1.1 Definició

Els sistemes de control de regulació de velocitat, o variadors de velocitat, són dispositius que permeten controlar a voluntat la velocitat de funcionament dels motors de corrent altern.

Els variadors de velocitat són mecanismes electrònics que permeten variar de manera contínua la velocitat i el parell dels motors asíncrons trifàsics, que converteixen la freqüència i la tensió de la xarxa en magnituds variables.

L’ús de reguladors de velocitat permet millorar el rendiment dels motors, ajustant el funcionament al parell i a la velocitat que requereix l’aplicació a cada moment.

D’aquesta manera es proporciona un estalvi energètic important.

2.1 Sistema de regulació

És un sistema amb el qual es pretén, mitjançant una sèrie d’algoritmes de control, que un determinat paràmetre ajusti, en tot moment, el seu valor a una consigna de referència. També es pot anomenar sistema de control. Un sistema de control pot ser:

• De bucle obert: L’esquema de la figura representa un control de bucle obert per controlar la variable X. L’algoritme de control no utilitza més dades que la consigna:



• De bucle tancat: El sistema es realimenta amb el valor real de la variable controlada. D’aquesta manera, s’aconsegueixen millors prestacions dinàmiques i se suavitza l’evolució de la variable controlada.

2.2 Corba velocitat-parell

El valor de l’estalvi energètic que s’aconsegueix amb la instal·lació de reguladors de velocitat depèn del tipus d’aplicació de què es tracti en cada cas, atès que no en tots els casos la càrrega acoblada al motor presenta el mateix parell resistent.

La quantitat de l’estalvi energètic dependrà fonamentalment en cada cas de com varia amb la velocitat el parell resistent ofert per la càrrega.

Com més gran sigui la caiguda del parell amb una disminució de la velocitat, menor serà també la potència requerida i més gran l’estalvi energètic derivat de l’ús de la regulació electrònica.

A continuació es mostren els quatre casos típics de càrrega que es poden trobar a les aplicacions industrials dels motors.

Càrrega de parell constant

El parell és independent de la velocitat i conserva el mateix valor sigui quina sigui la velocitat. La potència serà, per tant, proporcional a la velocitat.

A aquest tipus de càrrega pertanyen aplicacions com són ara els ascensors, les muntacàrregues, els ponts grua, les cintes transportadores, les màquines eina amb força de tall constant o les laminadores.

Càrrega de parell lineal

En aquest tipus d’aplicacions el parell resistent varia proporcionalment amb la velocitat i la potència és proporcional al quadrat de la velocitat.

Un exemple típic d’aquest tipus d’aplicacions són les màquines de tractament de paper i les màquines de polir.

Càrrega de parell quadratic

El parell de càrrega és en aquests casos proporcional al quadrat de la velocitat i la potència proporcional al cub de la velocitat.

És característica de l’accionament de determinades màquines hidràuliques: bombes centrífugues, ventiladors, compressors i bufadors centrífugs.

Els estalvis més importants es donaran en aquestes aplicacions, on la potència requerida disminueix de manera important amb petites disminucions de velocitat.

Càrrega de potencia constant

El parell és inversament proporcional a la velocitat.

És típic de màquines eina amb avanç constant: torns, màquines bobinadores, fresadores, etc.

Els components principals d’un sistema de control de velocitat són els següents:

3.1 Convertidors de freqüència

La variació de velocitat es basa en la transformació d’energia elèctrica a la freqüència de la xarxa elèctrica a freqüència variable i, per a aquest motiu, es fan servir dispositius d’electrònica de potència.

El convertidor és l’element principal dins dels reguladors de velocitat.

Els diferents tipus de convertidors existents es caracteritzen pel tipus d’inversor utilitzat i poden ser els següents:

• Pont inversor d’ona quadrada (VSI): es comporta pel que fa a la màquina com una font de tensió. Ofereix els avantatges següents: preu baix, alta fiabilitat, elevada freqüència màxima de sortida, possibilitat de control multimotor i de control en bucle obert o tancat. Utilitzat per a potències inferiors a 100 kW.
• Inversor PWM (modulació d’amplada de pols): és una alternativa a l’inversor VSI que ofereix unes característiques diferents, com ara unes altes prestacions dinàmiques. Molt utilitzat per a potències inferiors a 100 kW.
• Inversor PWM amb control de corrent: es controla la tensió en tot moment perquè el corrent consumit pel motor sigui el donat per una referència i, d’aquesta manera, es força perquè es comporti com una font d’intensitat (controlant així el parell directament).
• Inversor commutat CSI: inversor amb atac en corrent i sortida en corrent de manera quadrada i freqüència variable a voluntat. Presenta els avantatges del control per intensitat, la possibilitat del pas d’energia del motor a la xarxa i, a més, és un dispositiu robust. S’utilitza per a potències superiors als 200 kW.

