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Módulo de Aprendizaje 20:

Reguladores de Frecuencia Ajustable
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1


Temario En este módulo, estudiaremos con detalles cada uno de estos temas:

Importancia del Control de la Velocidad de los Motores 5 ¿Cómo se puede Controlar la Velocidad del Motor? 5

¿Qué hace un Regulador de Frecuencia Ajustable? 5

¿Por qué utilizar un Regulador de Frecuencia Ajustable? 6 Versatilidad 6 Ahorros de Energía 6 Desempeño 7 Confiabilidad 7 Tamaño 7 Futuro 7

Aplicaciones Típicas de Reguladores de Frecuencia Ajustable 7

Repaso 1 9

Conceptos de Motor 10 Velocidad Síncrona 10 Caballo de Potencia y Par 10

Conceptos de los Reguladores 11 Modulación de Ancho de Impulso 12 Factor de Potencia 13 Impedancia 14 Armónicas 14

Concepto de Interface de Operador 14 Control de Operador 14 Señales de Control 15

En Resumen 16

Repaso 2 17

Asuntos a considerar al utilizar Reguladores de Frecuencia Ajustable 18 Asuntos de Calentamiento 18 Filtración de Salida 18 Armónicas 18

Ayuda al Cliente 19 Factores a Considerar 19 Lista de Revisión de Aplicación 20 Recomendación de un Producto al Cliente 22

Características Normalmente Especificadas 24 Derivación 24 Reactor de Línea 24 Señal de Control 24 Filtro de Salida 24

Repaso 3 25

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Glosario 26

Respuestas del Repaso 1 28



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Bienvenido Bienvenido al Módulo 20, que trata de Reguladores de Frecuencia Ajustable. Un regulador de frecuencia ajustable es un dispositivo utilizado para controlar la velocidad, Par, Potencia (Caballos de Potencia) y dirección de un motor CA.

Figura 1. Reguladores de Frecuencia Ajustable Típicos

Como los demás módulos en esta serie, este módulo presenta pequeñas sec-ciones de material nuevo seguidas por una serie de preguntas sobre el material. Estudie el material cuidadosamente y conteste después las preguntas sin hacer referencia a lo que acaba de leer. Usted es el mejor juez de su asimilación del material. Repase el material tan frecuentemente como lo considere necesario. Lo más importante es establecer una base sólida sobre la cual construir conforme pasa usted de tema en tema y de módulo en módulo.

Nota sobre Estilos de Fuentes

Los puntos esenciales se presentan en negritas.

Los elementos de Glosario se presentan en cursivas y subrayados la primera vez que aparecen.

Viendo el Glosario Las versiones impresas tienen el glosario al final del módulo. Usted puede tam-bién hojear el Glosario seleccionando con el mouse la marca de Glosario en el margen izquierdo.

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Importancia del Control de la Velocidad de los Motores

El control de la velocidad de los motores es importante en muchas aplica-ciones. Permite un control preciso de la aplicación. Permite que el mismo equipo pueda ser utilizado para varios productos o procesos.

A continuación presentamos algunos ejemplos del uso de control de velocidad de motores:

• Estampadora – presión ejercida por la cabeza de estampado.

• Torre de Enfriamiento – temperatura de la fuente de enfriamiento, agua por ejemplo.

• Pulidora – velocidad de rotación de la cabeza de pulido.

• Panadería Comercial – velocidad a la cual los transportadores desplazan un lote en el horno.

Como usted puede recordar del Módulo 16, Fundamentos y Control de Motores, todos los motores CA tienen una velocidad síncrona. Es su velocidad de funcio-namiento normal.

Supongamos que un motor está conectado a una aplicación de banda transporta-dora y usted desea hacer más lenta la velocidad del transportador. ¿Qué puede hacer? El motor está construido para funcionar solamente a una velocidad. La respuesta es encontrar la forma de cambiar la velocidad del motor.

¿Cómo se puede Controlar la Velocidad del Motor?

Hoy en día se utilizan muchos métodos para controlar la velocidad de un motor. La lista siguiente no es detallada ni completa sino que sirve para darle una idea de los varios métodos disponibles actualmente.

• Métodos Eléctricos – La velocidad del motor es cambiada eléctricamente.

- Tensión Ajustable – el cambio de la tensión de CD ingresada cambia la velocidad del motor CD.

- Frecuencia Ajustable – el cambio de la frecuencia ingresada cambia la velocidad del motor CA.

- Corriente Parásita – el cambio de la resistencia del campo magnético modifica la velocidad del motor CA.

• Métodos Mecánicos – La velocidad del motor permanece constante, y es convertida a la velocidad deseada utilizando engranajes, poleas, clutches u otros dispositivos mecánicos.

¿Qué hace un Regulador de Frecuencia Ajustable?

El regulador de frecuencia ajustable es un dispositivo eléctrico utilizado para con-trolar la velocidad de un motor, específicamente un motor CA.

Un regulador de frecuencia ajustable (o bien regulador FA) es un disposi-tivo utilizado para convertir una energía eléctrica de entrada Trifásica, de 60Hz en una fuente de tensión y frecuencia ajustable. Esta fuente es después utilizada para accionar un motor.

El regulador de frecuencia ajustable permite controlar la velocidad del motor mediante el control de la frecuencia de la energía alimentada al motor. Veremos como la frecuencia afecta la velocidad del motor más adelante en este módulo.

El sistema de regulador de frecuencia ajustable es muy sencillo. Consiste de solamente tres elementos:

• Motor CA – Habitualmente, un motor Trifásico, de inducción de tipo jaula de ardilla, NEMA Diseño B

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• Una Sección de Control de Motor (se conoce también como sección de Inver-sor)

• Una Interfaz de Operador

Figura 2. Componentes Típicos de un Regulador de Frecuencia Ajustable

El control de operador permite al operador dar comandos al motor para que fun-cione según lo deseado, a través del uso de entradas y salidas de control de motor.

