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contadores
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República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior
Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José Sucre“
Vice- Rectorado “Luis Caballero Mejías”
Núcleo Guarenas
Contactores y VSD
Prof. Baudilio Duben * Gustavo Bracamonte 200620284 Automatización Industrial I
Guarenas, febrero de 2011
INTRODUCCION
Una gran parte de los equipos utilizados en la industria moderna
funcionan a velocidades variables, como por ejemplo los trenes laminadores,
los mecanismos de elevación, las máquinas-herramientas, etc. En los
mismos se requiere un control preciso de la velocidad para lograr una
adecuada productividad, una buena terminación del producto elaborado, o
garantizar la seguridad de personas y bienes.
Además de utilizar los dispositivos necesarios para su activación y
protección, ya que cada vez se hace más importante la automatización de los
procesos lo que en definitiva los hace más rentable.
En el siguiente trabajo se hablará acerca de los contactores y los
Variadores de Velocidad, permitiendo conocer su funcionamiento,
clasificación, aplicaciones, entre otras cosas.
CONTACTOR
Un contactor es un componente electromecánico que tiene por
objetivo establecer o interrumpir el paso de corriente, ya sea en el circuito de
potencia o en el circuito de mando, tan pronto se energice la bobina (en el
caso de ser contactores instantáneos). Un contactor es un dispositivo con
capacidad de cortar la corriente eléctrica de un receptor o instalación, con la
posibilidad de ser accionado a distancia, que tiene dos posiciones de
funcionamiento: una estable o de reposo, cuando no recibe acción alguna
por parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando actúa dicha acción.
Este tipo de funcionamiento se llama de "todo o nada". En los esquemas
eléctricos, su simbología se establece con las letras KM seguidas de un
número de orden.
La función conmutación todo o nada establece e interrumpe la
alimentación de los receptores. Esta suele ser la función de los contactores
electromagnéticos. En la mayoría de los casos, el control a distancia resulta
imprescindible para facilitar la utilización así como la tarea del operario, que
suele estar alejado de los mandos de control de potencia. Como norma
general, dicho control ofrece información sobre la acción desarrollada que se
puede visualizar a través de los pilotos luminosos o de un segundo
dispositivo. Estos circuitos eléctricos complementarios llamados “circuitos de
esclavización y de señalización” se realizan mediante contactos auxiliares
que se incorporan a los contactores, a los contactores auxiliares o a los relés
de automatismo, o que ya están incluidos en los bloques aditivos que se
montan en los contactores y los contactores auxiliares. La conmutación “todo
o nada” también puede realizarse con relés y contactores estáticos. Del
mismo modo, puede integrarse en aparatos de funciones múltiples, como los
disyuntores motores o los contactores disyuntores.
Partes de un Contactor
Carcasa
Es el soporte fabricado en material no conductor que posee rigidez y
soporta el calor no extremo, sobre el cual se fijan todos los componentes
conductores al contactor. Además es la presentación visual del contactor.
Electroimán
Es el elemento motor del contactor, compuesto por una serie de
dispositivos, los más importantes son el circuito magnético y la bobina; su
finalidad es transformar la energía eléctrica en magnetismo, generando así
un campo magnético muy intenso, que provocará un movimiento mecánico.
Bobina
Es un arrollamiento de cable de cobre muy delgado con un gran
número de espiras, que al aplicársele tensión genera un campo magnético.
Éste a su vez produce un campo electromagnético, superior al par resistente
de los muelles, que a modo de resortes, se separan la armadura del núcleo,
de manera que estas dos partes pueden juntarse estrechamente. Cuando
una bobina se alimenta con corriente alterna la intensidad absorbida por
esta, denominada corriente de llamada, es relativamente elevada, debido a
que en el circuito solo se tiene la resistencia del conductor.
Esta corriente elevada genera un campo magnético intenso, de
manera que el núcleo puede atraer a la armadura y a la resistencia mecánica
del resorte o muelle que los mantiene separados en estado de reposo. Una
vez que el circuito magnético se cierra, al juntarse el núcleo con la armadura,
aumenta la impedancia de la bobina, de tal manera que la corriente de
llamada se reduce, obteniendo así una corriente de mantenimiento o de
trabajo más baja. Se hace referencia a las bobinas de la siguiente forma: A1
y A2.
Núcleo
Es una parte metálica, de material ferromagnético, generalmente en
forma de E, que va fijo en la carcasa. Su función es concentrar y aumentar el
flujo magnético que genera la bobina (colocada en la columna central del
núcleo), para atraer con mayor eficiencia la armadura.
Armadura
Elemento móvil, cuya construcción es similar a la del núcleo, pero sin
espiras de sombra. Su función es cerrar el circuito magnético una vez
energizada la bobina, ya que debe estar separado del núcleo, por acción de
un muelle. Este espacio de separación se denomina cota de llamada.
Las características del muelle permiten que, tanto el cierre como la
apertura del circuito magnético, se realicen de forma muy rápida, alrededor
de unos 10 milisegundos. Cuando el par resistente del muelle es mayor que
el par electromagnético, el núcleo no logrará atraer a la armadura o lo hará
con mucha dificultad. Por el contrario, si el par resistente del muelle es
demasiado débil, la separación de la armadura no se producirá con la
rapidez necesaria.
Contactos
Simbología de polos (arriba) y Contactos Auxiliares (abajo).
