Un accionamiento de motor es un sistema que incluye un motor. Un accionamiento de motor de velocidad ajustable es un sistema que incluye un motor que tiene múltiples velocidades de funcionamiento. Un accionamiento de motor de velocidad variable es un sistema que incluye un motor y cuya velocidad varía continuamente. Si el motor genera energía eléctrica en lugar de utilizarla, se lo podría llamar accionamiento de generador, pero a menudo se lo sigue denominando accionamiento de motor.
Un variador de frecuencia (VFD) o variador de velocidad (VSD) describe la parte electrónica del sistema que controla la velocidad del motor. En términos más generales, el término variador describe el equipo utilizado para controlar la velocidad de la maquinaria. Muchos procesos industriales, como las líneas de montaje, deben funcionar a diferentes velocidades para diferentes productos. Cuando las condiciones del proceso exigen el ajuste del caudal de una bomba o un ventilador, variar la velocidad del variador puede ahorrar energía en comparación con otras técnicas de control del caudal.
Cuando se pueden seleccionar velocidades de varios rangos preestablecidos diferentes, normalmente se dice que el variador es de velocidad ajustable . Si la velocidad de salida se puede cambiar sin pasos en un rango, normalmente se dice que el variador es de velocidad variable .
Los variadores de velocidad pueden ser puramente mecánicos (denominados variadores ), electromecánicos, hidráulicos o electrónicos.
A veces, el término controlador de motor se refiere a un accionamiento utilizado para controlar un motor y, por lo tanto, se intercambia con VFD o VSD.
Los motores eléctricos de CA pueden funcionar a velocidad fija, determinada por el número de pares de polos del estator del motor y la frecuencia de la fuente de corriente alterna. Los motores de CA pueden fabricarse para funcionar con "cambio de polos", reconectando el devanado del estator para variar el número de polos de modo que se obtengan dos, a veces tres, velocidades. Por ejemplo, una máquina con ocho pares físicos de polos podría conectarse para permitir el funcionamiento con cuatro u ocho pares de polos, lo que daría dos velocidades: a 60 Hz, estas serían 1800 RPM y 900 RPM. Si los cambios de velocidad son poco frecuentes, el motor puede conectarse inicialmente a una velocidad y luego volver a cablearse para la otra velocidad a medida que cambian las condiciones del proceso, o pueden utilizarse contactores magnéticos para cambiar entre las dos velocidades a medida que fluctúan las necesidades del proceso. Las conexiones para más de tres velocidades no son económicas.
La cantidad de velocidades de funcionamiento a velocidad fija está limitada por el costo a medida que aumenta la cantidad de pares de polos. Si se requieren muchas velocidades diferentes o velocidades continuamente variables, se requieren otros métodos.
Los motores de corriente continua permiten cambios de velocidad mediante el ajuste de la corriente de campo en derivación. Otra forma de cambiar la velocidad de un motor de corriente continua es cambiar el voltaje aplicado a la armadura.
Un variador de velocidad puede constar de un motor eléctrico y un controlador que se utiliza para ajustar la velocidad de funcionamiento del motor. La combinación de un motor de velocidad constante y un dispositivo mecánico de cambio de velocidad de ajuste continuo también puede denominarse "variador de velocidad de motor". Los variadores de frecuencia basados en electrónica de potencia están haciendo que las tecnologías antiguas sean cada vez más redundantes.
El control de procesos y la conservación de energía son las dos razones principales para utilizar un variador de velocidad. Históricamente, los variadores de velocidad se desarrollaron para el control de procesos, pero la conservación de energía ha surgido como un objetivo igualmente importante.
