Variacin de la velocidad de los motores

Variacin de la velocidad de los motoresUna gran parte de los equipos utilizados en la industria moderna funcionan a velocidades variables, como por ejemplo los trenes laminadores, los mecanismos de elevacin, las mquinas-herramientas, etctera. En los mismos se requiere un control preciso de la velocidad para lograr una adecuada productividad, una buena terminacin del producto elaborado, o garantizar la seguridad de personas y bienes.

Los principales factores a considerar para el diseo de un sistema de regulacin de velocidad son:

a) Lmites o gama de regulacin.b) Progresividad o flexibilidad de regulacin.c) Rentabilidad econmica.d) Estabilidad de funcionamiento a una velocidad dada.e) Sentido de la regulacin (aumento o disminucin con respecto a la velocidad nominal).f) Carga admisible a las diferentes velocidades.g) Tipo de carga (par constante, potencia constante, etctera).h) Condiciones de arranque y frenado.

El estudio de este fenmeno para cada caso particular tiene una gran importancia prctica, ya que la eleccin correcta de las caractersticas de los motores y variadores a instalar para un servicio determinado, requieren el conocimiento de las particularidades de ste proceso.

La regulacin de velocidad puede realizarse por mtodos mecnicos, como poleas o engranajes, o por mtodos elctricos.En este trabajo slo nos dedicaremos a los mtodos elctricos aplicados en sistemas alimentados de una red de corriente alterna trifsica.

En principio digamos que la regulacin a voluntad de la velocidad de los motores elctricos es un rgimen transitorio en el que se modifica la velocidad angular del conjunto motor-mquina accionada como consecuencia de una accin de mando determinada. Dicho conjunto es inercial y disipativo, incluyendo en este ltimo concepto a las cargas tiles, pues consumen energa.

Recordemos que el comportamiento dinmico del conjunto motor-maquina accionada est regido por la siguiente ecuacin diferencial:

Tm - Tr = J . dw / dt

Donde Tm es el par motor, Tr el par resistente, J es el momento de inercia del conjunto motor-maquina accionada y w es la velocidad angular de dicho conjunto.

Por lo tanto, para que el conjunto modifique su velocidad angular se necesita variar el par motor para que sea distinto del par resistente, de manera de generar una aceleracin angular. El proceso finaliza cuando se equilibra el par motor con el par resistente, estabilizndose la velocidad de giro del motor.

Como la cupla es el producto de la corriente por el flujo, adems de un factor que caracteriza al tipo de mquina, esta variacin del par motor generalmente est asociada a una variacin de la corriente absorbida, la que no debe superar determinado lmite por el calentamiento de los conductores involucrados.

En este estudio no deben dejarse de lado otros aspectos que tambin resultan importantes, como por ejemplo el consumo de energa disipada en forma de calor y las perturbaciones sobre la red de baja tensin.

Estas perturbaciones incluyen principalmente a los transitorios de conmutacin, la generacin de armnicas y las cadas de tensin (muy notables en los elementos de iluminacin), que pueden afectar el funcionamiento de otros elementos conectados a la misma, lo que resulta crtico en las instalaciones con muchos motores que realizan frecuentes cambios de velocidad.

Para finalizar esta introduccin digamos que los dispositivos de variacin de velocidad pueden ser de operacin manual (regulacin manual) o por un dispositivo automtico especial (regulacin automtica).

1 - Motores asincrnicos

Los motores asincrnicos son mquinas de velocidad esencialmente constante. Recordemos que la expresin que nos da el valor de la velocidad de un motor asincrnico en RPM es:

N = (1 - s) Ns = (1 - s) 60 f / p

Donde s representa el resbalamiento, Ns las RPM sincrnicas, f la frecuencia y p el nmero de pares de polos.En consecuencia, para regular la velocidad se puede operar sobre los distintos componentes de la ecuacin dada.

1.1 - Cambio de frecuencia

La preferencia por la regulacin a frecuencia variable se debe a la posibilidad de utilizar el sencillo y robusto motor de jaula de ardilla; cuyo mantenimiento es mucho mas fcil que el de un motor de contactos deslizantes, lo que resulta muy importante en mquinas que operan bajo condiciones ambientales difciles. Adems este tipo de motor elctrico resulta ms econmico y compacto que los restantes.Asimismo, este mtodo permite transformar fcilmente un equipo de velocidad fija en un accionamiento de velocidad variable, sin realizar grandes modificaciones.

