Accionamiento por motor significa un sistema que incluye un motor. Un variador de velocidad ajustable significa un sistema que incluye un motor que tiene múltiples velocidades de operación. Un variador de velocidad es un sistema que incluye un motor y cuya velocidad varía continuamente. Si el motor genera energía eléctrica en lugar de utilizarla, esto podría denominarse accionamiento de generador, pero a menudo todavía se lo denomina accionamiento de motor.
Un variador de frecuencia (VFD) o un variador de velocidad (VSD) describe la parte electrónica del sistema que controla la velocidad del motor. De manera más general, el término accionamiento describe el equipo utilizado para controlar la velocidad de la maquinaria. Muchos procesos industriales, como las líneas de montaje, deben operar a diferentes velocidades para diferentes productos. Cuando las condiciones del proceso exigen un ajuste del flujo de una bomba o ventilador, variar la velocidad del variador puede ahorrar energía en comparación con otras técnicas de control de flujo.
Cuando las velocidades se pueden seleccionar entre varios rangos preestablecidos diferentes, generalmente se dice que la unidad es de velocidad ajustable . Si la velocidad de salida se puede cambiar sin pasos dentro de un rango, el variador generalmente se denomina velocidad variable .
Los accionamientos de velocidad regulable y variable pueden ser puramente mecánicos (denominados variadores ), electromecánicos, hidráulicos o electrónicos.
A veces, el accionamiento por 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 en el motor y la frecuencia del suministro de corriente alterna. Los motores de CA se pueden fabricar para operación de "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, serían 1800 RPM y 900 RPM. Si los cambios de velocidad son poco frecuentes, el motor se puede conectar inicialmente para una velocidad y luego volver a cablearse para la otra velocidad a medida que cambian las condiciones del proceso, o se pueden usar contactores magnéticos para cambiar entre las dos velocidades a medida que fluctúan las necesidades del proceso. Las conexiones de más de tres velocidades no son económicas.
El número de dichas velocidades de funcionamiento a velocidad fija está limitado por el coste a medida que aumenta el número 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 ajustando la corriente del campo en derivación. Otra forma de cambiar la velocidad de un motor de corriente continua es cambiar el voltaje aplicado a la armadura.
Un motor de velocidad ajustable puede consistir en 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 continuamente ajustable también podría denominarse "motor de velocidad ajustable". Los variadores de frecuencia basados en electrónica de potencia están haciendo rápidamente redundantes las tecnologías más antiguas.
El control de procesos y la conservación de energía son las dos razones principales para utilizar un variador de velocidad ajustable. Históricamente, los variadores de velocidad ajustable se desarrollaron para el control de procesos, pero la conservación de energía se ha convertido en un objetivo igualmente importante.
Un variador de velocidad ajustable a menudo puede proporcionar un funcionamiento más suave en comparación con un modo de funcionamiento alternativo de velocidad fija. Por ejemplo, en una estación de bombeo de aguas residuales, las aguas residuales normalmente fluyen a través de tuberías de alcantarillado bajo la fuerza de la gravedad hasta un pozo húmedo. Desde allí se bombea 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 produce frecuentes aumentos elevados de corriente eléctrica para arrancar los motores, lo que provoca tensiones electromagnéticas y térmicas en los motores y el equipo de control de energía, las bombas y tuberías están sujetas a tensiones mecánicas e hidráulicas y el proceso de tratamiento de aguas residuales. se ve obligado a adaptarse a los aumentos repentinos en el flujo de aguas residuales a lo largo del proceso. Cuando se utilizan variadores de velocidad ajustable, las bombas funcionan continuamente a una velocidad que aumenta a medida que aumenta el nivel del pozo húmedo. Esto hace coincidir el flujo de salida con el flujo de entrada promedio y proporciona un funcionamiento mucho más fluido del proceso.
Los ventiladores y bombas consumen gran parte de la energía utilizada por los motores eléctricos industriales. Cuando los ventiladores y las bombas atienden una carga de proceso variable, una forma sencilla de variar la cantidad de fluido entregada es con una compuerta o válvula en la salida del ventilador o la bomba, que por su mayor caída de presión, reduce el flujo 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 satisfacer la demanda y no se introducen pérdidas adicionales.
Por ejemplo, cuando un ventilador es accionado directamente por un motor de velocidad fija, el flujo de aire está diseñado para la demanda máxima del sistema y, por lo tanto, normalmente será mayor de lo necesario. El flujo de aire se puede regular mediante una compuerta , pero es más eficiente regular directamente la velocidad del motor del ventilador. Siguiendo las leyes de afinidad , para el 50% del flujo de aire, el motor de velocidad variable consume aproximadamente el 20% de la potencia de entrada (amperios). El motor de velocidad fija todavía consume aproximadamente el 85% de la potencia de entrada a la mitad del flujo.
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 pueden variar continuamente (ajustando la tasa de combustible o medios similares). Sin embargo, la eficiencia puede ser baja en los extremos del rango de velocidades y puede haber razones del sistema por las cuales la velocidad del motor primario no se puede mantener a velocidades muy bajas o muy altas.
Antes de que se inventaran los motores eléctricos, se utilizaban cambiadores 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 medios para controlar su velocidad. Hoy en día, en el mercado de accionamientos industriales compiten entre sí varios tipos de accionamientos mecánicos, hidráulicos y eléctricos.
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.
