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TECSUP Equipamiento y Automatizacin de Centros de Control de Motores

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UNIDAD II

VVAARRIIAADDOORREESSDDEEVVEELLOOCCIIDDAADD

1. QU ES UN VARIADOR DE VELOCIDAD?

Un variador de velocidad es un equipo electrnico quecontrola la velocidad, el torque, la potencia y ladireccin de un motor DC o AC. Los variadores develocidad tienen una amplia variedad de aplicacionesen la industria en general.

Los variadores de velocidad AC de frecuenciaajustable sirven en el procesamiento de numerosasaplicaciones industriales, tales como ventiladores,bombas, transportadores, etc. Los variadores develocidad DC industriales controlan el manejo dematerial y equipo de procesamiento de productosnaturales, de minas, metales, de impresin y otrasindustrias.

Los variadores develocidad AC/DC sontambin equiposdiseados a pedido paraaplicaciones altamenteespecializadas.

2. QU TIPOS DE VARIADORES DE VELOCIDAD EXISTEN?

Los variadores de velocidad pueden ser de dos tipos:

Fig. 1 Variadores AC

de Allen Bradley

Fig. 2 Faja transportadora


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En el caso del control de velocidad de motores DC, tenemos los variadoresDC que controlan el voltaje de armadura y de campo, esto en funcin a lascaractersticas de la carga.

En el caso del control de velocidad de motores AC se tiene los variadores defrecuencia ajustable (variador de frecuencia).

2.1 VARIADORES DE VELOCIDAD DC

Un accionador de velocidad ajustable DC es capaz de manejar una granvariedad de caractersticas de carga: cargas de torque constante, depotencia constante o ambas condiciones.

La velocidad puede ajustarse desde 0 hasta 100% controlando el voltajede armadura desde cero hasta el voltaje nominal (asumiendo que el campoest al mximo).

CARACTERSTICAS DEL ACCIONADOR DC

La caracterstica principal del accionador DC es que el motor puedeseleccionarse para proporcionar capacidades de torque constante a travsde todo el rango de velocidad controlado. La potencia se incrementa desdecero hasta la potencia nominal a la velocidad base (100% de velocidad).

Debilitando el campo del motor, la velocidad puede incrementarse en algohasta 3, 4 an 5 veces la velocidad base. Sobre ste rango de velocidad,el motor DC ahora tiene una caracterstica de potencia constante pero eltorque disminuye y es inversamente proporcional a la velocidad.

SISTEMAS CONTROLADOS POR UN ACCIONADOR DC

Cualquier sistema controlado por un variador o accionador DCgeneralmente contiene los siguientes bloques:

El control del operador.

El controlador de accionador. El motor DC.

Fig. 3 Sistema de un variador DC

El trmino accionador (driver) se refiere a un regulador electrnico quealimenta la armadura y el campo.


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El control del operador

Permite al operador arrancar, parar,cambiar de direccin y velocidad delaccionador mediante el simple giro depotencimetros u otro dispositivo deloperador. Estos controles pueden serparte integral de un controlador o puedenser montados separadamente. Loscontroladores programables (PLC) estnusndose con ms frecuencia en sta reapara permitir mayor flexibilidad en elproceso o control de mquinas.

Se les conoce normalmente como HIM(Human Interface Machine), que significainterface hombre-mquina.

El controlador del accionador

Convierte un potencial de voltaje AC constante en un voltaje DC ajustableel cual se aplica luego a la armadura de un motor DC. Las caractersticasde regulacin del controlador permiten al motor girar a la velocidaddeseada mediante una entrada de referencia. Cuenta con algunos circuitosadicionales que ayudan a proteger al controlador, al motor y al accionadorde la mquina de los transistorios de la lnea de voltaje, sobrecargas ydiversas fallas del circuito.

Fig. 5 Variador DC SIMOREG de Siemens

Fig. 4 Control de operadordel variador DC SIMOREG

de Siemens


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El motor DC

Convierte el voltaje ajustable DC del controlador del accionador a energamecnica rotativa. La rotacin y direccin del eje del motor sonproporcionales a la magnitud y polaridad del voltaje regulable aplicado almotor. Normalmente el eje del motor est acoplado a un reductor deengranajes u otro dispositivo de transmisin que luego se acopla a lamquina.

