UNIDAD 5 VARIADORES DE VELOCIDAD

5 VARIADORES DE VELOCIDAD

5.1 DEFINICION Y ESTRUCTURA BASICA

La maquinaria industrial generalmente es accionada a travs de motores elctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante, los motores elctricos generalmente operan a velocidad constante o casi-constante, y con valores que dependen de la alimentacin y de las caractersticas propias del motor, los cuales no se pueden modificar fcilmente.

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, adems, 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 produccin, adems del ahorro de energa que estos proporcionan.

Definicin

El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en ingls Variable Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecnicos, hidrulicos, elctricos o electrnicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. Tambin es conocido como Accionamiento de Velocidad Variable (ASD, tambin por sus siglas en ingls 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 combinacin de un motor elctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinacin de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecnico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) tambin puede ser designado como variador de velocidad.

5.2 CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE UN VARIADOR

Aceleracin controlada

La aceleracin del motor se controla mediante una rampa de aceleracin lineal o en S.

Generalmente, esta rampa es controlable y permite por tanto elegir el tiempo de aceleracin adecuado para la aplicacin.

Variacin 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 elctricas del motor con amplificacin de potencia, pero sin bucle de realimentacin: es lo que se llama en bucle abierto.

La velocidad del motor se define mediante un valor de entrada (tensin o corriente) llamado consigna o referencia. Para un valor dado de la consigna, esta velocidad puede variar en funcin de las perturbaciones (variaciones de la tensin de alimentacin, de la carga, de la temperatura). El margen de velocidad se expresa en funcin de la velocidad nominal.

Regulacin de la velocidad

Un regulador de velocidad es un dispositivo controlado (figura 1). Posee un sistema de mando con amplificacin de potencia y un bucle de alimentacin: 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 seal de alimentacin, imagen de la velocidad del motor. Esta seal la suministra un generador tacomtrico o un generador de impulsos colocado en un extremo del eje del motor.

Si se detecta una desviacin como consecuencia de una variacin de velocidad, las magnitudes aplicadas al motor (tensin y/o frecuencia) se corrigen automticamente para volver a llevar la velocidad a su valor inicial.

Gracias a la regulacin, la velocidad es prcticamente insensible a las perturbaciones.

La precisin de un regulador se expresa generalmente en % del valor nominal de la magnitud a regular.

Deceleracin controlada

Cuando se desconecta un motor, su deceleracin se debe nicamente al par resistente de la mquina (deceleracin natural). Los arrancadores y variadores electrnicos permiten controlar la deceleracin mediante una rampa lineal o en S, generalmente independiente de la rampa de aceleracin.

Esta rampa puede ajustarse de manera que se consiga un tiempo para pasar de la velocidad de rgimen fijada a una velocidad intermediaria o nula:

- Si la deceleracin deseada es ms rpida que la natural, el motor debe de desarrollar un par resistente que se debe de sumar al par resistente de la mquina; se habla entonces de frenado elctrico, que puede efectuarse

reenviando energa a la red de alimentacin, o disipndola en una resistencia de frenado.

- Si la deceleracin deseada es ms lenta que la natural, el motor debe desarrollar un par motor superior al par resistente de la mquina y continuar arrastrando la carga hasta su parada.

Inversin del sentido de marcha

La mayora de los variadores actuales tienen implementada esta funcin. La inversin de la secuencia de fases de alimentacin del motor se realiza automticamente o por inversin de la consigna de entrada, o por una orden lgica en un borne, o por la informacin transmitida a mediante una red.

Frenado

Este frenado consiste en parar un motor pero sin controlar la rampa de desaceleracin. Con los arrancadores y variadores de velocidad para motores asncronos, esta funcin se realiza de forma econmica inyectando una corriente continua en el motor, haciendo funcionar de forma especial la etapa de potencia. Toda la energa mecnica se disipa en el rotor de la mquina y, por tanto, este frenado slo puede ser intermitente. En el caso de un variador para motor de corriente continua, esta funcin se realiza conectando una resistencia en bornes del inducido.

Proteccin integrada

Los variadores modernos aseguran tanto la proteccin trmica de los motores como su propia proteccin. A partir de la medida de la corriente y de una informacin sobre la velocidad (si la ventilacin del motor depende

de su velocidad de rotacin), un microprocesador calcula la elevacin de

temperatura de un motor y suministra una seal de alarma o de desconexin en caso de calentamiento excesivo.

Adems, los variadores, y especialmente los convertidores de frecuencia, estn dotados de protecciones contra:

los cortocircuitos entre fases y entre fase y tierra,

las sobretensiones y las cadas de tensin,

los desequilibrios de fases,

el funcionamiento en monofsico.