Un variador de velocidad puede proporcionar a menudo un funcionamiento más suave en comparación con un modo de funcionamiento alternativo de velocidad fija. Por ejemplo, en una estación elevadora de aguas residuales, las aguas residuales suelen fluir a través de tuberías de alcantarillado bajo la fuerza de la gravedad hasta un pozo húmedo. Desde allí se bombean hasta un proceso de tratamiento. Cuando se utilizan bombas de velocidad fija, las bombas están configuradas para arrancar cuando el nivel del líquido en el pozo húmedo alcanza un punto alto y se detienen cuando el nivel se ha reducido a un punto bajo. El encendido y apagado cíclico de las bombas da como resultado picos altos y frecuentes de corriente eléctrica para poner en marcha los motores, lo que genera tensiones electromagnéticas y térmicas en los motores y el equipo de control de potencia, las bombas y las tuberías están sujetas a tensiones mecánicas e hidráulicas, y el proceso de tratamiento de aguas residuales se ve obligado a adaptarse a los picos en el flujo de aguas residuales a través del proceso. Cuando se utilizan variadores de velocidad, las bombas funcionan continuamente a una velocidad que aumenta a medida que aumenta el nivel del pozo húmedo. Esto hace coincidir el caudal de salida con el caudal de entrada promedio y proporciona un funcionamiento mucho más suave del proceso.
Los ventiladores y las bombas consumen una gran parte de la energía que utilizan los motores eléctricos industriales. Cuando los ventiladores y las bombas sirven para una carga de proceso variable, una forma sencilla de variar la cantidad de fluido suministrado es con un regulador o una válvula en la salida del ventilador o la bomba, que al aumentar la caída de presión, reduce el caudal en el proceso. Sin embargo, esta caída de presión adicional representa una pérdida de energía. A veces resulta económicamente práctico instalar algún dispositivo que recupere esta energía que de otro modo se perdería. Con un variador de velocidad en la bomba o el ventilador, el suministro se puede ajustar para que coincida con la demanda y no se introduce ninguna pérdida adicional.
Por ejemplo, cuando un ventilador es accionado directamente por un motor de velocidad fija, el caudal de aire está diseñado para la demanda máxima del sistema, por lo que normalmente será mayor de lo necesario. El caudal de aire se puede regular mediante un regulador , pero es más eficiente regular directamente la velocidad del motor del ventilador. Siguiendo las leyes de afinidad , para el 50% del caudal de aire, el motor de velocidad variable consume aproximadamente el 20% de la potencia de entrada (amperios). El motor de velocidad fija sigue consumiendo aproximadamente el 85% de la potencia de entrada con la mitad del caudal.
Algunos motores primarios ( motores de combustión interna , motores de vapor alternativos o de turbina, ruedas hidráulicas y otros) tienen un rango de velocidades de funcionamiento que se puede variar de forma continua (mediante el ajuste del caudal de combustible o medios similares). Sin embargo, la eficiencia puede ser baja en los extremos del rango de velocidad y puede haber razones sistémicas por las que la velocidad del motor primario no se pueda mantener a velocidades muy bajas o muy altas.
Antes de que se inventaran los motores eléctricos, se utilizaban variadores de velocidad mecánicos para controlar la potencia mecánica proporcionada por las ruedas hidráulicas y las máquinas de vapor. Cuando se empezaron a utilizar los motores eléctricos, se desarrollaron casi de inmediato los medios para controlar su velocidad. Hoy en día, varios tipos de accionamientos mecánicos, hidráulicos y eléctricos compiten entre sí en el mercado de los accionamientos industriales.
Hay dos tipos de transmisiones mecánicas: transmisiones de paso variable y transmisiones de tracción.
Las transmisiones de paso variable son transmisiones por poleas y correas en las que se puede ajustar el diámetro de paso de una o ambas poleas.
Los accionamientos de tracción transmiten potencia a través de rodillos metálicos que se desplazan contra rodillos metálicos acoplados. La relación de velocidad de entrada-salida se ajusta moviendo los rodillos para cambiar los diámetros de la trayectoria de contacto. Se han utilizado muchas formas de rodillos y diseños mecánicos diferentes.