La sección de control de motor controla la velocidad del motor mediante la con-versión de la energía eléctrica suministrada por la empresa proveedora en una energía eléctrica de frecuencia ajustable.

El motor CA impulsa el dispositivo (ventilador, bomba, etc.) convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica.

¿Por qué utilizar un Regulador de Frecuencia Ajustable?

Existen numerosas razones valiosas para escoger un regulador de frecuencia ajustable por encima de los demás métodos de control de la velocidad del motor. Estas razones incluyen:

• Versatilidad

• Ahorros de Energía

• Desempeño

• Confiabilidad

• Tamaño

• Futuro

A continuación presentaremos con mayores detalles cada una de estas razones.

Versatilidad Un regulador de frecuencia ajustable es muy versátil. Ofrece muchas funci-ones expandidas que otros métodos de control de velocidad de motores no ofre-cen, como por ejemplo auto-diagnóstico, despliegue de estado de corriente, programabilidad de usos múltiples, y un control preciso de la velocidad.

Ahorros de Energía El costo es una preocupación natural para muchos clientes. Puesto que el regula-dor de frecuencia ajustable permite un control preciso de la cantidad de energía suministrada al motor, se pueden lograr ahorros de costo de energía. Ayuda también a reducir los problemas relacionados con la demanda pico de energía en la planta incrementando paulatinamente la energía jalada por el motor.

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Además, el circuito en el regulador de frecuencia ajustable está diseñado para optimizar el uso de la energía en la unidad. En otras palabras, se desperdicia muy poca electricidad en forma de calor en un regulador de frecuencia ajustable.

Desempeño La interfaz de operador es fácil de operar. Cualquier cambio requerido a los ajustes del regulador pueden ser efectuados rápidamente por el operador, y entrar en acción inmediatamente.

El regulador de frecuencia ajustable responde rápidamente a cambios de carga de motor, manteniendo la velocidad requerida, aún cuando el cambio de carga es repentino. La tolerancia en cuanto a variación de velocidad es muy pequeña lo que asegura una operación precisa.

Confiabilidad Los reguladores de frecuencia ajustable son productos muy confiables. Puesto que la unidad es de estado sólido, no hay partes móviles que puedan fallar, aparte del ventilador de enfriamiento. De hecho, el tiempo promedio entre fallas ha sido calculado en más de 90,000 horas en el caso de algunos reguladores de frecuencia ajustable.

Puesto que los controles del regulador están integrados en la “caja” del regulador, no se requiere de sistema de control externo. Esto significa un elemento menos al cual dar mantenimiento.

Se evita el disparo accidental a través de un circuito de protección integrado. Y los parámetros de disparo son fácilmente ajustables.

Tamaño El regulador de frecuencia ajustable es más ligero y de menor tamaño que la mayoría de los demás métodos para controlar la velocidad de un motor.

Futuro Mejoras continuas en cuanto a la lógica digital y a la tecnología de los microproc-esadores llevarán a características más sofisticadas a un costo menor.

Hoy en día, el regulador de frecuencia ajustable genera una cierta cantidad de calor. Según la aplicación, esto puede tener que tomarse en cuenta al seleccionar un gabinete. Conforme el circuito de conversión de energía en el regulador de fre-cuencia ajustable sigue presentando mejoras, cada vez una menor cantidad de energía eléctrica manejada por el regulador será transformada en calor. Esto sig-nifica que la generación de calor por el regulador será un problema cada vez menor.

Aplicaciones Típicas de Reguladores de Frecuencia Ajustable

A continuación se presentan algunas aplicaciones típicas de los reguladores de frecuencia ajustable:

• Transportadores, bandas, cadenas, tornillos, manejadores de material a granel y empacado

• Ventiladores, sopladores, compresores y bombas

• Máquina herramientas, molinos, tornos y prensas de estampar

• Maquinaria, etiquetadoras, empacadoras, lavadoras de botellas, trefilado de alambres, textiles, etc.

• Extrusoras

• Maquinaria de proceso, hornos, molinos, batidoras y agitadores.

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En CampoLa utilización de reguladores de frecuencia ajustable en este transportador de embotellado de bebida permite al operador manejar diferentes secciones del transportador a velocidades diferentes. Se puede agrupar las botellas para el llenado y después separarlas para el etiquetado.

Para esta aplicación, se requeriría de dos motores y de dos reguladores. Un motor manejaría la sección de llenado a una velocidad dada, y el segundo motor manejaría la sección de etiquetado a una velocidad ligeramente mayor espaci-ando las botellas.

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Repaso 1 Conteste las siguientes preguntas sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar. Empiece la siguiente sección cuando esté seguro que entendió lo que ya ha leído.

1. Un regulador de frecuencia ajustable es un dispositivo utilizado para convertir la energía eléctrica trifásica de 60Hz en una _________ y una _________ fuente

2. En términos de confiabilidad, la única parte móvil del regulador de frecuencia ajustable que puede fallar es el _________ ____.

3. Describa cómo un regulador de frecuencia ajustable se utiliza en el sistema de acondicionamiento de aire de un edificio de oficinas. ¿Por qué un regula-dor de frecuencia ajustable es útil para este tipo de aplicación?

4. Piense en tres aplicaciones (otras que las mencionadas en esta sección) que podrían beneficiarse del uso de un regulador de frecuencia ajustable. Aplicación A ______________________________________________Descripción del beneficio de la utilización de un regulador de frecuencia ajust-able con esta aplicación.

Aplicación B ______________________________________________Descripción del beneficio de la utilización de un regulador de frecuencia ajust-able con esta aplicación:

Aplicación C ______________________________________________Descripción del beneficio de la utilización de un regulador de frecuencia ajust-able con esta aplicación:

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Conceptos de Motor Hasta ahora en este módulo de capacitación hemos comentado lo que hace un regulador de frecuencia ajustable y por qué es útil. Lo que tenemos que explicar ahora es cómo funciona. Esta sección será dedicada a este tema. Para este propósito, necesitamos definir algunos conceptos críticos para la comprensión del funcionamiento de un regulador de frecuencia ajustable y de un motor.

