Un controlador de motor es un dispositivo o grupo de dispositivos que pueden coordinar de una manera predeterminada el rendimiento de un motor eléctrico . [1] Un controlador de motor puede incluir un medio manual o automático para arrancar y detener el motor, seleccionar la rotación hacia adelante o hacia atrás, seleccionar y regular la velocidad, regular o limitar el par y proteger contra sobrecargas y fallas eléctricas. Los controladores de motor pueden utilizar conmutación electromecánica o pueden utilizar dispositivos electrónicos de potencia para regular la velocidad y la dirección de un motor.
Los controladores de motor se utilizan con motores de corriente continua y de corriente alterna. Un controlador incluye medios para conectar el motor a la fuente de alimentación eléctrica y también puede incluir protección contra sobrecarga para el motor y protección contra sobrecorriente para el motor y el cableado. Un controlador de motor también puede supervisar el circuito de campo del motor o detectar condiciones como bajo voltaje de suministro, polaridad incorrecta o secuencia de fases incorrecta, o alta temperatura del motor. Algunos controladores de motor limitan la corriente de arranque de entrada, lo que permite que el motor se acelere a sí mismo y a la carga mecánica conectada más lentamente que una conexión directa. Los controladores de motor pueden ser manuales, lo que requiere que un operador ordene un interruptor de arranque a través de pasos para acelerar la carga, o pueden ser completamente automáticos, utilizando temporizadores internos o sensores de corriente para acelerar el motor.
Algunos tipos de controladores de motor también permiten ajustar la velocidad del motor eléctrico. En el caso de los motores de corriente continua, el controlador puede ajustar el voltaje aplicado al motor o ajustar la corriente que fluye en el devanado de campo del motor. Los motores de corriente alterna pueden tener poca o ninguna respuesta de velocidad al ajustar el voltaje terminal, por lo que los controladores para corriente alterna ajustan la resistencia del circuito del rotor (para motores de rotor bobinado) o cambian la frecuencia de la CA aplicada al motor para controlar la velocidad mediante dispositivos electrónicos de potencia o variadores de frecuencia electromecánicos.
El diseño físico y el empaquetado de los controladores de motores es tan variado como el de los propios motores eléctricos. Un interruptor de palanca montado en la pared con valores nominales adecuados puede ser todo lo que se necesita para un ventilador doméstico. Las herramientas eléctricas y los electrodomésticos pueden tener un interruptor de activación que solo enciende y apaga el motor. Los motores industriales pueden ser controladores más complejos conectados a sistemas de automatización; una fábrica puede tener una gran cantidad de controladores de motores agrupados en un centro de control de motores . Los controladores para grúas móviles eléctricas o vehículos eléctricos pueden montarse en el equipo móvil. Los controladores de motor más grandes se utilizan con los motores de bombeo de plantas hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo y pueden tener valores nominales de decenas de miles de caballos de fuerza (kilovatios). [2]
Los controladores de motores pueden operarse de forma manual, remota o automática. Pueden incluir únicamente los medios para arrancar y detener el motor o pueden incluir otras funciones. [3] [4] [5]
Un controlador de motor eléctrico se puede clasificar según el tipo de motor que debe accionar, como imán permanente , servo , serie, excitado por separado y corriente alterna .
Un controlador de motor está conectado a una fuente de energía, como una batería o una fuente de alimentación, y a un circuito de control en forma de señales de entrada analógicas o digitales.
Un motor pequeño se puede poner en marcha simplemente conectándolo a la fuente de alimentación. Un motor más grande requiere una unidad de conmutación especializada llamada arrancador de motor o contactor de motor. Cuando se activa, un arrancador directo en línea (DOL) conecta inmediatamente los terminales del motor directamente a la fuente de alimentación. En los motores más pequeños, un arrancador de motor es un interruptor operado manualmente; los motores más grandes, o aquellos que requieren control remoto o automático, utilizan contactores magnéticos. Los motores muy grandes que funcionan con fuentes de alimentación de media tensión (miles de voltios) pueden utilizar disyuntores de potencia como elementos de conmutación.
