VI.Accionamientos Elctricos de Velocidad VariableProf.: Fabricio Salgado D.1. Control escalar o voltajefrec!encia". Control vectorial#. Control directo del $arClasificaci%n general de los accionamientos elctricos si se divide la evol!ci%n en m&'!inas de c.d. ( c.a.1. Control escalar o control Voltaje-Frecuencia (v/f)Estrategia decontrol conla '!e) mediante !na variaci%n del voltaje ( la frec!encia de las se*ales de voltaje con '!e se alimenta el al motor) se $!ede controlar la velocidad ( el $ar de la m&'!ina.+a forma de controlar la velocidad de sincron,a del motor es mediante las variacionesenlafrec!enciadelvoltajeestator)($araelcontroldel$ar electromagntico se reg!la a magnit!d del voltaje ( la frec!encia en las terminales del estator.Este es'!ema $resenta la ventaja de $oder o$erar en la-o abierto sin !n sensordevelocidad.Sinembargo$resentadesventajasim$ortantes debido a '!e des$recia las ca,das de tensi%n en la m&'!ina $or lo '!e a frec!enciasdeo$eraci%nbajasel$arnoess!ficiente$aravencerla inercia ( se tiene '!e calc!lar con voltaje de com$ensaci%n '!e de$ende del ti$o de carga.1. Control vectorial.cnicadecontrol$ro$!esta$orF./las01e(2.3ass.Permitela o$eraci%ndelmotordeind!cci%nentodoelrangodevelocidadconla $osibilidadde$oderdes$la-aralosaccionamientosdemotoresde corrientecontin!a$orelcontroldelosmotoresdeind!cci%n)teniendo !na din&mica similar.Est&nbasadosenlaorientaci%ndelcam$omagnticode!nam&'!ina enejesdereferenciarotatorios)$ermitiendodesaco$larelfl!jo magnticodelrotordel$arelectromagnticoobtenindose!n com$ortamientodin&micosemejantealdelam&'!inadecorriente directa.En la fig!ra 4.1 se observa la analog,a entre control vectorial ( el control de !na m&'!ina de corriente directa.En la fig!ra 4.1 la corriente Ids es an&loga a la corriente de cam$o ( la com$onente Iqs corres$onde a la corriente de armad!ra de la m&'!ina de corriente directa.En el control vectorial e5isten dos mtodos:Mtodos directos: de orientaci%n de cam$o '!e em$lean sensores de fl!jo o modelos) !tili-ados $ara calc!lar la magnit!d ( $osici%n del vector de fl!jo del rotor ( de esta forma reali-ar s! orientaci%n en !n sistema de coordenadas ortogonales.MtodosIndirectos:losc!alesem$leanlavelocidadde desli-amiento $ara obtener la $osici%n del fl!jo del rotor ( reali-ar s! orientaci%n. 1. Control directo del par6tododecontroldemotoresdeaccionamientosdec.a.'!e$ermite controlarcon$recisi%nlavelocidad(el$ardelmotorsinelem$leode !natcnicademod!laci%n)em$leandosolamente!natablade selecci%n.En el D.C se !tili-an como variables controladas el fl!jo de estator ( el $ar electromagntico) ( en !n es'!ema de D.C es com7n el em$leo de $rocesadoresdese*alesdigitalesdealtavelocidad8DSP9'!e$!eden act!ali-ar los c&lc!los del estado del motor.Se $!ede ver claramente '!e el desarrollo tecnol%gico se basa en $oder desaco$laralmotordec.a.)$ara$odercontrolardemanera inde$endiente el $ar electromagntico ( el fl!jo del estator o del rotor del motor.El control vectorial logra el desaco$le del motor a travs del em$leo de !n modelo rotatorio de la m&'!ina) mientras '!e el D.C consig!e estedesaco$leem$leandolosvoltajes'!ealimentanalmotorlos c!ales son generados en el inversor.Enlaact!alidadse0an$ro$!estovariastcnicas'!e$ermiten desaco$lar el accionamiento elctrico a travs del control.En el est!dio de los accionamientos elctricos de velocidad variable) elcom$ortamientomec&nicodelmotorcomoeldelacargaesm!