Regulación y control electrónico de motores electricos

Tema 9
Regulación y control electrónico de motores
1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Regulación de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
3. Regulación durante el arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
4. Variación de velocidad de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
5. Regulación de parada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
6. Frenado de parada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
7. Inversión del sentido de marcha sin frenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
8. Inversión del sentido de marcha con frenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
9. Frenado de ralentizamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
10. Los principales modos de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
11. Regulador de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
12. Variadores de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
13. Arrancadores progresivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Curso virtual: Electricidad industrial
Módulo 2. Tema 9 Regulación y control electrónico de motores Página 1 de 20
Tema 9
Regulación y control electrónico de motores
1. INTRODUCCIÓN
Los motores, son las máquinas auxiliares de una máquina principal. La máquina
principal produce un trabajo con el auxilio de uno o varios motores. Los motores
eléctricos, se paran o se ponen en funcionamiento, obedeciendo a un mando manual
o un programa preestablecido. Se detienen cuando se alcanza un nivel, o se ponen en
marcha en el momento que un mecanismo está en una determinada posición. La puesta
en marcha, o parada, de estos motores auxiliares, está controlados por los sensores o
elementos de detección. Dependiendo de que sustancia hay que detectar los elementos
que entran en la regulación de los motores serán totalmente distintos en su
construcción, en el aspecto físico, y en principio de funcionamiento.
2. REGULACIÓN DE MOTORES
Los puntos de regulación de un motor son diferentes, dependiendo del momento de
funcionamiento.
Durante el arranque, el motor tiene que vencer la inercia que supone su peso, hasta
alcanzar la velocidad de funcionamiento, en este tiempo, consume de tres a cuatro
veces mas, de su consumo normal.
Una vez alcanzada la marcha normal, el consumo disminuye; durante la marcha, se
puede presentar el caso de que sea necesario variar la velocidad.
Al final cuando se desea parar el motor, se corta el suministro y el motor se para,pero
el motor lleva una inercia y hace que se pare después de pasado un tiempo.
Estos tres estados de funcionamiento se regulan de forma diferente.

3. REGULACIÓN DURANTE EL ARRANQUE
Se denomina arranque, al tiempo que transcurre desde la parada hasta su
velocidad de funcionamiento. La puesta en tensión directa de cualquier receptor
puede provocar riesgos eléctricos, como puntas de corriente, caída de tensión, a los
que se añaden los de una máquina en movimiento, como golpes o desplazamientos.
Se dice que un motor arranca en directo, cuando se aplica a sus bornes, de forma
directa, a la tensión de trabajo. Suponiendo que el motor arranca en carga, el bobinado
tiene que soportar una intensidad de corriente superior a la normal de trabajo,
dependiendo de la carga, y de la masa inerte del motor, la intensidad nominal In se
incrementa entre tres y cuatro veces, pudiendo llegar a ser hasta ocho veces la
nominal.
En la figura 1 puede verse la curva de la intensidad de corriente absorbida por un
motor durante el arranque.
Figura 1 CORRIENTE DE ARRANQUE DIRECTO
La ventaja del arranque directo es conseguir un elevado par de arranque, que puede
llegar a 1,5 veces la potencia nominal.
En el arranque directo se emplean los contactores, y se utiliza siempre que la potencia
del motor sea menor de 3 CV = 2 Kw y arranque en carga, si arranca en vacío se llega
hasta 4 CV = 3 Kw.
Si en lugar de un motor, son varios los que arrancan y paran de forma intermitente, se
tendrá un problema importante cuando se trata de motores superiores a los 3 Kw. En
estos caso se acude a sistemas de arranque que disminuyan el consumo aunque
suponga una menor potencia en el momento del arranque (el momento de arranque
puede durar como máximo a tres minutos, en la mayoría de las veces, suele ser
de medio minuto)

