Un controlador de motor es un dispositivo o grupo de dispositivos que pueden coordinar de manera predeterminada el desempeño de un motor eléctrico . [1] Un controlador de motor podría 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 motores pueden usar conmutación electromecánica o pueden usar dispositivos electrónicos de potencia para regular la velocidad y dirección de un motor.
Los controladores de motor se utilizan tanto con motores de corriente continua como de corriente alterna. Un controlador incluye medios para conectar el motor al suministro de energía 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 voltaje de suministro bajo, polaridad incorrecta o secuencia de fases incorrecta, o temperatura alta del motor. Algunos controladores de motor limitan la corriente de arranque de entrada, lo que permite que el motor se acelere y conecte la carga mecánica más lentamente que una conexión directa. Los controladores de motor pueden ser manuales, lo que requiere que un operador secuencia 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. Para 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 del 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 el control de velocidad usando dispositivos electrónicos de potencia o Cambiadores de frecuencia electromecánicos.
El diseño físico y el embalaje de los controladores de motores son tan variados como los de los propios motores eléctricos. Un interruptor de palanca montado en la pared con clasificaciones adecuadas puede ser todo lo que se necesita para un ventilador doméstico. Las herramientas eléctricas y los electrodomésticos pueden tener un interruptor 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 . En el equipo móvil podrán montarse controladores para grúas puente eléctricas o vehículos eléctricos. Los controladores de motor más grandes se utilizan con los motores de bombeo de las plantas hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo y pueden tener potencias de decenas de miles de caballos de fuerza (kilovatios). [2]
Los controladores de motor pueden operarse de forma manual, remota o automática. Pueden incluir sólo 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, excitación separada 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.
Se puede arrancar un motor pequeño simplemente conectándolo a la corriente. Un motor más grande requiere una unidad de conmutación especializada llamada arrancador de motor o contactor de motor. Cuando se energiza, un arrancador de línea directa (DOL) conecta inmediatamente los terminales del motor directamente a la fuente de alimentación. En tamaños 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 a través de línea aplica todo el voltaje de línea 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 más abajo) y, en algunos casos, monitoreo de condición. Los arrancadores directos en línea de menor tamaño se accionan manualmente; Los tamaños más grandes utilizan un contactor electromecánico para cambiar el circuito del motor. También existen arrancadores en línea directos de estado sólido.
Se puede utilizar un arrancador directo en línea si la alta corriente de entrada del motor no causa una caída excesiva de voltaje en el circuito de suministro. Por este motivo, el tamaño máximo de un motor permitido en un arrancador directo en línea puede estar limitado por la empresa de suministro. Por ejemplo, una empresa de servicios públicos puede exigir a los clientes rurales que utilicen arrancadores de voltaje reducido para motores de más de 10 kW. [6]
El arranque DOL se utiliza a veces para arrancar pequeñas bombas de agua , compresores , ventiladores y cintas transportadoras . En el caso de un motor asíncrono, como el motor trifásico de jaula de ardilla , el motor consumirá una corriente de arranque alta hasta que alcance la velocidad máxima. Esta corriente de arranque suele ser de 6 a 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 ajustable para minimizar las caídas de voltaje en la fuente de alimentación.
Un arrancador inversor puede conectar el motor para que gire en cualquier dirección. Un arrancador de este tipo contiene dos circuitos DOL, uno para funcionamiento en el sentido de las agujas del reloj y otro para funcionamiento en el sentido contrario a las agujas del reloj, con enclavamientos mecánicos y eléctricos para evitar el cierre simultáneo. [6] Para motores trifásicos, esto se logra intercambiando los cables que conectan dos fases cualesquiera. Los motores de CA monofásicos y los motores de corriente continua a menudo se pueden invertir intercambiando dos cables, pero no siempre es así.
Los arrancadores de motor distintos del '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 dimensionarse según el motor, y una fuente rápida para usar una buena resistencia es otra bobina en el motor, es decir, en serie/paralelo. En serie ofrece un arranque más suave y luego se cambia a paralelo para funcionar a máxima potencia. Cuando esto se hace con motores trifásicos, comúnmente se le llama arrancador estrella-triángulo (EE.UU.: Y-triángulo). 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 estaba acelerado 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 los configura el instalador eléctrico de la máquina. El operador de la máquina simplemente presiona un botón verde una vez y el resto del procedimiento de inicio se automatiza.