Un arrancador directo en línea (DOL) o de línea directa aplica el voltaje de línea completo a los terminales del motor. Este es el tipo más simple de arrancador de motor. Un arrancador de motor DOL a menudo contiene dispositivos de protección (ver a continuación) y, en algunos casos, monitoreo de condición. Los tamaños más pequeños de arrancadores directos en línea se operan manualmente; los tamaños más grandes utilizan un contactor electromecánico para conmutar el circuito del motor. También existen arrancadores directos en línea de estado sólido.
Se puede utilizar un arrancador directo en línea si la alta corriente de entrada del motor no provoca una caída excesiva de voltaje en el circuito de suministro. Por este motivo, la empresa de suministro puede limitar el tamaño máximo de un motor permitido en un arrancador directo en línea. Por ejemplo, una empresa de suministro puede exigir a los clientes rurales que utilicen arrancadores de voltaje reducido para motores de más de 10 kW. [6]
El arranque directo se utiliza a veces para poner en marcha bombas de agua pequeñas , compresores , ventiladores y cintas transportadoras . En el caso de un motor asíncrono, como el motor de jaula de ardilla trifásico , el motor consumirá una corriente de arranque alta hasta que alcance la velocidad máxima. Esta corriente de arranque suele ser entre 6 y 7 veces mayor que la corriente de carga completa. Para reducir la corriente de entrada, los motores más grandes tendrán arrancadores de voltaje reducido o variadores de velocidad para minimizar las caídas de voltaje en la fuente de alimentación.
Un arrancador inversor puede conectar el motor para que gire en cualquier dirección. Este tipo de arrancador contiene dos circuitos DOL: uno para el funcionamiento en el sentido de las agujas del reloj y el otro para el funcionamiento en el sentido contrario a las agujas del reloj, con enclavamientos mecánicos y eléctricos para evitar el cierre simultáneo. [6] En el caso de los motores trifásicos, esto se logra intercambiando los cables que conectan dos fases cualesquiera. Los motores monofásicos de CA y los motores de corriente continua a menudo se pueden invertir intercambiando dos cables, pero este no siempre es el caso.
Los arrancadores de motor que no son "DOL" conectan el motor a través de una resistencia para reducir el voltaje que reciben las bobinas del motor al arrancar. La resistencia para esto debe ser del tamaño del motor, y una fuente rápida para usar una buena resistencia es otra bobina en el motor, es decir, serie/paralelo. En serie da un arranque más suave y luego se cambia a paralelo para un funcionamiento a máxima potencia. Cuando esto se hace con motores trifásicos, se lo denomina comúnmente arrancador estrella-triángulo (EE. UU.: Y-delta). Los antiguos arrancadores estrella-triángulo se operaban manualmente y a menudo incorporaban un amperímetro para que la persona que operaba el arrancador pudiera ver cuándo el motor alcanzaba la velocidad por el hecho de que la corriente que consumía había dejado de disminuir. Los arrancadores más modernos tienen temporizadores incorporados para cambiar de estrella a triángulo y son configurados por el instalador eléctrico de la máquina. El operador de la máquina simplemente presiona un botón verde una vez y el resto del procedimiento de arranque está automatizado.
Un arrancador típico incluye protección contra sobrecarga, tanto eléctrica como mecánica, y protección contra arranques "aleatorios" (si, por ejemplo, la energía se ha apagado y acaba de volver). Un acrónimo para este tipo de protección es TONVR (sobrecarga térmica, sin liberación de voltaje). Insiste en que se presione el botón verde para arrancar el motor. El botón verde enciende un solenoide que cierra un contactor (es decir, un interruptor) para alimentar principalmente el motor. También alimenta el solenoide para mantener la energía encendida cuando se suelta el botón verde. En un corte de energía, el contactor se abre y se apaga solo. La única forma de arrancar el motor es presionando el botón verde. El contactor se puede activar rápidamente si el arrancador pasa una corriente muy alta debido a una falla eléctrica aguas abajo, ya sea en el cableado del motor o dentro del motor. La protección contra sobrecarga térmica consiste en un elemento calefactor en cada cable de alimentación que calienta una tira bimetálica. Cuanto más caliente esté la tira, más se desvía hasta el punto de empujar una barra de disparo que desconecta la energía del solenoide del contactor, apagando todo. Los protectores térmicos vienen en diferentes rangos de valores nominales y se deben elegir para que coincidan con el motor. Dentro del rango, son ajustables, lo que permite al instalador configurarlos correctamente para el motor en cuestión.
