UNIDAD 5 VARIADORES DE VELOCIDAD
           

5.1 DEFINICION Y ESTRUCTURA BASICA

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 casi-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 mismos se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipos de aire acondicionados, equipos de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, tornos y fresadoras, etc.

Estos variadores constituyen, además, un producto accesible y conocido dentro de los accionamientos para motores de corriente alterna debido, en gran parte, a las ventajas que estos sistemas de control pueden incorporar a los procesos de producción, además del ahorro de energía que estos proporcionan.


Definición

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.

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.

5.2 CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE UN VARIADOR

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.

Deceleración controlada

Cuando se desconecta un motor, su deceleración se debe únicamente al par resistente de la máquina (deceleración natural). Los arrancadores y variadores electrónicos permiten controlar la deceleración 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 deceleración 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 deceleración 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.


5.3 TIPOS DE VARIADORES

En términos generales, puede decirse que existen tres tipos básicos de variadores de velocidad: mecánicos, hidráulicos y eléctrico – electrónicos siendo los mecánicos los variadores más antiguos, estos fueron empleados 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.

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.

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.

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.

Existen cuatro categorías de variadores de velocidad eléctrico-electrónicos:

• Variadores para motores de Corriente Continua: Estos variadores permiten controlar la velocidad de motores de corriente continua serie, derivación, compuesto y de imanes permanentes.

• Variadores 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 Corriente Alterna.

• Variadores de deslizamiento: Este tipo de variadores se aplica únicamente para los motores de inducción de rotor devanado.

• Variadores para motores de Corriente Alterna (también conocidos como variadores de frecuencia): Estos variadores 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.

5.4 PROTOCOLOS DE COMUNICACION

5.5 APLICACIONES TIPICAS

Aplicaciones de los Variadores de Velocidad

Los Variadores de Velocidad son aplicados, fundamentalmente, 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.

Aplicaciones industriales

La instalación de los variadores de velocidad nace de dos motivos principales: el mejoramiento en el proceso de operación del equipo y el ahorro de energía eléctrica. Su instalación puede conllevar los dos fines o solamente uno, para esto es importante conocer los procesos industriales y sus necesidades, lo que implica conocer los tipos y clases de carga que existen, y que básicamente se dividen en tres:

• Carga de par constante: Es la carga que demanda del motor un par constante en cualquier rango de velocidad en que éste trabaje. En este tipo de carga el motivo principal para la aplicación de los variadores de velocidad es la optimización del proceso y rara vez hay ahorro de energía.

• Carga de par variable: Es el tipo de carga en la que las necesidades del par disminuyen conforme lo hace la velocidad del motor, y por consiguiente las de la carga también disminuyen. Este tipo de carga se encuentra comúnmente en las aplicaciones de flujo variable, como ventiladores, bombas centrífugas, agitadores y compresores axiales. En este caso el variador de velocidad ofrece grandes oportunidades de ahorro de energía, pues los requerimientos de potencia disminuyen conforme lo hace la velocidad del motor.

• Carga de potencia constante: Es la carga donde no importa la velocidad a que está girando el motor, para demandar la potencia máxima, pues así lo exige la carga. Este tipo de carga se encuentra básicamente en máquinas herramientas, bobinadoras, dobladoras, troqueladoras y bombas centrífugas de alta inercia. En estas cargas difícilmente se puede obtener ahorro de energía, debido a que el proceso exige el máximo de potencia en cualquier rango de velocidad.

Ventajas

Entre las diversas ventajas para el control del proceso que proporciona 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).

La ventaja principal de los variadores de velocidad es que disminuye los consumos de energía en algunos de los procesos que controla, dando como resultado considerables disminuciones en los costos de operación.