Son elementos conductores que tienen por objeto establecer o
interrumpir el paso de corriente en cuanto la bobina se energice. Todo
contacto está compuesto por tres conjuntos de elementos:
Dos partes fijas ubicadas en la coraza y una parte móvil colocada en
la armadura para establecer o interrumpir el paso de la corriente entre
las partes fijas. El contacto móvil lleva el mencionado resorte que
garantiza la presión y por consiguiente la unión de las tres partes.
Contactos principales: su función es establecer o interrumpir el circuito
principal, consiguiendo así que la corriente se transporte desde la red
a la carga. Simbología: se referencian con una sola cifra del 1 al 16.
Contactos auxiliares: son contactos cuya función específica es permitir
o interrumpir el paso de la corriente a las bobinas de los contactores o
los elementos de señalización, por lo cual están dimensionados
únicamente para intensidades muy pequeñas. Los tipos más comunes
son:
Instantáneos: actúan tan pronto se energiza la bobina del contactor,
se encargan de abrir y cerrar el circuito.
Temporizados: actúan transcurrido un tiempo determinado desde que
se energiza la bobina (temporizados a la conexión) o desde que se
desenergiza la bobina (temporizados a la desconexión).
De apertura lenta: el desplazamiento y la velocidad del contacto móvil
es igual al de la armadura.
De apertura positiva: los contactos cerrados y abiertos no pueden
coincidir cerrados en ningún momento.
Relé térmico
El relé térmico es un elemento de protección que se ubica en el
circuito de potencia, contra sobrecargas. Su principio de funcionamiento se
basa en la deformación de ciertos elementos, bimetales, bajo el efecto de la
temperatura, para accionar, cuando este alcanza ciertos valores, unos
contactos auxiliares que desactiven todo el circuito y energicen al mismo
tiempo un elemento de señalización.
El bimetal está formado por dos metales de diferente coeficiente de
dilatación y unidos firmemente entre sí, regularmente mediante soldadura de
punto. El calor necesario para curvar o reflexionar la lámina bimetálica es
producido por una resistencia, arrollada alrededor del bimetal, que está
cubierto con asbesto, a través de la cual circula la corriente que va de la red
al motor.
Los bimetales comienzan a curvarse cuando la corriente sobrepasa el
valor nominal para el cual han sido dimensionados, empujando una placa de
fibra hasta que se produce el cambio de estado de los contactos auxiliares
que lleva. El tiempo de desconexión depende de la intensidad de la corriente
que circule por las resistencias.
Resorte
Es un muelle encargado de devolver los contactos a su posición de
reposo una vez que cesa el campo magnético de la bobina.
Funcionamiento de un Contactor
Los contactos principales se conectan al circuito que se quiere
gobernar. Asegurando el establecimiento y cortes de las corrientes
principales y según el número de vías de paso de corriente podrá ser bipolar,
tripolar, tetrapolar, etc. realizándose las maniobras simultáneamente en
todas las vías.
Los contactos auxiliares son de dos clases, abiertos (NA) y cerrados
(NC). Estos forman parte del circuito auxiliar del contactor y aseguran las
autoalimentaciones, los mandos, enclavamientos de contactos y
señalizaciones en los equipos de automatismo.
Cuando la bobina del contactor queda excitada por la circulación de la
corriente, esta mueve el núcleo en su interior y arrastra los contactos
principales y auxiliares, estableciendo a través de los polos, el circuito entre
la red y el receptor. Este arrastre o desplazamiento puede ser:
Por rotación, pivote sobre su eje.
Por traslación, deslizándose paralelamente a las partes fijas.
Combinación de movimientos, rotación y traslación.
Cuando la bobina deja de ser alimentada, abre los contactos por
efecto del resorte de presión de los polos y del resorte de retorno de la
armadura móvil. Si se debe gobernar desde diferentes puntos, los pulsadores
de marcha se conectan en paralelo y el de parada en serie.
Ejemplo
Podemos
ver un ejemplo de
aplicación de un
contactor, para conectar las salidas bifásicas de un generador, en el
esquema se pueden ver dos circuitos, el de los niveles 1, 2 y 3, de maniobra,
donde están los pulsadores de conexión y desconexión, la bobina del
1
2
3
4
5
contactor y un contacto auxiliar del mismo, y la fuente de alimentación del
circuito de maniobra.
En los niveles 4 y 5, de fuerza, está el generador bifásico y los
contactos del contactor que conectan o desconectan las salidas.
El contactor del ejemplo tiene un contacto auxiliar para su
realimentación, la bobina y dos contactos de fuerza en la parte inferior,
esquematizado en la línea azul a trazos vertical.
El funcionamiento del mecanismo es el siguiente: mediante los
pulsadores Con. y Des. Se conecta o desconecta la bobina del contactor, al
pulsador Con., que está en paralelo con el contacto auxiliar, de modo que
una vez la bobina excitada se autoalimenta, no siendo necesario que el
pulsador Con. Siga pulsado.
Si se pulsa Des. Se corta la alimentación a la bobina, que se
desexcita, desconectándose tanto su realimentación por el contacto auxiliar,
como la salida del generador por los contactos de fuerza.
Si se pulsa simultáneamente Con. y Des. El contactor se desactiva,
dado que Des. Corta la alimentación a la bobina, independientemente de la
posición de Con. o del contacto auxiliar.