¿Qué tipo se utiliza para aplicaciones específicas? El DOL ofrece un arranque rápido, por lo que se utiliza más comúnmente con motores generalmente más pequeños. También se utiliza en máquinas con una carga desigual, como los compresores de pistón, en los que se necesita toda la potencia del motor para que el pistón supere la etapa de compresión, la etapa de trabajo real. El sistema estrella-triángulo se utiliza generalmente con motores más grandes o cuando el motor no tiene carga al arrancar, tiene muy poca carga o tiene una carga constante. Es especialmente adecuado para motores que impulsan maquinaria con volantes pesados, para que los volantes alcancen la velocidad necesaria antes de que la máquina se active y sea impulsada por el volante.
Los arrancadores de voltaje reducido o suaves conectan el motor a la fuente de alimentación a través de un dispositivo de reducción de voltaje y aumentan el voltaje aplicado gradualmente o en pasos. [3] [4] [5] Se pueden utilizar dos o más contactores para proporcionar un arranque de voltaje reducido de un motor. Al utilizar un autotransformador o una inductancia en serie , hay un voltaje más bajo presente en los terminales del motor, lo que reduce el par de arranque y la corriente de entrada. Una vez que el motor ha alcanzado una fracción de su velocidad de carga completa, el arrancador cambia a voltaje completo en los terminales del motor. Dado que el autotransformador o el reactor en serie solo transportan la corriente de arranque pesada del motor durante unos segundos, los dispositivos pueden ser mucho más pequeños en comparación con los equipos de clasificación continua. La transición entre voltaje reducido y voltaje completo puede basarse en el tiempo transcurrido o activarse cuando un sensor de corriente muestra que la corriente del motor ha comenzado a reducirse. Un arrancador de autotransformador fue patentado en 1908.
Los motores de inducción trifásicos más grandes pueden tener su potencia reducida dentro del motor. El motor arranca "DOL" con voltaje completo suministrado a las bobinas de campo de la parte exterior del motor ("estator"). La parte interior ("rotor") tiene una corriente inducida en ella para reaccionar una vez más con el campo magnético generado por el estator. Al dividir el rotor en partes y conectar eléctricamente estas partes a resistencias externas a través de anillos colectores y escobillas, así como contactores de control, se puede variar la potencia magnética del rotor, es decir, reducirla, para el arranque o el funcionamiento a baja potencia. Aunque es un proceso mucho más complejo, significa que las corrientes (cargas eléctricas) que se conmutan son significativamente menores que si se reduce la potencia de la alimentación principal del motor.
Una tercera forma de lograr un arranque progresivo muy suave es sumergir las varillas de resistencia en un líquido conductor (por ejemplo, mercurio) que tenga una capa de aceite aislante en la parte superior. A medida que se bajan las varillas, la resistencia se reduce gradualmente.
Un arrancador estrella-triángulo es otro tipo de arrancador de voltaje reducido en un motor de inducción. Un arrancador estrella-triángulo arrancará un motor con un devanado de estator conectado en estrella. Cuando el motor alcanza aproximadamente el 80 % de su velocidad de carga completa, comenzará a funcionar con un devanado de estator conectado en delta. Los arrancadores estrella-triángulo son de dos tipos. (1) Arrancador estrella-triángulo operado manualmente, (2) Arrancador estrella-triángulo automático.