( im$ortante(sereali-a!sandolacaracter,sticamec&nica8$arvelocidad9..eniendoestacaracter,sticase$!edeanali-arel com$ortamiento de la carga ( del motor.VII.1Accionaiento !lctrico de Velocidad Varia"le para Motores de Inducci#nAcontin!aci%nse$resentalaevol!ci%ndedic0os accionamientosas,comolasestrategias'!ese0anem$leado $ara$odermodificarlavelocidaddeo$eraci%ndelmotorde ind!cci%n.Seiniciaconalg!nas$ro$!estas'!eintentanmodificaralg!nos $ar&metroselementales'!etieneninferenciasobrelacurva mecnica del motor de ind!cci%n) como es modificar el n7mero de $olos o el valor de la resistencia del rotor como oc!rre en el motor de ind!cci%n del ti$o de anillos desli-antes.Des$!sse!tili-aronmetodolog,ascomolaelectrnicade potencia ( los sistemas de control) los c!ales $ermiten modificar las caracter,sticas en rangos am$lios del es$ectro de velocidad. D!ranteelf!ncionamientoenvacodelmotordeind!cci%n)s! velocidadsea$ro5imaalavelocidads,ncronamientras'!een o$eraci%nnominalsetienencondicionesdedesli-amientocon valores m!( bajos) $ara mantener valores de eficiencia elevados.p fn120+a velocidad sncrona se $!ede alterar si se cambia el n7mero de $olosdelam&'!ina)enla'!elavelocidads,ncronanes inversamente $ro$orcional al n7mero de $olos de la m&'!ina) p.Elcambiodelnmerodepolossereali-adeforma$r&ctica cambiandolascone5ionesdelasbobinasdeldevanadodeestator. Paraestose!sandevanadosdistintoslosc!alesseembobinan $aradiferentesn7merosde$olos:!ndevanadose!sa$ara!na velocidad ma(or ( otro $ara !na velocidad menor.+os motores '!e se !san $ara cambio de $olos se $!eden dise*ar deforma'!e$oseancaracter,sticasdepar-velocidadsimilaresa las '!e tienen c!al'!iera de las c!atro clases de $!MA de motores 8A)/)C(D9normalmentedelti$oja!laardilla)$ara'!estosse $!edan !sar $ara los distintos ti$os de carga.Porcom$licacionesin0erentesaldise*odecone5ionesnose recomiendatenerm&sdedosvelocidadesal!sarstemtodo: adem&s'!esere'!ierede!nestatormodificado'!eelevael costodedise*odelmotor($!edevariarlaeficienciademanera considerable.) 30 . 5 (Donde n es la velocidad s,ncrona) p es el n7mero de $olos ( f es la frec!encia s,ncrona. VII.%Control por Variaci#n de la &esistencia del &otorEstemtodose0a!tili-ado$aramotoresde0asta4;;0$)(se a$licaal6.I.derotordevanado!sandoresistenciasexternas '!e $!eden ser conectadas en el devanado del rotor $or medio de anillosdesli-antesenlasterminalesdelrotor'!ee5istens%loen los 6.I. del ti$o rotor devanado o anillos como lo m!estra la fig!ra 4.##'!e$resenta!nmotordeind!cci%nderotordevanadocon resistencia e5terna.) 31 . 5 () (max ext wR R S + rotor. del devanado al te e5ternamen conecta se '!e fase $or a resistenci rotor. del devanado del fase $or a resistencim&5imo. $ar al nto desli-amie donde:::maxextwRRSComosesabe)eldesli-amientoalc!aloc!rreel$arm&5imoes directamenteproporcionalalaresistenciadelrotor)$orlo'!ese $!ede a$ro5imar mediante la sig!iente e5$resi%n:Si se desea !n alto arran'!e) el valor de la resistencia se $!ede escoger deforma'!eel$arm&5imoseac!andoelmotorest&enestado estacionario) es decir) c!ando el desli-amiento sea ig!al a la !nidad.