A la taula següent es mostren les característiques generals dels inversors:

La tecnologia més utilitzada en el mercat és la que es basa en inversors PWM, en funció també de l’aplicació a la qual vagi destinat.

3.2 Reguladors electrònics de velocitat

Les característiques que ha de complir el regulador es defineixen per la precisió i per les prestacions requerides per a l’accionament de l’aplicació i, per tant, determina el tipus de control que cal realitzar.

Els sistemes de control de velocitat de motors d’inducció es classifiquen en tres tipus:

• Sistemes de regulació amb control escalar. Permeten controlar les variables de control (tensió i freqüència) en règim permanent.
• Sistemes de control de flux a l’entreferro. Per al funcionament de velocitats inferiors a la velocitat base, un motor pot donar el parell nominal a qualsevol velocitat, sempre que el flux sigui el nominal. Es compara el flux mesurat amb el de referència, i es genera la consigna de tensió per al control de velocitat del motor.
• Sistemes de control d’intensitat de l’estator. Són sistemes més complexos que els que es basen en el control de tensió i necessiten sempre realimentació.

A continuació es tracten algunes aplicacions més comunes dins de la indústria, es compara l’ús de variadors electrònics de freqüència amb altres sistemes de regulació o el treball sense reguladors i s’explica com es produeix l’estalvi energètic en cada cas.

4.1 Bombes

És una aplicació molt susceptible de ser regulada per variadors electrònics de freqüència perquè normalment es produeixen estalvis de valor considerable.

Existeixen quatre maneres diferents de realitzar la regulació del cabal:

Vàlvula d’estrangulament:

S’estrangula la sortida de la bomba: es produeix una major resistència al pas de fluid i s’introdueix una pèrdua addicional a la instal·lació. La bomba ha de generar més pressió al cabal i no pot arribar a bombar el cabal nominal. Això fa que el sistema sol·liciti una energia de bombament força superior a la requerida, la qual cosa provoca un baix rendiment de la instal·lació.

Regulació by-pass

El by-pass és un tub de realimentació que retorna part del cabal al dipòsit des del qual es bomba, per regular d’aquesta manera el cabal que arriba a la instal·lació. És el mètode menys eficaç des del punt de vista energètic.

Regulació electrònica de velocitat del motor

En aquest cas, en variar la velocitat varia la corba característica de la bomba. En disminuir la velocitat, disminueixen al mateix temps l’alçària manomètrica i el cabal, i es consumeix només la potència necessària. És el mètode més eficaç energèticament.

Regulació mitjançant arrencada-aturada

Existeix també l’alternativa de regular el cabal mitjançant arrencades i aturades de la bomba, de manera que el cabal mitjà s’ajusti al requerit. El seu ús és restringit perquè és molt perjudicial tant per al motor com per a la resta de la instal·lació, a causa principalment dels cops d’ariet. La instal·lació envelleix aviat, en baixa l’eficiència i s’eleven els costos.

A la figura següent es mostra una gràfica comparativa de la potència consumida amb la regulació electrònica de velocitat enfront dels sistemes de regulació tradicionals:

4.2 Ventiladors

Igual que les bombes, es tracta d’equips habituals a la indústria en què resulta molt avantatjosa l’aplicació de variació electrònica de velocitat per produir estalvis energètics importants.

Existeixen les formes de regulació de velocitat següents:

Estrangulament mitjançant persianes

És el mètode amb el pitjor resultat energètic. El tancament de la persiana produeix una major resistència al pas de fluid i s’introdueix una pèrdua addicional a la instal·lació. S’ha de generar més pressió al cabal i no es pot arribar a subministrar el mateix cabal. Això fa que el sistema consumeixi una energia superior a la que és estrictament necessària i resulta en un baix rendiment de la instal·lació.