Hay tres tipos de accionamientos hidráulicos: accionamientos hidrostáticos, accionamientos hidrodinámicos y accionamientos hidroviscosos.
Un accionamiento hidrostático consta de una bomba hidráulica y un motor hidráulico. Dado que se utilizan bombas y motores de desplazamiento positivo, una revolución de la bomba o del motor corresponde a un volumen fijo de flujo de fluido que está determinado por el desplazamiento, independientemente de la velocidad o el par . La velocidad se regula regulando el flujo de fluido con una válvula o modificando el desplazamiento de la bomba o del motor. Se han utilizado muchas variaciones de diseño diferentes. Un accionamiento de placa oscilante emplea una bomba o un motor de pistón axial en el que se puede cambiar el ángulo de la placa oscilante para ajustar el desplazamiento y, por lo tanto, ajustar la velocidad.
Los accionamientos hidrodinámicos o acoplamientos hidráulicos utilizan aceite para transmitir el par entre un impulsor en el eje de entrada de velocidad constante y un rotor en el eje de salida de velocidad ajustable. El convertidor de par en la transmisión automática de un automóvil es un accionamiento hidrodinámico.
Una transmisión hidroviscosa consiste en uno o más discos conectados a un eje de entrada presionados contra un disco o discos similares conectados a un eje de salida. El par se transmite desde el eje de entrada al eje de salida a través de una película de aceite entre los discos. El par transmitido es proporcional a la presión ejercida por un cilindro hidráulico que presiona los discos entre sí. Este efecto se puede utilizar como un embrague , como el embrague Hele-Shaw , o como una transmisión de velocidad variable, como el engranaje de relación variable Beier .
Los variadores de velocidad mecánicos e hidráulicos se denominan habitualmente " transmisiones " o " transmisiones continuamente variables " cuando se utilizan en vehículos, equipos agrícolas y algunos otros tipos de equipos.
El control puede ser ajustable manualmente, por medio de un potenciómetro o un dispositivo de efecto Hall lineal (que es más resistente al polvo y la grasa), o también puede ser controlado automáticamente, por ejemplo, mediante el uso de un detector rotacional como un codificador óptico de código Gray .
Existen tres categorías generales de accionamientos eléctricos: accionamientos de motor de CC , accionamientos de corrientes parásitas y accionamientos de motor de CA. Cada uno de estos tipos generales se puede dividir a su vez en numerosas variaciones. Los accionamientos eléctricos generalmente incluyen tanto un motor eléctrico como una unidad o sistema de control de velocidad. El término accionamiento se aplica a menudo al controlador sin el motor. En los primeros días de la tecnología de accionamientos eléctricos, se utilizaban sistemas de control electromecánicos. Más tarde, se diseñaron controladores electrónicos utilizando varios tipos de tubos de vacío. A medida que se disponía de componentes electrónicos de estado sólido adecuados, los nuevos diseños de controladores incorporaron la última tecnología electrónica.
Los variadores de CC son sistemas de control de velocidad de motores de CC. Dado que la velocidad de un motor de CC es directamente proporcional al voltaje de inducido e inversamente proporcional al flujo del motor (que es una función de la corriente de campo), se puede utilizar tanto el voltaje de inducido como la corriente de campo para controlar la velocidad.
Un accionamiento por corrientes de Foucault (a veces llamado "accionamiento dinámico", por uno de los nombres comerciales más comunes) consta de un motor de velocidad fija (generalmente un motor de inducción ) y un embrague por corrientes de Foucault. El embrague contiene un rotor de velocidad fija y un rotor de velocidad ajustable separados por un pequeño espacio de aire. Una corriente continua en una bobina de campo produce un campo magnético que determina el par transmitido desde el rotor de entrada al rotor de salida. El controlador proporciona una regulación de velocidad de bucle cerrado al variar la corriente del embrague, permitiendo que el embrague transmita solo el par suficiente para funcionar a la velocidad deseada. La retroalimentación de velocidad generalmente se proporciona a través de un tacómetro de CA integrado.