Primero, veamos algunos conceptos relacionados con motores:

• Velocidad Síncrona

• Potencia y Par

Velocidad Síncrona Como usted recuerda a partir de lo que vimos en el Módulo 16, Fundamentos y Control de Motores, se diseña un motor para que funcione a su Velocidad Sínc-rona.

La velocidad síncrona es determinada por el número de polos que tiene el motor, y la frecuencia de la corriente suministrada. La ecuación para determi-nar la velocidad síncrona de un motor es la siguiente:

N = 120f/P

En donde:N = la velocidad síncrona del motor en revoluciones por minuto (RPM) f = la frecuencia de la corriente suministrada al motor en Hertz (Hz)P = el número de polos del motor

La frecuencia típica suministrada es 60 Hertz, y el motor “típico” tiene 4 polos. Colocando estos números en la ecuación, encontramos:

N = (120 x 60) / 4 = 1800

Ahora usted puede ver por que un motor “típico” funciona a 1800 rpm.

Usted puede también ver claramente que el cambio de frecuencia de la corriente tiene un efecto directo sobre la velocidad del motor. Supongamos que desea uti-lizar este motor “típico” solamente a 1200 rpm. Calcule el ajuste de frecuencia para el regulador de frecuencia ajustable determinando f.

1200 = 120f/4

4800 = 120f

40 = f

De esta forma, tendrá usted que ajustar la frecuencia de la corriente a 40 Hz para que el motor funcionara a 1200 rpm.

Caballo de Potencia y Par

El caballo de potencia es la unidad para medir la cantidad de trabajo que puede efectuar el motor. Todos los motores son clasificados según el número de caballos de potencia que pueden suministrar. Se conoce como el Caballaje del motor.

El par es la medición de la fuerza de rotación – en este caso, la fuerza de rot-ación requerida para hacer girar el árbol de la máquina que el motor está impul-sando.

Mediante la utilización de un dispositivo de control de velocidad, como por ejem-plo un regulador de frecuencia ajustable, es posible que un motor proporcione una cantidad diferente de caballos de potencia. Considere las fórmulas sigu-ientes:

HP = (T x N)/5252 | T = 5252HP/N | N = 5252HP/T

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En donde:HP = el caballaje proporcionado por el motor T = el par del motor en pies-libras N = la velocidad síncrona del motor en revoluciones por minuto (rpm).

Supongamos que usted tiene un motor tetrapolar que funciona a 1800 rpm a 60 Hertz. El motor tiene una potencia nominal de 5 caballos de potencia. ¿Qué tanto par genera este motor cuando alcanza su tope de velocidad?

Coloque simplemente los números en la fórmula:

T = 5252HP/N

T = (5252 x 5) / 1800

Este motor genera aproximadamente 14.5 pies-libras de par.

En CampoEl ventilador utilizado aquí es utilizado para enfriar un motor. Cuando el motor funciona a una velocidad superior, requiere de más enfriamiento. Esto significa que el ventilador debe girar más rápidamente.

Esto se logra con un regulador de frecuencia ajustable. El incremento de la fre-cuencia de la corriente enviada al ventilador eleva la velocidad de rotación del ventilador.

Conceptos de los Reguladores

El control más común para un motor CA es el arrancador de motor. El arrancador conecta el motor directamente al suministro de energía eléctrica de la empresa proveedora, y opera el motor continuamente a su velocidad nominal.

El regulador de frecuencia ajustable, por otra parte, convierte la energía eléc-trica proporcionada por la empresa proveedora en tensión y frecuencia ajustable. Esto permite controlar la velocidad del motor.

A continuación veremos algunos conceptos que son importantes para entender cómo opera el regulador de frecuencia ajustable.

• Modulación de Ancho de Impulso

• Factor de Potencia

• Impedancia

• Armónicas

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Modulación de Ancho de Impulso

Como lo hemos mencionado antes, el regulador de frecuencia ajustable es un dispositivo utilizado para convertir una energía trifásica de 60Hz en una fuente de tensión y frecuencia ajustable. Sin embargo, no explicamos como se logra este objetivo.

Figura 3. Trayectoria de la Corriente desde la Línea al Motor

El dibujo arriba ilustra la trayectoria de la corriente a través del regulador de fre-cuencia ajustable hacia el motor. Cuando la corriente de línea penetra primero en el regulador de frecuencia ajustable, pasa en el Rectificador, que convierte la CA entrante en corriente CD.

Antes de ser enviada al motor, la corriente pasa por el inversor. El inversor con-vierte la corriente CD en una corriente CA “sintética”, que es después ali-mentada al motor. A continuación vamos a ver como el inversor logra este objetivo.

Existen tres tipos comunes de inversores en uso hoy en día. Son:

• Modulación de ancho de impulso (PWM)

• Inversor de fuente de corriente (CSI)

• Inversor de tensión variable (VVI)

Los reguladores de frecuencia ajustable de Eaton Cutler-Hammer utilizan el primer tipo de inversor. el inversor de Modulación de Ancho de Impulso (o bien PWM). (No explicaremos aquí como funcionan los otros dos tipos de inversores puesto que representan la tecnología más antigua que no se utiliza comúnmente hoy en día).

La corriente CA es representada por una onda sinusoidal. Una onda sinusoidal completa se conoce como ciclo. La frecuencia de la corriente es el número de ciclos que pasan en un punto dado por segundo, y se mide en Hertz (o bien Hz). La frecuencia de corriente de línea en Norte América es 60 Hertz.

Como se muestra en la Figura 4, el inversor de modulación de ancho de impulso toma la corriente CD el rectificador y la conecta/desconecta muy rápidamente, pareciéndose a una onda sinusoidal.

Figura 4. Ondas Sinusoidales de Corriente de Línea Vs. Corriente CA Sintética

Acelerando o reduciendo la velocidad a la cual la corriente es conectada/desconectada, el regulador de frecuencia ajustable puede crear una forma de onda CA “sintética” con cualquier frecuencia.

