Descripción

Definición

Los sistemas de control de regulación de velocidad, o variadores de velocidad, son dispositivos que permiten controlar a voluntad la velocidad de funcionamiento de los motores de corriente alterna. Los variadores de velocidad son mecanismos electrónicos que permiten variar en forma continua la velocidad y el par de los motores asíncronos trifásicos, convirtiendo la frecuencia y tensión de la red en magnitudes variables. El uso de reguladores de velocidad permite mejorar el rendimiento de los motores, ajustando su funcionamiento al par y velocidad que requiere la aplicación en cada momento. De esta manera se proporciona un ahorro energético importante.

Conceptos básicos

Sistema de regulación

Es un sistema con el que se pretende, por medio de una serie de algoritmos de control, que un determinado parámetro ajuste su valor en todo momento a una consigna de referencia. También se puede llamar sistema de control. Un sistema de control puede ser:

  • En bucle abierto: El esquema de la figura representa un control en bucle abierto para controlar la variable X. El algoritmo de control no utiliza más datos que la consigna:
  • En bucle cerrado: El sistema se realimenta con el valor real de la variable controlada. De esta forma, se consiguen mejores prestaciones dinámicas y se suaviza la evolución de la variable controlada.

Curva velocidad-par

El valor del ahorro energético que se consigue con la instalación de reguladores de velocidad depende del tipo de aplicación de que se trate en cada caso, dado que no en todos los casos la carga acoplada al motor presenta el mismo par resistente. La cuantía del ahorro energético dependerá fundamentalmente en cada caso de como varía con la velocidad el par resistente ofrecido por la carga. Cuanto mayor sea la caída del par con una disminución de la velocidad, menor será también la potencia requerida y mayor el ahorro energético derivado del uso de la regulación electrónica. A continuación se muestran los cuatro casos típicos de carga que se pueden encontrar en las aplicaciones industriales de los motores.

Carga de par constante

El par es independiente de la velocidad conservando el mismo valor cualquiera que sea la velocidad. La potencia será por tanto proporcional a la velocidad. A este tipo de carga pertenecen aplicaciones como ascensores, montacargas, puentes grúa, cintas transportadoras, máquinas herramientas con fuerza de corte constante o laminadoras.

Carga de par lineal

En este tipo de aplicaciones el par resistente varía proporcionalmente con la velocidad, siendo la potencia proporcional al cuadrado de la velocidad. Un típico ejemplo de este tipo de aplicaciones son las máquinas de tratamiento de papel y las máquinas de pulir.

Carga de par cuadrático

El par de carga es en estos casos proporcional al cuadrado de la velocidad y la potencia proporcional al cubo de la velocidad. Es característica del accionamiento de ciertas máquinas hidráulicas: bombas centrífugas, ventiladores, compresores y soplantes centrífugos.

Los ahorros más importantes se darán en estas aplicaciones, donde la potencia demandada disminuye de forma importante con pequeñas disminuciones de velocidad.

Carga de potencia constante

El par es inversamente proporcional a la velocidad. Es típico de máquinas herramienta con avance constante: tornos, máquinas bobinadoras, fresadoras, etc.

Componentes

Los componentes principales de un sistema de control de velocidad son los siguientes:

Convertidores de frecuencia

La variación de velocidad se basa en la transformación de energía eléctrica a la frecuencia de la red eléctrica a frecuencia variable, utilizando para ello dispositivos de electrónica de potencia. El convertidor es el elemento principal dentro de los reguladores de velocidad.

Los distintos tipos de convertidores existentes se caracterizan por el tipo de inversor utilizado, existiendo:

  • Puente inversor de onda cuadrada (VSI): se comporta frente a la máquina como una fuente de tensión. Ofrece las siguientes ventajas: precio bajo, alta fiabilidad, elevada frecuencia máxima de salida, posibilidad de control multimotor y control en bucle abierto o cerrado. Utilizado para potencias inferiores a 100 kW.
  • Inversor PWM (modulación de ancho de pulso): es una alternativa al inversor VSI que ofrece unas características distintas, como unas altas prestaciones dinámicas. Muy utilizado para potencias inferiores a 100 kW.
    Inversor PWM con control de corriente: se controla la tensión en todo momento para que la corriente consumida por el motor sea la dada por una referencia, forzando así a que se comporte como una fuente de intensidad (controlando así el par directamente).
  • Inversor conmutado CSI: inversor con ataque en corriente y salida en corriente de forma cuadrada y frecuencia variable a voluntad. Presenta las ventajas del control por intensidad, la posibilidad del paso de energía del motor a la red, y además es un dispositivo robusto. Se utiliza para potencias superiores a los 200 kW.

