2. Tema 6
Regulación de velocidad de motores
1. Velocidad de los motores de corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Conmutación de polos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3. Variación de frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
4. Funcionamiento del regulador de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
5. Tipos básicos de convertidores de frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
6. Convertidor de frecuencia con modulación por amplitud de pulso (PAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
7. Convertidor de frecuencia PAM con rectificador controlado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
8. Convertidor de frecuencia con modulación por anchura de pulso (PWM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
9. Inversor de corriente (CSI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3. Curso Virtual: Electricidad Industrial
Tema 6
Regulación de velocidad de motores
1. VELOCIDAD DE LOS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
Aumentando el número de polos de un motor se influye en la velocidad del motor, que se
determina por la fórmula
n
f  p
60
La frecuencia f a que trabaja un motor viene dada por el número de pares de polos p multiplicado por la velocidad
del motor contado en revoluciones por minuto (r.p.m.) Dividido por 60
Por tanto, si quiere saber a que velocidad en r.p.m. funciona un motor bastará con transformar
la fórmula anterior en:
60 f
n
p
El número de r.p.m., a que gira un motor, depende de la frecuencia de trabajo multiplicado por 60, dividido todo ello,
por el número de pares de polos que tenga el motor.
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2. CONMUTACIÓN DE POLOS
En consecuencia; la velocidad de giro de un motor no depende en nada del voltaje de
funcionamiento, y como el valor de la frecuencia de red es inalterable, para cambiar la velocidad
de un motor solo se puede hacer, cambiando el número de polos que tiene el motor.
Los motores de dos velocidades, por tanto, llevan tomas intermedias de los pares de polo, a
la caja de bornes; para que, con la ayuda de conmutadores especiales, poder alterar las
entradas y salidas de la corriente a cada par de polos del motor. Consecuentemente el número
de revoluciones se verá alterada por la posición del conmutador de polos. Todos los motores
de dos velocidades, llevaran en la caja de bornes, el doble de conexiones de un motor de una
sola velocidad.
En la tabla I puede verse como los motores europeos, que trabajan a una frecuencia de 50 Hz,
son más lento que los del continente americano que trabajan a 60 Hz; también se observa, que
para conseguir velocidades mayores, como por ejemplo; las que se necesitan en el radar,
donde se emplean frecuencia de 400 Hz; con lo que se consiguen motores de rotor muy
rápidos.
Nº Polos Frecuencia.
(2p) 50 Hz 60 Hz 400 Hz
2 3000 3600 24000
4 1500 1800 12000
6 1000 1200 8000
8 750 900 6000
10 600 720 4800
12 500 600 4000
14 428 514 3428
16 375 450 3000
TABLA I VELOCIDAD DE LOS MOTORES DE C.A.
Cuanto más velocidad tenga un motor, y en consecuencia, ser menor el número de polos,
más económico de precio será el motor, pues las dimensiones también son menores.
A igual velocidad las dimensiones del motor aumenta con la potencia que desarrolle.
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3. VARIACIÓN DE FRECUENCIA
Hoy día ya es posible cambiar la velocidad e los motores, sin necesidad de variar el número de
pares de polos; en la fórmula se observa que si el valor de la frecuencia en vez de tener un
valor fijo de 50 o 60 Hz, se pudiera variar este valor; entonces se obtendría valores diferentes
del número de r.p.m., del motor. Esto se realiza con los variadores de velocidad estáticos.
Pequeños dispositivos electrónicos que se intercalan entre el interruptor y el motor; con el que
fácilmente se puede actuar sobre la frecuencia para variar la velocidad del motor sin necesidad
de complicados conmutadores de polos.
Figura 1 VARIADOR DE VELOCIDAD “ALTIVAR”
En la figura 1, puede verse un variador de velocidad, aplicable a motores trifásicos, con rotor
de jaula de ardilla, y con una potencia comprendida entre 370 W y 17 KW.
4. FUNCIONAMIENTO DEL REGULADOR DE VELOCIDAD
La corriente alterna trifásica es rectificada y convertida en corriente continua, y luego, en un
circuito inversor, se vuelve a convertir en alterna trifásica. Para que la frecuencia pueda ser
variable, no se llega a transformar del todo en una corriente lineal, una parte de esta corriente
de entrada se filtra a un circuito intermedio que regula la salida.
La relación entre el voltaje y la frecuencia debe de mantenerse constante para que el motor
conserve su par de fuerza con-tante, independientemente de la velocidad. Esto quiere decir que
se cambia la tensión y la frecuencia en la misma proporción.
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En la figura 2 se ha representado en esquema de bloques los cuatro circuitos principales que
lleva un variador de velocidad: Rectificador, circuito intermedio, inversor y circuito de regulación.
Figura 2 Esquema de bloques del convertidor de frecuencia
5. TIPOS BÁSICOS DE CONVERTIDOR DE FRECUENCIA
El convertidor de frecuencia apareció a finales de la década de los sesenta del siglo
pasado. En 35 años se ha desarrollado mucho los semiconductores y
microprocesadores lo que ha supuesto una mejora importante en los convertidores de
frecuencia.