Con este tipo de regulacin se puede obtener un amplio control de velocidades, con el mximo par disponible en todas las frecuencias con un elevado rendimiento. Si se prolonga la caracterstica al cuadrante generador se puede obtener un frenado muy eficiente por reduccin de frecuencia, con una recuperacin de energa hacia la red de alimentacin.

Si bin pueden utilizarse distintos tipos de convertidores rotativos (semejantes al sistema Ward-Leonard que se cita mas adelante), en la actualidad la modificacin de la frecuencia se realiza fundamentalmente por medio de variadores estticos electrnicos que ofrecen una regulacin suave, permitiendo un aumento en la vida til de todas las partes involucradas y originando un ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes.

Los mismos se construyen generalmente con tiristores gobernados por un microprocesador que utiliza un algoritmo de control vectorial del flujo, y consisten bsicamente en un convertidor esttico alterna-alterna (cicloconvertidor) alterna-continua-alterna (convertidor de enlace), que permiten la modificacin progresiva de la frecuencia aplicada, con la consiguiente modificacin de la corriente y el par motor. En algunos casos se agregan filtros de armnicas.

En el cicloconvertidor se sintetiza una onda de menor frecuencia a partir de una alimentacin polifsica de mayor frecuencia, conectando sucesivamente los terminales del motor a las distintas fases de la alimentacin. La onda sintetizada generada es rica en armnicos y en algunos casos el circuito puede generar subarmnicos que podran llegar a producir problemas si excitasen alguna resonancia mecnica del sistema. Por otro lado, el cicloconvertidor ofrece una transformacin simple de energa de buen rendimiento, permite la inversin del flujo de potencia para la regeneracin y la transmisin de la corriente reactiva; proporcionando una gama de frecuencias de trabajo que va desde valores cercanos a cero hasta casi la mitad de la frecuencia de alimentacin, con fcil inversin de fase para invertir el sentido de rotacin.En ciertos casos este tipo de convertidor se emplea en motores asincrnicos de rotor bobinado con alimentacin doble, estando el estator conectado a la red y el rotor al convertidor.

En el convertidor de enlace la alimentacin de la red de corriente alterna se rectifica en forma controlada y luego alternativamente se conmutan las fases del motor al positivo y al negativo de la onda rectificada, de manera de crear una onda de alterna de otra frecuencia.La tensin y frecuencia de salida se controlan por la duracin relativa de las conexiones con las distintas polaridades (modulacin del ancho de pulso) de manera de conservar constante el cociente tensin / frecuencia para mantener el valor del flujo magntico en el motor.

Aunque la onda de tensin obtenida no es sinusoidal, la onda de corriente tiende a serlo por efecto de las inductancias presentes. Adems, de este modo se obtiene una amplia gama de frecuencias por encima y por debajo de la correspondiente al suministro, pero exige dispositivos adicionales c.c./c.a. para asegurar el flujo de potencia recuperada.

Hay que considerar que las corrientes poliarmnicas generan un calentamiento adicional que disminuye el rendimiento y puede llegar a reducir el par (por ejemplo, el 5 armnico produce un campo giratorio inverso). Tambin cabe acotar que la vibracin de los motores aumenta cuando se los alimentan con conversores electrnicos de frecuencia y que la componente de alta frecuencia de la tensin de modo comn de los conversores de frecuencia puede causar un acoplamiento con la tierra a travs de la capacidad que se forma en los rodamientos, donde las pistas actan como armaduras y la capa de grasa como dielctrico.

Asimismo digamos que los variadores de velocidad generalmente tambin sirven para arrancar o detener progresivamente el motor, evitando por ejemplo, los dainos golpes de ariete que pueden aparecer en las caeras durante la parada de las bombas.