No es necesario señalar que este mismo mecanismo puede
emplearse para poner en marcha un motor, conectando o desconectando el
motor de una fuente de alimentación exterior, y que el número de contactos
de fuerza puede ser mayor.
Clasificación de los Contactores
1. Según su construcción:
Contactores electromagnéticos
Su accionamiento se realiza a través de un electroimán.
Contactores electromecánicos
Se accionan con ayuda de medios mecánicos.
Contactores neumáticos
Se accionan mediante la presión de aire.
Contactores hidráulicos
Se accionan por la presión de aceite.
Contactores estáticos
Estos contactores se construyen a base de tiristores. Estos presentan
algunos inconvenientes como: Su dimensionamiento debe ser muy superior a
lo necesario, la potencia disipada es muy grande, son muy sensibles a los
parásitos internos y tiene una corriente de fuga importante además su costo
es muy superior al de un contactor electromecánico equivalente.
2. Según el tipo de corriente que alimenta a la bobina:
Contactores para corriente alterna
La bobina es alimentada por Corriente alterna.
Contactores para corriente continúa
La bobina es alimentada por Corriente continua.
Simbología y referenciado de bornes
Los bornes de conexión de los contactores se nombran mediante
cifras o códigos de cifras y letras que permiten identificarlos, facilitando la
realización de esquemas y las labores de cableado.
- Los contactos principales se referencian con una sola cifra, del 1 al
16.
- Los contactos auxiliares están referenciados con dos cifras. Las
cifras de unidades o cifras de función indican la función del contacto:
* 1 y 2, contacto normalmente cerrados (NC).
* 3 y 4, contacto normalmente abiertos (NA).
* 5 y 6, contacto NC de apertura temporizada o de protección.
* 7 y 8, contacto NA de cierre temporizado o de protección.
- La cifra de las decenas indica el número de orden de cada contacto
en el contactor. En un lado se indica a qué contactor pertenece.
- Las bobinas de un contactor se referencian con las letras A1 y A2.
En su parte inferior se indica a qué contactor pertenece.
- El contactor se denomina con las letras KM seguidas de un número
de orden.
Simbología de polos (arriba) y Contactos Auxiliares (abajo).
Criterios para la elección de un Contactor
Debemos tener en cuenta algunas cosas, como las siguientes:
1. El tipo de corriente, la tensión de alimentación de la bobina y la
frecuencia.
2. La potencia nominal de la carga.
3. Si es para el circuito de potencia o de mando y el número de
contactos auxiliares que necesita.
4. Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobra muy altas
es recomendable el uso de contactores estáticos o de estado sólido.
Ejemplo de elección de un contactor electromagnético.
Es necesario conocer las siguientes características del receptor:
- La tensión nominal de funcionamiento, en voltios (V).
- La corriente de servicio (Ie) que consume, en amperios (A).
Potencia mecánica (Pm) (kW) Corriente de
servicio (Ie) (A)
220 V 380 V
0,75 3 2
1,1 4 2,5
1,5 6 3,5
2,2 8,5 5
3 11 6,5
4 14,5 8,5
5,5 18 11,5
7,5 25 15,5
10 35 21
11 39 23
15 51 30
22 73,5 44
- La naturaleza y la utilización del receptor, o sea, su categoría de servicio.
Categoría de servicio Ic / Ie Factor de potencia
AC1 1 0,95
AC2 2,5 0,65
ACE 1 0,35
AC4 6 0,35
- La corriente cortada, que depende del tipo de categoría de servicio
y se obtiene a partir de la corriente de servicio, amperios (A).
Los pasos a seguir para la elección de un contactor son los siguientes:
1. Obtener la corriente de servicio (Ie) que consume el receptor.
2. A partir del tipo de receptor, obtener la categoría de servicio.
3. A partir de la categoría de servicio elegida, obtener la corriente
cortada (Ic) con la que se obtendrá el calibre del contador.
Además, hay que considerar la condición del factor de potencia, ya
que, en el caso de los circuitos de alumbrado con lámparas de descarga
(vapor de mercurio, sodio...) con factor de potencia 0,5 (sin compensar), su
categoría de servicio es AC3, aunque por su naturaleza debería ser AC1.
Mientras que si estuviera compensado a 0,95, su categoría sería AC1.
Ventajas de los Contactores
Los contactores presentan ventajas en cuanto a los siguientes
aspectos, por los que se recomienda su utilización: automatización en el
arranque y paro de motores, posibilidad de controlar completamente una
máquina, desde varios puntos de maniobra o estaciones, se pueden
maniobrar circuitos sometidos a corrientes muy altas, mediante corrientes
muy pequeñas, seguridad para personal técnico, dado que las maniobras se
realizan desde lugares alejados del motor u otro tipo de carga, y las
corrientes y tensiones que se manipulan con los aparatos de mando son o
pueden ser pequeños, control y automatización de equipos y máquinas con
procesos complejos, mediante la ayuda de aparatos auxiliares(como
interruptores de posición, detectores inductivos, presostatos, temporizadores,
etc.), y un ahorro de tiempo a la hora de realizar algunas maniobras.
A estas características hay que añadir que el contactor:
Es muy robusto y fiable, ya que no incluye mecanismos delicados.
Se adapta con rapidez y facilidad a la tensión de alimentación del
circuito de control (cambio de bobina).
Facilita la distribución de los puestos de paro de emergencia y de los
puestos esclavos, impidiendo que la máquina se ponga en marcha sin
que se hayan tomado todas las precauciones necesarias.
