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• Darwin Garcia

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Control de máquinas

Arrancadores Suaves Definición Un arrancador suave es un dispositivo electrónico que permite controlar el arranque y parada de motores de inducción, ayudando a proteger el motor y contribuyendo al ahorro de energía. En aplicaciones industriales, cuando el motor de inducción es conectado a una banda transportadora, un alto par durante el arranque puede hacer caer el producto transportado posibilitando daños en el mismo. Para evitar estos inconvenientes, se emplea el método del arranque suave, que consiste en suministrar al motor una baja corriente que se incrementa de acuerdo al tiempo de duración del arranque. Estas son algunas de las aplicaciones habituales de los arrancadores suaves: • Aplicaciones con par de arranque bajo o medio • Aplicaciones de carga ligera • Poco o ningún control de velocidad durante el modo de marcha • Reducen el desgaste mecánico y daños al sistema • Control de corriente de entrada al momento del arranque • Monitoreo de alimentación ¿Cómo funcionan? Los arrancadores suaves limitan la corriente y el par de arranque permitiendo ejercer un control de la tensión desde 0 hasta la nominal para el arranque y al revés para la parada. Regula el voltaje de modo que el motor recibe primero una oleada de baja tensión, que va ascendiendo hasta que el motor empieza a girar, ahorrando en el desgaste y a menudo colaborando a que los componentes electrónicos duren más tiempo.

Figura 1. Arrancador Suave

Figura 2. Funcionamiento del arrancador suave

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Para máquinas de CD:

Tradicionalmente se han utilizado tres tipos de motores para funcionar en régimen de velocidad variable para diferentes aplicaciones, los cuales son: motor síncrono, motor de inducción y motor de CD. De estos tres tipos, el que habitualmente ha sido más utilizado para funcionar en régimen de velocidad variable es el motor de CD con conmutador en las categorías de baja a mediana potencia (hasta de 10MW), ya que sus características eléctricas permiten variar su velocidad de una forma sencilla, manteniendo una buena eficiencia. Los motores de este tipo proporcionan un alto par de arranque y permiten regular su velocidad dentro de márgenes más amplios. Los métodos para controlar su velocidad son más fáciles de implementar y el costo de su impulsor eléctrico es menor al de uno de corriente alterna. Utilización: En la industria este tipo de motores tiene una amplia aplicación, debido a sus características electromecánicas, ya que permiten diferentes tipos de conexiones (excitación separada, derivación, serie, excitación compuesta). Los motores en serie son los más empleados por su alto par de arranque. Al impulsor eléctrico de CD para tracción eléctrica se le conoce también con el nombre de chopper que en castellano quiere decir interruptor periódico. Este dispositivo de CD es un convertidor electrónico de potencia CD/CD de conmutación forzada, el cual se utiliza para el control del voltaje en el circuito de la armadura de los motores de CD. La fuente de energía de CD que abastece a los choppers se genera mediante baterías o fuentes de CA con diodos rectificadores con filtros a la salida. Estos choppers son utilizados en sistemas de transporte eléctrico urbano. Uno de los problemas que presentan los impulsores de CD son los transitorios eléctricos que se producen en el circuito de armadura en los motores de CD cuando se arranca o se varía su velocidad.

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Para máquinas de CA:

Ofrecen un control superior de la corriente y el par, e incorporan elementos avanzados de protección de motor. Algunos tipos son: Controladores de Par, Controladores de par de 1, 2 ó 3 fases, Controladores de tensión de lazo abierto o de lazo cerrado y Controladores de corriente de lazo cerrado. Las principales ventajas que ofrecen los arrancadores suaves son: 1. Control simple y flexible sobre la corriente y el par de arranque. 2. Control uniforme de la corriente y la tensión libre de saltos o transiciones. 3. Apto para realizar arranques frecuentes. 4. Apto para un cambio sencillo de las condiciones de arranque. 5. Control de parada suave que amplía el tiempo de deceleración del motor. 6. Control de frenado que reduce el tiempo de deceleración del motor.

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Figura 4. Diagrama de un arrancador suave en CA

Utilización: Incontable máquina de corriente alterna repartidas por las fábricas de todo el mundo utilizadas para accionar ventiladores, trituradoras, agitadores, bombas, transportadores, etc. son sometidas diariamente a esfuerzos innecesarios por puntas de carga no deseadas Este arranque brusco y violento de los motores de corriente alterna equivale a un peaje que hay que pagar de diversas formas. Entre ellas mencionemos las siguientes: 

Problemas eléctricos debidos a las tensiones y corrientes transitorias producidas en los arrancadores en línea directos o estrella/triángulo. Estos fenómenos transitorios pueden sobrecargar la red de alimentación local y producir variaciones inaceptables de la tensión, con interferencias en otros equipos eléctricos conectados a la misma red.

