencia superior a la prevista, aunque la tensión esté adaptada. Es conveniente comprobar si su diseño mecánico y eléctrico lo permiten.
Teniendo en cuenta el deslizamiento, las velocidades de rotación en carga de los motores asíncronos son ligeramente inferiores a las velocidades de sincronización que figuran en la tabla.
La aparición a nivel industrial de los componentes electrónicos de potencia, sin embargo, ha hecho llegar en la actualidad a la fabricación de equipos capaces de controlar la velocidad de las máquinas de corriente alterna, modificando la frecuencia de entrada al motor. Este hecho, unido al difícil y costoso mantenimiento asociado a los motores de corriente continua, ha propiciado que en la actualidad la mayoría de los procesos y aplicaciones que requieren variaciones de velocidad estén gobernados por variadores electrónicos de frecuencia (también llamados convertidores de frecuencia) asociados a motores alimentados en corriente alterna.
Un variador de frecuencia (VFD) un controlador y una interfaz de operador. Este controla velocidad y otras funciones generalmente de los motores trifásicos, pero se pueden usar algunos tipos de motores monofásicos. A menudo se utilizan motores diseñados para la operación de voltaje principal de velocidad fija, pero ciertas mejoras en los diseños de motores estándar ofrecen mayor confiabilidad.
Un diagrama simplificado de un controlador VFD se muestra en la siguiente figura.
Partes de un drive o variador de frecuencia (VFD)
Las tres secciones principales del controlador son las siguientes:
Rectificador: rectifica la señal de corriente alterna trifásica entrante a una señal de corriente directa DC.
Filtro de CC (también conocido como enlace de CC o bus de CC): proporciona un voltaje de CC rectificado y suave.
Inversor: enciende y apaga la CC tan rápidamente que el motor recibe un voltaje pulsante similar al de CA. La velocidad de conmutación se controla para variar la frecuencia de la CA simulada que se aplica al motor.
13.3.1- Principio de funcionamientoEl principio de funcionamiento de la mayoría de los variadores de velocidad electrónicos para motores de corriente alterna monofásicos y trifásicos, se basa en la denominada técnica de modulación por anchura de pulsos (PWM), mediante la cual se modifica la frecuencia de entrada al motor.
Las unidades que usan IGBT generalmente usan diodos, no SCR, para rectificar el voltaje de CA en DC. El rectificador trifásico suministra un voltaje de DC constante a los transistores. El voltaje de salida al motor se controla mediante modulación de ancho de pulso (PWM).
Circuito de un variador de frecuencia
La PWM se logra al encender y apagar el transistor varias veces durante cada medio ciclo, ver el siguiente gráfico. El voltaje de salida es un promedio del voltaje máximo o máximo y la cantidad de tiempo que el transistor está encendido o apagado. Asumir
La modulación de ancho de pulso se logra al encender y apagar el voltaje varias veces durante cada medio ciclo.
Suponga que la CA trifásica de 480 voltios se rectifica a CC y se filtra. El voltaje de CC aplicado a los IGBT es de aproximadamente 630 voltios. El voltaje de salida al motor está controlado por la velocidad de conmutación de los transistores. Suponga que el transistor está encendido durante 10 microsegundos y apagado durante 20 microsegundos. En este ejemplo, el transistor está encendido por un tercio del tiempo y apagado por dos tercios del tiempo. El voltaje aplicado al motor es de 210 voltios (630/3). La velocidad a la que pueden operar los IGBT permite que la modulación de ancho de pulso produzca una onda escalonada que es muy similar a una onda sinusoidal estándar, ver siguiente figura.
La velocidad de los IGBT puede producir una onda escalonada que es similar a una onda sinusoidal.
13.3.2- Programación de los variadores de frecuencia
Los variadores de velocidad disponen de un juego de parámetros que es más o menos amplio en función del modelo.
Su programación se puede hacer de diversas formas:
Desde un pequeño panel de operación que incorpora el variador
Mediante un terminal de programación externo que se adquiere por separado y permite la programación avanzada
desde un ordenador personal a través de un cable de conexión específico y un software de parametrización.
Panel de programación de variador de frecuencia
Estos son algunos de los parámetros característicos que se pueden ajustar y programar en un variador de frecuencia:
Ajustes de fábrica: pone todos los parámetros del variador a valores de fábrica.
Rampa de aceleración: es el tiempo en segundos que se emplea para que el motor consiga la velocidad preprogramada.
