06 - Regulacion de Velocidad (Motores CA)

Tema 6

Regulación de velocidad de motores

1. Velocidad de los motores de corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. Conmutación de polos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23. Variación de frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34. Funcionamiento del regulador de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35. Tipos básicos de convertidores de frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46. Convertidor de frecuencia con modulación por amplitud de pulso (PAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57. Convertidor de frecuencia PAM con rectificador controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78. Convertidor de frecuencia con modulación por anchura de pulso (PWM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99. Inversor de corriente (CSI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Curso Virtual: Electricidad Industrial

Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 1 de 13

Tema 6

Regulación de velocidad de motores

1. VELOCIDAD DE LOS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Aumentando el número de polos de un motor se influye en la velocidad del motor, que sedetermina por la fórmula

f pn

60

La frecuencia f a que trabaja un motor viene dada por el número de pares de polos p multiplicado por la velocidaddel motor contado en revoluciones por minuto (r.p.m.) Dividido por 60

Por tanto, si quiere saber a que velocidad en r.p.m. funciona un motor bastará con transformarla fórmula anterior en:

n60 f

p

El número de r.p.m., a que gira un motor, depende de la frecuencia de trabajo multiplicado por 60, dividido todo ello,por el número de pares de polos que tenga el motor.



2. CONMUTACIÓN DE POLOS

En consecuencia; la velocidad de giro de un motor no depende en nada del voltaje defuncionamiento, y como el valor de la frecuencia de red es inalterable, para cambiar la velocidadde un motor solo se puede hacer, cambiando el número de polos que tiene el motor.

Los motores de dos velocidades, por tanto, llevan tomas intermedias de los pares de polo, ala caja de bornes; para que, con la ayuda de conmutadores especiales, poder alterar lasentradas y salidas de la corriente a cada par de polos del motor. Consecuentemente el númerode revoluciones se verá alterada por la posición del conmutador de polos. Todos los motoresde dos velocidades, llevaran en la caja de bornes, el doble de conexiones de un motor de unasola velocidad.

En la tabla I puede verse como los motores europeos, que trabajan a una frecuencia de 50 Hz,son más lento que los del continente americano que trabajan a 60 Hz; también se observa, quepara conseguir velocidades mayores, como por ejemplo; las que se necesitan en el radar,donde se emplean frecuencia de 400 Hz; con lo que se consiguen motores de rotor muyrápidos.

Nº Polos Frecuencia.

(2p) 50 Hz 60 Hz 400 Hz

2 3000 3600 24000

4 1500 1800 12000

6 1000 1200 8000

8 750 900 6000

10 600 720 4800

12 500 600 4000

14 428 514 3428

16 375 450 3000TABLA I VELOCIDAD DE LOS MOTORES DE C.A.

Cuanto más velocidad tenga un motor, y en consecuencia, ser menor el número de polos,más económico de precio será el motor, pues las dimensiones también son menores.

A igual velocidad las dimensiones del motor aumenta con la potencia que desarrolle.



3. VARIACIÓN DE FRECUENCIA

Hoy día ya es posible cambiar la velocidad e los motores, sin necesidad de variar el número depares de polos; en la fórmula se observa que si el valor de la frecuencia en vez de tener unvalor fijo de 50 o 60 Hz, se pudiera variar este valor; entonces se obtendría valores diferentesdel número de r.p.m., del motor. Esto se realiza con los variadores de velocidad estáticos.Pequeños dispositivos electrónicos que se intercalan entre el interruptor y el motor; con el quefácilmente se puede actuar sobre la frecuencia para variar la velocidad del motor sin necesidadde complicados conmutadores de polos.

Figura 1 VARIADOR DE VELOCIDAD “ALTIVAR”

En la figura 1, puede verse un variador de velocidad, aplicable a motores trifásicos, con rotorde jaula de ardilla, y con una potencia comprendida entre 370 W y 17 KW.

4. FUNCIONAMIENTO DEL REGULADOR DE VELOCIDAD

La corriente alterna trifásica es rectificada y convertida en corriente continua, y luego, en uncircuito inversor, se vuelve a convertir en alterna trifásica. Para que la frecuencia pueda servariable, no se llega a transformar del todo en una corriente lineal, una parte de esta corrientede entrada se filtra a un circuito intermedio que regula la salida.

La relación entre el voltaje y la frecuencia debe de mantenerse constante para que el motorconserve su par de fuerza contante, independientemente de la velocidad. Esto quiere decir quese cambia la tensión y la frecuencia en la misma proporción.



En la figura 2 se ha representado en esquema de bloques los cuatro circuitos principales quelleva un variador de velocidad: Rectificador, circuito intermedio, inversor y circuito de regulación.