Estos convertidores poseen protecciones contra asimetra, falla de tiristores, sobretemperatura y sobrecarga; adems de vigilancia del tiempo de arranque con limitacin de la corriente, control de servicio con inversin de marcha, optimizacin del factor de potencia a carga parcial, maximizacin del ahorro de energa durante el proceso.1.2 - Cambio del nmero de polos

Si el motor estuviera provisto de dos arrollamientos de estator con diferente nmero de polos, y si el rotor fuera preferentemente del tipo jaula de ardilla (para no tener que realizar ningn tipo de conexiones en el secundario), fcilmente se podran obtener dos velocidades de sincronismo.Tambin, con un solo arrollamiento provisto de conexiones especiales pueden obtenerse dos diferentes nmeros de polos, o incluso tres, mediante una simple reconexin.En todos los casos no se logra una regulacin progresiva, sin escalonada, y adems slo pueden obtenerse velocidades menores que la de sincronismo, con una gama de regulacin que dificilmente supere la relacin 8:1, pues con mayores relaciones resultaran motores muy voluminosos. Las conmutaciones se implementan mediante circuitos de contactores que pueden incluir tambin la inversin del sentido de giro.

Veamos como se realiza todo esto. En los motores con conmutacin del nmero de polos, el arrollamiento de cada fase est constituido generalmente por dos partes idnticas conectadas en serie, en una de las cuales se hace variar el sentido de la corriente por conmutacin de estas partes en paralelo. Esta conmutacin modifica la distribucin de las fuerzas magnetomotrices, disminuyendo el nmero de polos a la mitad y por consiguiente duplicando la velocidad de sincronismo del motor (conexin Dahlander) a potencia constante o a par constante.

La conexin de los arrollamientos se efecta por conmutacin del arrollamiento estatrico de estrella simple a doble estrella (dos estrellas en paralelo), o por conmutacin de dicho arrollamiento de tringulo a doble estrella.Se puede demostrar que la conmutacin del arrollamiento estatrico de estrella a doble estrella conduce a una regulacin de velocidad a par constante, mientras que la conmutacin del arrollamiento estatrico de tringulo a doble estrella conduce a una regulacin de velocidad a potencia constante.

Tambin se emplean motores de tres velocidades, con un arrollamiento independiente complementario no conmutado, as como motores de cuatro velocidades, en cuyo estator se instalan dos devanados independientes con diferentes nmeros de polos; cada uno subdividido como en el caso de dos velocidades.

1.3 - Cambio del resbalamiento

El resbalamiento s vara con la carga, pero la variacin de la carga no proporciona un mtodo prctico de control de la velocidad. Sin embargo, es posible cambiar la caracterstica par/velocidad de varias maneras, de modo que para cada par de carga se necesita un valor de s distinto.Estos mtodos proporcionan una mala utilizacin de la potencia y capacidad del motor, pero el control suele ser sencillo y justificable en algunas aplicaciones.

En el caso de variacin de la tensin se pueden utilizar tiristores conectados en serie con el estator para interrumpir el paso de la corriente durante una fraccin del perodo (control de fase) o en algunos perodos completos (encendido alternado), reducindose as la tensin media aplicada.El control de fase produce armnicos de orden elevado, mientras que el encendido intermitente puede generar subarmnicos que podran entrar en resonacia con el sistema mecnico.

En el caso de variacin de la resistencia rotrica se aprovecha la propiedad de los motores asincrnicos de modificar la velocidad a la que se produce la mxima cupla variando la resistencia del circuito rotrico. En este mtodo, por medios manuales o automticos, en forma continua o escalonada, se va modificando la resistencia rotrica mediante un restato conectado a los anillos rozantes del motor de rotor bobinado.

La regulacin permite disminuir la velocidad nominal y la utilizacin ptima del motor se produce en caso de regulacin a par constante. La gama de regulacin no es constante y resulta muy sensible a las variaciones de la carga. Asimismo, el inconveniente de este sistema de variacin est en las grandes prdidas de energa.

La modificacin de la resistencia rotrica puede verse como un caso especial de inyeccin de una tensin al rotor, pues se crea un caida de tensin en la resistencia agregada externamente.Si se sustituye la resistencia por un elemento activo, la energa no se desperdicia y se pueden alcanzar velocidades supersincrnicas y corregir el factor de potencia. De esta manera, inyectando una tensin secundaria de frecuencia de resbalamiento y con un ngulo de fase determinado se puede variar el resbalamiento resultante e introducir una componente reactiva adecuada.

Un mtodo para lograr esto consiste en acoplar mecnicamente un segundo motor asincrnico y alimentarlo de los anillos rozantes del primero (control en cascada), otro es utilizar un convertidor de frecuencia de colector y un tercero es emplear un motor polifsico de induccin a colector con rotor alimentado (motor Schrge). Dado que estos mtodos en la actualidad slo tienen un inters meramente acadmico no sern desarrollados.