Las transmisiones de tracción transmiten potencia a través de rodillos metálicos que corren contra rodillos metálicos coincidentes. La relación de velocidad de entrada-salida se ajusta moviendo los rodillos para cambiar los diámetros de la ruta de contacto. Se han utilizado muchas formas de rodillos y diseños mecánicos diferentes.
Hay tres tipos de accionamientos hidráulicos, que son: 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 motor corresponde a un volumen establecido 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 cambiando el desplazamiento de la bomba o motor. Se han utilizado muchas variaciones de diseño diferentes. Una transmisión de plato oscilante emplea una bomba o motor de pistones axiales en el que el ángulo del plato oscilante se puede cambiar para ajustar el desplazamiento y así ajustar la velocidad.
Las transmisiones hidrodinámicas o los acoplamientos de fluido utilizan aceite para transmitir 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 consta de uno o más discos conectados a un eje de entrada presionados contra un disco similar o discos 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 embrague , como el embrague Hele-Shaw , o como variador de velocidad, como el engranaje de relación variable Beier .
Los variadores de velocidad ajustables mecánicos e hidráulicos suelen denominarse " transmisiones " o " transmisiones continuamente variables " cuando se utilizan en vehículos, equipos agrícolas y algunos otros tipos de equipos.
El control puede ser ajustable manualmente, mediante un potenciómetro o un dispositivo de efecto Hall lineal (que es más resistente al polvo y la grasa), o también puede controlarse automáticamente, por ejemplo, mediante el uso de un detector rotacional como un óptico de código Gray. codificador.
Hay tres categorías generales de accionamientos eléctricos: accionamientos por motores de CC , accionamientos por corrientes parásitas y accionamientos por motores de CA. Cada uno de estos tipos generales se puede dividir 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 motor. En los inicios de la tecnología de propulsión eléctrica, se utilizaban sistemas de control electromecánicos. Posteriormente, se diseñaron controladores electrónicos utilizando varios tipos de tubos de vacío. A medida que se dispuso 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 del inducido e inversamente proporcional al flujo del motor (que es una función de la corriente de campo), se puede utilizar el voltaje del inducido o la corriente de campo para controlar la velocidad.
Un accionamiento por corrientes parásitas (a veces llamado "accionamiento dinámico", en honor a una de las marcas más comunes) consta de un motor de velocidad fija (generalmente un motor de inducción ) y un embrague de corrientes parásitas. 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 regulación de velocidad de circuito cerrado al variar la corriente del embrague, permitiendo que el embrague solo transmita suficiente torque para operar a la velocidad deseada. La retroalimentación de velocidad generalmente se proporciona a través de un tacómetro de CA integral.
Los accionamientos por corrientes parásitas son sistemas controlados por deslizamiento cuya energía de deslizamiento se disipa necesariamente en forma de calor. Por lo tanto, tales unidades son generalmente menos eficientes que las unidades basadas en conversión CA/CC-CA . El motor desarrolla el par requerido por la carga y funciona a máxima velocidad. El eje de salida transmite el mismo par a la carga, pero gira a menor velocidad. 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 llama velocidad de deslizamiento . La potencia proporcional a la velocidad de deslizamiento multiplicada por el par de funcionamiento se disipa en forma de calor en el embrague. Si bien ha sido superado por el variador de frecuencia en la mayoría de las aplicaciones de velocidad variable, el embrague de corrientes parásitas todavía se usa a menudo para acoplar motores a cargas de alta inercia que se detienen y arrancan con frecuencia, como prensas estampadas, transportadores y maquinaria de elevación. y algunas máquinas herramienta de mayor tamaño, que permiten un arranque gradual, con menos mantenimiento que un embrague mecánico o una transmisión hidráulica.
Los variadores de velocidad de CA son sistemas de control de velocidad de motores de CA.
Un motor de inducción de rotor bobinado controlado por deslizamiento (WRIM) controla la velocidad variando el deslizamiento del motor a través de los anillos colectores del rotor, ya sea recuperando electrónicamente la potencia de deslizamiento devuelta al bus del estator o variando la resistencia de las resistencias externas en el circuito del rotor. Junto con las unidades de corrientes parásitas, las unidades WRIM basadas en resistencia han perdido popularidad porque son menos eficientes que las unidades WRIM basadas en CA/CC-CA y se usan 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 al suministro del estator. De lo contrario, dicha energía recuperada se desperdiciaría en forma de calor en unidades WRIM basadas en resistencia. Los accionamientos de velocidad variable con recuperación de energía de deslizamiento se utilizan en aplicaciones como grandes bombas y ventiladores, turbinas eólicas, sistemas de propulsión a bordo, grandes hidrobombas y generadores 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 CA/CC-CA (es decir, que consisten en un rectificador, un motor de CC y un generador de CA) se denominan variadores Kramer , y los sistemas más recientes que utilizan variadores de frecuencia (VFD) se denominan estáticos. Kramer conduce .
En general, un VFD en su configuración más básica controla la velocidad de un motor síncrono o de inducción ajustando la frecuencia de la potencia suministrada al motor.
Al cambiar la frecuencia del VFD en aplicaciones estándar de par variable de bajo rendimiento que utilizan el control Volt-per-Hertz (V/Hz) , la relación voltaje-frecuencia del motor de CA se puede mantener constante y su potencia se puede variar entre el mínimo y frecuencias máximas de funcionamiento hasta una frecuencia base. El funcionamiento con 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 reacondicionamiento) y devolverla al sistema de energía.