La siguiente tabla muestra las características generales de los inversores:

La tecnología más utilizada en el mercado es la basada en inversores PWM, dependiendo también de la aplicación a que vaya destinado.

Reguladores electrónicos de velocidad

Las características que debe cumplir el regulador vendrán definidas por la precisión y prestaciones requeridas para el accionamiento de la aplicación, y, por tanto, determinará el tipo de control a realizar. Los sistemas de control de velocidad de motores de inducción se clasifican en tres tipos:

  • Sistemas de regulación con control escalar. Permiten controlar las variables de control (tensión y frecuencia) en régimen permanente.
  • Sistemas de control de flujo en el entrehierro. Para el funcionamiento de velocidades menores que la velocidad base, un motor puede dar el par nominal a cualquier velocidad, siempre que el flujo sea el nominal. Se compara el flujo medido con el de referencia, generándose la consigna de tensión para control de velocidad del motor.
  • Sistemas de control de intensidad del estator. Son sistemas más complejos que los basados en el control de tensión, y necesitan siempre realimentación.

Mejores equipos

A continuación se tratan algunas aplicaciones de las más comunes dentro de la industria, comparando el uso de variadores electrónicos de frecuencia con otros sistemas de regulación o el trabajo sin reguladores y explicando como se produce el ahorro energético en cada caso.

Bombas

Es una aplicación muy susceptible de ser regulada por variadores electrónicos de frecuencia ya que normalmente se producen ahorros de valor considerable. Existen cuatro maneras distintas de realizar la regulación del caudal:

Válvula de estrangulamiento

Se estrangula la salida de la bomba, produciendo una mayor resistencia al paso de fluido, introduciendo una pérdida adicional a la instalación. La bomba tiene que generar una mayor presión en el caudal, no pudiendo llegar a bombear el caudal nominal. Esto hace que el sistema solicite una energía de bombeo bastante superior a la requerida por el sistema, resultando en un bajo rendimiento de la instalación.

Regulación by-pass

El by-pass es un tubo de realimentación que devuelve parte del caudal al depósito desde el cual se bombea, regulando así el caudal que llega a la instalación. Es el método menos eficaz, energéticamente hablando.

Regulación electrónica de velocidad del motor

En este caso, al variar la velocidad varía la curva característica de la bomba. Al disminuir la velocidad, disminuyen a la vez la altura manométrica y el caudal, consumiéndose solo la potencia necesaria. Es el método más eficaz energéticamente.

Regulación mediante arranqueparada

Existe también la alternativa de regular el caudal mediante arranques y paradas de la bomba, de forma que el caudal medio se ajuste al requerido. Su uso es restringido debido a que es muy perjudicial tanto para el motor como para el resto de la instalación, debido principalmente a los golpes de ariete. Se produce un pronto envejecimiento de la instalación, bajando su eficiencia y elevando costes. En la siguiente figura se muestra una gráfica comparativa de la potencia consumida con la regulación electrónica de velocidad frente a los sistemas de regulación tradicionales:

Ventiladores

Al igual que las bombas, se trata de equipos habituales en la industria en los que resulta muy ventajosa la aplicación de variación electrónica de velocidad, produciendo ahorros energéticos importantes. Existen las siguientes formas de regulación de velocidad:

Estrangulamiento mediante persianas

Es el método con peor resultado energético. El cierre de la persiana produce una mayor resistencia al paso de fluido, introduciendo una pérdida adicional a la instalación. Se tiene que generar una mayor presión en el caudal, no pudiendo llegar a suministrar el mismo caudal. Esto hace que el sistema consuma una energía mayor que la estrictamente necesaria, resultando en un bajo rendimiento de la instalación.

Regulación mediante álabes móviles

Los álabes del ventilador tienen una posición variable, facilitando o entorpeciendo el paso de fluido y regulando así el caudal suministrado. No se suele utilizar debido a que es una solución mucho más cara, constructivamente, que el empleo de persianas y que requiere mayores costes de mantenimiento.