2 - Motores sincrnicos

Los motores sincrnicos se emplean frecuentemente en las instalaciones de gran potencia que no exigen una regulacin de velocidad. Aunque en principio se podra regular la velocidad de estos motores por variacin de la frecuencia estatrica y/o rotrica (mediante sistemas como los vistos para motores asincrnicos), en la prctica generalmente se deben considerar como de velocidad no regulable.

3 - Motores de corriente continua

Frecuentemente, cuando se debe obtener una regulacin amplia y progresiva de la velocidad, se emplean los motores de corriente continua, pues con los medios de rectificacin controlada de que se dispone actualmente su utilizacin resulta fcil y prctica.

Sin embargo hay que tener en cuenta que el equipo rectificador tiene un costo e introduce prdidas adicionales, y adems que los motores de corriente continua tienen mayores costos de adquisicin y mantenimiento que los de alterna.

En la prctica se utilzan diversos motores de corriente continua como:

-De excitacin independiente.-De excitacin serie / universal.-De excitacin derivacin (shunt).-De excitacin compuesta (compound).-De imanes permanentes (sin campo regulable).-Especiales.

Las caractersticas ms destacables de los motores en corriente continua son:

Motor de excitacin independiente

-Par de arranque muy elevado.-Fcil control de velocidad en forma automtica.-Requiere restato de arranque.-Se utiliza en motores pequeos.

Motor de excitacin serie

-Par de arranque muy elevado.-Difcil control de velocidad.-Requiere restato de arranque.-Se utiliza para traccin elctrica.

Motor con excitacin derivacin (shunt)

-Par de arranque menor que en el motor serie.-Muy estable.-Requiere restato de arranque en el inducido.-Utilizado en mquinas herramientas.

Motor con excitacin compuesta

-Par de arranque ms elevado que el motor en derivacin.-Muy estable.-Requiere restato de arranque en el inducido.-Utilizado en mquinas herramientas y para traccin.

En todos los casos la expresin que nos da el valor de la velocidad de un motor de corriente continua en RPM es:

N = (Ua - Ia Ra) / ( k f ) = (k f Ua - Tm Ra) / ( k f )2

Donde Ua es la tensin aplicada, Ia es la corriente del inducido, Ra es la resistencia del inducido, Tm es el par motor, k es una constante y f es el flujo magntico (funcin de las corrientes en el inducido y en el campo).

En consecuencia, los motores de corriente continua pueden regular su velocidad por diferentes procedimientos actuando sobre la tensin aplicada, la resistencia del inducido o el flujo (mediante la corriente de campo). A continuacin hablaremos del caso mas general del motor con excitacin independiente.

Al variar la tensin aplicada se produce una translacin de la carcterstica par/velocidad. Esta forma de regulacin de velocidad se utiliza para valores comprendidos entre el reposo y la velocidad nominal. El par se mantiene constante y la potencia mecnica vara linealmente con la velocidad.

Al cambiar la resistencia total del inducido cambia la pendiente de la carcterstica par/velocidad, pero se introduce una prdida de potencia por efecto Joule.

Finalmente al variar el flujo por medio de la corriente de campo se destruye la relacin lineal entre Ia y Tm , modificndose totalmente la caracterstica citada. Esta regulacin se utiliza para velocidades superiores a la nominal, pues para valores menores debera aumentarse la corriente de campo por encima de su valor nominal, originando sobrecalentamiento. Debe ponerse especial cuidado en que no se interrumpa el circuito de excitacin, pues podra producirse un embalamiento del motor.

Los elementos ms utilizados para estas funciones son los restatos de regulacin y los dispositivos electrnicos de rectificacin controlada.

Los restatos se conectan en serie con el inducido o el campo, de manera de producir una caida que disminuya la tensin efectivamente aplicada sobre los mismos; o bin en paralelo con el inducido o el campo, de forma de modificar la corriente que atraviesa a los mismos.

Los dispositivos electrnicos, generalmente de tiristores, reciben un suministro de corriente alterna y lo convierten en un suministro de tensin continua variable, que aplicado sobre el inducido y/o el campo permiten la variacin de la velocidad. Habitualmente se usan en motores de excitacin independiente para obtener la mayor flexibilidad en la regulacin.En general se pueden hacer consideraciones anlogas a las realizadas en el apartado 1.1.

