ARRANCADORES ELECTROMAGNÉTICOS Y VARIADORES DE FRECUENCIA Y VELOCIDAD PARA EL CONTROL DE MOTORES ELÉCTRICOS

ARRANCADORES ELECTROMAGNÉTICOS Y VARIADORES DE FRECUENCIA Y VELOCIDAD PARA EL CONTROL DE MOTORES ELÉCTRICOS J ul i o Cé sar D e D i os L ópez, pez, L ady M ar i sol L ópez ópez H ern ández nd ez,, El uci nque nq ue Rodr íguez Var gas.  Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco. Facultad de Ingeniería Mecatrónica. Comalcalco,  México. [email protected] [email protected] [email protected] Abstract. In the following essay the basic operation of electromagnetic starters and frequency inverters are analyzed. The operation of an electromagnetic starter can be interpreted as a switch that is controlled by electromagnetic induction and whose main purpose is to protect (motor operation and who operates) and control electric motors. Frequency inverters or speed, play an important role in the induction motor control and some cases direct current (voltage variation). They are used for applications where it is required to maintain the rotational speed of the rotor of an electric motor under the parameters it was designed. These types of circuits or devices help to maintain stability and control of the correct operation of any electric motor.

I.

INTRODUCCIÓN

El control en un sentido amplio comprende todos los métodos usados para controlar el funcionamiento funcionamiento de un sistema sistema eléctrico. eléctrico. Cuando lo aplicamos a máquinas, incluye: arranque, aceleración, desaceleración, inversión y paro de un motor y su carga. Existen una gran variedad de dispositivos con los cuales podemos utilizar como arrancadores de los motores eléctricos para alterar su corriente o par durante el arranque de motores y gracias al desarrollo de la electrónica de potencia, han surgido estos circuitos arrancadores electrónicos con los cuales podemos evitar y solucionar los problemas de los métodos tradicionales de arranque. Estos arrancadores podemos clasificarlos según su construcción en electromecánicos y electrónicos, en este caso nos inclinaremos a los electromecánicos enfocándonos en los arrancadores electromagnéticos electromagnéticos o también conocidos como arrancadores directos d irectos los cuales funcionan como un simple interruptor que conecta y desconecta al motor de la corriente eléctrica; estos también cuentan con algunas protecciones básicas como la protección de sobrecargas por medio de relés y cuentan con contactos, bobinas y  botoneras. Otra parte muy importante de los motores eléctricos en las d iversas áreas de aplicaciones es poder obtener el control total de éstos, especialmente el control de la velocidad de los motores eléctricos ya que es de suma importancia poder controlar diversas variables de cualquier proceso que requiera como parte funcional los motores eléctricos, esto es posible gracias a los variadores de frecuencia y velocidad con los cuales podemos obtener un control completo de los motores eléctricos ya sean de corriente alterna

(CA) o de corriente directa (CD), en los de (CA) seria la variación de la tensión y en los de (CC) la variación de la frecuencia aunque los más comunes son los de motores trifásicos de inducción y los de jaula de ardilla.

II. ARRANCADORES ELECTROMAGNÉTICOS Los arrancadores electromagnéticos son dispositivos de control que funcionan como como interruptores bajo un principio de inducción electromagnética. Este tipo de arrancador se puede equiparar al funcionamiento de un contactor magnético, sin embargo su diferencia es que los arrancadores electromagnéticos sí incluyen relevadores de sobrecargas. Dentro de sus características características  principales se encuentra la capacidad de operar a distancia y trabajar con cambios de frecuencias altas. Los arrancadores magnéticos son de dos polos si el sistema de control es monofásico, y de tres polos si el sistema de control es trifásico (ver figura 1).

Figura 1. arrancador electromagnético típico de 3 fases.  A)

Composición

Internamente, estos dispositivos están constituidos por los siguientes elementos: 

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Contactores principales: son las principales vías de transmisión conectadas a una red de servicio; éste elemento se encarga de abrir y cerrar el circuito de potencia. Según el número de vías de  paso de corriente, el contactor será bipolar, tripolar, tetrapolar, etc. Contactores auxiliares: se encuentran acoplados mecánicamente a los contactos principales, encargados de abrir y cerrar los circuitos auxiliares y de mando del contactor; asegurando las zonas de contactos y conectando las señalizaciones o alarmas.