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Figura 5. La Corriente CA Sintética puede ser Producida a Cualquier Frecuencia

Un dispositivo conocido como Transistor Bipolar de Compuerta Aislada (IGBT) ha sido desarrollado para conmutar la corriente seis veces más rápidamente que la generación previa de reguladores de frecuencia ajustable. Conmuta literalmente miles de veces cada segundo. Los resultados de la utilización de la tecnología IGBT incluyen:

• Una onda sinusoidal CA sintética refinada que corresponde más estrecha-mente a la onda sinusoidal CA natural

• Ruido de motor menos audible

• Menor calor generado debido a la correspondencia más estrecha con la onda sinusoidal “natural”

• Un dispositivo de disipación de calor más pequeño (se conoce como disipa-dor de calor) se requiere en el regulador de frecuencia ajustable.

Factor de Potencia Antes en este módulo, mencionamos que el costo de la energía (energía suminis-trada por empresa proveedora) es una preocupación esencial del cliente. Un atributo que afecta el costo de la energía es el Factor de Potencia de una carga. Las compañías de suministro de energía eléctrica agregan frecuentemente un argo adicional si el factor de potencia es inferior al sub-nivel especificado. El fac-tor de potencia es la relación entre la potencia que entra y la potencia que sale de un dispositivo. Específicamente, es una relación entre los kilowatts ingresados (KW) y los kilovolts-amperes (KVA) jalados por una carga.

Idealmente, un factor de potencia de 1.00 (llamado “unidad”) es deseable. Pero la mayoría de las cargas eléctricas no tienen un factor de potencia unitario. De hecho, el valor del factor de potencia puede ser positivo o negativo.

Se utilizan frecuentemente capacitores para corregir los factores de poten-cia a escala de sistema para que se acerquen a la unidad. Sin embargo, los Capacitores deben utilizarse con extrema cautela en sistemas de energía con reguladores de frecuencia adaptable. Si no son utilizados correctamente, existe un alto potencial de falla de capacitor. Nunca se debe utilizar un capacitor en una salida de regulador de frecuencia ajustable.

La corriente jalada por el regulador (proveniente de la empresa que suministra energía eléctrica) contiene armónicas. Las armónicas provocan el incremento del KVA, lo que provoca un factor de potencia de sistema menor. El factor de poten-cia determinado tomando en cuenta las armónicas se conoce como Factor de Potencia Total.

El factor de potencia más típico especificado por la mayoría de los fabricantes de reguladores de frecuencia ajustables se conoce como Factor de Desfase. El fac-tor de desfase es la relación entre los KW ingresados y los KVA jalados por una carga, sin tomar en cuenta las eventuales armónicas.

De los tres tipos de inversores, el tipo de modulación de ancho de impulso (PWM) ofrece el mayor factor de desfase, aproximadamente 0.95. Además, el inversor de modulación de ancho de impulso tiene el mismo factor de desfase en cualquier ajuste de frecuencia del regulador de frecuencia ajustable. Esto no

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es el caso de los otros dos tipos de reguladores de frecuencia ajustable (CSI y VVI).

El factor de desfase del regulador de frecuencia ajustable no es afectado por la velocidad o carga del motor. Sin embargo, el factor de potencia total es afectado por estas condiciones.

Impedancia La Impedancia es la oposición aparente al flujo de la corriente a través de un cir-cuito eléctrico CA, una fuerza que impide el flujo de la corriente.

Los reguladores de frecuencia ajustable tienen un requerimiento de imped-ancia mínimo. Esta impedancia mínima protege el regulador de frecuencia ajust-able contra daños de tensión de línea de corta duración.

Puede ser necesario agregar un reactor de línea – un dispositivo que funciona contra el flujo de la corriente –para proporcionar una impedancia suficiente.

Los reguladores de frecuencia ajustable tienen también un límite de imped-ancia máxima. Si la impedancia rebasa el máximo permitido, es posible que la salida nominal completa del regulador de frecuencia ajustable no pueda suminis-trarse al motor.

Armónicas Las Armónicas son ciertas frecuencias en las cuales corrientes y tensiones indeseables e inutilizables son introducidas en el sistema. Las armónicas son producidas por todas las cargas eléctricas no lineales. Una carga no lineal es una carga que jala corriente de la línea de manera no lineal, conectando y desconectando la corriente. El regulador de frecuencia ajustable es una carga eléctrica no lineal, así como las computadoras, impresoras, fotocopiadoras, sumi-nistros de energía ininterrumpible, y balastras de alumbrado fluorescente.

Las frecuencias armónicas son múltiplos de la frecuencia fundamental. En Norte América, en donde la Frecuencia Fundamental es de 60 Hz, las armónicas son de 120 Hz, 180 Hz, etc. El sistema considera estas formas de onda adiciona-les como “ruido” en la línea, lo que tiene un efecto negativo sobre la calidad de la energía eléctrica.

Las armónicas pueden causar el mal funcionamiento de los equipos, distorsión de datos, fallas de aislamiento de transformadores y motores, y disparo innecesa-rio de interruptores.

En este módulo, un poco más adelante, estudiaremos con mayores detalles lo que hacen las armónicas.

Concepto de Interface de Operador

A continuación veremos algunos conceptos relacionados con la interface de oper-ador.

• Control de Operador

• Señal de Control de Velocidad Remota

Control de Operador Los requerimientos más básicos del control de operador son la capacidad de arrancar, parar, cambiar velocidades y revertir direcciones del controlador de fre-cuencia ajustable. Las funciones de comando de operador son habitualmente tanto manuales como automáticas.

Frecuentemente se desean funciones de control superiores tales como retroali-mentación a la estación de control. Los reguladores de frecuencia ajustable total-mente digitales tienen todas las características de control estándares mencionadas arriba, además de características flexibles para satisfacer las necesidades de aplicaciones especializadas, de manera muy similar a un contro-lador lógico programable (PLC).

