Hasta cierto punto, la mayor parte del control automático implica el control de motores, especialmente en la automatización de fábricas. Aplicaciones como bombas, ventiladores, robots y cintas transportadoras utilizan motores. Ya sea un motor de CA trifásico general, ideal para sistemas de conmutación simples, o un motor de carga inversor diseñado específicamente para funcionar con variadores de frecuencia (vfd), se puede decir que los motores son omnipresentes en casi todas las industrias manufactureras. Consulte los diferentes tipos de controles de motores de CA disponibles.
Opciones de control de motores de CA
Aunque existen diferentes tipos de motores en diferentes situaciones, el tamaño del motor es diferente para adaptarse a diferentes cargas. Los diferentes tamaños de motor conllevan diferentes esquemas de arranque del motor. Los motores pequeños de uso general generalmente están conectados al circuito de alimentación principal a través de un disyuntor o fusible principal. El contactor habilita y deshabilita la fuente de alimentación del motor, mientras que la sobrecarga protege el equipo accionado por el motor de sobrecorriente/sobrecalentamiento accidental, que puede ser causado por bloqueo o mal funcionamiento.
1. Inicie el puente del motor de CA.
Como su nombre lo indica, cuando el circuito está energizado, el arrancador de motor de línea cruzada aplica inmediatamente voltaje, corriente y torque completos al motor. En la industria, los arrancadores de motor son el método de arranque más común para motores de líneas cruzadas. Generalmente, un arrancador de motor incluye un contactor para abrir o cerrar el flujo de energía al motor y un relé de sobrecarga para proteger el motor de una sobrecarga térmica.
En caso de fallo del contactor, se aplica tensión a la bobina, que cierra los contactos. Cuando se energiza la bobina, los contactos se cierran y permanecen cerrados hasta que se desenergiza la bobina. Debido a que el motor es un dispositivo de inducción, cortar la corriente (magnetización, o generación de par y motor, o carga) es más difícil que aplicarla. Por lo tanto, el contactor debe tener una potencia nominal y una corriente nominal.
Para proteger el motor de sobrecorrientes en cada fase, el relé de sobrecarga tiene tres elementos sensores de corriente. Si la corriente de sobrecarga excede el tiempo establecido del relé durante un tiempo suficiente, se abrirá un conjunto de contactos para proteger el motor contra daños.
El arrancador por conmutación invierte la rotación del eje de un motor trifásico intercambiando las dos fases que alimentan el motor. El arrancador magnético inversor tiene contactores de avance y retroceso como parte del conjunto. Para garantizar que los contactores directo e inverso nunca entren en contacto simultáneamente, se requieren enclavamientos eléctricos y mecánicos.
Por lo general, el circuito de arranque del motor de CA se puede controlar mediante un simple botón o una señal remota, como un controlador lógico programable (PLC).
Cuando se arranca el motor de línea cruzada, la aplicación puede funcionar a la velocidad máxima del motor, cuando la velocidad y la caída/valor pico de tensión no constituyen un problema. Los arrancadores de motor se utilizan generalmente para motores más pequeños y los usuarios no necesitan los efectos de ablandamiento eléctricos y mecánicos de los arrancadores suaves.
2. El arrancador suave minimiza las descargas eléctricas y mecánicas.
El uso de arrancadores suaves tiene ventajas tanto en el aspecto eléctrico como mecánico. Cuando se arranca el motor en toda la línea, se sentirá un impacto repentino de 0 rpm a la velocidad máxima de 1800 o 3600 rpm a través de la carga mecánica conectada en la línea, que generalmente produce de 6 a 10 veces la corriente de amperios de carga completa (FLA). El arrancador suave puede reducir la carga del motor, la corriente que utiliza y el impacto en la maquinaria aguas abajo.
La electricidad no hace ninguna diferencia cuando la empresa de servicios públicos arranca un motor de 1 caballo de fuerza a través de la línea. Pero todavía existe un cierto impacto mecánico en los equipos posteriores. Sin embargo, arrancar un motor de 300 caballos atraerá la atención de la compañía eléctrica. Los picos en el momento equivocado del día pueden generar cargos. Los motores más grandes ejercen un mayor impacto mecánico en los equipos posteriores. La ventaja de utilizar un arrancador suave es que no dañará la maquinaria aguas abajo y la compañía eléctrica no cobrará por estas enormes corrientes máximas de irrupción.
El arrancador suave utiliza voltaje para controlar la corriente y el par. El par del motor es proporcional al cuadrado del voltaje aplicado. La corriente en el arranque está directamente relacionada con el voltaje aplicado al motor. En la mayoría de los arrancadores suaves, el arranque y la parada del motor constan de tres pares de rectificadores controlados por silicio (SCR) consecutivos, que corresponden a las tres fases del motor. La dirección espalda con espalda del tiristor puede controlar el voltaje de CA cambiando el ángulo de encendido cada medio ciclo. Normalmente, como voltaje de arranque se utiliza un voltaje total o un voltaje limitador de corriente.
La velocidad del motor atrae el contactor de derivación cuando alcanza la rotación normal. Ya sea un bypass interno o un bypass externo, el SCR detiene el encendido, lo que hace que el arrancador suave sea más eficiente. Después de que se proporciona el comando de parada del motor, el SCR controla nuevamente la parada desde el contactor de derivación. El contactor no generará ni destruirá la carga, lo que permite el uso de contactores y tiristores más pequeños.