Un sistema de control de tensin que merece especial atencin es el mtodo Ward-Leonard de regulacin de la velocidad y del par. El mismo en su forma original consta de un motor de corriente continua con excitacin independiente a cuyo inducido se aplica una tensin variable proveniente de un generador de corriente continua con excitacin independiente impulsado a su vez por un motor que puede ser de corriente alterna, continua o trmico (por ejemplo las locomotoras Diesel-Elctricas).Modernamente los campos se alimentan con fuentes electrnicas y el generador de c.c. se suele reemplazar por un equipo con rectificadores controlados.

Con este sistema se logra una amplia flexibilidad de control, pues la velocidad de rotacin, el sentido de giro, y la magnitud y sentido de la potencia puesta en juego quedan controlados por potencias relativamente pequeas aplicadas a los circuitos de campo. La diferencia entre las FEM E2 del generador y E1 del motor de c.c. es igual a la cada IR en el circuito de conexin mas las escobillas. Por lo tanto una pequea variacin en el valor de E1 E2 puede originar una variacin considerable de corriente o incluso invertir la forma de funcionamiento de las mqinas; o sea, se puede operar en los cuatro cuadrantes de la caracterstica par/velocidad.Por ejemplo se puede conseguir que la energa cintica almacenada en el motor se transforme en elctrica (frenado regenerativo) con slo mantener la tensin de alimentacin por debajo de la FEM del motor a medida que disminuye la velocidad.

Cabe sealar que cuando el generador del grupo se reemplaza por un equipo con rectificadores controlados, la operacin en los cuatro cuadrantes no es inmediata, pues en los rectificadores la corriente slo puede circular en una direccin. Para conseguir la inversin de potencia es necesario conseguir que se invierta la polaridad de la tensin en los terminales del circuito de tiristores, retardando el encendido de los mismos. Asimismo, la mquina de c.c. debe invertir su polaridad respecto a los terminales de los tiristores. Esto puede conseguirse invirtiendo sus conexiones o invirtiendo el campo inductor despus de desenergizar los electrodos de control de los tiristores para impedir que conduzcan y evitar que se produzca una sbita sobreintensidad.

4 - Regulacin por impulsos de la velocidad de los motores elctricos

La regulacin por impulsos de la velocidad generalmente se aplica en motores de pequea potencia, y bsicamente consiste en provocar variaciones peridicas y de corta duracin de los parmetros del motor, de tal manera y a una frecuencia tal, que la velocidad requerida se obtiene como una velocidad promedio de las aceleraciones y desaceleraciones producidas durante el ciclo completo de variacin de los parmetros. Estas variaciones pueden realizarse mediante contactores o tiristores que conectan y desconectan la alimentacin de los distintos arrollamientos, cortocircuitan alternativamente ciertas impedancias o invierten peridicamente la polaridad del suministro. La exposicin de estos mtodos tan especiales est mas alla de los alcances de este artculo.

Finalmente digamos que muchas veces el criterio de seleccin entre el uso de los distintos sistemas de regulacin de velocidad pasa fundamentalmente por una consideracin de tipo econmico.

Control y regulacin de la velocidad en motores asincrnicos trifsicosUna gran parte de los equipos utilizados en la industria moderna funcionan a velocidades variables, como por ejemplo los trenes laminadores, los mecanismos de elevacin, las mquinas-herramientas, etctera. En los mismos se requiere un control preciso de la velocidad para lograr una adecuada productividad, una buena terminacin del producto elaborado, o garantizar la seguridad de personas y bienes.

Los principales factores a considerar para el diseo de un sistema de regulacin de velocidad son:

a) Lmites o gama de regulacin.b) Progresividad o flexibilidad de regulacin.c) Rentabilidad econmica.d) Estabilidad de funcionamiento a una velocidad dada.e) Sentido de la regulacin (aumento o disminucin con respecto a la velocidad nominal).f) Carga admisible a las diferentes velocidades.g) Tipo de carga (par constante, potencia constante, etctera).h) Condiciones de arranque y frenado.

El estudio de este fenmeno para cada caso particular tiene una gran importancia prctica, ya que la eleccin correcta de las caractersticas de los motores y variadores a instalar para un servicio determinado, requieren el conocimiento de las particularidades de ste proceso.