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Además de una comunicación fácil con operadores humanos, el controlador de frecuencia ajustable debe también conectarse con los sistemas de automatiza-ción controlados por computadora. Las entradas en la unidad de control de oper-ador monitorea los elementos de sistema tales como temperatura de motor e interbloqueos críticos y pueden también cerrar el regulador de frecuencia ajust-able en caso necesario. Las entradas son también utilizadas para conmutar los comandos de arranque y parada entre el modo manual y el modo automático.

Señales de Control Las señales de control comunican información entre componentes. Están agrupa-das como entradas (señales que entran al regulador de frecuencia ajustable) y salidas (señales que salen del regulador de frecuencia ajustable). Las entradas del motor incluyen velocidad de corriente, dirección, ritmo de aceleración, adver-tencias de sobrecarga, etc. Las salidas hacia el motor incluyen peticiones de arranque, parada, aceleración, mantenimiento de una velocidad preestablecida, impulsar la carga, etc.

Los comandos de referencia de velocidad pueden ser empleados manual o automáticamente. Tipos manuales de entrada de velocidad incluyen poten-ciómetros de velocidad montados en puerta así como teclados digitales. Tipos automáticos de entrada de velocidad incluyen señales de instrumento suministra-das por el cliente y sensores neumáticos.

Las señales de entrada y salida pueden ser analógicas o digitales. Cada fabri-cante en la industria ofrece tres señales analógicas estándares: corriente, tensión y neumática. Sin embargo, las señales digitales se prefieren puesto que son más confiables. Solamente algunos fabricantes (incluyendo Eaton Cutler-Hammer) pueden ofrecer señales digitales.

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En Resumen Como usted puede ver, los reguladores de frecuencia ajustable son relativamente complejos en cuanto a su función. Y la explicación de su función requirió de examinar varios conceptos de ingeniería.

Ahora vamos a resumir lo que hemos abarcado en esta sección.

Un motor de inducción CA es diseñado para funcionar a una velocidad sínc-rona. Esta velocidad es determinada por el número de polos que tiene el motor y la frecuencia de la corriente suministrada. El cambio de la frecuencia de la corri-ente cambia la velocidad del motor.

El caballo de potencia es la unidad utilizada para medir la cantidad de trabajo que puede efectuar un motor. Mediante la utilización de un regulador de frecuen-cia ajustable, un motor puede proporcionar una cantidad variable de caballos de potencia.

Cuando la corriente de línea ingresa primero al regulador de frecuencia ajustable, pasa en el rectificador, que convierte la corriente CA entrante en una corri-ente CD. Pasa después al inversor. El inversor convierte la corriente CD en una corriente CA “sintética”, mediante su conexión y desconexión muy rápida-mente, pareciéndose a una onda sinusoidal CA. Mediante la aceleración o reducción de velocidad con la cual la corriente es conectada y desconectada, el regulador de frecuencia ajustable crea una corriente CA “sintética” con cualquier frecuencia deseada.

El factor de potencia total incluye los efectos de las armónicas y el factor de desfase excluye las armónicas.

La impedancia es una fuerza que restringe el flujo de corriente CA. Los regu-ladores de frecuencia ajustable tienen un requerimiento de impedancia mínima e impedancia máxima. Manteniendo la impedancia entre el mínimo y el máximo permite:

• Reducir las corrientes de carga pico permitidas en el rectificador

• Proteger el regulador de frecuencia ajustable contra daño de cualquier even-tual pico de tensión de línea

• Permitir el suministro al motor de la salida de plena potencia del regulador de frecuencia ajustable.

Las armónicas son frecuencias en las cuales tensiones y corrientes no deseables y no utilizadas son introducidas en el sistema. El sistema consid-era estas formas de onda adicionales como “ruido” en la línea, lo que tiene un efecto negativo sobre la calidad de la energía eléctrica. Las armónicas pueden provocar el mal funcionamiento del equipo, distorsión de datos, falla de ais-lamiento del transformador y del motor, y disparo innecesario de los interruptores.

Los controles de interface de operador permiten que el trabajador arranque, pare y cambie la velocidad del regulador de frecuencia ajustable. Frecuentemente se desean funciones de control superiores tales como retroalimentación a la est-ación de control.

Las señales de control pueden ser enviadas manual o automáticamente y pueden ser producidas por medios analógicos o digitales. Las señales de control digi-tales son preferidas, puesto que son más confiables.

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Repaso 2 Conteste las siguientes preguntas sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar. Empiece la sección siguiente cuando esté seguro que entiende lo que ya leyó.

1. La velocidad síncrona de un motor es determinada por el número de ______ que tiene el motor y la _________ de la corriente suministrada.

2. La ecuación para determinar la velocidad síncrona es: N = 120 x F / P. Supongamos que usted tiene un motor CA con 8 polos funcionando a 60 Hz. ¿Cuál sería la velocidad síncrona del motor?_________ RPM

3. Supongamos que su aplicación requiera que el motor descrito arriba gire a 600 rpm. ¿El regulador de frecuencia ajustable adjunto al motor debe ser rea-justado para proporcionar cuántos Hertz?_________ Hz

4. Supongamos que usted tiene un motor tetrapolar, de 3 caballos de potencia que funciona a 60 Hz. ¿Cuál es el par que el motor puede producir? _________ pie-libras de par.

5. El dispositivo en el controlador de frecuencia ajustable que convierte la corri-ente de línea CA entrante en CD es el ___________.

6. Nombre 2 de los beneficios de la utilización de IGBTs en un regulador de fre-cuencia ajustable. ______________________________________________________

7. La proporción entre la entrada KW del regulador de frecuencia ajustable y la entrada de KVA se conoce como __________ ___________.

8. Manteniendo la impedancia entre el mínimo y el máximo permite estos tres efectos deseables:__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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Asuntos a considerar al utilizar Reguladores de Frecuencia Ajustable

Hemos visto como funcionan los reguladores de frecuencia ajustable y por qué son útiles. También hemos comentado sus ventajas en comparación con otros métodos de regulación de la velocidad. Sin embargo, no debemos considerar que el regulador de frecuencia ajustable es perfecto. Existen numerosos asuntos que deben considerarse:

• Asuntos de calentamiento

• Filtración de salida

• Armónicas

Si se ignoran estos asuntos al planear la implementación, pueden surgir proble-mas en la aplicación.