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Bobinas: elemento electromagnético indispensable para producir una fuerza de atracción en los contactores. Generalmente, su tensión de alimentación puede ser de 12, 24, 110 Y 220V de corriente alterna o continua.  Núcleo: construido con materiales permeables (que permite el  paso del flujo magnético). Actúa en conjunto con la bobina Armadura: Parte móvil del contactor que forma parte del circuito magnético. Desplaza los contactos principales y auxiliares por la fuerza de atracción de la bobina. Resortes antagónicos: estos se encargan de devolver los contactos a su posición de reposo una vez que acaba la fuerza de atracción. Soporte: es la parte exterior que permite fijar entre sí a las piezas que constituyen el contactor y éste a su tablero de montaje, mediante tornillos o rieles que aseguren a todo el dispositivo. Relevadores de sobrecarga: instalados en las bobinas, su función es desactivar el arrancador y el motor en caso de que haya una demanda o suministro excesivo de corriente. Su uso es en áreas donde hay temperaturas altas. Relevadores digitales: algunos arrancadores utilizan microcontroladores que realizan la misma función que un relevador magnético con la diferencia que estos se operan bajo un principio de programación por software y algoritmos matemáticos para detectar las fallas en el sistema.  B)  Funcionamiento

Los arrancadores están diseñados para acelerar y poner en marcha a un motor; sin embargo algunos incluyen funciones adicionales de control o mando como memoria, frenado, control de velocidad e inversión de giro. El dispositivo comienza su función cuando se le suministra corriente a las vías de entrada, pasa por las bobinas, quienes se energizan y producen un campo magnético que transmite un flujo magnético por medio de los núcleos permeables o ferromagnéticos colocados en cada contactor, entonces esto crea una fuerza de atracción entre los contactores, y dependiendo de la magnitud del flujo, permite que los contactores cierren o abran; en el caso de apertura permite enviar un voltaje hacia el motor para que éste arranque. En caso de que el motor presente sobre carga por sobre calentamiento o demanda de corriente entran en acción los relevadores de sobrecarga quienes con la finalidad de proteger al motor y al arrancador cierran el circuito de potencia.

inducción. Este tipo de motores también se conocen como motores asíncronos o en jaula de ardilla. El variador de velocidad se coloca entre la red y el motor. El variador recibe la tensión de red a la frecuencia de red (60Hz) y tras convertirla y después ondularla produce una tensión con frecuencia variable. La velocidad de un motor va prácticamente  proporcional a la frecuencia. Además de cambiar la frecuencia, el variador también varía el voltaje aplicado al motor para asegurar que existe el par necesario en el eje del motor sin que surjan problemas de sobrecalentamiento.

Figura 2. Variador de velocidad  A)  Funcionamiento de un variador de frecuencia

Se alimenta al equipo con un voltaje de corriente alterna (CA), el equipo primero convierte la CA en corriente directa (CD), por medio de un puente rectificador (diodos o SCRs), este voltaje es filtrado por un banco de capacitores interno, con el fin de suavizar el voltaje rectificado y reducir la emisión de variaciones en la señal; posteriormente en la etapa de inversión, la cual está compuesta por transistores (IGBT), que encienden y apagan en determinada secuencia (enviando pulsos) para generar una forma de onda cuadrada de voltaje de CD a un frecuencia constante, y su valor promedio tiene la forma de onda sinodal de la frecuencia que se aplica al motor. De una manera más explícita: Rectificador: partiendo de la red de suministro de c.a., monofásica o trifásica, se obtiene c.c. mediante diodos rectificadores (Ver figura 3). Bus de continua: condensadores de gran capacidad (y a veces también bobinas), almacenan y filtran la c.c. rectificada, para obtener un valor de tensión continua estable, y reserva de energía suficiente para proporcionar la intensidad requerida por el motor (Ver figura 3). Etapa de salida: desde la tensión del bus de continua, un ondulador convierte esta energía en una salida trifásica, con valores de tensión, intensidad y frecuencia de salida variables. Como elementos de conmutación, se usan principalmente transistores bipolares (BJT), CMOS o similares, IGBT, tiristores 

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III.