La regulacin de velocidad puede realizarse por mtodos mecnicos, como poleas o engranajes, o por mtodos elctricos.En este trabajo slo nos dedicaremos a los mtodos elctricos aplicados en sistemas alimentados de una red de corriente alterna trifsica.

En principio digamos que la regulacin a voluntad de la velocidad de los motores elctricos es un rgimen transitorio en el que se modifica la velocidad angular del conjunto motor-mquina accionada como consecuencia de una accin de mando determinada. Dicho conjunto es inercial y disipativo, incluyendo en este ltimo concepto a las cargas tiles, pues consumen energa.

Recordemos que el comportamiento dinmico del conjunto motor-maquina accionada est regido por la siguiente ecuacin diferencial:

Tm - Tr = J . dO / dt

Donde Tm es el par motor, Tr el par resistente, J es el momento de inercia del conjunto motor-maquina accionada y O es la velocidad angular de dicho conjunto.

Por lo tanto, para que el conjunto modifique su velocidad angular se necesita variar el par motor para que sea distinto del par resistente, de manera de generar una aceleracin angular. El proceso finaliza cuando se equilibra el par motor con el par resistente, estabilizndose la velocidad de giro del motor.

Como la cupla es el producto de la corriente por el flujo, adems de un factor que caracteriza al tipo de mquina, esta variacin del par motor generalmente est asociada a una variacin de la corriente absorbida, la que no debe superar determinado lmite por el calentamiento de los conductores involucrados.

En este estudio no deben dejarse de lado otros aspectos que tambin resultan importantes, como por ejemplo el consumo de energa disipada en forma de calor y las perturbaciones sobre la red de baja tensin.

Estas perturbaciones incluyen principalmente a los transitorios de conmutacin, la generacin de armnicas y las cadas de tensin (muy notables en los elementos de iluminacin), que pueden afectar el funcionamiento de otros elementos conectados a la misma, lo que resulta crtico en las instalaciones con muchos motores que realizan frecuentes cambios de velocidad.

Para finalizar esta introduccin digamos que los dispositivos de variacin de velocidad pueden ser de operacin manual (regulacin manual) o por un dispositivo automtico especial (regulacin automtica).

Aplicacin a los motores asincrnicos trifsicos

Los motores asincrnicos son mquinas de velocidad esencialmente constante. Recordemos que la expresin que nos da el valor de la velocidad de un motor asincrnico en RPM es:

N = (1 - s) Ns = (1 - s) 60 f / p

Donde s representa el resbalamiento, Ns las RPM sincrnicas, f la frecuencia y p el nmero de pares de polos.En consecuencia, para regular la velocidad se puede operar sobre los distintos componentes de la ecuacin dada.

A - Cambio de frecuencia

La preferencia actual por la regulacin a frecuencia variable se debe a la posibilidad de utilizar el sencillo y robusto motor de jaula de ardilla; cuyo mantenimiento es mucho mas fcil que el de un motor de contactos deslizantes, lo que resulta muy importante en mquinas que operan bajo condiciones ambientales difciles. Adems este tipo de motor elctrico resulta ms econmico y compacto que los restantes.Asimismo, este mtodo permite transformar fcilmente un equipo de velocidad fija en un accionamiento de velocidad variable, sin realizar grandes modificaciones.

Con este tipo de regulacin se puede obtener un amplio control de velocidades, con el mximo par disponible en todas las frecuencias con un elevado rendimiento. Si se prolonga la caracterstica al cuadrante generador se puede obtener un frenado muy eficiente por reduccin de frecuencia, con una recuperacin de energa hacia la red de alimentacin.

Si bin pueden utilizarse distintos tipos de convertidores de frecuencia rotativos (semejantes al sistema Ward-Leonard), en la actualidad la modificacin de la frecuencia se realiza fundamentalmente por medio de variadores estticos electrnicos que ofrecen una regulacin suave, permitiendo un aumento en la vida til de todas las partes involucradas y originando un ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes.

Los mismos se construyen generalmente con tiristores gobernados por un microprocesador que utiliza un algoritmo de control vectorial del flujo, y consisten bsicamente en un convertidor esttico alterna-alterna (cicloconvertidor) alterna-continua-alterna (convertidor de enlace), que permiten la modificacin progresiva de la frecuencia aplicada, con la consiguiente modificacin de la corriente y el par motor. En algunos casos se agregan filtros de armnicas.