De los cuatro componentes principales el primero es el rectificador, que transforma la
tensión trifásica de la red en tensión continua pulsatoria. Hay dos tipos básicos de
rectificadores: Los regulados y los no regulados.
Figura 3 Rectificador regulador y rectificador no regulado
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El segundo circuito intermedio puede ser puede ser de tres tipos diferentes: uno
transforma la tensión la tensión del rectificador en corriente continua; otro tipo estabiliza
la tensión pulsatoria de corriente continua y la envía al inversor y el tercer tipo
transforma la tensión contante de corriente continua del rectificador en un valor
variable.
El tercer bloque es el inversor que controla la frecuencia y la tensión del motor. Existe
otro tipo de inversor que también transforma la tensión constante de corriente continua
en tensión variable de corriente alterna.
El cuarto bloque está compuesto por un equipo electrónico que transmite señales tanto
al rectificador como al circuito intermedio y al inversor. Esta parte del control dependerá
de la configuración del convertidor de frecuencia.
Los convertidores de frecuencia se pueden agrupar según el comportamiento del
sistema que controla la alimentación del motor en:
- Convertidor de frecuencia con modulación por amplitud de pulsos (PAM)
- Convertidores de frecuencia con modulación por anchura de pulsos (PWM)
- Inversores de fuentes de corriente (CSI)
6. CONVERTIDOR DE FRECUENCIA CON MODULACIÓN POR AMPLITUD DE
PULSO (PAM)
Básicamente representado en la figura 4, donde se aprecia los cuatro bloques que
actúan sobre la frecuencia de salida para el motor
Figura 4 Convertidos de frecuencia PAM
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La tensión y la frecuencia se hacen variar simultáneamente. El rectificador da una
corriente continua fija, por lo que se aplica un transistor que conecta o suprime
alternativamente la tensión de corriente continua fija dando una tensión variable
después del filtro formado por una bobina y un condensador. La magnitud de la tensión
de corriente continua variable depende del tiempo durante el cual el transistor da paso
de corriente. El circuito de control y regulación mide y compara esta tensión con al
entrada, si existe una diferencia, automáticamente se efectúa la regulación hasta que
se obtenga una tensión correcta a partir del filtro.
La frecuencia de la tensión de salida se hace variar en el inversor cambiando la
duración del período. Durante un período, los tiristores se activan varia veces. La
duración del período puede ser controlada:
1. Directamente por la señal de control.
2. Por la tensión de corriente continua variable, proporcional a la señal de control
Figura 5 Control de la frecuencia por el circuito intermedio
Frenado
El motor actuará como generador al ser impulsado por la carga. Si el motor está
conectado directamente a la fuente de suministro, la energía generada se devuelve a
la red y esto frena el motor. El convertidor de frecuencia tipo PAM no permite que eta
energía producida sea devuelta a la red porque el rectificador la bloquea, llegando sólo
hasta el circuito intermedio.
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Ventajas de los convertidores de frecuencia PAM
! Relación entre tensión y frecuencia siempre constante, es decir, que el motor no
puede pararse incluso aunque sea sobrecargado
! Muy apropiado para el funcionamiento en paralelo con otros motores
! Velocidad constante cualquiera que sea su carga
! El motor funciona de manera suave incluso a bajas velocidades
! A prueba de cortocircuitos
! Rendimiento muy elevado
! El motor funciona de manera silenciosa
! Frenado por resistencia
Inconveniente
! La energía de frenado no puede ser devuelta a la red eléctrica
7. CONVERTIDOR DE FRECUENCIA PAM CON RECTIFICADOR CONTROLADO
El convertidor de frecuencia con modulación por amplitud de pulsos puede ser también
diseñado por rectificador controlado, como se ilustra en la figura 6.
Figura 6 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA PAM CON RECTIFICADOR CONTROLADO
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La tensión se controla por un rectificador controlado, con lo que es innecesario el
transistor regulador, la frecuencia se controla directamente, independientemente de la
tensión. Esto es perfecto en condiciones normales de funcionamiento; pero, si se
alcanza el límite de la corriente y por tanto, si la tensión ha sido disminuida sin reducir
simultáneamente la frecuencia, la tensión y la frecuencia dejan de ser proporcionales,
el motor se parará mientras el inversor siga funcionando. Será preciso arrancar de
nuevo.
Para evitar que el límite de la corriente sea rebasado durante la aceleración, es preciso
que la señal de control no cambie a una velocidad superior a la que el motor es capaz
de seguir. Por tanto, el tiempo de aceleración debe ser ajustado para que se adapte a
la carga.