Protege el receptor contra las caídas de tensión importantes (apertura
instantánea por debajo de una tensión mínima).
Funciona tanto en servicio intermitente como en continuo.
Aplicaciones
Las aplicaciones de los contactores, en función de la categoría de servicio,
son:
Categoría de servicio Aplicaciones
AC1 Cargas puramente resistivas: Son para
condiciones de servicio ligeros de cargas no
inductivas o débilmente inductivas; para calefacción
eléctrica, hornos de resistencia, lámparas de
incandescencia (No motores).
AC2 Motores síncronos de anillos rozantes; para
mezcladoras, centrífugas.
AC3 Motores asíncronos (rotor jaula de ardilla) en
servicio continuo; para aparatos de aire
acondicionado, compresores, ventiladores.
AC4 Motores asíncronos (rotor jaula de ardilla) en
servicio intermitente; para grúas, ascensores.
Variador de Velocidad (VSD)
El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable
Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de
dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para
controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores.
También es conocido como Accionamiento de Velocidad Variable (ASD,
también por sus siglas en inglés Adjustable-Speed Drive). De igual manera,
en ocasiones es denominado mediante el anglicismo Drive, costumbre que
se considera inadecuada.
La maquinaria industrial generalmente es accionada a través de
motores eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores
precisos. No obstante, los motores eléctricos generalmente operan a
velocidad constante o cuasi-constante, y con valores que dependen de la
alimentación y de las características propias del motor, los cuales no se
pueden modificar fácilmente. Para lograr regular la velocidad de los motores,
se emplea un controlador especial que recibe el nombre de variador de
velocidad. Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de
aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire
acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales,
elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc.
Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un
motor eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del
mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un
dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin
ser un motor paso a paso) también puede ser designado como variador de
velocidad.
Motivos para emplear variadores de velocidad
El control de procesos y el ahorro de la energía son dos de las
principales razones para el empleo de variadores de velocidad.
Históricamente, los variadores de velocidad fueron desarrollados
originalmente para el control de procesos, pero el ahorro energético ha
surgido como un objetivo tan importante como el primero.
Velocidad como una forma de controlar un proceso
Entre las diversas ventajas en el control del proceso proporcionadas
por el empleo de variadores de velocidad destacan:
Operaciones más suaves.
Control de la aceleración.
Distintas velocidades de operación para cada fase del proceso.
Compensación de variables en procesos variables.
Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba.
Ajuste de la tasa de producción.
Permitir el posicionamiento de alta precisión.
Control del Par motor (torque).
Fomentar el ahorro de energía mediante el uso de
variadores de velocidad
Un equipo accionado mediante un variador de velocidad emplea
generalmente menor energía que si dicho equipo fuera activado a una
velocidad fija constante. Los ventiladores y bombas representan las
aplicaciones más llamativas. Por ejemplo, cuando una bomba es impulsada
por un motor que opera a velocidad fija, el flujo producido puede ser mayor al
necesario. Para ello, el flujo podría regularse mediante una válvula de control
dejando estable la velocidad de la bomba, pero resulta mucho más eficiente
regular dicho flujo controlando la velocidad del motor, en lugar de restringirlo
por medio de la válvula, ya que el motor no tendrá que consumir una energía
no aprovechada.
Clasificación de Variadores de Velocidad
En términos generales, puede decirse que existen tres tipos básicos
de variadores de velocidad: mecánicos, hidráulicos y eléctrico-electrónicos.
Dentro de cada tipo pueden encontrarse más subtipos, que se detallarán a
continuación. Cabe aclarar que los variadores más antiguos fueron los
mecánicos, que se emplearon originalmente para controlar la velocidad de
las ruedas hidráulicas de molinos, así como la velocidad de las máquinas de
vapores.
Los variadores de velocidad mecánicos e hidráulicos generalmente
son conocidos como transmisiones cuando se emplean en vehículos, equipo
agroindustrial o algunos otros tipos de maquinaria.
1. Variadores Mecánicos
Variador de Paso Ajustable: este dispositivo emplea poleas y bandas
en las cuales el diámetro de una o más poleas puede ser modificado.
Variador de Tracción: transmite potencia a través de rodillos
metálicos. La relación de velocidades de entrada/salida se ajusta
moviendo los rodillos para cambiar las áreas de contacto entre ellos y
así la relación de transmisión.
2. Variadores Hidráulicos
Variador Hidrostático: consta de una bomba hidráulica y un motor
hidráulico (ambos de desplazamiento positivo). Una revolución de la
bomba o el motor corresponde a una cantidad bien definida de
volumen del fluido manejado. De esta forma la velocidad puede ser
controlada mediante la regulación de una válvula de control, o bien,
cambiando el desplazamiento de la bomba o el motor.
Variador Hidrodinámico: emplea aceite hidráulico para transmitir par
mecánico entre un impulsor de entrada (sobre un eje de velocidad
constante) y un rotor de salida (sobre un eje de velocidad ajustable).
También llamado acoplador hidráulico de llenado variable.
Variador Hidroviscoso: consta de uno o más discos conectados con un
eje de entrada, los cuales estará en contacto físico (pero no
conectados mecánicamente) con uno o más discos conectados al eje
de salida. El par mecánico (torque) se transmite desde el eje de
entrada al de salida a través de la película de aceite entre los discos.