Figura 2 GUARDAMOTOR DE ARRANQUE DIRECTO EN SU CAJA DE PROTECCIÓN
Para reducir la intensidadadsorbida durante el arranque, tradicionalmente, se ha venido
utilizado los arrancadores como:
S Estrella triángulo
S Resistencias estatóricas
S Autotransformadores
Figura 3 ARRANCADOR ESTRELLA TRIÁNGULO

En la figura 4 puede verse la curva comparada de la intensidad de corriente absorbida
por un motor durante el arranque directo y con arrancador estrella triángulo (trazo
grueso).
Figura 4 CURVAS DE CORRIENTE DURANTE EL ARRANQUE
A estos sistemas hay que añadir un sistema nuevo, el arrancador progresivo, que
utiliza un solo contactor, con otra ventaja añadida, que esestático y por lo tanto, sin
desgaste mecánico. Aunque,de momento, su precio es superior al sistematradicional.
El arrancador estático, permite el arranque de motores, aplicando una tensión
progresiva, con lo que, se limita la corriente del par de arranque.
4. VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DE FUNCIONAMIENTO
Puede darse dos casos distintos: que se desee variar la velocidad o que se quiera
regular la velocidad. No es lo mismo regular, que variar, aunque suceda al mismo
tiempo.
S Un variador puede no ser a la vez un regulador. Es un sistema que posee un
mando con amplificación de potencia pero no tiene bucle de retorno. “Se llama
de bucle abierto”. No es un sistema enclavado.

El valor de la salida evoluciona poco a poco en función de las perturbaciones.
La zona de velocidad se expresa en función de la velocidad nominal.
Un regulador es un sistema enclavado, posee a la vez:
S Un sistema de mando con amplificación de potencia.
S Un sistema "de retorno" o "de bucle cerrado". Así, la magnitud de la salida
(tensión, corriente, potencia, velocidad, aceleración, posición, etc.), se compara
a la magnitud de entrada, llamada consigna o referencia.
Si la consigna es variable, el sistema es a la vez variador y regulador.
El regulador está dotado de una cierta precisión (generalmente expresada en % del
valor nominal de la magnitud a regular) que hace la salida prácticamente independiente
a las perturbaciones (variaciones de la tensión de alimentación, de la carga, de la
temperatura, etc.)
Figura 5 VARIADOR DE VELOCIDAD
Para más información sobre variadores de velocidad vea el tema 6

5. REGULACIÓN DE LA PARADA
En muchos casos, resulta necesario el paro instantáneo de elementos de rotación. Se
utilizan tres sistemas distintos para conseguir el frenado:
S Frenos mecánicos, llamados electrofrenos.
S Freno por contracorriente, con inversión brusca del giro y desconexión
inmediata.
S Frenado por corriente continua,alimentando dos fases con corriente continua
inmediatamente después de la desconexión.
6. FRENADO DE PARADA.
Deceleración de la velocidad establecida hasta la velocidad nula por aplicación de un
par de frenado controlado o no. Por ejemplo, para una “parada de emergencia”, se frena
por todos los medios lo más rápidamente posible, sin controlar los fenómenos de
deceleración.
Figura 6 FRENO PARA EL EJE DEL MOTOR
7. INVERSIÓN DEL SENTIDO DE MARCHA SIN FRENADO.
Posibilidad de mandar el otro sentido de marcha, habiendo realizado una inversión a
una velocidad nula, después de deceleración sin frenado eléctrico.
Figura 8 INVERSOR SIN FRENADO

8. INVERSIÓN DEL SENTIDO DE MARCHA CON FRENADO
Posibilidad de mandar el otro sentido de marcha y obtener una inversión rápida con
frenado eléctrico, deceleración y la aceleración controladas.
9. FRENADO DE RALENTIZAMIENTO.
Deceleración de la velocidad establecida hasta una velocidad intermedia por aplicación
de un par de frenado controlado.
FIGURA 8-7 FRENO ELÉCTRICO
10. LOS PRINCIPALES MODOS DE FUNCIONAMIENTO
Unidireccional
Un dispositivo de conversión en electrónica de potencia es llamado unidireccional si
solo permite el paso de la energía en el sentido red receptor.
No permite pues un frenado estático de ralentizamiento ni una inversión estática del
sentido de marcha.
Sin embargo, un frenado de parada puede ser ejecutado desconectando el motor de la
red y conectándolo, por un dispositivo distinto, a una resistencia que disipará la energía
almacenada en las piezas en movimiento.

