Tema 6 Regulación de velocidad de motores

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2 Tema 6 Regulación de velocidad de motores 1. Velocidad de los motores de corriente alterna Conmutación de polos Variación de frecuencia Funcionamiento del regulador de velocidad Tipos básicos de convertidores de frecuencia Convertidor de frecuencia con modulación por amplitud de pulso (PAM) Convertidor de frecuencia PAM con rectificador controlado Convertidor de frecuencia con modulación por anchura de pulso (PWM) Inversor de corriente (CSI)... 12

3 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 se determina por la fórmula f p n 60 La frecuencia f a que trabaja un motor viene dada por el número de pares de polos p multiplicado por la velocidad del 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 transformar la fórmula anterior en: n 60 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. Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 1 de 13

4 2. CONMUTACIÓN DE POLOS En consecuencia; la velocidad de giro de un motor no depende en nada del voltaje de funcionamiento, y como el valor de la frecuencia de red es inalterable, para cambiar la velocidad de 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, a la caja de bornes; para que, con la ayuda de conmutadores especiales, poder alterar las entradas y salidas de la corriente a cada par de polos del motor. Consecuentemente el número de revoluciones se verá alterada por la posición del conmutador de polos. Todos los motores de dos velocidades, llevaran en la caja de bornes, el doble de conexiones de un motor de una sola 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, que para 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 muy rápidos. Nº Polos Frecuencia. (2p) 50 Hz 60 Hz 400 Hz TABLA 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. Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 2 de 13

5 3. VARIACIÓN DE FRECUENCIA Hoy día ya es posible cambiar la velocidad e los motores, sin necesidad de variar el número de pares de polos; en la fórmula se observa que si el valor de la frecuencia en vez de tener un valor fijo de 50 o 60 Hz, se pudiera variar este valor; entonces se obtendría valores diferentes del 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 que fácilmente se puede actuar sobre la frecuencia para variar la velocidad del motor sin necesidad de 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 rotor de 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 un circuito inversor, se vuelve a convertir en alterna trifásica. Para que la frecuencia pueda ser variable, no se llega a transformar del todo en una corriente lineal, una parte de esta corriente de 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 motor conserve su par de fuerza con tante, independientemente de la velocidad. Esto quiere decir que se cambia la tensión y la frecuencia en la misma proporción. Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 3 de 13

6 En la figura 2 se ha representado en esquema de bloques los cuatro circuitos principales que lleva 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 siglo pasado. En 35 años se ha desarrollado mucho los semiconductores y microprocesadores lo que ha supuesto una mejora importante en los convertidores de frecuencia. De los cuatro componentes principales el primero es el rectificador, que transforma la tensión trifásica de la red en tensión continua pulsatoria. Hay dos tipos básicos de rectificadores: Los regulados y los no regulados. Figura 3 Rectificador regulador y rectificador no regulado Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 4 de 13

7 El segundo circuito intermedio puede ser puede ser de tres tipos diferentes: uno transforma la tensión la tensión del rectificador en corriente continua; otro tipo estabiliza la tensión pulsatoria de corriente continua y la envía al inversor y el tercer tipo transforma la tensión contante de corriente continua del rectificador en un valor variable. El tercer bloque es el inversor que controla la frecuencia y la tensión del motor. Existe otro tipo de inversor que también transforma la tensión constante de corriente continua en tensión variable de corriente alterna. El cuarto bloque está compuesto por un equipo electrónico que transmite señales tanto al rectificador como al circuito intermedio y al inversor. Esta parte del control dependerá de la configuración del convertidor de frecuencia. Los convertidores de frecuencia se pueden agrupar según el comportamiento del sistema 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 DE PULSO (PAM) Básicamente representado en la figura 4, donde se aprecia los cuatro bloques que actúan sobre la frecuencia de salida para el motor Figura 4 Convertidos de frecuencia PAM Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 5 de 13

8 La tensión y la frecuencia se hacen variar simultáneamente. El rectificador da una corriente continua fija, por lo que se aplica un transistor que conecta o suprime alternativamente la tensión de corriente continua fija dando una tensión variable después del filtro formado por una bobina y un condensador. La magnitud de la tensión de corriente continua variable depende del tiempo durante el cual el transistor da paso de corriente. El circuito de control y regulación mide y compara esta tensión con al entrada, si existe una diferencia, automáticamente se efectúa la regulación hasta que se obtenga una tensión correcta a partir del filtro. La frecuencia de la tensión de salida se hace variar en el inversor cambiando la duración del período. Durante un período, los tiristores se activan varia veces. La duración 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 Frenado Figura 5 Control de la frecuencia por el circuito intermedio El motor actuará como generador al ser impulsado por la carga. Si el motor está conectado directamente a la fuente de suministro, la energía generada se devuelve a la red y esto frena el motor. El convertidor de frecuencia tipo PAM no permite que eta energía producida sea devuelta a la red porque el rectificador la bloquea, llegando sólo hasta el circuito intermedio. Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 6 de 13