+a desventaja '!e se tiene al em$lear este mtodo de control es '!e se obtiene!naeficienciabajaavelocidadesred!cidasdebidoalalto desli-amiento '!e e5iste. Estemtodoesace$tableena$licacionesdondelao$eraci%nabaja velocidadre$resenta!nbajoporcentajedeltrabajototal8ventiladores) accionamientos de bombas ( accionamiento de gr7as9.VII.'Control del Voltaje de ()neaEn!n6.I.)el$ardesarrolladoesproporcionalalc!adradodel voltaje en s!s terminales.Enelcasode'!eelrotoraccione!nacargadeventilador)la velocidaddeste$!edevariarseen!nrango'!evaden1an2 cambiando del voltaje de l,nea.Se $!ede variar el voltaje en las terminales es !tili-ando !n auto-transformador3derelaci%ndetransformaci%nvariable)o mediante!ncontroladordeestadoslido.+adiferenciaentre estas es '!e en el $rimer caso la alimentaci%n es senoidal.El controlador de estado s%lidose !sa generalmente en motores ja!ladeardilladepequeapotencialosc!alesaccionan ventiladorescomocargas.Pararanpotenciaesnecesario colocar!nfiltrodeentrada$araevitar'!e!nagrancantidadde armnicos de corriente fl!(a a travs de la l,nea de alimentaci%n.+ao$eraci%nb&sicadelcontroladordevoltajeatiristoreses'!e senecesita!nasealdemando$ara'!elostiristoressean dis$aradosa!nnuloespecfico)(conestoselograobtener !nvoltajereg!ladoenlasterminalesdelmotor$aralograr!na velocidad es$ec,fica.Paraobtener!nan!evavelocidaddeo$eraci%nsolosecambia lasealdemando(conestocambiatambinel&ng!lode dis$arodelostiristores($orconsig!ienteseobtiene!nn!evo voltaje en las terminales del motor.Sisenecesita!ncontrol$recisodevelocidadnoserecomienda lao$eraci%nenla-oabiertodeesteti$odecontrol)ens!l!gar !tili-ar !n control en la!o cerrado."ontrol en la!o cerrado#A la entrada del la-o se coloca la se*al de referencia de la velocidad) si lavelocidadact!aldelmotordismin!(eel&ng!lodedis$arodelos tiristoresdismin!(e$rovocando!nincrementodelvoltajeenlos terminales del motor.Elincrementodeladiferenciaentreelvoltajeenlasterminales(dela femdelmotorincrementalacorriente)(deestaformaseincrementael $ar desarrollado corrigindose as, la ca,da de la velocidad. se $resenta !n controlador de voltaje de estado s%lido) $ara cambiar el voltaje en terminales del estator.VII.*+peraci#n a Frecuencia de ,esli-aiento Constante2 1f f fn t Para !na o$eraci%n eficiente del 6.I. es deseable !na frec!encia dedesli-amientofija.Seobtiene!naeficienciaalta(!nalto factorde$otenciasilafrec!enciadedesli-amientosemantiene $ordebajodelafrec!enciadelcirc!itodelrotor)alac!alse desarrolla el $ar m&5imo. En la fig!ra 4.#? la se*alfn 8frec!encia de velocidad del motor9) ( se s!ma o resta la frec!encia f2, 8frec!encia de desli-amiento o del circ!itodelrotor9.Deestaformaseobtendr&lafrec!enciaf1 8frec!encia del estator9.84.##9 +as!madef2(fn0ar& '!elam&'!inaf!ncione como motor. +arestadef2(fn $rovocar&laacci%nde frenadoregenerativoen lam&'!inac!andosta cambia de rgimen a ser !n enerador.VII.. Control de velocidad de la-o cerrado)adem&ssisee5aminaelvoltajedefasese$!edever'!e este dib!ja !na tra(ectoria de seis pasos2 de a0, s! nombre.Parasim$lificarelan&lisisdelatcnicadeseis$asos)sin$erder generalidadseem$leancargaspuramenteresistivas(se$!edenver comodivisoresdevoltaje)l!egoestose$!edee5$andir$araan&lisis del com$ortamiento del motor de ind!cci%n trif&sico.Porestolasformasdeondadelascorrientesencadafaseson determinadas$oreltipodecara(soninde$endientesdeldis$ositivo de $otencia) ( s%lo $!eden afectar d!rante el instante de la conm!taci%n.