5.3 TIPOS DE VARIADORES

En trminos generales, puede decirse que existen tres tipos bsicos de variadores de velocidad: mecnicos, hidrulicos y elctrico electrnicos siendo los mecnicos los variadores ms antiguos, estos fueron empleados originalmente para controlar la velocidad de las ruedas hidrulicas de molinos, as como la velocidad de las mquinas de vapores. Los variadores de velocidad mecnicos e hidrulicos generalmente son conocidos como transmisiones cuando se emplean en vehculos, equipo agroindustrial o algunos otros tipos de maquinaria.Variadores mecnicosVariador de paso ajustable: Este dispositivo emplea poleas y bandas en las cuales el dimetro de una o ms poleas puede ser modificado.Variador de traccin: Transmite potencia a travs de rodillos metlicos. La relacin de velocidades de entrada/salida se ajusta moviendo los rodillos para cambiar las reas de contacto entre ellos y as la relacin de transmisin.Variadores hidrulicosVariador hidrosttico: Consta de una bomba hidrulica y un motor hidrulico (ambos de desplazamiento positivo). Una revolucin 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 regulacin de una vlvula de control, o bien, cambiando el desplazamiento de la bomba o el motor.Variador hidrodinmico: Emplea aceite hidrulico para transmitir par mecnico entre un impulsor de entrada (sobre un eje de velocidad constante) y un rotor de salida (sobre un eje de velocidad ajustable). Tambin llamado acoplador hidrulico de llenado variable.Variador hidroviscoso: Consta de uno o ms discos conectados con un eje de entrada, los cuales estar en contacto fsico (pero no conectados mecnicamente) con uno o ms discos conectados al eje de salida. El par mecnico (torque) se transmite desde el eje de entrada al de salida a travs de la pelcula de aceite entre los discos. De esta forma, el par transmitido es proporcional a la presin ejercida por el cilindro hidrulico que presiona los discos.Variadores elctrico-electrnicosLos variadores elctrico-electrnicos incluyen tanto el controlador como el motor elctrico, sin embargo es prctica comn emplear el trmino variador nicamente al controlador elctrico. Los primeros variadores de esta categora emplearon la tecnologa de los tubos de vaco. Con los aos despus se han ido incorporando dispositivos de estado slido, lo cual ha reducido significativamente el volumen y costo, mejorando la eficiencia y confiabilidad de los dispositivos.Existen cuatro categoras de variadores de velocidad elctrico-electrnicos:Variadores para motores de Corriente Continua: Estos variadores permiten controlar la velocidad de motores de corriente continua serie, derivacin, 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 pequeo entrehierro. Se cuenta, adems, con una bobina de campo, cuya corriente puede ser regulada, la cual produce un campo magntico que determinar el par mecnico transmitido del rotor de entrada al rotor de salida. De esta forma, a mayor intensidad de campo magntico, mayor par y velocidad transmitidos, y a menor campo magntico menores sern 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 retroalimentacin un tacmetro de Corriente Alterna.Variadores de deslizamiento: Este tipo de variadores se aplica nicamente para los motores de induccin de rotor devanado.Variadores para motores de Corriente Alterna (tambin conocidos como variadores de frecuencia): Estos variadores permiten controlar la velocidad tanto de motores de induccin (asncronos de jaula de ardilla o de rotor devanado), como de los motores sncronos mediante el ajuste de la frecuencia de alimentacin al motor.5.4 PROTOCOLOS DE COMUNICACION

5.5 APLICACIONES TIPICAS

Aplicaciones de los Variadores de VelocidadLos Variadores de Velocidad son aplicados, fundamentalmente, en los siguientes tipos de mquinas:Transportadoras: Controlan y sincronizan la velocidad de produccin 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 cada del producto que se transporta, etc.Bombas y ventiladores centrfugos: Controlan el caudal, uso en sistemas de presin constante y volumen variable. En este caso se obtiene un gran ahorro de energa porque el consumo vara 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 dosificacin con precisin, controlando la velocidad. Por ejemplo en bombas de tornillo, bombas de engranajes. Para transporte de pulpa de fruta, pasta, concentrados mineros, aditivos qumicos, 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 variacin de velocidades y control total de de la cupla del motor.Centrfugas: Se consigue un arranque suave evitando picos de corriente y velocidades de resonancia.Prensas mecnicas y balancines: Se consiguen arranques suaves y mediante velocidades bajas en el inicio de la tarea, se evitan los desperdicios de materiales.Mquinas textiles: Para distintos tipos de materiales, inclusive para telas que no tienen un tejido simtrico se pueden obtener velocidades del tipo random para conseguir telas especiales.Compresores de aire: Se obtienen arranques suaves con mxima cupla y menor consumo de energa en el arranque.Pozos petrolferos: Se usan para bombas de extraccin con velocidades de acuerdo a las necesidades del pozo.Aplicaciones industriales

La instalacin de los variadores de velocidad nace de dos motivos principales: el mejoramiento en el proceso de operacin del equipo y el ahorro de energa elctrica. Su instalacin 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 bsicamente 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 ste trabaje. En este tipo de carga el motivo principal para la aplicacin de los variadores de velocidad es la optimizacin del proceso y rara vez hay ahorro de energa.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 tambin disminuyen. Este tipo de carga se encuentra comnmente en las aplicaciones de flujo variable, como ventiladores, bombas centrfugas, agitadores y compresores axiales. En este caso el variador de velocidad ofrece grandes oportunidades de ahorro de energa, 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 est girando el motor, para demandar la potencia mxima, pues as lo exige la carga. Este tipo de carga se encuentra bsicamente en mquinas herramientas, bobinadoras, dobladoras, troqueladoras y bombas centrfugas de alta inercia. En estas cargas difcilmente se puede obtener ahorro de energa, debido a que el proceso exige el mximo de potencia en cualquier rango de velocidad.VentajasEntre las diversas ventajas para el control del proceso que proporciona el empleo de Variadores de Velocidad destacan:Operaciones ms suaves.Control de la aceleracin.Distintas velocidades de operacin para cada fase del proceso.Compensacin de variables en procesos variables.Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba.Ajuste de la tasa de produccin.Permitir el posicionamiento de alta precisin.Control del Par motor (torque).La ventaja principal de los variadores de velocidad es que disminuye los consumos de energa en algunos de los procesos que controla, dando como resultado considerables disminuciones en los costos de operacin.