En aplicaciones de accionadores DC de velocidad ajustable, la armadura delmotor se conecta a una fuente de voltaje ajustable.

2.2 VARIADORES DE VELOCIDAD ACMucha de la potencia que se consume hoy en los motores AC es enaplicaciones de ventiladores y bombas. Con ste tipo de dispositivos sinembargo, la demanda real es a menudo menor que la capacidad de diseodel sistema. Un control de la velocidad variable directa del ventilador obomba proporciona un ahorro en energa y eficiencia de costossignificativamente atractivos.

CARACTERSTICAS DEL ACCIONADOR AC

Los accionadores AC de frecuencia ajustable convierten la energa deentrada trifsica de 60 Hz a una fuente de voltaje de frecuencia ajustablepara controlar la velocidad de un motor de induccin de jaula de ardilla.

La frecuencia de la energa aplicada a un motor AC determina la velocidaddel motor y sta se basa en la siguiente ecuacin:

N =

Donde:

N = velocidad (RPM)f = frecuenciaP = nmero de polos

El nmero de polos se considera constante ya que esta caracterstica dediseo ya est manufacturada en el motor.

El controlador AC de frecuencia ajustable controla la frecuencia (f) y elvoltaje aplicado al motor. La velocidad (N) del motor, entonces es

P

f120


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proporcional a esa frecuencia aplicada. El control de frecuencia es ajustadoa travs de un potencimetro o una seal externa dependiendo de laaplicacin.

Para mantener el torque del motor constante, el controlador del accionadorautomticamente mantiene el voltaje y la frecuencia de salida en unarelacin constante para cualquier velocidad de motor. Esto se llama larelacin voltios por Hertz (V/Hz).

SISTEMA CONTROLADO POR UN ACCIONADOR AC

Un accionador AC de frecuencia ajustable tpicamente consiste en trespartes bsicas:

El control del operador. El controlador de accionador. El motor AC.

Fig. 6 Sistema accionador AC de frecuencia ajustable

Los controles del operador

Permiten al operador arrancar, parar,cambiar de direccin y velocidad del

controlador simplemente girando unpotencimetro u otro dispositivo deloperador. Estos controles pueden serparte integral del controlador o puedenser montados separadamente.

Fig. 7 HIM del variador ACde Allen Bradley


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El controlador del accionador

Convierte el voltaje AC fijo en una fuente de

voltaje y frecuencia variable. Este consistede una unidad de control y una unidad deconversin de energa.

La unidad de control supervisa la operacindel accionador y suministra valiosainformacin de diagnstico del sistema. Launidad de conversin de energa ejecutadiversas funciones. Rectifica el voltaje deentrada fijo (cambia de AC a DC). El voltajeDC resultante se filtra a travs de un filtro

LC de paso bajo para obtener un voltaje DCfiltrado. Luego, la unidad de conversin deenerga (inversor) produce un voltaje ycorriente de salida que tenga la frecuenciadeseada.

El motor AC

Convierte la frecuencia ajustable AC del controlador del accionador en unaenerga mecnica rotativa.

3. TIPOS DE ACCIONADORES AC DE FRECUENCIA AJUSTABLE

Los tipos ms comunes de accionadores AC de frecuencia ajustable usados son:

Accionador de entrada de voltaje variable (VVI, Voltage Variable Input). Accionador con modulacin por ancho de pulso (PWM, Pulse Width

Modulated).

A continuacin haremos una breve descripcin de cada uno de ellos.

3.1 ACCIONADORES DE ENTRADA DE VOLTAJE VARIABLE (VVI)

Este tipo de accionadores rectifican la energa de entrada AC y desarrollanun voltaje variable DC para una seccin de la unidad de conversin deenerga llamada voltaje variable DC a un voltaje y frecuencia AC. Estaseccin inversora es hecha con transistores de potencia o tiristores (SCR)dependiendo de la potencia requerida.

Un rectificador tipo puente de SCRs convierte la energa de entradatrifsica a un voltaje DC variable el cual es luego la entrada de la seccin

inversora. La seccin inversora genera energa de voltaje y frecuencia ACvariable para controlar la velocidad del motor.