+aformadeonda delacorrienteen cadafase se $!ededefinir $or el efectodelossemiconductoresd!rantelosintervalosdeconm!taci%n)( las formas e5$onenciales '!e de manera $redominante son generadas $or los escalones del voltaje a$licados) mientras '!e lasformas de onda de losvoltajesdelneaenlacargatienen!naltocontenidodearm%nicos '!ese$!edea$reciarem$leandodescom$osici%nenseriede,ourier del voltaje de la fase) la '!e est& e5$resada de la sig!iente manera:

,_+ + +

+ + + .... sen13131sen111117 sen715 sen51sen2t tt t t V Vd AN d d RMS LV V V 78 . 0 ) 2 / 3 )( / 4 )( 2 / () ( ,! , , "n n # 3 2 1 1 6 t d V # Vd RMS L) / 78 . 0 () (endondeVdeselvoltajedelb!sdec.d.(3eslafrec!enciaang!lar com$onente f!ndamental.Deladescom$osici%n$orFo!rierse$!edeobservar'!enose enc!entran $resentes los arm%nicos de tercer orden ni m7lti$los de stos) as, como tam$oco est&n $resentes en los voltajes de l,nea.+aam$lit!ddelvoltajedel,nea$aralacom$onentef!ndamentalest& definida $or: as,comolaam$lit!ddelvalorA6S)del,neaconres$ectoalos arm%nicos se $!ede obtener a $artir dedondeC!ando !n 6.I. es alimentado con !na f!ente de voltaje de seis pasos) lasformasdeondadelascorrientestienen!ncontenidodearm%nicos a$reciable) el c!al influ'e en el comportamiento del motor.+os armnicos en la corriente cons!mida $or el motor son filtrados $or laind!ctanciadelam&'!ina.Enconsec!enciaaaltasfrec!enciasde alimentaci%n)cercaoporencimadelafrecuencianominal)las reactanciasdelam&'!inasongrandes(losarm%nicosenlaformade onda de la corriente se 0an red!cido en forma a$reciable.Abajasfrecuencias)estasit!aci%nem$eora)ca!sando$roblemasde calentamientodelam&'!ina.+a$resenciadelquinto's$ptimo armnicodecorriente$rovoca'!ereaccionenconelfl!jo$rinci$aldel entre0ierro $rod!ciendo !n arm%nico de $ar $!lsante de sexto orden de sec!encia $ositiva) el c!al ca!sa vibraciones en el movimiento del rotor a velocidades bajas) lo c!al em$eora la o$eraci%n del motor.VII.11Inversor :;M 19lase*aldereferencia)detalmanera'!e alg!nasdelasinterseccionesentrelareferencia(la$ortadorase eliminen)logr&ndoseconesto!nasealmoduladacon!naformade onda semejante a la onda de salida del inversor de seis $asos.Si el ,ndice de mod!laci%n contin7a increment&ndose) se $!ede alcan-ar la o$eraci%n del inversor de seis $asos. Esta forma de o$eraci%n 0ace '!e el voltaje de salida f!ndamental se incremente) $ero con la $resencia de la formadeondadeseis$asosseintrod!cir&ncom$onentesdevoltajes arm%nicos como (a se 0ab,a tratado anteriormente.Comose0a$lanteado)conlasdostcnicasdecontroldelinversor e5$!estasse$!edeverclaramente'!elaideab&sicademejoradelas tcnicas de PB6 $arte de $oder tener !na menor distorsi%n arm%nica de lasse*ales'!esegeneran)as,como!nmejora$rovec0amientodela f!ente de c.d. ( es $or esta ra-%n '!e se reali-an constantemente mejoras en las tcnicas de mod!laci%n siendo !na de las m&s novedosas el PB6 $or vectores es$acial.VII.1%Medici#n de la ,istorsi#n Ar#nica2 1"... 3 " 2211