Asuntos de Calentamiento

Como ya lo hemos comentado, el regulador de frecuencia ajustable genera una cierta cantidad de calor. Esta generación de calor se toma en cuenta al determi-nar el tamaño del ventilador de enfriamiento del regulador, especialmente si el regulador de frecuencia ajustable se encuentra en un espacio cerrado.

De la misma manera, usted debe tener conciencia de los problemas de calentam-iento en la aplicación del cliente. Todos los demás componentes en el sistema generan también calor que debe ser disipado. Y la temperatura ambiente del entorno operativo debe ser considerada también.

Un motor funcionará a una temperatura más alta cuando opera en un regulador de frecuencia ajustable que cuando opera en la corriente de línea. ¿Cuál es la razón?

• La reducción de la velocidad del motor resulta en una reducción igual de la velocidad del ventilador de enfriamiento del motor. La disipación del calor puede ser afectada cuando el motor funciona por debajo de su velocidad de diseño.

• Como ya lo hemos mencionado, las armónicas representan un desperdicio de energía. Esta energía se desperdicia en forma de calor. Los reguladores de frecuencia ajustable son afectados por las armónicas de tal manera que más calor es generado y debe ser disipado.

Por estas razones, revise cuidadosamente la aplicación del cliente para cercio-rarse que los problemas de calentamiento no causarán una falla de aislamiento o, peor, quemaran el motor. Puede ser necesario recomendar un motor más grande y/o un gabinete más grande, o un sistema de enfriamiento separado para la apli-cación del cliente.

Filtración de Salida Cuando el motor se encuentra alejado del regulador de frecuencia ajustable, sur-gen problemas de protección. (La distancia varía según el modelo del regulador. Consulte su catálogo para obtener una información específica). El cable largo que conecta el regulador al motor podría producir potencialmente picos de ten-sión frecuentes y repetitivos. Estos picos podrían eventualmente provocar una falla de aislamiento y destruir el motor.

Cuando la longitud del cable para la aplicación rebasa la longitud aceptable en el catálogo de productos, deberá usted agregar un Filtro de Salida (se conoce tam-bién como Filtro dv/dt al circuito. El filtro de salida detendrá los picos de tensión antes que puedan dañar el motor.

Armónicas Como lo hemos mencionado, las armónicas son producidas por todas las cargas eléctricas no lineales, incluyendo los reguladores de frecuencia variable. ¿Qué se

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puede hacer con las armónicas para proteger el equipo del usuario y los sistemas de cómputo?

• Un filtro puede ser agregado al sistema para retener todas las frecuencias armónicas y mandarlas a tierra. De esta forma se protege el equipo contra daños. La desventaja de utilizar este método es que el filtro puede servir como “imán” para todas las armónicas en la red eléctrica. Esto significa que las demás máquinas del clientes - o hasta las máquinas del vecino pueden utilizar (y quemar) el filtro del cliente.

• Se pude agregar un Reactor de Línea para aminorar el problema. Es un dis-positivo que agrega impedancia a la línea para mantener la impedancia entre los valores mínimo y máximo permitidos. El riesgo de daño al equipo es mini-mizado.

• Se puede utilizar un rectificador de “Energía eléctrica limpia”. Es una solución relativamente costosa pero mientras los otros dos métodos “limpian” las armónicas, este método impide la ocurrencia de las armónicas.

Ayuda al Cliente Para ayudar a un cliente a seleccionar un regulador de frecuencia ajustable para una aplicación, se deben tomar en cuenta numerosos factores. A continuación los presentamos brevemente.

Factores a Considerar • Considere la aplicación misma Aplicaciones con alto par, gran inercia, aceleración rápida no son recomendadas para su uso con un regulador de frecuencia ajustable.

• Tipo de carga, potencia y par ¿Qué tan grande es la carga? ¿Qué tanto par se requiere para funcionar? ¿Es una aplicación de par constante o de par variable?

• Tipo de motor, amperaje de plena carga y caballos de potencia ¿Qué tipo de motor es? ¿Cuál es el amperaje de plena carga y el caballaje del motor? Consiga la marca y el número del modelo del motor para que sepa usted exactamente con que está trabajando.

• Rango de velocidades requerido ¿Qué rango de velocidad de motor desea tener el cliente?

• Ajuste de velocidad requerida ¿Qué tan preciso se requiere el ajuste de velocidad?

• Respuesta de control ¿Qué tan rápidamente el control debe responder a cambios de carga, o cam-bios de ajustes de operación?

• Eficiencia Una eficiencia mayor significa costos menores de energía.

• Capacidad de Sobrecarga ¿Qué clase (10, 20) de protección contra sobrecargas se requiere para la aplicación?

• Confiabilidad Consideremos que el cliente desea tener una unidad que falle lo menos posible, evidentemente. ¿Qué tan crítico es evitar el disparo innecesario? ¿Qué tan importante es poder ajustar los parámetros de disparo?

• Tamaño físico de la unidad ¿Qué tanto espacio físico está disponible para una unidad de control de velocidad de motor en el sitio de la aplicación?

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• Ruido audible ¿El cliente tiene algún problema relacionado con el ruido audible producido por el motor o la unidad de control de velocidad?

• Armónicas ¿El cliente tiene algún problema en cuanto a las armónicas en la línea? Tome en cuenta todo el sistema del cual forma parte el regulador.

• Tipo de gabinete ¿El cliente tiene alguna necesidad especial con relación al entorno de la apli-cación? Seleccione un tipo de gabinete NEMA correspondiente.

• Ubicación ¿La distancia entre el motor y el regulador de frecuencia ajustable es un problema? Revise en el catálogo de productos. Un filtro de salida puede ser necesario.