De esta forma, el par transmitido es proporcional a la presión ejercida
por el cilindro hidráulico que presiona los discos.
3. Variadores Eléctrico-Electrónicos
Existen cuatro categorías de variadores de velocidad eléctrico-
electrónicos:
Variadores para motores de CC.
Variadores de velocidad por corrientes de Eddy.
Variadores de deslizamiento.
Variadores para motores de CA (también conocidos como variadores
de frecuencia).
Tipos de Variadores Eléctrico-Electrónicos
Los variadores eléctrico-electrónicos incluyen tanto el controlador
como el motor eléctrico, sin embargo es práctica común emplear el término
variador únicamente al controlador eléctrico.
Los primeros variadores de esta categoría emplearon la tecnología de
los tubos de vacío. Con los años después se han ido incorporando
dispositivos de estado sólido, lo cual ha reducido significativamente el
volumen y costo, mejorando la eficiencia y confiabilidad de los dispositivos.
Variadores para motores de CC
Estos variadores permiten controlar la velocidad de motores de
corriente continua serie, derivación, compuesto y de imanes permanentes.
Para el caso de cualquiera de las máquinas anteriores se cumple la
siguiente expresión:
(1)
donde
Vt es el Voltaje terminal (V).
K es la constante de la máquina.
FM es el Flujo magnético producido por el campo (Wb)
Nm es la Velocidad mecánica (rpm).
Despejando la velocidad mecánica, se obtiene:
(2)
Entonces, de (2) puede observarse que la velocidad mecánica de un
motor de CC es directamente proporcional al voltaje terminal (VT) e
inversamente proporcional al flujo magnético (FM), el cual a su vez depende
de la corriente de campo (IF). Aprovechando esta situación es que este tipo
de variadores puede controlar la velocidad de un motor de CC: controlando
su voltaje terminal, o bien, manipulando el valor de la corriente de campo.
Variadores por corrientes de Eddy
Un variador de velocidad por corrientes de Eddy consta de un motor
de velocidad fija y un embrague de corrientes de Eddy. El embrague contiene
un rotor de velocidad fija (acoplado al motor) y un rotor de velocidad variable,
separados por un pequeño entrehierro. Se cuenta, además, con una bobina
de campo, cuya corriente puede ser regulada, la cual produce un campo
magnético que determinará el par mecánico transmitido del rotor de entrada
al rotor de salida. De esta forma, a mayor intensidad de campo magnético,
mayor par y velocidad transmitidos, y a menor campo magnético menores
serán el par y la velocidad en el rotor de salida. El control de la velocidad de
salida de este tipo de variadores generalmente se realiza por medio de lazo
cerrado, utilizando como elemento de retroalimentación un tacómetro de CA.
Variadores de deslizamiento
Este tipo de variadores se aplica únicamente para los motores de
inducción de rotor devanado. En cualquier motor de inducción, la velocidad
mecánica (nM) puede determinarse mediante la siguiente expresión:
(3)
Donde “s” es el deslizamiento del motor, cuyo valor oscila entre 0 y 1.
De esta forma, a mayor deslizamiento, menor velocidad mecánica del motor.
El deslizamiento puede incrementarse al aumentar la resistencia del
devanado del rotor, o bien, al reducir el voltaje en el devanado del rotor. De
esta forma es que puede conseguirse el control de la velocidad en los
motores de inducción de rotor devanado. Sin embargo, este tipo de
variadores es de menor eficiencia que otros, razón por la cual en la
actualidad tiene muy poca aplicación.
Variadores para motores de CA (Variador de Frecuencia)
Los variadores de frecuencia (siglas AFD, del inglés Adjustable
Frequency Drive; o bien VFD Variable Frequency Drive) permiten controlar la
velocidad tanto de motores de inducción (asíncronos de jaula de ardilla o de
rotor devanado), como de los motores síncronos mediante el ajuste de la
frecuencia de alimentación al motor.
Para el caso de un motor síncrono, la velocidad se determina
mediante la siguiente expresión:
(4)
Cuando se trata de motores de inducción, se tiene:
(5)
donde:
Ns es la velocidad síncrona (rpm)
Nm es la velocidad mecánica (rpm)
f es la frecuencia de alimentación (Hz)
s es el deslizamiento (adimensional)
P es el número de polos.
Como puede verse en las expresiones (4) y (5), la frecuencia y la
velocidad son directamente proporcionales, de tal manera que al aumentar la
frecuencia de alimentación al motor, se incrementará la velocidad de la
flecha, y al reducir el valor de la frecuencia disminuirá la velocidad del eje.
Por ello es que este tipo de variadores manipula la frecuencia de
alimentación al motor a fin de obtener el control de la velocidad de la
máquina
Estos variadores mantienen la razón Voltaje/ Frecuencia (V/Hz)
constante entre los valores mínimo y máximos de la frecuencia de operación,
con la finalidad de evitar la saturación magnética del núcleo del motor y
además porque el hecho de operar el motor a un voltaje constante por
encima de una frecuencia dada (reduciendo la relación V/Hz) disminuye el
par del motor y la capacidad del mismo para proporcionar potencia constante
de salida.
Descripción del VFD
Un sistema Variador de Frecuencia (VFD) consiste generalmente en
un motor de CA, un controlador y una interfaz operadora.
