Control de velocidad de un motor AC y DC

Last updated on marzo 13th, 2024 at 03:35 am

Existe una amplia gama de aparatos electrodomésticos que forman parte de nuestras vidas, desde electrodomésticos que se utilizan en el hogar como aspiradoras y secadores de pelo hasta bombas, cintas transportadoras y herramientas de maquinado en grandes plantas industriales. Dondequiera que las máquinas utilicen motores eléctricos, algún tipo de control de velocidad del motor es invariablemente parte de esa máquina.

Control de velocidad de motores de CA

El motor de inducción de CA es esencialmente un dispositivo de velocidad constante. La velocidad del campo magnético giratorio se denomina velocidad síncrona. La velocidad síncrona (S) de un motor se define como S = 120(F) ÷ P, donde (F) es la frecuencia de línea entrante y (P) es el número de polos en el motor. 

Dado que, en los Estados Unidos, la frecuencia de la línea de CA es de 60 hercios a 120 voltios, por lo tanto, un motor de inducción de CA con cuatro polos tendría una velocidad sincrónica de 1.800 rpm. Sin embargo, en el campo, a medida que se aplica la carga al motor, funcionará a menos de 1.800 rpm. Esta diferencia de velocidad se llama deslizamiento y generalmente se expresa como un porcentaje. Debido a que el número de polos en una máquina es fijo, la única variable que queda por cambiar es la frecuencia de la línea entrante. Esta es la base para el funcionamiento de un controlador de velocidad del motor conocido como accionamiento de frecuencia variable (VFD).

El VFD realiza dos funciones. Primero, convierte la señal de CA entrante en una señal de CC mediante rectificación. En segundo lugar, vuelve a invertir la señal de CC rectificada en una señal de CA de frecuencia variable. 

Un motor de CC puede cambiar su velocidad mediante el aumento o la disminución del voltaje aplicado. Este no es el caso de un motor de CA. Un motor de inducción de CA se dañará si el voltaje de suministro de entrada varía significativamente. 

Controlador de velocidad de motor de CA

Un controlador de CA que controla la velocidad del motor de CA también se conoce como accionamiento de frecuencia variable (VFD por sus siglas en inglés), un accionamiento de velocidad ajustable (ASD por sus siglas en inglés) y convertidor de frecuencia (FC). 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

Hay tres componentes principales en un controlador de velocidad de CA, que son:

1. Rectificador
2. Inversor
3. Enlace DC

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

Tipos de accionamientos de frecuencia variable 

Los accionamientos de frecuencia variable (VFD por sus siglas en inglés) son de tres tipos básicos: 

1. Inversor de fuente de corriente (CSI, por sus siglas en inglés)
2. Inversor de fuente de voltaje (VSI, por sus siglas en inglés)
3. Modulación de duración de pulso (PWM, por sus siglas en inglés). 

Las secciones de un VFD incluyen un convertidor, un enlace de CC y un inversor.  

Inversor de fuente de corriente (CSI, por sus siglas en inglés)

Un inversor de fuente de corriente (CSI) convierte el voltaje de CA entrante y controla la frecuencia y el voltaje que suministran al motor de inducción de CA. El CSI convierte la CA entrante en una tensión CC variable mediante: 

• Rectificadores controlados por silicio (SCR, por sus siglas en inglés) 
• Tiristores conmutados por puerta (GCT, por sus siglas en inglés)
• Tiristores conmutados por puerta simétrica (SGCT, por sus siglas en inglés)

Inversor de fuente de voltaje (VSI, por sus siglas en inglés)

La conversión del inversor de fuente de voltaje (VSI, por sus siglas en inglés) funciona de manera similar a la del CSI. Convierte el voltaje entrante de CA a CC. La diferencia es que el VSI usa 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 transmisión. 

La sección del inversor utiliza muchos tipos de transistores y tiristores que actúan como interruptores para crear una salida de modulación de duración de pulso (PWM, por sus siglas en inglés) para controlar la frecuencia y el voltaje aplicados al motor.

Modulación de duración de pulso (PWM)

La modulación de duración de pulso (PWM) emplea un rectificador de puente de diodos, tal como un VSI, que convierte el voltaje entrante de CA en CC. Las ondas generadas por el rectificador se suavizan utilizando los condensadores grandes del enlace de CC. Esto asegura una tensión de bus de CC estable. 

Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT, por sus siglas en inglés) de alta potencia se utilizan en la etapa de inversor de varios pasos del controlador con el fin de encenderlo y apagarlo para controlar tanto la frecuencia como el voltaje entregado al motor en una salida de forma de onda sinusoidal. La variación de la duración del pulso de voltaje produce 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 requiere el motor.

Control de velocidad de motores de CC

Los motores de CC se utilizan en aplicaciones de control de velocidad preciso debido a su capacidad para proporcionar una alternancia desde una posición de parada hasta la velocidad máxima con bastante facilidad y eficiencia. El control de la velocidad de un motor en serie de CC, cuando el campo está en serie con el inducido, se realiza aumentando o disminuyendo el voltaje aplicado al circuito. 

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

En lugar de reóstatos, ahora se utilizan rectificadores controlados por silicio (SCR, por sus siglas en inglés), ya que pueden manejar grandes cantidades de energía sin problemas de disipación de calor. Además, los SCR son mucho más pequeños y se conectan fácilmente con los controladores lógicos programables (PLC).

Control de flujo

La velocidad de un motor de CC se puede controlar cambiando el flujo que se le aplica, ya que la velocidad del motor es inversamente proporcional al flujo por polo. Para controlar el flujo, se agrega una resistencia variable o un reóstato en serie con el bobinado de campo. El aumento de la resistencia aumentará la velocidad ya que disminuirá el flujo. En los motores de derivación, la corriente de campo es bastante pequeña, por lo que este método funciona de manera bastante eficiente. El control de flujo es un método fácil y conveniente para controlar la velocidad, ya que la pérdida de potencia es pequeña debido a la corriente del campo de derivación.

Control del inducido 

La velocidad de un motor de CC es directamente proporcional a la EMF trasera. Eso significa que, cuando la tensión de alimentación y la resistencia del inducido se mantienen constantes, la velocidad es directamente proporcional a la corriente del inducido. Por lo tanto, si agregamos resistencia en serie con el inducido, la corriente disminuye y, por lo tanto, la velocidad también disminuirá. Cuanto mayor es la resistencia en serie con el inducido, mayor es la disminución de la velocidad. En el método de control del inducido se desperdicia una gran cantidad de energía y es útil para motores pequeños.

Control de voltaje

Control de voltaje múltiple

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

Además, esta modulación de voltaje en el campo inducido permite una aceleración y desaceleración más suaves del motor de CC, lo que lo hace adecuado para aplicaciones donde se requiere un control de velocidad preciso y dinámico.

Sistema Ward-Leonard

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

Además, el sistema Ward-Leonard ofrece una excelente regulación de la velocidad incluso con cargas variables, lo que lo hace adecuado para aplicaciones donde la velocidad precisa y constante del motor es crucial, como en sistemas transportadores y máquinas herramienta.