VARIADORES VELOCIDAD

DE

FRECUENCIA

Y

Los variadores son convertidores de energía encargados de modular la energía que recibe el motor. Otra definición sería, los variadores de velocidad son dispositivos que permiten variar la velocidad de los motores asíncronos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables (Ver figura 2). Otra forma en que son conocidos los variadores son como Drivers ya sea de frecuencia ajustable (ADF) o de CA, VVVF (variador de voltaje variador de frecuencia), micro drivers o inversores; esto depende en gran parte del voltaje que se maneje. Estos variadores de velocidad, nos permiten lograr una serie de control, ya sea para el dominio de par y velocidad del motor, regulación de encendido y apagado sin golpes mecánicos, entre otros. Entonces definimos a un variador como un dispositivo utilizado  para controlar la velocidad de rotación de un motor de c.a. o de

(SCR), GTO… etc. Las señales de salida, se

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obtiene por

diversos procedimientos como troceado, mediante ciclo convertidores, o señales de aproximación sinodal mediante modulación por anchura de impulsos PWM (Ver figura 3). Control y E/S: circuitos de control de los diferentes bloques del variador, protección, regulación… y entradas y salidas, tanto

Figura 3. Diagrama en bloques de un variador

analógicas como digitales. Además se incluye el interfaz de comunicaciones con buses u otros dispositivos de control y usuario (Ver figura 3). Así mismo no está limitado el uso de variadores trifásicos si no que es posible variar la velocidad de motores monofásicos, dependiendo del tipo de arranque que utiliza el motor, hay motores que solo giran en un sentido, en otros casos, es posible modificar también su sentido de giro. No es recomendable hacer esto, ya que se desperdicia una fase del inversor. Es más recomendable cambiar a motor trifásico.  B) 

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Ventajas de la utilización del Variador Velocidad en el arranque de motores.

de

El variador de velocidad no tiene elementos móviles, ni contactos. La conexión del cableado es muy sencilla. Permite arranques suaves, progresivos y sin saltos. Controla la aceleración y el frenado progresivo. Limita la corriente de arranque. Permite el control de rampas de aceleración y deceleración regulables en el tiempo. Consigue un ahorro de energía cuando el motor funcione  parcialmente cargado, con acción directa sobre el factor de  potencia. Puede detectar y controlar la falta de fase a la entrada y salida de un equipo. Protege al motor. Puede controlarse directamente a través de un autómata o microprocesador. Se obtiene un mayor rendimiento del motor.

C)  Aplicaciones. Los variadores de frecuencia tienen sus principales aplicaciones en los siguientes tipos de máquinas: Transportadoras. Controlan y sincronizan la velocidad de  producción 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 caída del producto que se transporta, etc. Bombas y ventiladores centrífugos. Controlan el caudal, uso en sistemas de presión constante y volumen variable. En este caso se obtiene un gran ahorro de energía porque el consumo varía 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 dosificación con precisión, controlando la velocidad. Por ejemplo en bombas de tornillo, bombas de engranajes. Para transporte de  pulpa de fruta, pasta, concentrados mineros, aditivos químicos, chocolates, miel, barro, etc. Ascensores y elevadores. Para arranque y parada suaves manteniendo el par del motor constante, y diferentes velocidades  para aplicaciones distintas. Centrífugas. Se consigue un arranque suave evitando picos de corriente y velocidades de resonancia. Prensas mecánicas y balancines. Se consiguen arranques suaves y mediante velocidades bajas en el inicio de la tarea, se evitan los desperdicios de materiales. Máquinas textiles. Para distintos tipos de materiales, inclusive  para telas que no tienen un tejido simétrico se pueden obtener velocidades del tipo aleatorias para conseguir telas especiales. 

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IV.

CONCLUSIONES

Durante el desarrollo de este ensayo obtuvimos una gran gama de conocimientos sobre los diversos tipos de arrancadores en especial los arrancadores electromagnéticos los cuales nos han ayudado a evitar y solucionar pequeños inconvenientes de los arrancadores tradicionales gracias a que estos son necesarios para limitar la corriente que fluye cuando el motor se conecta, entonces los arrancadores electromagnéticos llevan al motor a su velocidad normal y luego desaparece o se retira del circuito es por eso que funcionan como interruptores y también cuentan con un sistema de  protección de sobrecargas por medio de los relés. También podemos concluir que existen dispositivos que nos ayudan a suministrar la tensión o voltaje alterno que como sabemos lo podemos regular así como también podemos regular la frecuencia de alimentación de los motores y así tener un control de velocidad efectivo, los elementos electrónicos de potencia en motores realizan un arranque y detención de manera muy suave.

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