Motor del VFD
El motor usado en un sistema VFD es normalmente un motor de
inducción trifásico. Algunos tipos de motores monofásicos pueden ser
igualmente usados, pero los motores de tres fases son normalmente
preferidos. Varios tipos de motores síncronos ofrecen ventajas en algunas
situaciones, pero los motores de inducción son más apropiados para la
mayoría de propósitos y son generalmente la elección más económica.
Motores diseñados para trabajar a velocidad fija son usados habitualmente,
pero la mejora de los diseños de motores estándar aumenta la fiabilidad y
consigue mejor rendimiento del VFD (Variador de Frecuencia).
Controlador del VFD
El controlador de dispositivo de variación de frecuencia está formado
por dispositivos de conversión electrónicos de estado sólido. El diseño
habitual primero convierte la energía de entrada CA en CC usando un puente
rectificador. La energía intermedia CC es convertida en una señal quasi-
senoidal de CA usando un circuito inversor conmutado. El rectificador es
usualmente un puente trifásico de diodos, pero también se usan
rectificadores controlados. Debido a que la energía es convertida en
continua, muchas unidades aceptan entradas tanto monofásicas como
trifásicas (actuando como un convertidor de fase, un variador de velocidad).
Diagrama de Variador de frecuencia con Modulación de Ancho de Pulso (PWM).
Tan pronto como aparecieron los interruptores semiconductores
fueron introducidos en los VFD, ellos han sido aplicados para los inversores
de todas las tensiones que hay disponible. Actualmente, los transistores
bipolares de puerta aislada (IGBTs) son usados en la mayoría de circuitos
inversores.
Las características del motor CA requieren la variación proporcional
del voltaje cada vez que la frecuencia es variada. Por ejemplo, si un motor
está diseñado para trabajar a 460 voltios a 60 Hz, el voltaje aplicado debe
reducirse a 230 volts cuando la frecuencia es reducida a 30 Hz. Así la
relación voltios/hertzios deben ser regulados en un valor constante (460/60 =
7.67 V/Hz en este caso). Para un funcionamiento óptimo, otros ajustes de
voltaje son necesarios, pero nominalmente la constante es V/Hz es la regla
general. El método más novedoso y extendido en nuevas aplicaciones es el
control de voltaje por PWM.
Principales Tipos de Variadores de Frecuencia
Rectificador controlado para motor de corriente continua
Proporciona, a partir de una red de corriente alterna monofásica o
trifásica, una corriente continua con control del valor medio de la tensión.
Los semiconductores de potencia constituyen un puente de Graëtz,
monofásico o trifásico (figura 7). El puente puede ser mixto (diodos/tiristores)
o completo (sólo tiristores). Esta última solución es la más frecuente porque
permite un mejor factor de forma de la corriente suministrada.
El motor de corriente continua más utilizado tiene la excitación
separada, salvo para pequeñas potencias, en las que suelen usarse
frecuentemente motores de imán permanente.
La utilización de este tipo de variadores de velocidad se adapta bien a
todas las aplicaciones. Los únicos límites vienen impuestos por el propio
motor de corriente continua, en especial por la dificultad de conseguir
velocidades elevadas y la necesidad de mantenimiento (sustitución de las
escobillas).
Los motores de corriente continua y sus variadores asociados han
sido las primeras soluciones industriales. Después de más de una década,
su uso va en constante disminución en beneficio de los convertidores de
frecuencia. En efecto, el motor asíncrono es a la vez más robusto y más
económico que un motor de corriente continua. Contrariamente a los motores
de corriente continua, los asíncronos se han estandarizado con envolvente
IP55, siendo por tanto prácticamente insensibles al entorno (goteo, polvo y
ambientes peligrosos).
Convertidor de frecuencia para motor asíncrono
Suministra, a partir de una red de corriente alterna de frecuencia fija,
una tensión alterna trifásica, de valor eficaz y frecuencia variables (figura 8).
La alimentación del variador puede ser monofásica para pequeñas potencias
(orden de magnitud de algunos kW) y trifásica para los mayores. Ciertos
variadores de pequeña potencia aceptan indistintamente tensiones de
alimentaciones mono y trifásicas. La tensión de salida del variador es
siempre trifásica. De hecho, los motores asíncronos monofásicos no son
adecuados para ser alimentados mediante convertidores de frecuencia.
Los convertidores de frecuencia alimentan los motores de jaula
estándar con todas las ventajas de estos motores: estandarización, bajo
coste, robustez, estanqueidad, ningún mantenimiento. Puesto que estos
motores son auto-ventilados, el único límite para su empleo es el
funcionamiento a baja velocidad porque se reduce esta ventilación. Si se
requiere este funcionamiento hay que prever un motor especial con una
ventilación forzada independiente.
Regulador de tensión para el arranque de motores
asíncronos
Suministra, a partir de una red de corriente alterna, una corriente
alterna de frecuencia fija igual a la de la red, mediante el control del valor
eficaz de la tensión, modificando el ángulo de retardo de disparo de los
semiconductores de potencia (dos tiristores montados en antiparalelo en
cada fase del motor) (figura 9).
Principales Funciones de los Variadores de Velocidad
Electrónicos
Aceleración Controlada
La aceleración del motor se controla mediante una rampa de
aceleración lineal o en «S».
Generalmente, esta rampa es controlable y permite por tanto elegir el
tiempo de aceleración adecuado para la aplicación.