Un arrancador típico incluye protección contra sobrecarga, tanto eléctrica como mecánica, y protección contra arranques "aleatorios", si, por ejemplo, se cortó la energía y acaba de volver. Un acrónimo para este tipo de protección es TONVR - Thermal Overload, No Volt Release. Insiste en que se presione el botón verde para arrancar el motor. El botón verde activa un solenoide que cierra un contactor (es decir, un interruptor) para alimentar principalmente el motor. También alimenta el solenoide para mantener la alimentación encendida cuando se suelta el botón verde. En caso de corte de energía, el contactor se abre apagándose y apagando el motor. La única manera de arrancar el motor es presionando el botón verde. El contactor puede dispararse 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 consta de un elemento calefactor en cada cable de alimentación que calienta una tira bimetálica. Cuanto más caliente está la tira, más se desvía hasta el punto de empujar una barra de disparo que desconecta la alimentación del solenoide del contactor, apagando todo. Las sobrecargas térmicas vienen en diferentes rangos 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 determinado.
¿Qué tipo para aplicaciones específicas? 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 compresores de pistón, donde se necesita toda la potencia del motor para que el pistón pase la etapa de compresión, la etapa de trabajo real. Estrella-triángulo se utiliza generalmente con motores más grandes o cuando el motor no tiene carga al arrancar, tiene muy poca carga o una carga constante. Es particularmente adecuado para motores que accionan maquinaria con volantes pesados, para acelerar los volantes antes de que la máquina se engrane y sea accionada por el volante.
Los arrancadores suaves o de voltaje reducido conectan el motor a la fuente de alimentación a través de un dispositivo reductor de voltaje y aumentan el voltaje aplicado gradualmente o en pasos. [3] [4] [5] Se pueden usar 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 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 máxima, el arrancador cambia a voltaje total en los terminales del motor. Dado que el autotransformador o el reactor en serie solo transporta la intensa corriente de arranque del motor durante unos segundos, los dispositivos pueden ser mucho más pequeños en comparación con los equipos de potencia continua. La transición entre voltaje reducido y máximo puede basarse en el tiempo transcurrido o activarse cuando un sensor de corriente muestra que la corriente del motor ha comenzado a reducirse. En 1908 se patentó un arrancador con autotransformador .
¡Los motores de inducción trifásicos más grandes pueden ver reducida su potencia dentro del motor! El motor arranca 'DOL' con tensión total suministrada 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 mediante anillos colectores y escobillas, así como contactores de control, se puede variar la potencia magnética del rotor, es decir, reducirla, para arranque o funcionamiento con baja potencia. Aunque es un proceso mucho más complejo, significa que las corrientes (cargas eléctricas) que se conmutan son significativamente menores que si se redujera la potencia a 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 tensión reducida 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 total, comenzará a funcionar en un devanado del estator conectado en triángulo. Star Delta Starter son dos tipos. (1) Arrancador estrella-triángulo operado manualmente, (2) estrella-triángulo automático.
El arrancador estrella-triángulo de operación manual consta principalmente de un interruptor TPDP que significa interruptor triple polar de doble tiro. Este interruptor cambia el devanado del estator de estrella a triángulo. Durante el 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 estrella-triángulo. El arrancador automático estrella triángulo se fabrica a partir de tres contactores, un temporizador y un sobrecargador térmico. Los contactores son más pequeños que el contactor único utilizado en un arrancador directo en línea, ya que solo controlan las corrientes del devanado. Las corrientes a través del devanado son 1/raíz 3 (58%) de la corriente en la línea. Hay dos contactores que están cerca durante el funcionamiento, a menudo denominados contratista principal y contactor delta. Estos tienen una clasificación AC3 al 58% de la clasificación actual 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 triángulo, 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 de motor se desconecta momentáneamente del motor y se vuelve a conectar en configuración delta. En transición cerrada, la transición de la configuración estrella a la delta se logra sin desconectar el motor. Para ello se necesitan un contactor tripolar adicional y tres resistencias. [9]
Un variador de velocidad ajustable (ASD) o un variador de velocidad (VSD) es una combinación interconectada de equipos que proporciona un medio para conducir y ajustar la velocidad de operación de una carga mecánica. Un variador eléctrico de velocidad ajustable 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 "unidad" se aplica a menudo sólo 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 monitorean la carga de un motor y, en consecuencia, hacen coincidir el par del motor con la carga del motor. Esto se logra reduciendo el voltaje a 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 motores que funcionan con carga ligera durante gran parte del tiempo, lo que resulta en menos calor, ruido y vibraciones generadas por el motor.