En el cicloconvertidor se sintetiza una onda de menor frecuencia a partir de una alimentacin polifsica de mayor frecuencia, conectando sucesivamente los terminales del motor a las distintas fases de la alimentacin. La onda sintetizada generada es rica en armnicos y en algunos casos el circuito puede generar subarmnicos que podran llegar a producir problemas si excitasen alguna resonancia mecnica del sistema.

Por otro lado, el cicloconvertidor ofrece una transformacin simple de energa de buen rendimiento, permite la inversin del flujo de potencia para la regeneracin y la transmisin de la corriente reactiva; proporcionando una gama de frecuencias de trabajo que va desde valores cercanos a cero hasta casi la mitad de la frecuencia de alimentacin, con fcil inversin de fase para invertir el sentido de rotacin.En ciertos casos este tipo de convertidor se emplea en motores asincrnicos de rotor bobinado con alimentacin doble, estando el estator conectado a la red y el rotor al convertidor.

En el convertidor de enlace la alimentacin de la red de corriente alterna se rectifica en forma controlada y luego alternativamente se conmutan las fases del motor al positivo y al negativo de la onda rectificada, de manera de crear una onda de alterna de otra frecuencia.La tensin y frecuencia de salida se controlan por la duracin relativa de las conexiones con las distintas polaridades (modulacin del ancho de pulso) de manera de conservar constante el cociente tensin / frecuencia para mantener el valor del flujo magntico en el motor.

Aunque la onda de tensin obtenida no es sinusoidal, la onda de corriente tiende a serlo por efecto de las inductancias presentes. Adems, de este modo se obtiene una amplia gama de frecuencias por encima y por debajo de la correspondiente al suministro, pero exige dispositivos adicionales c.c./c.a. para asegurar el flujo de potencia recuperada.

Hay que considerar que las corrientes poliarmnicas generan un calentamiento adicional que disminuye el rendimiento y puede llegar a reducir el par (por ejemplo, el 5 armnico produce un campo giratorio inverso).

Tambin cabe acotar que la vibracin de los motores aumenta cuando se los alimentan con conversores electrnicos de frecuencia y que la componente de alta frecuencia de la tensin de modo comn de los conversores de frecuencia puede causar un acoplamiento con la tierra a travs de la capacidad que se forma en los rodamientos, donde las pistas actan como armaduras y la capa de grasa como dielctrico.

Asimismo digamos que los variadores de velocidad generalmente tambin sirven para arrancar o detener progresivamente el motor, evitando por ejemplo, los dainos golpes de ariete que pueden aparecer en las caeras durante la parada de las bombas.

Estos convertidores poseen protecciones contra asimetra, falla de tiristores, sobretemperatura y sobrecarga; adems de vigilancia del tiempo de arranque con limitacin de la corriente, control de servicio con inversin de marcha, optimizacin del factor de potencia a carga parcial, maximizacin del ahorro de energa durante el proceso.

B - Cambio del nmero de polos

Si el motor estuviera provisto de dos arrollamientos de estator con diferente nmero de polos, y si el rotor fuera preferentemente del tipo jaula de ardilla (para no tener que realizar ningn tipo de conexiones en el secundario), fcilmente se podran obtener dos velocidades de sincronismo.

Tambin, con un solo arrollamiento provisto de conexiones especiales pueden obtenerse dos diferentes nmeros de polos, o incluso tres, mediante una simple reconexin.En todos los casos no se logra una regulacin progresiva, sin escalonada, y adems slo pueden obtenerse velocidades menores que la de sincronismo, con una gama de regulacin que dificilmente supere la relacin 8:1, pues con mayores relaciones resultaran motores muy voluminosos. Las conmutaciones habitualmente se implementan mediante circuitos de contactores que pueden incluir tambin la inversin del sentido de giro.

Veamos como se realiza todo esto. En los motores con conmutacin del nmero de polos, el arrollamiento de cada fase est constituido generalmente por dos partes idnticas conectadas en serie, en una de las cuales se hace variar el sentido de la corriente por conmutacin de estas partes en paralelo. Esta conmutacin modifica la distribucin de las fuerzas magnetomotrices, disminuyendo el nmero de polos a la mitad y por consiguiente duplicando la velocidad de sincronismo del motor (conexin Dahlander) a potencia constante o a par constante.