Fig. 8 Variador AC de AllenBradley


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Debido a que un gran capacitor de filtro suministra la fuente de voltaje alinversor, el voltaje de salida no es afectado por la naturaleza de la carga.

Fig. 9 Forma de onda de la salida VVI

Fig. 10 Unidad de conversin de energa VVI


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Fig. 12 Onda de salida de un modulador PWM

CONSIDERACIONES DE CARGA PARA LA SELECCIN DEVARIADORES

El proceso de seleccin de unaccionador DC o AC de velocidadajustable es uno en el cual la carga esuna consideracin primaria. Esimportante comprender lascaractersticas de velocidad y torqueas como tambin los requerimientosde potencia del tipo de carga a serconsiderado. Las caractersticas de losaccionadores AC son algo diferentesque los accionadores DC. La demanday lo econmico de la aplicacin enparticular debe ser compatible con lacapacidad del accionador. Luego de

Fig. 13 Molino SAG (altosrequerimientos de velocidad y torque)


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ste proceso de compatibilizacin, recin se puede tomar la decisin deseleccionar el accionador de velocidad ajustable.

Cuando se considera las caractersticas de carga, debe evaluarse losiguiente:

Qu tipo de carga est asociada a la aplicacin?

Tiene la carga una componente shock o hay cambios bruscos de lamagnitud de la carga?

Cul es el tamao de la carga?

Estn incluidas las cargas inerciales pesadas?

Cules son las consideraciones del motor?

Sobre que rango de velocidad se encuentran las cargas pesadas?

Las cargas del motor se clasifican en tres grandes grupos dependiendo encomo varan el torque y la potencia con la velocidad de operacin. Lossiguientes prrafos tratan de los diversos tipos de cargas para motores DCo AC encontrados en aplicaciones de procesos de manufactura omaquinado.

TIPOS DE CARGAS DE MOTORES

Las cargas pueden ser de:

Torque constante. Potencia constante. Torque variable.

CARGAS DE TORQUE CONSTANTE

Este tipo de carga es una de las ms frecuentes encontrada. En estegrupo, el torque demandado por la carga es constante a travs de todo elrango de velocidad. La carga requiere la misma cantidad de torque a bajasy altas velocidades. Cargas de ste tipo esencialmente son cargas defriccin. En otras palabras, las caractersticas de torque constante sonnecesarias para superar la friccin.

Una mirada a la ecuacin bsica de la potencia nos permite verificar esteaspecto:

HP = Torque x Velocidad5 252

donde:

Torque = lbpieVelocidad = RPM5 252 = constante de proporcionalidad


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Ejemplo de ste tipo de cargas son los transportadores, extrusores, etc.

Fig. 14 Carga de torque constante

CARGAS DE POTENCIA CONSTANTE

En ste tipo de cargas, la potenciademandada por la carga es constantedentro del rango de velocidad. La carga

requiere alto torque a baja velocidad. Dela ecuacin anterior se puede ver que si lapotencia se mantiene constante, el torquedisminuir si la velocidad se incrementa.Dicho de otro modo, la velocidad y eltorque son inversamente proporcionalesuna de la otra.

Ejemplos de ste tipo de cargas son losbobinadores con accionamiento central ymandriles de mquinas herramientas. Unejemplo especfico de sta aplicacin podra ser un torno que requiere bajavelocidad para corte grueso y alta velocidad para corte fino, donde seremueve poco material. Usualmente se requieren torques de arranque muyaltos para una rpida aceleracin.

Fig. 15 Esmeriladora (carga depotencia constante)


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Fig. 16 Carga de potencia constante

CARGAS DE TORQUE VARIABLE

Con ste tipo de carga, el torque esdirectamente proporcional a alguna funcinmatemtica de la velocidad, usualmente lavelocidad al cuadrado (velocidad2).

Torque constante x (velocidad)2

La potencia tpicamente es proporcional a lavelocidad al cubo (velocidad)3.

Ejemplos de cargas que exhiben caractersticasde carga de torque variable son los ventiladorescentrfugos, bombas y sopladores. Este tipo decarga requiere mucho menor torque a baja

velocidad que a altas velocidades.