• CostoLos clientes desean los productos más económicos que satisfacen otros requerimientos de su aplicación. Conforme usted explica el costo de una unidad particular, cerciórese de presentarlo en términos del costo total al cli-ente. Lo que puede parecer representar un costo inicial elevado puede de hecho ahorrarle al cliente una cantidad importante de dinero durante la vida de la unidad. Los ahorros en cuanto a costo de energía, tiempo de manten-imiento reducido gracias al diagnóstico integrado y similares pueden presen-tarse como retornos en la inversión en el dispositivo.

Lista de Revisión de Aplicación

A continuación se presenta una buena lista de revisión a utilizar cuando está ayudando a un cliente a decidir el tipo de regulador de frecuencia ajustable más adecuado a su aplicación.

MOTOR

Nuevo ____ Existente ___ Hp ____ Velocidad base _____Tensión _____FLA ____ LRA ___ Diseño NEMA ____ Relación engranes/Poleas ____Hz _____ Factor de Servicio _____

CARGA

Aplicación: ________________________________________________________

Tipo de Carga: Par Constante _____ Par Variable ____ HP Constante _____

Inercia de carga reflejada al motor: _____________ lb.ft2

Par de arranque requerido: ___________ ft.-lb.

Carga en marcha normal del motor: ___________ ft.-lb.

Par pico (arriba de 100%, arriba del par en marcha normal): __________ ft.-lb.

Tiempo de aceleración Más Corto/Más Largo: ____ / ____ seg. hasta ____ Hz desde la parada

Tiempo de Desaceleración Más Corto/Más Largo: ____ / ____ seg. hasta ____ Hz a partir de la velocidad máxima

Rango de velocidad de operación: ______ Hz hasta _____ Hz

Tiempo para que el motor/carga se detenga sin frenar: _____ segundos.

REGULADOR DE FRECUENCIA AJUSTABLE

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Fuente de comandos de arranque/parada: terminales de Entrada/Salida ____ Teclado ____ Otros ______

Fuente de ajuste de velocidad: ________________________________

Otros requerimientos de operación: _______________________________

¿El motor girará cuando arranque el regulador de frecuencia ajustable?

Si___ No ____

¿A que distancia está el motor del regulador de frecuencia ajustable? _________ pies

¿Se considera que la carga es de alta inercia? Si ___ No ____

¿Se considera que la carga es difícil de arrancar? Si____ No ____

Opciones deseadas: Operadores múltiples ______ Señales de Salida ______Opciones de Poder _________________________________Otras ________________________________________

Otros requerimientos o condiciones: ________________________

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SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Transformador de suministro: _____ KVA, o bien corriente de cortocircuito a la entrada del regulador _____ amps

Caballaje Total de todos los reguladores conectados al transformador/alimenta-dor ______ Hp

¿Se desea un transformador de regulador o reactor de línea? (Puede ser requerido) ________

¿Algún requerimiento en cuanto a armónicas? Si/No THD de Tensión ____% THD de Corriente ____%

Carga total sin regulador conectada al alimentador del regulador: ________ amps

SERVICIO

Asistencia para arrancar: ____________ Capacitación del Cliente:__________

Mantenimiento Preventivo: _________ Repuestos: ________

ASUNTOS ADICIONALES – Conteste Si o No.

____ ¿El regulador de frecuencia ajustable opera varios motores?

____ ¿La fuente de suministro de energía eléctrica será conmutada con el regula-dor de frecuencia ajustable funcionando?

____ ¿El tiempo de arranque o parada es crítico?

____ ¿Existen pares pico o cargas de impacto?

____ ¿Los contactores suministrados por el usuario serán utilizados en la entrada o salida del regulador de frecuencia ajustable?

Recomendación de un Producto al Cliente

Utilizando toda la información recopilada aquí, consulte sus catálogos de produc-tos para hacer una recomendación al cliente.

Es posible que usted pueda sugerir más que un producto, puesto que es posible que usted no encuentre una correspondencia perfecta para todos los requer-imientos de la aplicación.

En CampoLa bomba centrífuga en un sistema de agua enfriada, como se muestra aquí, es un candidato ideal para su uso con un regulador de frecuencia ajustable.

Conforme la bomba gira más rápidamente, desplaza más agua, y requiere de más par.

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Esta aplicación requiere también de la regulación del flujo del agua a través de la bomba.

Tendrá usted que trabajar con el cliente para seleccionar un regulador de fre-cuencia ajustable para una aplicación de este tipo, tomando en cuenta los fac-tores mencionados arriba.

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Características Normalmente Especificadas

Existen cuatro características que el cliente especifica generalmente con relación aun regulador de frecuencia ajustable. Estas características son las siguientes:

• Derivación

• Reactor en línea

• Señal de Control

• Filtro de Salida

A continuación vamos a presentar rápidamente cada una de estas característi-cas.

Derivación La adición de una derivación al regulador de frecuencia ajustable permite que el motor sea transferido a través de un grupo de contactores a la línea de la empresa de suministro de energía eléctrica, para permitir la realización de man-tenimiento del regulador de frecuencia ajustable.

Existen dos tipos de derivación posibles:

• De operación manual

• De transferencia automática

Reactor de Línea El cliente puede especificar un reactor de línea para la aplicación.

Obtenga toda la información pertinente del cliente y del catálogo de productos. Después haga referencia a la sección sobre impedancia (antes en este módulo) para determinar si se requiere de un reactor de línea para la aplicación del cli-ente.

Señal de Control El cliente puede especificar un tipo o tipos de señal de control para la aplicación.

Determine los requerimientos del cliente y decida si entradas y salidas analógicas o digitales son más apropiadas.

Filtro de Salida Cuando la longitud del cable para una aplicación rebasa la longitud aceptable en el catálogo de productos, tendrá que agregar un filtro de salida (se conoce tam-bién como un filtro de “dv/dt”) al circuito. El filtro de salida reduce los Transitorios de Tensión antes que puedan dañar el motor.

El cliente puede especificar la necesidad de un filtro de salida si la longitud del cable es excesiva, pero puede no tener conciencia de este requisito. De cualquier manera, usted debe verificar si un filtro de salida se requiere en el caso de la apli-cación del cliente.