Reversible (llamado también "bidireccional")
Un dispositivo de conversión en electrónica de potencia es llamado reversible cuando
autoriza el transfert de la energía en los dos sentidos red receptor.
Un frenado puede entonces ser ejecutado mandando a la red de alimentación toda o
parte de la energía almacenada en las piezas en movimiento.
Estos transfert se pueden hacer:
S Bien por el mismo bloque rectificador, los acoplamientos del motor se efectúan
por contactores. Es un reversible por contactores.
S O bienpor dos bloques rectificadores distintos, (llamados también"antiparalelo").
Es un reversible estático.
Puente mixto- Puente completo
Los semiconductores de potencia están montados en puente de Graetz.
El puente es llamado mixto cuando está compuesto a la vez de semiconductores
controlados (tiristores- transistores) y semiconductores no controlados (diodos).
Figura 9 - PUENTE MIXTO
Tal puente solo puede transmitir la energía en un solo sentido.
Van provistos de uno o varios diodos llamados de descarga o de rueda libre.

El puente es llamado completo cuando está enteramente compuesto de
semiconductores controlados. Tal puente es apto para transmitir la energía en los
dos sentidos.
Figura 10 CONTACTOR ESTÁTICO UNIPOLAR
Figura 11 CONTACTOR TRIFÁSICO

11. REGULADOR DE VELOCIDAD
Un dispositivo de conversión en electrónica es llamado regulador cuando suministra, a
partir de una red monofásica o trifásica, una tensión alterna de valor eficaz variable y
de frecuencia fija, la de la red, por modulación del ángulo de cebado de los
semiconductores. Estos últimos se acoplan y se montan en oposición y colocan en una
fase de la red.
Figura 12. - REGULADOR
Par constante, potencia constante
La zona de funcionamiento es llamada par constante cuando el motor suministra el
par nominal cualquiera que sea la velocidad.
La zona de funcionamiento es llamada a potencia constante cuando el motor puede
suministrar un par de inversión proporcional a la velocidad angular. Es el caso, por
ejemplo, de un enrollador axial cuya velocidad angular debe disminuir continuamente
a medida que aumenta el diámetro de enrollamiento por acumulación del material.
Es igualmente el caso del plato de un torno vertical durante el desbastado de una cara
horizontal de la pieza:
La velocidad angular debe aumentar regularmente a medida que el útil se acerca al
centro.
El número de aplicaciones que requiere un funcionamiento a potencia constante es
relativamente pequeño.

Carga arrastrante
Una carga es llamada arrastrante cuando provoca una velocidad superior a la
velocidad de consigna. Por ejemplo, el viento sobre los movimientos horizontales de
una máquina de manutención, instalada al aire libre y la gravedad sobre un movimiento
de elevación son cargas arrastrantes permanentes.
Cuadrantes de funcionamiento
La repartición de las masas puede provocar los mismos efectos: es el caso, por
ejemplo, del de una pieza en rotación que es arrastrante sobre la mitad de cada vuelta.
Figura 13. - CUADRANTES DE FUNCIONAMIENTO
Conclusión :
Los diversos funcionamientos pueden ser caracterizados de la siguiente manera:
S Cuadrantes 1 y 3 -Marcha en motor (la máquina giratoria suministra una potencia
mecánica).
S Cuadrantes 2 y 4 -Marcha en frenado la máquina giratoria absorbe una potencia
mecánica.