Fig. 18 Carga de torque variable

Fig 17 Bomba centrfuga (cargade torque variable)


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La siguiente tabla es un resumen de los tipos de carga, caractersticas detorque y potencia.

Caractersticas de potencia ytorque

Ejemplos de aplicacin

Potenciaconstante.

El torque varainversamentecon la velocidad.

Herramientas de corte de metal que operanen un amplio rango de velocidades.Algunas extrusoras, mezcladoras, mquinasespeciales donde la operacin de bajavelocidad puede ser continuada.

Torqueconstante.

La potencia variacon la velocidad

Maquinaria en general, montacarga,transportadores, prensas de impresin, etc.Representan el 90% de las aplicaciones.

Conexponente alcuadrado.

La potencia varacomo lavelocidad alcuadrado.El torque varacon la velocidad.

Bombas de desplazamiento positivo,algunas mezcladoras y extrusoras.

Conexponente alcubo.

La potencia varacomo lavelocidad alcubo.El torque vara

como lavelocidad alcuadrado.

Todas las bombas centrfugas y algunosventiladores (la potencia en los ventiladorespuede variar como la quinta potencia de lavelocidad).

Cargas de altainercia.

Tpicamente asociadas con mquinas queusan volantes para proveer energa a lamayora de aplicaciones (levantar, prensar,etc.).

TORQUE DEL MOTOR AC

En un motor de induccin AC, el torque resulta de la atraccin magnticaentre el rotor y el estator. En esencia, el estator (pieza esttica), tiene uncampo magntico rotatorio a una frecuencia desarrollada por el inversor. Elrotor (pieza rotativa) es atrada hacia el estator produciendo unmovimiento de torsin llamado torque.

Cuando el motor empieza a acelerar, el torque decae, alcanzando un valormnimo llamado torque de tiro (pullup torque). Esto es entre el 25 40% de la velocidad sncrona. Mientras la aceleracin contina, la frecuenciadel rotor y la reactancia inductiva disminuye.

El flujo del rotor se mueve mas en fase con el flujo del estator yconsecuentemente, se incrementa el torque. El mximo torque se


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desarrolla cuando la reactancia inductiva se iguala a la resistencia del rotor.Mas all del punto de torque mximo la reactancia inductiva continadecayendo con la corriente del rotor. El torque del motor sin embargo,

tambin disminuye.

Fig. 19 Curva del torque de un motor AC

Donde:

Puntos de la curva del torque

A Torque de arranqueB Torque de valle

C Torque mximoD Torque a 150%E Torque nominal

Velocidad (%)


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SELECCIN DE VARIADORES

Cuando se selecciona un variador primero se determina el tipo (AC o DC) enfuncin a las consideraciones de carga que se tendra, la tensin, corriente ypotencia requerida; en funcin a esto debe seleccionar el variador adecuadopreviamente se deben conocer de cada marca las capacidades nominales (rangode potencia) y las especificaciones de entrada y de salida, para determinar sicumplen con los requerimientos.

Las aplicaciones tpicas de los variadores de velocidad estn orientadas al controlde:

Transportadores.

Equipo de manejo de materiales. Compresores. Ventiladores y bombas. Elevadores. Ascensores, etc.

A modo de ejemplo de seleccin de variadores describiremos un sistema detransporte de paquetes llevado a cabo por una faja transportadora accionadapor un motor trifsico de 480 V / 2 HP (1,5 kW) / 4 A.

El sistema de transporte requiere un arranque con alto par y que se tenga uncontrol de la velocidad en todo el rango de revoluciones nominales del motor atorque constante para que el transporte sea continuo.

Fig. 20 Sistema de transporte de paquetes

SOLUCIN

Seleccin del variador

Debido al motor utilizado en el sistema (motor de AC trifsico 480 V), se

seleccionar un variador de AC de frecuencia ajustable.


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En el mercado las marcas mas vigentes son: Siemens y Allen Bradley.

Si nos decidimos por la marca Allen Bradley por tener mayor vigencia en el

medio, en esta marca tenemos dos familias de variadores:

Los variadores de velocidad de AC tpicos de la marca Allen bradley, entrelos que se encuentran el 160, 1305, 1136 Impact, 1336 Force.