Figura 2 Esquema de bloques del convertidor de frecuencia

5. TIPOS BÁSICOS DE CONVERTIDOR DE FRECUENCIA

El convertidor de frecuencia apareció a finales de la década de los sesenta del siglopasado. En 35 años se ha desarrollado mucho los semiconductores ymicroprocesadores lo que ha supuesto una mejora importante en los convertidores defrecuencia.

De los cuatro componentes principales el primero es el rectificador, que transforma latensión trifásica de la red en tensión continua pulsatoria. Hay dos tipos básicos derectificadores: Los regulados y los no regulados.

Figura 3 Rectificador regulador y rectificador no regulado



El segundo circuito intermedio puede ser puede ser de tres tipos diferentes: unotransforma la tensión la tensión del rectificador en corriente continua; otro tipo estabilizala tensión pulsatoria de corriente continua y la envía al inversor y el tercer tipotransforma la tensión contante de corriente continua del rectificador en un valorvariable.

El tercer bloque es el inversor que controla la frecuencia y la tensión del motor. Existeotro tipo de inversor que también transforma la tensión constante de corriente continuaen tensión variable de corriente alterna.

El cuarto bloque está compuesto por un equipo electrónico que transmite señales tantoal rectificador como al circuito intermedio y al inversor. Esta parte del control dependeráde la configuración del convertidor de frecuencia.

Los convertidores de frecuencia se pueden agrupar según el comportamiento delsistema que controla la alimentación del motor en:

- Convertidor de frecuencia con modulación por amplitud de pulsos (PAM)

- Convertidores de frecuencia con modulación por anchura de pulsos (PWM)

- Inversores de fuentes de corriente (CSI)

6. CONVERTIDOR DE FRECUENCIA CON MODULACIÓN POR AMPLITUD DEPULSO (PAM)

Básicamente representado en la figura 4, donde se aprecia los cuatro bloques queactúan sobre la frecuencia de salida para el motor

Figura 4 Convertidos de frecuencia PAM



La tensión y la frecuencia se hacen variar simultáneamente. El rectificador da unacorriente continua fija, por lo que se aplica un transistor que conecta o suprimealternativamente la tensión de corriente continua fija dando una tensión variabledespués del filtro formado por una bobina y un condensador. La magnitud de la tensiónde corriente continua variable depende del tiempo durante el cual el transistor da pasode corriente. El circuito de control y regulación mide y compara esta tensión con alentrada, si existe una diferencia, automáticamente se efectúa la regulación hasta quese obtenga una tensión correcta a partir del filtro.

La frecuencia de la tensión de salida se hace variar en el inversor cambiando laduración del período. Durante un período, los tiristores se activan varia veces. Laduración del período puede ser controlada:

1. Directamente por la señal de control.

2. Por la tensión de corriente continua variable, proporcional a la señal de control

Figura 5 Control de la frecuencia por el circuito intermedio

Frenado

El motor actuará como generador al ser impulsado por la carga. Si el motor estáconectado directamente a la fuente de suministro, la energía generada se devuelve ala red y esto frena el motor. El convertidor de frecuencia tipo PAM no permite que etaenergía producida sea devuelta a la red porque el rectificador la bloquea, llegando sólohasta el circuito intermedio.



Ventajas de los convertidores de frecuencia PAM

! Relación entre tensión y frecuencia siempre constante, es decir, que el motor nopuede pararse incluso aunque sea sobrecargado

! Muy apropiado para el funcionamiento en paralelo con otros motores

! Velocidad constante cualquiera que sea su carga

! El motor funciona de manera suave incluso a bajas velocidades

! A prueba de cortocircuitos

! Rendimiento muy elevado

! El motor funciona de manera silenciosa

! Frenado por resistencia

Inconveniente

! La energía de frenado no puede ser devuelta a la red eléctrica

7. CONVERTIDOR DE FRECUENCIA PAM CON RECTIFICADOR CONTROLADO

El convertidor de frecuencia con modulación por amplitud de pulsos puede ser tambiéndiseñado por rectificador controlado, como se ilustra en la figura 6.

Figura 6 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA PAM CON RECTIFICADOR CONTROLADO



La tensión se controla por un rectificador controlado, con lo que es innecesario eltransistor regulador, la frecuencia se controla directamente, independientemente de latensión. Esto es perfecto en condiciones normales de funcionamiento; pero, si sealcanza el límite de la corriente y por tanto, si la tensión ha sido disminuida sin reducirsimultáneamente la frecuencia, la tensión y la frecuencia dejan de ser proporcionales,el motor se parará mientras el inversor siga funcionando. Será preciso arrancar denuevo.

Para evitar que el límite de la corriente sea rebasado durante la aceleración, es precisoque la señal de control no cambie a una velocidad superior a la que el motor es capazde seguir. Por tanto, el tiempo de aceleración debe ser ajustado para que se adapte ala carga.