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Repaso 3 Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar.

1. ¿Cuáles son los dos asuntos de calentamiento de motor que surgen cuando un motor funciona con un regulador de frecuencia ajustable?_____________________________________________________________ _____________________________________________________________

2. El filtro de salida funciona para proteger el motor a través de:_____________________________________________________________.

3. Nombre cuatro de los factores que deben tomarse en cuenta al seleccionar un regulador de frecuencia ajustable para que sea adecuado a la aplicación del cliente. ____________________________________________________________________________________________________

4. Nombre dos métodos para manejar las armónicas. __________________________________________________

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GlosarioCA Corriente Alterna.Reguladores de Frecuencia Ajustable

Un dispositivo eléctrico utilizado para controlar la velocidad de un motor CA. Se conoce también como regulador de FA.

Derivación Un dispositivo agregado a un regulador de frecuencia ajustable que permite la transferencia de la energía eléctrica alimentada al motor a través de un grupo de contactores. Esto es útil en caso de falla del regulador de frecuencia ajustable o en caso de mantenimiento al regulador.

Capacitor Un dispositivo que consiste de dos conductores separados por un aislador. Se utiliza para almacenar electricidad.

Factor de Desfase La relación entre KW y KVA ingresado del regulador de frecuencia ajustable, excluyendo las armónicas.

Filtro Un componente para suavizar la corriente CD en un regulador de frecuencia ajustable.

Frecuencia El número de ciclos por segundo de una corriente eléctrica alterna. La unidad de medición de la frecuencia es el Hertz.

Frecuencia Fundamental

La frecuencia de corriente de línea. En Norte América es 60 Hertz.

Armónicas Ciertas frecuencias, específicamente, múltiplos de la frecuencia fundamental, en la cual tensiones y corrientes no deseadas y no utilizables son introducidas en el sistema.

Caballos de Potencia Unidad de medición utilizada para describir la cantidad de trabajo que puede efectuar un motor.

Impedancia La oposición aparente al flujo de la corriente a través de un circuito eléctrico CA; una fuerza que impide literalmente el flujo de la corriente.

Transistor Bipolar de Compuerta Aislada

Un dispositivo utilizado para conmutar la corriente CD en la sección de inversor de un regulador de frecuencia ajustable.

Inversor La sección del regulador de frecuencia ajustable que convierte la corriente CD en una corriente CA “sintética”, la cual es después alimentada al motor.

Reactor de Línea Un dispositivo que agrega impedancia a la línea para mantener la impedancia entre los valores mínimo y máximo permitidos para un equipo eléctrico específico, como por ejemplo un regulador de frecuencia ajustable.

Filtro de Salida Cuando la longitud de cable para la aplicación rebasa la longitud aceptable, se agrega este dispositivo al circuito para proteger el motor contra picos de tensión. Se conoce también como filtro DV/DT.

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Fase La relación entre la corriente y la tensión en un circuito CA, con relación a su desplazamiento angular.

Factor de Potencia Un término general, utilizado para describir varias mediciones del porcentaje de la corriente de entrada disponible después de pasar a través del sistema. Véase Factor de Potencia Total, Factor de Desfase.

Modulación de Ancho de Impulso

Un tipo de inversor que toma la corriente CD del rectificador y la conecta y desconecta muy rápidamente, formando aproximadamente una onda sinusoidal.

Rectificador Un dispositivo que convierte la corriente CA entrante en corriente CD.

Señal de Control de Velocidad Remota

Esta señal se utiliza para controlar la velocidad del regulador a distancia, a partir de un panel de control que no se localiza directamente en el regulador.

Velocidad Síncrona La velocidad de motor por diseño, determinada por el número de polos que tiene el motor, y la frecuencia de la corriente suministrada.

Trifásica Un tipo de energía eléctrica CA en donde tres corrientes CA son introducidas a 120° entre ellas.

Par Una medición de la fuerza de rotación.Factor de Potencia Total

La relación entre la KW de entrada y la KVA de entrada del regulador de frecuencia ajustable, incluyendo las armónicas.

Tensión Diferencia de potencial eléctrico. La unidad de medición es el Volt.

Transitorios de Tensión

Término técnico para un pico de tensión inesperado e indeseable en un circuito.

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Respuestas del Repaso 1

1. frecuencia, tensión

2. ventilador enfriador

3. muchas respuestas posibles

4. muchas respuestas posibles


1. polos, frecuencia

2. 900 RPM

3. 40 Hz

4. 8.75 pies-libras de par

5. rectificador

6. Dos de los siguientes: Onda sinusoidal CA sintética refinada, se asemeja más estrechamente a una onda sinusoidal CA naturalRuido de motor menos audible Menor calor generado debido a la correspondencia más cercana con la onda sinusoidal “natural” Se requiere de un disipador térmico menor

7. factor de potencia

8. Reduce las corrientes de carga pico permitidas en el rectificador, protege el regulador de frecuencia ajustable contra daño por picos de tensión breves en la línea, y permite suministrar al motor la salida de plena potencia del regula-dor de frecuencia ajustable.


1. La respuesta debe decir básicamente: “1. La reducción de la velocidad del motor resulta en una reducción igual del ventilador de enfriamiento del motor. 2. Las armónicas desperdician energía eléctrica. Esta energía eléctrica se desperdicia en forma de calor. Los reguladores de frecuencia ajustable son afectados por las armónicas, puesto que más calor es generado y debe ser disipado”.

2. reducción de los transitorios de tensión antes que puedan dañar el motor

3. Cuatro de los siguientes: Tipo de carga, potencia y par Tipo de motor, amperaje de plena carga y caballaje Rango de velocidades requerida Ajuste de velocidad requerida Respuesta de control Eficiencia Capacidad de sobrecarga Confiabilidad Tamaño físico de la unidad Ruido audible Armónicas Ubicación Costo

4. Dos de los siguientes: Filtro Reactor de línea Rectificador de energía eléctrica limpia

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