Un arrancador contendrá dispositivos de protección para el motor. Como mínimo, esto incluiría un relé de sobrecarga térmica. La sobrecarga térmica está diseñada para abrir el circuito de arranque y así cortar la energía al motor en caso de que el motor consuma demasiada corriente del suministro 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 sobrecargadores térmicos tienen un pequeño dispositivo de calentamiento que aumenta de temperatura a medida que aumenta la corriente de funcionamiento del motor.
Hay 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 mecánicamente hace que el dispositivo se dispare y abra el circuito, cortando la energía al motor en caso de que se sobrecargue. Una sobrecarga térmica se adaptará a la breve corriente de arranque alta de un motor y al mismo tiempo lo protegerá con precisión de una sobrecarga de corriente de funcionamiento. La bobina del calentador y la acción de la tira bimetálica introducen un retraso que le da tiempo al motor para arrancar y estabilizarse en la corriente de funcionamiento normal sin que se dispare la sobrecarga térmica. Las sobrecargas térmicas pueden restablecerse manual o automáticamente según su aplicación y tienen un ajustador que permite configurarlas 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 accionado por resorte. Cuando pasa demasiada corriente a través del elemento calefactor durante demasiado tiempo, la aleación se funde 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 manipulaciones casuales, 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 de sobrecarga digitales electrónicos que contienen un microprocesador , especialmente para motores de alto valor. Estos dispositivos modelan el calentamiento de los devanados del motor monitoreando la corriente del motor. También pueden incluir funciones de medición y comunicación.
Los arrancadores que utilizan contactores magnéticos generalmente obtienen el suministro de energía para la bobina del contactor de la misma fuente que el suministro del motor. Se utiliza un contacto auxiliar del contactor para mantener la bobina del contactor energizada después de que se haya liberado el comando de arranque del motor. Si ocurre una pérdida momentánea de voltaje de suministro, el contactor se abrirá y no se volverá a cerrar hasta que se dé una nueva orden de arranque. Esto evita que el motor se reinicie después de un corte de energía. Esta conexión también proporciona un pequeño grado de protección contra baja tensión de alimentación y pérdida de fase. Sin embargo, dado que las bobinas del contactor mantendrán el circuito cerrado con tan solo el 80% del voltaje normal aplicado a la bobina, este no es un medio principal para proteger los motores contra el funcionamiento con bajo voltaje. [6]
Se pueden agregar algunos dispositivos para que, durante una caída de voltaje, el dispositivo mantenga el flujo de corriente suficiente para que la bobina de retención mantenga los contactos cerrados. El circuito está diseñado para permitir corriente a la bobina de retención para caídas de voltaje de hasta 15-25% de voltaje. [11]
Después de que se haya restablecido la energía eléctrica (normalmente después de un retraso de 30 a 60 segundos), las secuencias de tiempo de los reinicios automáticos de múltiples motores se configuran para que comiencen automáticamente. [12]
Sin un cronograma secuenciado, cualquier intento de reiniciar muchos motores simultáneamente podría provocar una falla eléctrica parcial o total en todo el sitio. [13] [14]
Los servocontroladores son una amplia categoría de control de motores. Las características comunes son:
Los servocontroladores utilizan retroalimentación de posición para cerrar el circuito de control. Esto se implementa comúnmente con codificadores de posición , resolutores y sensores de efecto Hall para medir directamente la posición del rotor .
Otros métodos de retroalimentación de posición miden la fuerza electromagnética inversa en las bobinas no accionadas para inferir la posición del rotor, o detectar el transitorio (pico) de voltaje de retroceso que se genera cada vez que la energía a una bobina se apaga instantáneamente. Por ello, a menudo se les llama métodos de control "sin sensores".
Un servo se puede controlar mediante modulación de 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 síncrono, sin escobillas, de alto número de polos. El control se realiza habitualmente, pero no exclusivamente, en bucle abierto, es decir , se supone que la posición del rotor sigue un campo giratorio controlado. Debido a esto, el posicionamiento preciso con motores paso a paso es más simple y económico que los controles de circuito cerrado.
Los controladores paso a paso modernos impulsan el motor con voltajes mucho más altos que el voltaje nominal de la placa del motor y limitan la corriente mediante corte. La configuración habitual es tener un controlador de posicionamiento, conocido como indexador , que envía pulsos de paso y dirección a un circuito impulsor de voltaje superior separado que es responsable de la conmutación y la limitación de corriente.
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