La eficiencia del arrancador suave está entre 99,5% y 99,9%. Generalmente, la caída de voltaje en el par de tiristores es inferior a 1v. La eficiencia depende del tamaño del arrancador suave y de la tensión trifásica aplicada. En algunos casos, una vez completado el proceso de arranque, un arranque suave con derivación integrada activa el contactor de derivación interno.
El tiristor ya no se enciende y toda la corriente operativa pasa a través de los contactos. Cuando funciona a máxima velocidad y con la carga adecuada, el arrancador suave es más eficiente que el VFD, pero a diferencia del VFD, el arrancador suave no puede controlar la velocidad del motor.
El arrancador suave se utiliza cuando se debe minimizar el impacto eléctrico y mecánico del arranque del motor. Los motores más pequeños sirven más para proteger las máquinas posteriores de golpes mecánicos. Para motores más grandes, además del equipo de protección, también puede minimizar el costo de la demanda.
Los arrancadores suaves se utilizan normalmente con transportadores, bombas, ventiladores y sopladores. A diferencia del VFD, los usuarios no tienen que preocuparse por generar armónicos. Sin embargo, el arrancador suave no tiene control de velocidad.
3. Regulación de velocidad de conversión de frecuencia, ahorro de energía.
Cuando el control de velocidad es un factor y la eficiencia energética es importante, lo mejor es el VFD. El VFD controla la velocidad y el par de los motores de CA ajustando la frecuencia de entrada y el voltaje a motores de inducción de CA trifásicos, imanes permanentes (internos o de superficie) o síncronos. Además de la protección contra sobrecarga, un VFD permite el control de arranque y parada, así como ajustes de aceleración y desaceleración. La aceleración programable y la limitación de corriente controlada por el procesador pueden reducir la corriente de entrada cuando arranca el motor.
La selección de un VFD debe basarse en la aplicación. En primer lugar se debe considerar la curva de funcionamiento de la carga. Para aplicaciones de par constante, como transportadores, agitadores y compresores, y aplicaciones de par variable, como bombas, ventiladores y sopladores, se debe prestar especial atención a las clasificaciones de sobrecarga.
Por ejemplo, intentar hacer funcionar un motor de ventilador a una velocidad mayor que la velocidad base puede afectar significativamente la potencia requerida porque los caballos de fuerza del ventilador varían con el cubo de la velocidad. Según la ley de afinidad aplicable a bombas y ventiladores, hacer funcionar un ventilador demasiado rápido consumirá demasiada energía y puede sobrecargar el inversor, mientras que hacerlo a la mitad de velocidad puede reducir los requisitos de potencia en 75% o más.
Los VFD convierten la energía de CA en energía de CC, la filtran y luego la invierten para producir voltaje utilizable. El valor efectivo de la señal inversa simula el voltaje de CA. La frecuencia de salida del VFD suele ser de 0 Hz a la frecuencia de la línea de entrada de CA. Sin embargo, cuando determinadas aplicaciones lo requieren, también son posibles frecuencias más altas. Históricamente, muchos variadores de CA han utilizado puentes de diodos de onda completa o puentes rectificadores controlados por silicio para convertir la energía de CA en voltaje de CC en la sección de conversión. Sin embargo, ahora se utiliza el VFD con transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). La parte de filtrado, principalmente un banco de condensadores, suaviza la tensión CC de conmutación rápida generada por el convertidor.
Se puede agregar un estrangulador o un inductor para mejorar el factor de potencia y reducir los armónicos. La tensión CC filtrada se utiliza en el inversor IGBT. La conmutación rápida de la sección del inversor produce un nivel de voltaje de CA analógico RMS apropiado, también conocido como forma de onda de modulación de ancho de pulso (PWM). El antiguo controlador IGBT tiene 6 pulsos. Sin embargo, ahora hay VFD de 12 pulsos y 18 pulsos.
Los VFD modernos, como la serie de variadores de CA DURApulse GS4 de AutomationDirect, tienen muchas funciones. Por ejemplo, una de las características más importantes de GS4 es el PLC integrado con todas las funciones. Los usuarios pueden programar los requisitos lógicos relacionados con el variador, como el control de múltiples bombas. Otras características incluyen múltiples interfaces de comunicación de alta velocidad y corriente nominal de cortocircuito (SCCR) de 100 ka.
Vfd proporciona los mismos beneficios que los arrancadores suaves y agrega los beneficios del control de velocidad. Cuando la carga está entre 80% y 100%, la eficiencia del motor es la más alta. Los motores de gran tamaño son menos eficientes que los motores de tamaño adecuado, pero el VFD ayuda a minimizar esta ineficiencia y reducir el costo del sobredimensionamiento a un nivel ligeramente superior al costo inicial del variador y el motor. La eficiencia del variador suele estar entre 95% y 98%. Cuanto mayor sea el número de pulsos en el controlador, mayor será la eficiencia. Por ejemplo, la eficiencia de una unidad de 6 pulsos es de 96,5% a 97,5%. La eficiencia del variador de 18 pulsos es de 97,5% a 98%.