El arrancador estrella-triángulo operado manualmente consta principalmente de un interruptor TPDP, que significa interruptor de triple polo y doble tiro. Este interruptor cambia el devanado del estator de estrella a delta. Durante la condición de arranque, el devanado del estator está conectado en forma de estrella. Ahora veremos cómo un arrancador estrella-triángulo reduce la corriente de arranque de un motor de inducción trifásico. [7]
La función anterior se logra mediante el uso de un contactor de potencia y un temporizador en un arrancador automático en estrella-triángulo. El arrancador automático en estrella-triángulo se fabrica a partir de tres contactores, un temporizador y un protector térmico. Los contactores son más pequeños que el contactor único utilizado en un arrancador directo en línea, ya que controlan solo las corrientes de bobinado. Las corrientes a través del bobinado son 1/raíz 3 (58%) de la corriente en la línea. Hay dos contactores que están cerrados durante el funcionamiento, a menudo denominados el contratista principal y el contactor en triángulo. Estos tienen una clasificación AC3 al 58% de la clasificación de corriente del motor. El tercer contactor es el contactor en estrella y solo transporta corriente en estrella mientras el motor está conectado en estrella. La corriente en estrella es un tercio de la corriente en delta, por lo que este contactor puede tener una clasificación AC3 a un tercio (33%) de la clasificación del motor. [8]
La transición de estrella a delta puede ser una transición abierta o una transición cerrada. Durante la transición abierta, el arrancador del motor se desconecta momentáneamente del motor y se vuelve a conectar en una configuración delta. En la transición cerrada, la transición de la configuración de estrella a delta se logra sin desconectar el motor. Para lograrlo, se requiere un contactor tripolar adicional y tres resistencias. [9]
Un variador de velocidad (ASD) o variador de velocidad (VSD) es una combinación interconectada de equipos que proporciona un medio para accionar y ajustar la velocidad de funcionamiento de una carga mecánica. Un variador de velocidad eléctrico consta de un motor eléctrico y un controlador de velocidad o convertidor de potencia, además de dispositivos y equipos auxiliares. En el uso común, el término "variador" se aplica a menudo solo al controlador. [4] [5] La mayoría de los ASD y VSD modernos también pueden implementar un arranque suave del motor. [10]
Un controlador de motor inteligente (IMC) utiliza un microprocesador para controlar los dispositivos electrónicos de potencia utilizados para el control del motor. Los IMC controlan la carga de un motor y, en consecuencia, adaptan el par del motor a la carga del motor. Esto se logra reduciendo el voltaje en los terminales de CA y, al mismo tiempo, reduciendo la corriente y los kvar . Esto puede proporcionar una medida de mejora de la eficiencia energética para los motores que funcionan con carga ligera durante gran parte del tiempo, lo que genera menos calor, ruido y vibraciones en el motor.
Un arrancador contendrá dispositivos de protección para el motor. Como mínimo, esto incluiría un relé de sobrecarga térmica. El relé de sobrecarga térmica está diseñado para abrir el circuito de arranque y, por lo tanto, cortar la energía al motor en caso de que el motor extraiga demasiada corriente de la fuente de alimentación durante un tiempo prolongado. El relé de sobrecarga tiene un contacto normalmente cerrado que se abre debido al calor generado por el exceso de corriente que fluye a través del circuito. Los relés de sobrecarga térmica tienen un pequeño dispositivo de calentamiento que aumenta su temperatura a medida que aumenta la corriente de funcionamiento del motor.
Existen dos tipos de relés de sobrecarga térmica. En un tipo, una tira bimetálica ubicada cerca de un calentador se desvía a medida que aumenta la temperatura del calentador hasta que hace que mecánicamente el dispositivo se dispare y abra el circuito, cortando la energía al motor si se sobrecarga. Un relé de sobrecarga térmica se adaptará a la breve y alta corriente de arranque de un motor y, al mismo tiempo, lo protegerá de manera precisa de una sobrecarga de corriente de funcionamiento. La bobina del calentador y la acción de la tira bimetálica introducen un retardo de tiempo que le da tiempo al motor para arrancar y estabilizarse en la corriente de funcionamiento normal sin que se dispare el relé de sobrecarga térmica. Los relés de sobrecarga térmica pueden reiniciarse de manera manual o automática según su aplicación y tienen un ajustador que permite configurarlos con precisión según la corriente de funcionamiento del motor.