El mando de las cargas resistivas
Se efectúa por regulador con tiristores. Va provisto de 2 tiristores montados. Colocado
en una fase de la red, permite alimentar una carga resistiva en el momento del
encendido de los tiristores.
Figura 14. - REGULADOR CON TIRISTORES
Figura 15. - REGULADOR TRIFÁSICO
El mando de los tiristores se efectúa por tren de ondas enteras. El momento inicial de
cada ciclo de trabajo es síncrono con la tensión red. La duración de un tren de ondas
es de 2,5 s.

En este período la gestión del número de ondas enteras de corriente, para obtener la
regulación de temperatura deseada, se asegura por el regulador asociado a otro
regulador.
Figura 16. - TREN DE ONDAS
Sectores de aplicación
El conjunto de los productos electrónicos de potencia, se compone de tres familias:
Los variadores de velocidad para:
S Motores de corriente continua: ofrecen una gran precisión y una larga gama de
velocidad, así como grandes posibilidades de adaptabilidad;
S Motores asíncronos estándar, robustos y sin mantenimiento.
S Motores asíncronos de jaula resistente o de anillos, destinados principalmente
al arrastre de los ventiladores.
S Los arrancadores para motores asíncronos estándar aseguran una limitación de
la corriente de llamada y permiten realizar un ahorro sobre la mecánica
arrastrante.
S Los reguladores por tren de ondas enteras, para electrotermia resistiva.
Los criterios de elección o valores de uso más determinantes, frente a una máquina a
equipar, deben conducir a una solución más económica.
Solo el estudio profundo de la aplicación permite definir la elección de la solución
óptima.
“La electrónica de potencia” está presente en todos los sectores de actividades y la
tabla más abajo indica algunas de las aplicaciones más corrientes.

Variadores de velocidad
Aplicaciones
Corriente
continua
Corriente alterna
Jaula de ardilla
Bobinado
Arrancador
progresivo
Normal
Por tren de
ondas
Cargas
resistivas
Ventilación Apropiado Apropiado Apropiado
Bombas
volumétricas
Apropiado Apropiado
Bombas centrífugas Apropiado Apropiado
Cintas
transportadoras
Apropiado Apropiado Apropiado
Escaleras
mecánicas
Apropiado
Máquinas cíclicas Apropiado Apropiado Apropiado
Compresores Apropiado
Trituradoras,
arranque en vacío
Apropiado
Cadenas de
producción
Apropiado Apropiado
Enrolladores
Desenrolladores
Apropiado
Calefacción
resistiva
Apropiado
TABLA DE APLICACIONES DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD
12. VARIADORES DE VELOCIDAD.
Características generales
Los variadores de velocidad son convertidores de frecuencia destinados a la
alimentación de los motores asíncronos normalizados, en una gama de potencia muy
alta de 90 W a 90 Kw.
Funcionan según el principio de modulación de longitud de impulsos (PWM Sinus) por
segmentación de una tensión continua fija. Esta técnica asegura una rotación regular
y sin sacudidas de los motores, incluso a velocidad muy baja, gracias a una forma de
corriente de salida muy cercana a la sinusoide.

Figura 17 ONDA MODULADA
La fiabilidad del producto es el resultado de una gran integración de las funciones
electrónicas y de los medios industriales de control, llevado a cabo en todos los niveles
de la cadena de producción.
Campos de aplicación
Los variadores de velocidad encuentran su utilización en numerosos sectores de la
industria, ya que se asocian a los motores asíncronos que responden perfectamente a
las exigencias de robustez y de sencillez de los utilizadores.
Estos variadores de velocidad están particularmente bien adaptados al mando de
motores asíncronos normalizados, suministrando una frecuencia y tensión variables del
sector.