Fig. 21 Familia de variadores tpicos de Allen Bradley


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y los variadores de la familia Power Flex tambin de Allen Bradley, entre losque se encuentran el Powerflex 70, el 700 y el 7000.

Fig. 22 Familia de variadores Power Flex de Allen Bradley

Escogemos la familia tpica de variadores Allen Bradley entre ellos el variador1305, por estar en el rango de parmetros nominales utilizados y por ser mseconmico.

Se escoge segn las tablas de seleccin el: 1305-BA04A-HA1

En la siguiente seccin se hace una descripcin de las caractersticas de stevariador.

VARIADOR DE VELOCIDAD 1305 ALLEN BRADLEY

El variador de velocidad de AC 1305 de Allen Bradley est disponible en tamaos

capaces de suministrar entre 0,37 a 4,0 kW (0,5 a 5 HP) de potencia con unatensin de entrada de 380-460 VCA y entre 0,5 a 3 HP con una tensin deentrada de 200-230 VCA.


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El siguiente tabla permite seleccionar el tipo de HIM (Interface hombre-mquina)adecuado.

Tipos de HIM Sufijo Vista frontal

Potencimetro de velocidadanalgico

-HA1

Control de velocidad digital -HA2

Programador solamente -HAP


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INSTALACIN

Para la instalacin es necesario conocer: los requisitos de montaje, las

dimensiones del variador seleccionado, el acceso a los terminales de conexin,conocer los requisitos de cableado de fuerza desde la lnea de alimentacin hastael motor, la conexin a tierra y el modo de conexin del cableado dealimentacin y mando a los terminales de conexin del variador.

REQUISITOS DE MONTAJE

El variador de velocidad debe instalarse en una superficie metlica y en laposicin recomendada, respetando espacios de separacin mnimos con respectoa los equipos o canaletas contiguas.

Fig. 24 Modo correcto de instalacin del variador en el tablero

DIMENSIONES APROXIMADAS

La figura y tabla siguiente muestran las dimensiones aproximadas del variador1305.


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Fig. 25 Dimensiones de los variadores 1305 de Allen Bradley

ACCESO A LOS BLOQUES TERMINALES

Para obtener acceso a los bloques de terminales de alimentacin y control,

realice el siguiente procedimiento:

1) Baje panel con bisagra ubicado debajo del HIM.2) Presione la palanca de retencin que se encuentra justo debajo del HIM y

deslice el HIM hacia abajo para retirarlo del variador.3) Retire la cubierta frontal sujetando las esquinas superiores de la cubierta a

un ngulo de 90 del variador de velocidad. Levante la cubierta y retrela.


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Fig. 26 Modo de acceso a los bloques terminales del variador 1305

PAUTAS DE INSTALACIN

La siguiente figura muestra como proceder a un cableado de fuerza desde lalnea de entrada hasta el motor.

Fig. 27 Modo correcto de cableado de alimentacin y carga


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Fig. 28 Vista de un variador 1305 instalado en un gabinete

CONEXIN A TIERRA

La siguiente figura muestra como proceder al cableado de la lnea de tierradesde la alimentacin hasta el motor.

Fig. 29 Conexiones a tierra


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4. GLOSARIO

Armadura Rotor de un motor DC.

Accionador de potenciaconstante

Controlan el voltaje de armadura y campo en el motorDC.

Accionador PWM Accionador con modulacin del ancho del pulso.

Accionador de torqueconstante

Controlan el voltaje de armadura en el motor DC.

Accionador VVI Accionador de entrada de voltaje variable.

Campo Estator de un motor DC.

Control del operador Es el HIM.

Controlador delaccionador

Es el controlador que acta sobre el motor.

Carga de torque variable Torque directamente proporcional a alguna funcin de lavelocidad.

Carga schock Carga con un amplio rango que va desde fracciones avarios cientos de su carga nominal.

Driver Regulador electrnico que alimenta la armadura y elcampo de un motor DC.

HIM Interface hombre mquina (control del operador).

Torque de tiro Es el punto de valle en la curva de torque para un motorAC.

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