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xnnVVT$%A contin!aci%n se $resentan alg!nos mtodos $ara la medici%n del nivel de arm%nicos.+adistorsintotalarmnicaes!namedidadelasimilit!dentrela forma de onda ( s! com$onente f!ndamental ( est& definida como:) 40 . 5 (El valor THD $ro$orciona el contenido armnico total) $ero no indica el nivel de cada !no de s!s com$onentes. Sienlasalidadelosinversoresse!tili-a!nfiltro)losarm%nicosde ordenm&saltoseatenuarn.Porlotanto)res!ltaim$ortanteconocer tanto la frec!encia como la magnit!d de cada com$onente.2 1"... 3 " 2221111]1

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xnnnVV%&) 42 . 5 (21n VV%&nn Por lo tanto) el valor 4, es !na medida de la eficacia en la red!cci%n de lascom$onentesarm%nicasnodeseadas)sinnecesidaddees$ecificar valores de !n filtro de carga de seg!ndo orden) ( se define como:) 41 . 5 (Elfactor de distorsi#nindica la cantidad de ladistorsi%n arm%nica '!e '!eda en !na forma de onda particular des$!s de '!e las arm%nicas de esaformadeonda0a(ansidos!jetasa!naatenuacindeseundo orden.Elfactordedistorsi%nde!nacom$onentearmnicaindividual)ode orden n) se define como:+ + ! "nwt sen"wt!sen ' v(Pn! "nwt sen"wt!sen ' v(Ps sns s102121+ 0) ( ) (21nnn nwt sen ' t 'wt! v"t!'"t!d"(P ) 44 . 5 () 43 . 5 () 46 . 5 (m!estralavelocidad8l,neacontin!a9(lacorrientedel estator contra el tiempo. +a variaci%n de velocidad f!e de >1? a #;;; r$m con !na carga constante de 1.E Im.Como lo m!estra la fig!ra) el control f!nciona con cara o sin carga.Se$rob%tambinlares$!estadelcontrol$araalcan-arlavelocidad cero.+afig!ra4.D?m!estralaformadelavelocidadvariandode#;;; r$m 0asta velocidad cero.Estas res$!estas m!estran menores oscilaciones) esto se debe a '!e se $!ede tomar en c!enta el ti$o de carga '!e se le a$licar& al motor.+afig!ra4.E;m!estrac!andoelmotorseenc!entraenestado permanente ( se liber% la carga de 1."? a ;." Im. +a velocidad del rotor $resent%ligerasoscilaciones$eroelcontrollomantieneenlareferencia 8#1;; r$m9 como lo m!estra la gr&fica.Comolom!estranlasfig!rasanteriores)lasoscilaciones$resentadas enla$r!ebadevacoalllegaralestadoestablef!eronamortiuadas $or la cara. Esto se debe a '!e la carga f!nciona como !n filtro $ara las vibracionesmecnicas.+oanteriorseobservaenlafig!ra4.E1)en donde0!bo!na!mentoenlacargade;."4a1."?Im.S%lose$ercibe !na$e'!e*avariaci%nenlavelocidad$erov!elveinmediatamenteala referencia de #1;; r$m.Finalmenteenestadopermanenteelmotorf!esometidoavariaciones cclicas de carga de ;.D# a 1."4 Im) como se m!estra en la fig!ra 4.E". Enestafig!raseve'!elavelocidaddelrotors!fre$e'!e*as $ert!rbaciones '!e son eliminadas por el controlador.Conesteest!diosecom$rob%'!eelcontrolvoltajefrec!enciaenla-o cerradodemostr%!ndesem$e*oe5celente$araelcontroldevelocidad delmotordeind!cci%n)comolom!estranlasfig!ras$resentadas. Adem&s es !n control m!c0o m&s sim$le '!e otros mtodos de controlen la-o cerrado 8como el D.C o el control vectorial.+avelocidaddelrotorsig!elareferenciasinning7n$roblema( $resenta)enestadoestable)m!(pequeasoscilacionesc!andose somete a dist!rbios de carga. Abajasfrec!encias)elcontrolenla!ocerradosig!e$resentandolos mismos problemas de com$ensaci%n de voltaje '!e en la!o abierto. Eles'!emadecontrolv/fenla!ocerradoes!na0erramientaefica-( sencilla$araa$licacionesdeaccionamientoselctricosdevelocidad variable.