Regulació mitjançant àleps mòbils

Els àleps del ventilador tenen una posició variable i faciliten o entorpeixen el pas de fluid i regulen, d’aquesta manera, el cabal subministrat. No se sol utilitzar perquè és una solució molt més cara, des del punt de vista de la construcció, que les persianes i requereix més costos de manteniment.

Variació electrònica de velocitat

El cabal es regula ajustant la velocitat del motor a la requerida pel sistema, i es redueix considerablement la potència consumida respecte de les opcions anteriors que treballen en tot moment amb un sistema sobredimensionat. Es tracta, per tant, d’un sistema molt més eficient des del punt de vista energètic.

A la figura següent es mostren les diferències que hi pot haver entre les potències consumides pels diferents tipus de regulació:

4.3 Cintes transportadores

Les cintes transportadores són un dels elements més abundants a tota la indústria. Són mecanismes amb parell constant amb la velocitat i varien la potència linealment amb la velocitat.

Quan es té una cinta de càrrega variable, si es manté la velocitat constant la potència requerida va des del 50% en buit al 100% en plena càrrega. Amb la regulació de velocitat es poden reduir les potències requerides amb la reducció de les pèrdues de frec, que són proporcionals a la velocitat. Es busca ajustar la velocitat del motor perquè la càrrega sigui sempre el 100%.

A la gràfica següent es mostra com es redueix la potència requerida en utilitzar velocitat variable.

La instal·lació d’un sistema de regulació electrònica de velocitat representa en si una important mesura d’eficiència energètica.

Malgrat el cost que suposa la inversió en un sistema d’ajustament electrònic de la freqüència per controlar la velocitat dels motors, el desenvolupament en precisió i en fiabilitat ha assolit cotes tan elevades que el cost inicial es justifica per la millora substancial dels resultats i per la baixada de costos deguda a la reducció de pèrdues i de manteniment.

Alguns factors que determinen la decisió sobre l’aplicació de regulació electrònica de velocitat són els següents:

• El valor de l’estalvi energètic que es pot assolir amb la instal·lació de regulació electrònica de velocitat depèn principalment, com s’ha vist, del tipus de càrrega que estigui acoblada al motor. Així doncs, els motors amb càrregues amb parell proporcional al quadrat de la velocitat, com ara bombes, compressors o ventiladors, són els que són susceptibles d’un estalvi energètic més gran.
• Un aspecte que cal tenir en compte en la valoració del consum d’energia estalviat és la forma de regulació emprada fins al moment en què es planteja la instal·lació de reguladors electrònics. El control de la instal·lació de forma mecànica (per exemple, mitjançant vàlvules d’estrangulament en bombes o persianes en ventiladors), o l’absència de control, produeix un sobredimensionament del mecanisme, que dóna lloc a un excés de la potència requerida. La instal·lació de reguladors electrònics permet un estalvi important d’energia.
• D’altra banda, la regulació electrònica de velocitat permet suavitzar els processos crítics d’arrencada i les aturades (tot limitant les altes intensitats d’arrencada i evitant les caigudes de tensió), i també realitzar un treball més continu i suau del procés. Disminueixen d’aquesta manera el nombre d’avaries, les aturades del procés i el cost en manteniment i, a més, es prolonga la vida útil de la màquina. Per tant, l’aplicació serà especialment interessant en instal·lacions envellides o que han de suportar gran esforços.



• Un paràmetre essencial a l’hora d’estimar l’estalvi derivat de la instal·lació de la regulació electrònica de velocitat és el temps total de treball de la màquina i el seu règim de treball. Com més gran sigui el temps de treball de la màquina, més gran serà l’estalvi produït i menor el temps d’amortització de la inversió realitzada.
• La variació de freqüència és especialment atractiva en sistemes multimotor, quan una gran quantitat de petits motors de corrent altern són alimentats simultàniament amb la mateixa freqüència i tensió. En aquestes instal·lacions, el cost del convertidor de freqüència es justifica per la reducció significativa del cost de la màquina atès el gran nombre de motors coberts.

La decisió d’instal·lar un regulador de velocitat ha de contemplar, a més de l’estalvi energètic i de la rapidesa en l’amortització de la inversió realitzada, altres avantatges de la regulació de velocitat com ara la disminució d’avaries, d’aturades i de costos de manteniment o les millores en la qualitat i la rendibilitat del sistema productiu.

La instal·lació de variadors electrònics de freqüència ofereix altres millores com la compensació del factor de potència i disminucions considerables del nivell de soroll generat.