Los principales criterios de elección del usuario pueden ser la calidad de arrastre, la
rotación regular y sin oscilaciones (máquina-herramienta), la posibilidad de sobre-par
sin desclasificación, aún en baja velocidad (machacadoras, mezcladoras), una
adaptación sin reglaje a cualquier tipo de motor ya las fluctuaciones de carga
(transportadores). Las extensas posibilidades de diálogo con el operador, incluso con
los autómatas programables, les confieren una gran flexibilidad de explotación en
numerosos sectores de actividades de la industria, entre los cuales habría que citar:
Figura 18 CAMPO DE APLICACIÓN DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD

Principio
Los variadores de velocidad han sido concebidos para las aplicaciones donde los
criterios de economía y de robustez tienen una gran importancia. Comprenden
principalmente:
S Un rectificador constituido por una fuente de tensión continua elaborada a
partir de un puente rectificador alimentado por una red monofásica o trifásica, y
de un circuito de filtrado.
S Un ondulador constituido por 6 transistores de potencia.
Este ondulador está compuesto por uno o tres módulos aislados según el calibre, y
crea, a partir de la tensión continua fija, una red alterna trifásica a tensión y frecuencia
variables.
Estos productos están pilotados por una unidad de control que, organizada alrededor
de un microprocesador, asegura las funciones de mando de los componentes de
potencia, de diálogo, de protección y de seguridad.
La utilización de tecnologías modernas (componentes de potencia integrados,
microcomponentes, control de microprocesador) ha permitido una disminución sensible
del volumen de estos productos.
Figura 19 INTEGRADO DEL VARIADOR DE VELOCIDAD

13. ARRANCADORES PROGRESIVOS.
Generalidades
El arrancador ralentizador es un regulador de 6 tiristores que permite el arranque y la
parada controlada de los motores asíncronos trifásica de jaula, de 3 a 800 Kw.
FIGURA 8-20. - ARRANCADOR PROGRESIVO
Asegura :
S El control de las características de funcionamiento, principalmente durante los
períodos de arranque y parada.
S La protección térmica del motor y del arrancador.
S La protección mecánica de la máquina arrastrada por supresión de los golpes
de par y reducción de la corriente de llamada.
Para las aplicaciones sencillas y los pequeños motores hasta 7,5 Kw (a 380 V), es un
arrancado económico.

Constitución
Está constituido esencialmente de dos partes:
S Un módulo potencia provisto de tiristores con enfriadores, los circuitos de
cebado, de lectura corriente y según el calibre, un ventilador.
S Un módulo de mando y de protección electrónica, basado en microprocesador.
Principales funcionalidades
Comprende:
Tres posibilidades de arranque:
S Una rampa de aceleración regulable de 1 a 30 s.
S Una limitación de corriente regulable, de 2 a 5 In, para las máquinas de gran
inercia.
S Una rampa y limitación combinadas para controlar el par en el arranque.
En las tres posibilidades de arranque,es posible obtener un sobre-par intempestivo,
llamado “impulso adicional”.
Tres modos de parada:
S Parada libre por corte de alimentación,
S Parada decelerada en rampa regulable de 2 a 60 s,
S Parada frenada "tipo inyección de corriente continua".
Tres protecciones integradas:
S Protección térmica del motor con alarma.
S Protección térmica.
S Detección y señalización de defectos: desequilibrio y ausencia de fases,
defecto tiristores,...

Aplicaciones
Se utiliza en la mayoría de los sectores industriales: siderurgia, agro-alimentaria,
terciario, transportes, bancos, textil, etc.
Algunos ejemplos: ventiladores, bombas, compresores (arranque en vacío), cintas
transportadoras, rotativas, imprenta, escaleras mecánicas, máquinas textiles.
Elección del calibre
La elección se efectúa en función de la tensión de la red y de la potencia normalizada
del motor.
Este acercamiento resuelve la mayoría de los casos.
Sin embargo, en el caso de esfuerzos particulares, por ejemplo débil llamada de
corriente o máquina de gran inercia, el conocimiento de las características eléctricas y
mecánicas es indispensable:
S Par resistente en función de la velocidad de la máquina arrastrada así como la
inercia de las piezas en movimiento.
S Características del par y corriente en función de la velocidad del motor. Estos
datos están tratados en un programa específico.
La elección correspondiente a estos datos específicos se determina por software
especializado.

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