Un segundo tipo de relé de sobrecarga térmica utiliza una aleación eutéctica , como una soldadura , para retener un contacto con resorte. Cuando pasa demasiada corriente a través del elemento calefactor durante demasiado tiempo, la aleación se derrite y el resorte libera el contacto, abriendo el circuito de control y apagando el motor. Dado que los elementos de aleación eutéctica no son ajustables, son resistentes a la manipulación casual, pero requieren cambiar el elemento de la bobina del calentador para que coincida con la corriente nominal del motor. [6]
También se pueden utilizar relés electrónicos digitales de sobrecarga que contienen un microprocesador , especialmente para motores de alto valor. Estos dispositivos modelan el calentamiento de los devanados del motor mediante el control de la corriente del motor. También pueden incluir funciones de medición y comunicación.
Los arrancadores que utilizan contactores magnéticos suelen obtener la alimentación de la bobina del contactor de la misma fuente que la del motor. Se utiliza un contacto auxiliar del contactor para mantener la bobina del contactor energizada después de que se haya dado la orden de arranque del motor. Si se produce una pérdida momentánea de la tensión de alimentación, el contactor se abrirá y no se cerrará de nuevo hasta que se dé una nueva orden de arranque. Esto evita que el motor vuelva a arrancar después de un corte de energía. Esta conexión también proporciona un pequeño grado de protección contra la baja tensión de alimentación y la pérdida de una fase. Sin embargo, dado que las bobinas del contactor mantendrán el circuito cerrado con tan solo el 80% de la tensión normal aplicada a la bobina, este no es un medio principal para proteger a los motores del funcionamiento con baja tensión. [6]
Se pueden añadir algunos dispositivos para que, durante una caída de tensión, el dispositivo mantenga el flujo de corriente suficiente para que la bobina de retención mantenga los contactos cerrados. El circuito está diseñado para permitir el paso de corriente a la bobina de retención en caídas de tensión de hasta un 15-25 %. [11]
Una vez restablecida la energía eléctrica (normalmente después de un retraso de 30 a 60 segundos), las secuencias de tiempo de los reinicios automáticos de varios motores se configuran para que comiencen automáticamente. [12]
Sin un cronograma secuencial, cualquier intento de reiniciar muchos motores simultáneamente podría provocar una falla total o parcial del suministro eléctrico en todo el sitio. [13] [14]
Los servocontroladores son una amplia categoría de control de motores. Las características comunes son:
Los servocontroladores utilizan la retroalimentación de posición para cerrar el bucle de control. Esto se implementa comúnmente con codificadores de posición , resolvers y sensores de efecto Hall para medir directamente la posición del rotor .
Otros métodos de retroalimentación de posición miden la fuerza contraelectromotriz en las bobinas no accionadas para inferir la posición del rotor o detectar el voltaje transitorio de retroceso (pico) que se genera siempre que se corta instantáneamente la alimentación de una bobina. Por lo tanto, estos métodos de control se denominan a menudo "sin sensores".
Un servomotor puede controlarse mediante modulación por ancho de pulso (PWM). El tiempo que el pulso permanece alto (normalmente entre 1 y 2 milisegundos) determina dónde intentará posicionarse el motor. Otro método de control es el pulso y la dirección.
Un motor paso a paso es un motor polifásico, sin escobillas, sincrónico y con un elevado número de polos. El control se realiza habitualmente, aunque no exclusivamente, en bucle abierto, es decir , se supone que la posición del rotor sigue un campo giratorio controlado. Por ello, el posicionamiento preciso con motores paso a paso es más sencillo y económico que los controles en bucle cerrado.
Los controladores de motores paso a paso modernos impulsan el motor con voltajes mucho más altos que el voltaje nominal de la placa de identificación del motor y limitan la corriente mediante cortes. La configuración habitual es tener un controlador de posicionamiento, conocido como indexador , que envía pulsos de paso y dirección a un circuito de control de voltaje más alto independiente que es responsable de la conmutación y la limitación de corriente.
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