Con el rectificador controlado se obtiene la ventaja de que la energía de frenado delcircuito intermedio puede ser devuelta a la red eléctrica. Sin embargo esto requiere uninversor de frenado con seis tiristores conectado en paralelo con el rectificador comomuestra la figura 7

Figura 7 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA PAM CON INVERSOR DE FRENADO



Ventajas de los convertidores de frecuencia PAM con rectificador controlado

! La energía de frenado puede ser devuelta ala red por medio de un inversorsuplementario

! Apropiado para funcionamiento de motores en paralelo si la corriente dearranque de los motores no corresponde a la limitación de corriente (parada delmotor)

! Buen rendimiento del sistema

Inconvenientes

! El rectificador controlado da lugar a importantes perturbaciones y pérdidas enla red de distribución

! El motor se para cunado el convertidor de frecuencia llega al límite de lacorriente (aceleración rápida y cargas en cresta)

! Regulación de tensión actúa lentamente. Esto es desfavorable en caso decortocircuito

! Indeseables oscilaciones periódicas del par a velocidades muy lentas

8. CONVERTIDOR DE FRECUENCIA CON MODULACIÓN POR ANCHURA DEPULSO (PWM)

El esquema básico de los convertidores PAM es el de la figura 8

Figura 8 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA PWM



En esta figura se observa que la tensión continua es constante hasta e inversor. Estosignifica que tanto la tensión como la frecuencia deben ser cambiadas en el inversorpara que el motor pueda ser sometido a estas variaciones. La tensión se controlaaplicando la tensión máxima al motor durante períodos más o menos largos.

La frecuencia se controla aplicando impulsos positivos durante medio período eimpulsos negativos durante el siguiente medio período.

El circuito de control establece los tiempos de activación y desactivación de los tiristoresen los puntos de intersección entre la tensión senoidal y la tensión triangular

Figura 9 TENSIONES Y FRECUENCIAS MÁXIMAS PARA PWM

En la figura 9 las tensiones de regulador aplicadas a los tiristores para controlar lafrecuencia de salida. La amplitud de la tensión senoidal y la amplitud de la tensióntriangular determina la anchura de los impulsos de tensión que se aplican al motor.



Frenado

Durante el frenado, el motor actúa como generador, pero la energía sólo vuelve hastael filtro del circuito intermedio ya que el rectificador bloquea el paso. Por tanto, elfrenado está limitado, a no ser que se extraiga la energía a partir del circuito intermedio.Si se sustituye el rectificador por dos puentes de tiristores conectados en antiparalelo,como en la figura 7, la energía puede ser devuelta a la red eléctrica aunque estoproducirá algunas perturbaciones en la red de distribución y es de realización máscostosa.

Ventajas de los convertidores de frecuencia PWM

! El motor funciona de manera suave, incluso a bajas velocidades

! Es posible realizar el frenado a través de un módulo de frenado

! Son apropiados para funcionamiento de motores paralelos sólo si la corriente dearranque de los motores no da lugar a la limitación de la corriente (parada delmotor)


Inconvenientes

! Motor ruidoso en razón de la forma de la curva de tensión

! Parada del motor cunado el convertidor de frecuencia llega a la limitación decorriente (Aceleración rápida y valor de cresta de la carga). La aceleración debeser adaptada a la carga pera evitar la limitación de la corriente



9. INVERSOR DE CORRIENTE (CSI)

El esquema básico es el de la figura 10, muy simplificada, donde se observa que elcircuito intermedio es simplemente una bobina

Figura 10 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA CSI

Al igual que los esquemas anteriores, este esquema, también está muy simplificado.Puede verse que no hay condensador en el circuito intermedio. La misión delcondensador en los circuitos anteriores consistía en mantener la tensión constante auna frecuencia dada. Por tanto, la carga determinaba la corriente del motor. Aquí lasituación es inversa. La tensión variable procedente del rectificador controlado setransforma por medio de la bobina en una corriente continua ajustable adaptada a lafrecuencia. De esta forma, la carga es la que determina la tensión del motor. Mayorescargas, exigen tensiones de motor elevadas.

El convertidor de frecuencia CSI no es apropiado para funcionamiento de motores enparalelo, pues los condensadores del inversor deben ser adaptados a la potencia delmotor.

Frenado

En este caso la energía de frenado es conducida directamente a la red de distribucióneléctrica sin utilizar componentes suplementarios.



Ventajas de los convertidores de frecuencia CSI

! La energía de frenado puede ser devuelta a la red de distribución de electricidadsin componentes suplementarios

! El convertidor está a prueba de cortocircuitos porque funciona a corrienteconstante, incluso si ocurre un cortocircuito


! El motor funciona de manera silenciosa

Inconvenientes

! Utilización limitada en el caso de funcionamiento de motores en paralelo

! A velocidades lentas se producen indeseables variaciones periódicas del par

! El rectificador controlado genera importantes perturbaciones y pérdidas en la redde distribución de electricidad

! Reacción lenta a los cambios de carga

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