Variación electrónica de velocidad

El caudal se regula ajustando la velocidad del motor a la requerida por el sistema, reduciéndose considerablemente la potencia consumida respecto a las opciones anteriores que trabajaban en todo momento con un sistema sobredimensionado. Se trata, por tanto, de un sistema mucho más eficiente energéticamente. La siguiente figura muestra las diferencias que puede haber entre las potencias consumidas por los distintos tipos de regulación:

Cintas transportadoras

Las cintas transportadoras son de los elementos más abundantes en toda la industria. Son mecanismos con par constante con la velocidad, variando la potencia linealmente con la velocidad. Cuando se tiene una cinta de carga variable, si se mantiene la velocidad constante la potencia demandada va desde el 50% en vacío al 100% en plena carga. Utilizando la regulación de velocidad se pueden reducir las potencias demandadas reduciendo las pérdidas de rozamiento, que son proporcionales a la velocidad. Se busca el ajustar la velocidad del motor para que la carga sea siempre el 100%. La siguiente gráfica muestra como se reduce la potencia demandada al utilizar velocidad variable.

Medidas de eficiencia

La instalación de un sistema de regulación electrónica de velocidad representa en sí una importante medida de eficiencia energética.

A pesar del coste que supone la inversión en un sistema de ajuste electrónico de la frecuencia para controlar la velocidad de los motores, el desarrollo en precisión y fiabilidad ha alcanzado cotas tan elevadas que el coste inicial se justifica por la mejora sustancial de los resultados y por la bajada de costes debida a la reducción de pérdidas y en mantenimiento. Algunos factores que determinan la decisión sobre la aplicación de regulación electrónica de velocidad son los siguientes:

  • El valor del ahorro energético que se puede lograr con la instalación de regulación electrónica de velocidad depende principalmente, como se ha visto, del tipo de carga que esté acoplada al motor. Así, los motores con cargas con par proporcional al cuadrado de la velocidad, tales como bombas, compresores o ventiladores, son los susceptibles de un mayor ahorro energético.
  • Un aspecto a tener en cuenta en la valoración del consumo de energía ahorrado es la forma de regulación empleada hasta el momento en que se plantea la instalación de reguladores electrónicos. El control de la instalación de forma mecánica (por ejemplo mediante válvulas de estrangulamiento en bombas o persianas en ventiladores), o la ausencia de control, produce un sobredimensionamiento del mecanismo, dando lugar a un exceso de potencia demandada. La instalación de reguladores electrónicos permite un ahorro importante de energía.
  • Por otra parte, la regulación electrónica de velocidad permite suavizar los críticos procesos de arranque y paradas (limitando las altas intensidades de arranque y evitando caídas de tensión), así como realizar un trabajo más continuo y suave del proceso. Se disminuye de esta forma el número de averías, las paradas del proceso y el coste en mantenimiento, además de prolongar la vida útil de la máquina. Por tanto, la aplicación será especialmente interesante en instalaciones envejecidas o que tienen que soportar grandes esfuerzos.
  • Un parámetro esencial a la hora de estimar el ahorro derivado de la instalación de la regulación electrónica de velocidad es el tiempo total de trabajo de la máquina y su régimen de trabajo. Cuanto mayor sea el tiempo de trabajo de la máquina, mayor será el ahorro producido y menor el tiempo de amortización de la inversión realizada.
  • La variación de frecuencia es especialmente atractiva en sistemas multimotor, cuando una gran cantidad de pequeños motores de corriente alterna son alimentados simultáneamente con la misma frecuencia y tensión. En tales instalaciones, el coste del convertidor de frecuencia se justifica por la reducción significativa del coste de la máquina debida al gran número de motores cubiertos.

La decisión de instalar un regulador de velocidad debe contemplar, además del ahorro energético y la rapidez en la amortización de la inversión realizada, otras ventajas de la regulación de velocidad como la reducción en averías, paradas y costes de mantenimiento o mejoras en la calidad y rentabilidad del sistema productivo. La instalación de variadores electrónicos de frecuencia ofrece otras mejoras como la compensación del factor de potencia y disminuciones considerables del nivel de ruido generado.