Variación de Velocidad
Un variador de velocidad no puede ser al mismo tiempo un regulador.
En este caso, es un sistema, rudimentario, que posee un mando controlado
mediante las magnitudes eléctricas del motor con amplificación de potencia,
pero sin bucle de realimentación: es lo que se llama «en bucle abierto».
La velocidad del motor se define mediante un valor de entrada
(tensión o corriente) llamado consigna o referencia. Para un valor dado de la
consigna, esta velocidad puede variar en función de las perturbaciones
(variaciones de la tensión de alimentación, de la carga, de la temperatura). El
margen de velocidad se expresa en función de la velocidad nominal.
Regulación de la velocidad
Un regulador de velocidad es un dispositivo controlado (figura 1).
Posee un sistema de mando con amplificación de potencia y un bucle de
alimentación: se denomina, «bucle abierto».
La velocidad del motor se define mediante una consigna o referencia.
El valor de la consigna se compara permanentemente con la señal de
alimentación, imagen de la velocidad del motor. Esta señal la suministra un
generador tacométrico o un generador de impulsos colocado en un extremo
del eje del motor.
Si se detecta una desviación como consecuencia de una variación de
velocidad, las magnitudes aplicadas al motor (tensión y/o frecuencia) se
corrigen automáticamente para volver a llevar la velocidad a su valor inicial.
Gracias a la regulación, la velocidad es prácticamente insensible a las
perturbaciones.
La precisión de un regulador se expresa generalmente en % del valor
nominal de la magnitud a regular.
Desaceleración Controlada
Cuando se desconecta un motor, su desaceleración se debe
únicamente al par resistente de la máquina (desaceleración natural). Los
arrancadores y variadores electrónicos permiten controlar la desaceleración
mediante una rampa lineal o en «S», generalmente independiente de la
rampa de aceleración.
Esta rampa puede ajustarse de manera que se consiga un tiempo
para pasar de la velocidad de régimen fijada a una velocidad intermediaria o
nula:
- Si la desaceleración deseada es más rápida que la natural, el motor
debe de desarrollar un par resistente que se debe de sumar al par resistente
de la máquina; se habla entonces de frenado eléctrico, que puede efectuarse
reenviando energía a la red de alimentación, o disipándola en una resistencia
de frenado.
- Si la desaceleración deseada es más lenta que la natural, el motor
debe desarrollar un par motor superior al par resistente de la máquina y
continuar arrastrando la carga hasta su parada.
Inversión del Sentido de Marcha
La mayoría de los variadores actuales tienen implementada esta
función. La inversión de la secuencia de fases de alimentación del motor se
realiza automáticamente o por inversión de la consigna de entrada, o por una
orden lógica en un borne, o por la información transmitida a mediante una
red.
Frenado
Este frenado consiste en parar un motor pero sin controlar la rampa de
desaceleración. Con los arrancadores y variadores de velocidad para
motores asíncronos, esta función se realiza de forma económica inyectando
una corriente continua en el motor, haciendo funcionar de forma especial la
etapa de potencia. Toda la energía mecánica se disipa en el rotor de la
máquina y, por tanto, este frenado sólo puede ser intermitente. En el caso de
un variador para motor de corriente continua, esta función se realiza
conectando una resistencia en bornes del inducido.
Protección Integrada
Los variadores modernos aseguran tanto la protección térmica de los
motores como su propia protección. A partir de la medida de la corriente y de
una información sobre la velocidad (si la ventilación del motor depende de su
velocidad de rotación), un microprocesador calcula la elevación de
temperatura de un motor y suministra una señal de alarma o de desconexión
en caso de calentamiento excesivo.
Además, los variadores, y especialmente los convertidores de
frecuencia, están dotados de protecciones contra:
- Los cortocircuitos entre fases y entre fase y tierra.
- Las sobretensiones y las caídas de tensión.
- Los desequilibrios de fases.
- El funcionamiento en monofásico.
Principales Modos de Funcionamiento
Los variadores de velocidad pueden, según el convertidor electrónico,
o hacer funcionar un motor en un solo sentido de rotación, y se llaman
«unidireccionales», o en los dos sentidos de la marcha, y se llaman entonces
«bidireccionales».
Los variadores son «reversibles» cuando pueden recuperar la energía
del motor al funcionar como generador (modo frenado). La reversibilidad se
obtiene o retornando la energía hacia la red (puente de entrada reversible), o
disipando la energía recuperada en una resistencia con un chopper de
frenado.
La figura 2 muestra las cuatro situaciones posibles de la gráfica par-
velocidad de una máquina, resumidas en la tabla que le acompaña.
Hay que indicar que cuando la máquina funciona como generador
recibe una fuerza de arrastre. Este estado se utiliza especialmente para el
frenado. La energía cinética disponible en el eje de la máquina, o se
transfiere a la red de alimentación, o se disipa en las resistencias, o, para
pequeñas potencias, en la misma máquina, como pérdidas.
Variador unidireccional
Este tipo de variador, la mayor parte de veces no reversible, se
emplea para:
- Un motor C.C., con un convertidor directo (c.a.-c.c.) con un puente
mixto con diodos y tiristores (figura 3a),
- Un motor C.A., con un convertidor indirecto (con transformación
intermedia en cc) con un puente de diodos a la entrada seguido de un
convertidor de frecuencia que hace funcionar la máquina en el primer
cuadrante (figura 3b). En algunos casos este montaje puede utilizarse
en bidireccional (cuadrantes 1 y 3).