Con el rectificador controlado se obtiene la ventaja de que la energía de frenado del
circuito intermedio puede ser devuelta a la red eléctrica. Sin embargo esto requiere un
inversor de frenado con seis tiristores conectado en paralelo con el rectificador como
muestra la figura 7
Figura 7 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA PAM CON INVERSOR DE FRENADO
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Ventajas de los convertidores de frecuencia PAM con rectificador controlado
! La energía de frenado puede ser devuelta ala red por medio de un inversor
suplementario
! Apropiado para funcionamiento de motores en paralelo si la corriente de
arranque de los motores no corresponde a la limitación de corriente (parada del
motor)
! Buen rendimiento del sistema
Inconvenientes
! El rectificador controlado da lugar a importantes perturbaciones y pérdidas en
la red de distribución
! El motor se para cunado el convertidor de frecuencia llega al límite de la
corriente (aceleración rápida y cargas en cresta)
! Regulación de tensión actúa lentamente. Esto es desfavorable en caso de
cortocircuito
! Indeseables oscilaciones periódicas del par a velocidades muy lentas
8. CONVERTIDOR DE FRECUENCIA CON MODULACIÓN POR ANCHURA DE
PULSO (PWM)
El esquema básico de los convertidores PAM es el de la figura 8
Figura 8 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA PWM
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En esta figura se observa que la tensión continua es constante hasta e inversor. Esto
significa que tanto la tensión como la frecuencia deben ser cambiadas en el inversor
para que el motor pueda ser sometido a estas variaciones. La tensión se controla
aplicando la tensión máxima al motor durante períodos más o menos largos.
La frecuencia se controla aplicando impulsos positivos durante medio período e
impulsos negativos durante el siguiente medio período.
El circuito de control establece los tiempos de activación y desactivación de los tiristores
en los puntos de intersección entre la tensión senoidal y la tensión triangular
Figura 9 TENSIONES Y FRECUENCIAS MÁXIMAS PARA PWM
En la figura 9 las tensiones de regulador aplicadas a los tiristores para controlar la
frecuencia de salida. La amplitud de la tensión senoidal y la amplitud de la tensión
triangular determina la anchura de los impulsos de tensión que se aplican al motor.
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Frenado
Durante el frenado, el motor actúa como generador, pero la energía sólo vuelve hasta
el filtro del circuito intermedio ya que el rectificador bloquea el paso. Por tanto, el
frenado está limitado, a no ser que se extraiga la energía a partir del circuito intermedio.
Si se sustituye el rectificador por dos puentes de tiristores conectados en antiparalelo,
como en la figura 7, la energía puede ser devuelta a la red eléctrica aunque esto
producirá algunas perturbaciones en la red de distribución y es de realización más
costosa.
Ventajas de los convertidores de frecuencia PWM
! El motor funciona de manera suave, incluso a bajas velocidades
! Es posible realizar el frenado a través de un módulo de frenado
! Son apropiados para funcionamiento de motores paralelos sólo si la corriente de
arranque de los motores no da lugar a la limitación de la corriente (parada del
motor)
! Buen rendimiento del sistema
Inconvenientes
! Motor ruidoso en razón de la forma de la curva de tensión
! Parada del motor cunado el convertidor de frecuencia llega a la limitación de
corriente (Aceleración rápida y valor de cresta de la carga). La aceleración debe
ser adaptada a la carga pera evitar la limitación de la corriente
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9. INVERSOR DE CORRIENTE (CSI)
El esquema básico es el de la figura 10, muy simplificada, donde se observa que el
circuito intermedio es simplemente una bobina
Figura 10 CONVERTIDOR DE FRECUENCIA CSI
Al igual que los esquemas anteriores, este esquema, también está muy simplificado.
Puede verse que no hay condensador en el circuito intermedio. La misión del
condensador en los circuitos anteriores consistía en mantener la tensión constante a
una frecuencia dada. Por tanto, la carga determinaba la corriente del motor. Aquí la
situación es inversa. La tensión variable procedente del rectificador controlado se
transforma por medio de la bobina en una corriente continua ajustable adaptada a la
frecuencia. De esta forma, la carga es la que determina la tensión del motor. Mayores
cargas, exigen tensiones de motor elevadas.
El convertidor de frecuencia CSI no es apropiado para funcionamiento de motores en
paralelo, pues los condensadores del inversor deben ser adaptados a la potencia del
motor.
Frenado
En este caso la energía de frenado es conducida directamente a la red de distribución
eléctrica sin utilizar componentes suplementarios.
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Ventajas de los convertidores de frecuencia CSI
! La energía de frenado puede ser devuelta a la red de distribución de electricidad
sin componentes suplementarios
! El convertidor está a prueba de cortocircuitos porque funciona a corriente
constante, incluso si ocurre un cortocircuito
! Buen rendimiento del sistema
! El motor funciona de manera silenciosa
Inconvenientes
! Utilización limitada en el caso de funcionamiento de motores en paralelo
! A velocidades lentas se producen indeseables variaciones periódicas del par
! El rectificador controlado genera importantes perturbaciones y pérdidas en la red
de distribución de electricidad
! Reacción lenta a los cambios de carga
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