Los accionamientos por corrientes de Foucault son sistemas controlados por deslizamiento cuya energía de deslizamiento se disipa necesariamente en forma de calor. Por lo tanto, estos accionamientos son generalmente menos eficientes que los accionamientos basados en la conversión CA/CC-CA . El motor desarrolla el par requerido por la carga y funciona a plena velocidad. El eje de salida transmite el mismo par a la carga, pero gira a una velocidad más lenta. Dado que la potencia es proporcional al par multiplicado por la velocidad, la potencia de entrada es proporcional a la velocidad del motor multiplicada por el par operativo, mientras que la potencia de salida es la velocidad de salida multiplicada por el par operativo. La diferencia entre la velocidad del motor y la velocidad de salida se denomina velocidad de deslizamiento . La potencia proporcional a la velocidad de deslizamiento multiplicada por el par operativo se disipa en forma de calor en el embrague. Si bien ha sido superado por el accionamiento de frecuencia variable en la mayoría de las aplicaciones de velocidad variable, el embrague de corrientes de Foucault todavía se usa a menudo para acoplar motores a cargas de alta inercia que se detienen y arrancan con frecuencia, como prensas de estampación, transportadores, maquinaria de elevación y algunas máquinas herramienta más grandes, lo que permite un arranque gradual, con menos mantenimiento que un embrague mecánico o una transmisión hidráulica.
Los variadores de CA son sistemas de control de velocidad de motores de CA.
Un accionamiento de motor de inducción de rotor bobinado controlado por deslizamiento (WRIM) controla la velocidad al variar el deslizamiento del motor a través de los anillos rozantes del rotor, ya sea recuperando electrónicamente la potencia de deslizamiento que se devuelve al bus del estator o variando la resistencia de las resistencias externas en el circuito del rotor. Junto con los accionamientos por corrientes de Foucault, los accionamientos WRIM basados en resistencias han perdido popularidad porque son menos eficientes que los accionamientos WRIM basados en CA/CC-CA y se utilizan solo en situaciones especiales.
Los sistemas de recuperación de energía de deslizamiento devuelven energía al bus del estator del WRIM, convirtiendo la energía de deslizamiento y devolviéndola a la fuente de alimentación del estator. De lo contrario, dicha energía recuperada se desperdiciaría en forma de calor en los variadores de velocidad WRIM basados en resistencia. Los variadores de velocidad con recuperación de energía de deslizamiento se utilizan en aplicaciones como bombas y ventiladores grandes, turbinas eólicas, sistemas de propulsión a bordo, bombas y generadores hidráulicos grandes y volantes de inercia para almacenamiento de energía de servicios públicos. Los primeros sistemas de recuperación de energía de deslizamiento que utilizan componentes electromecánicos para la conversión de CA/CC-CA (es decir, que consisten en rectificador, motor de CC y generador de CA) se denominan variadores Kramer , y los sistemas más recientes que utilizan variadores de frecuencia (VFD) se denominan variadores Kramer estáticos .
En general, un VFD en su configuración más básica controla la velocidad de un motor de inducción o síncrono ajustando la frecuencia de la potencia suministrada al motor.
Al cambiar la frecuencia del VFD en aplicaciones estándar de par variable de bajo rendimiento mediante control de voltios por hercio (V/Hz) , la relación voltaje-frecuencia del motor de CA se puede mantener constante y su potencia se puede variar entre las frecuencias de operación mínima y máxima hasta una frecuencia base. El funcionamiento a voltaje constante por encima de la frecuencia base y, por lo tanto, con una relación V/Hz reducida, proporciona un par reducido y una capacidad de potencia constante.
Los variadores de CA regenerativos son un tipo de variador de CA que tiene la capacidad de recuperar la energía de frenado de una carga que se mueve más rápido que la velocidad del motor (una carga de revisión) y devolverla al sistema de energía.