La conexin de los arrollamientos se efecta por conmutacin del arrollamiento estatrico de estrella simple a doble estrella (dos estrellas en paralelo), o por conmutacin de dicho arrollamiento de tringulo a doble estrella.Se puede demostrar que la conmutacin del arrollamiento estatrico de estrella a doble estrella conduce a una regulacin de velocidad a par constante, mientras que la conmutacin del arrollamiento estatrico de tringulo a doble estrella conduce a una regulacin de velocidad a potencia constante.

Tambin se emplean motores de tres velocidades, con un arrollamiento independiente complementario no conmutado, as como motores de cuatro velocidades, en cuyo estator se instalan dos devanados independientes con diferentes nmeros de polos; cada uno subdividido como en el caso de dos velocidades.

Los motores provistos de arrollamientos con diferente nmero de polos tienen su principal utilidad en aquellos casos en los que la velocidad no tiene que regularse de forma progresiva, como es el caso de mquinas-herramientas como tornos, fresas, taladradoras, y en general todas las que trabajan por arranque de virutas.

C - Cambio del resbalamiento

El resbalamiento s vara con la carga, pero la variacin de la carga no proporciona un mtodo prctico de control de la velocidad. Sin embargo, es posible cambiar la caracterstica par/velocidad de varias maneras, de modo que para cada par de carga se necesita un valor de s distinto.Estos mtodos proporcionan una mala utilizacin de la potencia y capacidad del motor, pero el control suele ser sencillo y justificable en algunas aplicaciones.

En el caso de variacin de la tensin se pueden utilizar tiristores conectados en serie con el estator para interrumpir el paso de la corriente durante una fraccin del perodo (control de fase) o en algunos perodos completos (encendido alternado), reducindose as la tensin media aplicada.El control de fase produce armnicos de orden elevado, mientras que el encendido intermitente puede generar subarmnicos que podran entrar en resonacia con el sistema mecnico.

En el caso de variacin de la resistencia rotrica se aprovecha la propiedad de los motores asincrnicos de modificar la velocidad a la que se produce la mxima cupla variando la resistencia del circuito rotrico. En este mtodo, por medios manuales o automticos, en forma continua o escalonada, se va modificando la resistencia rotrica mediante un restato conectado a los anillos rozantes del motor de rotor bobinado.

La regulacin permite disminuir la velocidad nominal y la utilizacin ptima del motor se produce en caso de regulacin a par constante. La gama de regulacin no es constante y resulta muy sensible a las variaciones de la carga. Asimismo, el inconveniente de este sistema de variacin est en las grandes prdidas de energa.

La modificacin de la resistencia rotrica puede verse como un caso especial de inyeccin de una tensin al rotor, pues se crea un caida de tensin en la resistencia agregada externamente.Si se sustituye la resistencia por un elemento activo, la energa no se desperdicia y se pueden alcanzar velocidades supersincrnicas y corregir el factor de potencia. De esta manera, inyectando una tensin secundaria de frecuencia de resbalamiento y con un ngulo de fase determinado se puede variar el resbalamiento resultante e introducir una componente reactiva adecuada.

Un mtodo para lograr esto consiste en acoplar mecnicamente un segundo motor asincrnico y alimentarlo de los anillos rozantes del primero (control en cascada), otro es utilizar un convertidor de frecuencia de colector y un tercero es emplear un motor polifsico de induccin a colector con rotor alimentado (motor Schrge). Dado que estos mtodos en la actualidad slo tienen un inters meramente acadmico no sern desarrollados.

D - Regulacin por impulsos

La regulacin por impulsos de la velocidad generalmente se aplica en motores de pequea potencia, y bsicamente consiste en provocar variaciones peridicas y de corta duracin de los parmetros del motor, de tal manera y a una frecuencia tal, que la velocidad requerida se obtiene como una velocidad promedio de las aceleraciones y desaceleraciones producidas durante el ciclo completo de variacin de los parmetros. Estas variaciones pueden realizarse mediante contactores o tiristores que conectan y desconectan la alimentacin de los distintos arrollamientos, cortocircuitan alternativamente ciertas impedancias o invierten peridicamente la polaridad del suministro. La exposicin de estos mtodos tan especiales est mas alla de los alcances de este artculo.

Finalmente digamos que muchas veces el criterio de seleccin entre el uso de los distintos sistemas de regulacin de velocidad pasa fundamentalmente por una consideracin de tipo econmico.