Un convertidor indirecto que tiene un chopper de frenado y una
resistencia convenientemente dimensionada sirven perfectamente para un
frenado momentáneo (ralentización de una máquina elevadora cuando el
motor debe desarrollar un par de frenado al bajar para retener la carga).
En caso de funcionamiento prolongado del motor con una carga que lo
arrastre, es imprescindible un convertidor reversible, porque la carga es
entonces negativa, por ejemplo, en el motor utilizado al frenar en un banco
de pruebas.
Variador bidireccional
Este tipo de variador puede ser un convertidor reversible o no
reversible.
Si es reversible, la máquina funciona en los cuatro cuadrantes y puede
permitir un frenado importante.
Si es no reversible, sólo funciona en los cuadrantes 1 y 3.
Funcionamiento a par constante
Se denomina funcionamiento a par constante cuando las
características de la carga son tales, que, en régimen permanente, el par
solicitado es sensiblemente constante sea cual sea la velocidad (figura 4).
Este modo de funcionamiento se utiliza en las cintas transportadoras y en las
amasadoras. Para este tipo de aplicaciones, el variador debe tener la
capacidad de proporcionar un par de arranque importante (1,5 veces o más
el par nominal) para vencer los rozamientos estáticos y para acelerar la
máquina (inercia).
Funcionamiento a par variable
Se denomina funcionamiento a par variable cuando las características
de la carga son tales que en régimen permanente, el par solicitado varía con
la velocidad. Es en concreto el caso de las bombas volumétricas con tornillo
de Arquímedes cuyo par crece linealmente con la velocidad (figura 5a) o las
máquinas centrífugas (bombas y ventiladores) cuyo par varía con el
cuadrado de la velocidad (figura 5b).
Para un variador destinado a este tipo de aplicaciones, es suficiente
un par de arranque mucho menor (en general 1,2 veces el par nominal del
motor). Muy frecuentemente dispone de funciones complementarias como la
posibilidad de omitir las frecuencias de resonancia correspondientes a las
vibraciones indeseables de la máquina. Es imposible funcionar más allá de la
frecuencia nominal de la máquina porque sería una carga insoportable para
el motor y el variador.
Funcionamiento a potencia constante
Es un caso particular del par variable. Se denomina funcionamiento a
potencia constante cuando el motor proporciona un par inversamente
proporcional a la velocidad angular (figura 6).
Es el caso, por ejemplo, de una enrolladora cuya velocidad angular
debe disminuir poco a poco a medida que aumenta el diámetro de la bobina
por acumulación de material. Es también el caso de los motores de huso de
las máquinas herramienta.
El margen de funcionamiento a potencia constante es por definición
limitado: a baja velocidad, por la corriente proporcionada por el variador, y a
gran velocidad, por el par disponible del motor. En consecuencia, el par
motor disponible con los motores asíncronos y la capacidad de conmutación
de las máquinas de corriente continua deben ser comprobados.
Aplicaciones de los Variadores de Velocidad
Los variadores de frecuencia tienen sus principales aplicaciones en los
siguientes tipos de máquinas:
• Transportadoras. Controlan y sincronizan la velocidad de producción
de acuerdo al tipo de producto que se transporta, para dosificar, para evitar
ruidos y golpes en transporte de botellas y envases, para arrancar
suavemente y evitar la caída del producto que se transporta, etc.
• Bombas y ventiladores centrífugos. Controlan el caudal, uso en
sistemas de presión constante y volumen variable. En este caso se obtiene
un gran ahorro de energía porque el consumo varía con el cubo de la
velocidad, o sea que para la mitad de la velocidad, el consumo es la octava
parte de la nominal.
• Bombas de desplazamiento positivo. Control de caudal y
dosificación con precisión, controlando la velocidad. Por ejemplo en bombas
de tornillo, bombas de engranajes. Para transporte de pulpa de fruta, pasta,
concentrados mineros, aditivos químicos, chocolates, miel, barro, etc.
• Ascensores y elevadores. Para arranque y parada suaves
manteniendo la cupla del motor constante, y diferentes velocidades para
aplicaciones distintas.
• Extrusoras. Se obtiene una gran variación de velocidades y control
total de de la cupla del motor.
• Centrífugas. Se consigue un arranque suave evitando picos de
corriente y velocidades de resonancia.
• Prensas mecánicas y balancines. Se consiguen arranques suaves y
mediante velocidades bajas en el inicio de la tarea, se evitan los desperdicios
de materiales.
• Máquinas textiles. Para distintos tipos de materiales, inclusive para
telas que no tienen un tejido simétrico se pueden obtener velocidades del
tipo random para conseguir telas especiales.
• Compresores de aire. Se obtienen arranques suaves con máxima
cupla y menor consumo de energía en el arranque.
• Pozos petrolíferos. Se usan para bombas de extracción con
velocidades de acuerdo a las necesidades del pozo.
CONCLUSIÓN
En la actualidad son muy pocos los procesos que no se ven
beneficiados por la automatización, por lo que es de vital importancia
conocer las herramientas que tenemos a la mano para poder aplicarlas
cuando sea necesario.
El estudio de este fenómeno para cada caso particular tiene una gran
importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los
motores y variadores o contactores a instalar para un servicio determinado,
requieren el conocimiento de las particularidades de estos productos.