Rampa de deceleración: es el tiempo en segundos que se emplea para que un motor disminuya su velocidad hasta pararse o lograr otra velocidad preprogramada.
Velocidad máxima: velocidad más rápida a la que se desea que gire el motor
Velocidad mínima: velocidad más lenta a la que se desea que gire el motor.
Velocidades preseleccionadas: conjunto de velocidades que programa el operario y que se eligen a través de las entradas lógicas o por algún bus de comunicación.
JOG: funcionamiento del motor a impulsos. Necesita una velocidad preseleccionada propia y tener asociada una entrada lógica para conectar en ella un pulsador o interruptor.
Los convertidores de frecuencia, además de poder regular la velocidad de los motores, generalmente tienen otras funciones integradas para llevar a cabo el control de estas máquinas:
Función de arrancador electrónico.
Control y variación de aceleración.
Control y variación de velocidad.
Función de frenado o deceleración de motor.
Regulación de la intensidad de arranque.
Control del par motor.
Conmutación de máquina (control de marcha/paro).
Rearme a distancia.
Indicador de la carga del motor.
Función de histórico y monitorización.
Protección frente a cortocircuitos y sobrecargas.
Seccionamiento de la red de alimentación.
La principal desventaja de los convertidores de frecuencia con respecto a los métodos de variación de la velocidad basados en lógica cableada es su elevado precio, la necesidad de programación y el hecho de que generan armónicos y perturbaciones a la red durante su funcionamiento. Sin embargo, las ventajas que ofrecen son numerosas, como, por ejemplo:
Control sencillo de la velocidad.
Mínimo coste de mantenimiento.
Ahorro de energía al poder definir cuándo la máquina deja de trabajar o cuándo reduce la velocidad.
Mejora de la calidad en los procesos al poder realizar arranques y frenados suaves.
Los variadores de frecuencia tienen sus principales aplicaciones en máquinas y cintas transportadoras, ventiladores, bombas, aparatos elevadores, prensas mecánicas, compresores y un largo etcétera.
La conexión de este tipo de dispositivos, al igual que ocurría en el caso de los arrancadores electrónicos, depende del modelo y del fabricante, por lo que será necesario consultar la hoja de características del vaciador en cada caso.
Funciones básicas de panel de configuración de un variador de frecuencia
13.3.3- Conexionado del variador de velocidad
En el mercado hay diferentes tipos constructivos de variadores de frecuencia, aunque desde el punto de vista de su funcionamiento son todos muy similares. En la siguiente figura, se puede apreciar un modelo de variador de frecuencia. En este modelo se pueden distinguir el punto de conexionado, tanto para la alimentación trifásica (en la parte superior del equipo) como para otro tipo de conexiones en el resto de bornes de conexionado (parte inferior del equipo). También puede distinguirse en la parte frontal otros elementos de control (potenciómetro, pulsadores, y un selector V/I), así como el propio display de visualización de parámetros y estado del equipo.
Variador de frecuencia
Desde el punto de vista del conexionado, los variadores de velocidad disponen de tres módulos bien diferenciados:
Parte de potencia.
Parte de mando.
Consigna de velocidad.
La parte de fuerza se conecta desde la red eléctrica, pasando por el variador y después al motor. Existen variadores de conexión a la red monofásica y de conexión a red trifásica. En ambos casos, el motor es siempre trifásico.
Cableado de fuerza de variador de frecuencia
Proteja el variador y el cableado de entrada de potencia contra cortocircuitos y sobrecarga térmica. Realice la protección de acuerdo a las directrices siguientes.
Proteger entrada de circuito de potencia del variador de frecuencia con un magnetotérmico
Es aconsejable disponer de un contactor entre el dispositivo de protección y el variador de frecuencias. Este será controlado con un circuito de mando externo y permitirá cortar la red de alimentación de potencia del variador.
La parte de mando dispone de entradas lógicas para conectar en ellas sensores tipo interruptor y pulsador. Se utiliza para la puesta en marcha y parada del motor, inversión del sentido de giro, modo JOG, etc. La señal de referencia para estas entradas se realiza desde el borne de tensión positiva que dispone el propio variador. Estas entradas son programables y pueden tener un uso diferente dependiendo de la aplicación.
Conexión de elementos de mando al variador de frecuencia
La consigna de velocidad se da a través de una entrada analógica de tres bornes, a la cual se conecta un potenciómetro rotativo. El valor en kΩ de dicho potenciómetro lo asigna el fabricante, pero este ronda unos 5 kΩ a 10 kΩ .