9 Ventajas de los convertidores de frecuencia PAM! Relación entre tensión y frecuencia siempre constante, es decir, que el motor no puede 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 también diseñado por rectificador controlado, como se ilustra en la figura 6. Figura 6 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA PAM CON RECTIFICADOR CONTROLADO Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 7 de 13

10 La tensión se controla por un rectificador controlado, con lo que es innecesario el transistor regulador, la frecuencia se controla directamente, independientemente de la tensión. Esto es perfecto en condiciones normales de funcionamiento; pero, si se alcanza el límite de la corriente y por tanto, si la tensión ha sido disminuida sin reducir simultáneamente la frecuencia, la tensión y la frecuencia dejan de ser proporcionales, el motor se parará mientras el inversor siga funcionando. Será preciso arrancar de nuevo. Para evitar que el límite de la corriente sea rebasado durante la aceleración, es preciso que la señal de control no cambie a una velocidad superior a la que el motor es capaz de seguir. Por tanto, el tiempo de aceleración debe ser ajustado para que se adapte a la carga. Con el rectificador controlado se obtiene la ventaja de que la energía de frenado del circuito intermedio puede ser devuelta a la red eléctrica. Sin embargo esto requiere un inversor de frenado con seis tiristores conectado en paralelo con el rectificador como muestra la figura 7 Figura 7 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA PAM CON INVERSOR DE FRENADO Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 8 de 13

11 Ventajas de los convertidores de frecuencia PAM con rectificador controlado! La energía de frenado puede ser devuelta ala red por medio de un inversor suplementario! Apropiado para funcionamiento de motores en paralelo si la corriente de arranque de los motores no corresponde a la limitación de corriente (parada del motor)! Buen rendimiento del sistema Inconvenientes! El rectificador controlado da lugar a importantes perturbaciones y pérdidas en la red de distribución! El motor se para cunado el convertidor de frecuencia llega al límite de la corriente (aceleración rápida y cargas en cresta)! Regulación de tensión actúa lentamente. Esto es desfavorable en caso de cortocircuito! Indeseables oscilaciones periódicas del par a velocidades muy lentas 8. CONVERTIDOR DE FRECUENCIA CON MODULACIÓN POR ANCHURA DE PULSO (PWM) El esquema básico de los convertidores PAM es el de la figura 8 Figura 8 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA PWM Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 9 de 13

12 En esta figura se observa que la tensión continua es constante hasta e inversor. Esto significa que tanto la tensión como la frecuencia deben ser cambiadas en el inversor para que el motor pueda ser sometido a estas variaciones. La tensión se controla aplicando la tensión máxima al motor durante períodos más o menos largos. La frecuencia se controla aplicando impulsos positivos durante medio período e impulsos negativos durante el siguiente medio período. El circuito de control establece los tiempos de activación y desactivación de los tiristores en 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 la frecuencia de salida. La amplitud de la tensión senoidal y la amplitud de la tensión triangular determina la anchura de los impulsos de tensión que se aplican al motor. Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 10 de 13

13 Frenado Durante el frenado, el motor actúa como generador, pero la energía sólo vuelve hasta el filtro del circuito intermedio ya que el rectificador bloquea el paso. Por tanto, el frenado 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 esto producirá algunas perturbaciones en la red de distribución y es de realización más costosa. 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 de arranque de los motores no da lugar a la limitación de la corriente (parada del motor)! Buen rendimiento del sistema 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 de corriente (Aceleración rápida y valor de cresta de la carga). La aceleración debe ser adaptada a la carga pera evitar la limitación de la corriente Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 11 de 13

14 9. INVERSOR DE CORRIENTE (CSI) El esquema básico es el de la figura 10, muy simplificada, donde se observa que el circuito 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 del condensador en los circuitos anteriores consistía en mantener la tensión constante a una frecuencia dada. Por tanto, la carga determinaba la corriente del motor. Aquí la situación es inversa. La tensión variable procedente del rectificador controlado se transforma por medio de la bobina en una corriente continua ajustable adaptada a la frecuencia. De esta forma, la carga es la que determina la tensión del motor. Mayores cargas, exigen tensiones de motor elevadas. El convertidor de frecuencia CSI no es apropiado para funcionamiento de motores en paralelo, pues los condensadores del inversor deben ser adaptados a la potencia del motor. Frenado En este caso la energía de frenado es conducida directamente a la red de distribución eléctrica sin utilizar componentes suplementarios. Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 12 de 13

15 Ventajas de los convertidores de frecuencia CSI! La energía de frenado puede ser devuelta a la red de distribución de electricidad sin componentes suplementarios! El convertidor está a prueba de cortocircuitos porque funciona a corriente constante, incluso si ocurre un cortocircuito! Buen rendimiento del sistema! 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 red de distribución de electricidad! Reacción lenta a los cambios de carga Módulo 2. Tema 6 Regulación de velocidad de motores Página 13 de 13