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Problemas mecánicos que someten a grandes esfuerzos a toda la cadena de accionamiento, desde el motor hasta el equipo accionado.

Problemas operativos, tales como elevación brusca de la presión en las tuberías, daños en los productos transportados por las cintas y marcha poco confortable de las escaleras mecánicas.

Figura 5. Arrancadores suaves, modelo de ABB

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Figura 6. Ejemplo de instalación de arrancadores suaves con su respectivo diagrama.

Figura 7. Conexión estándar de un arrancador suave.

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Ejemplo de instalación de un arrancador suave Altistar 48:

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Ventajas y Desventajas de los arrancadores suaves: Ventajas:       

Arranque y paradas suaves Arranque sin interrupciones Reducción de picos de laintensidad de corriente Se evitan huecos de tensión en lared durante el arranque No se sobrecarga la red desuministro de energía eléctrica Reducción de la carga mecánicaaplicada al accionamiento Menor tamaLo para maniobras demantenimiento, cableado einstalación

Desventajas:  

Costosos Provocan armónicos

Variador de Velocidad o Variador de Frecuencia Es un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. También es conocido como Accionamiento de Velocidad Variable. De igual manera, en ocasiones es denominado mediante el anglicismo Drive. Los variadores de frecuencia son sistema utilizados para el control de la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna. Un variador de frecuencia son vertientes de un variador de velocidad, ya que llevan un control de frecuencia de alimentación, la cual se suministra por un motor. Otra forma en que son conocidos los variadores de frecuencia es como Drivers ya sea de frecuencia ajustable (ADF) o de CA, VVVF (variador de voltaje variador de frecuencia), micro drivers o inversores; esto depende en gran parte del voltaje que se maneje.

Figura 8. Variadores de Velocidad para motores asíncronos

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¿Cómo funcionan? Se alimenta al equipo con un voltaje de corriente alterna (CA), el equipo primero convierte la CA en corriente directa (CD), por medio de un puente rectificador (diodos o SCR´s), este voltaje es filtrado por un banco de capacitores interno, con el fin de suavizar el voltaje rectificado y reducir la emisión de variaciones en la señal; posteriormente en la etapa de inversión, la cual está compuesta por transistores (IGBT), que encienden y apagan en determinada secuencia (enviando pulsos) para generar una forma de onda cuadrada de voltaje de CD a un frecuencia constante y su valor promedio tiene la forma de onda senoidal de la frecuencia que se aplica al motor.

Figura 9. Diagrama de funcionamiento de un variador de frecuencia

Diferencia entre el arrancador suave y el variador de velocidad: Los arrancadores suaves constituyen una muy buena opción cuando se trata de reducir el stress mecánico del motor y la máquina durante el arranque. Sin embargo, la reducción de corriente durante el arranque no siempre se puede conseguir. En estos casos, el variador de frecuencia aporta ventajas comparativas pues mantiene intacto los rendimientos de torque del motor, permitiendo arrancar cualquier máquina por difícil que sea su arranque, y agrega una reducción de corriente importante. El variador de frecuencia permite variar la velocidad de funcionamiento del motor en cualquier etapa de operación, en tanto que el al arrancador suave no realiza esta función.

Prestaciones de los Variadores de Velocidad: Es fácil imaginar, que las aplicaciones principales, serán en los elementos que dispongan de motor eléctrico y cumplan con las leyes físicas descritas en el apartado anterior. Estamos hablando de Ventiladores y Bombas Centrifugas. En edificación, los ventiladores se utilizan en sistemas de climatización y ventilación, mientras que las bombas centrífugas, se utilizan en circuitos hidráulicos de calefacción, climatización, agua caliente sanitaria, grupos de presión de agua, etc. Se deduce, por lo tanto, la cantidad de elementos en los que se puede actuar con variadores de frecuencia y obtener un gran ahorro de energía. 7

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Se utilizan estos equipos cuando las necesidades de la aplicación sean:  Dominio de par y la velocidad  Regulación sin golpes mecánicos  Movimientos complejos  Mecánica delicada Además de la principal ventaja, que es el gran ahorro de energía, los variadores de frecuencia aportan otras ventajas, que no dejan de ser importantes: 

Control Mejorado de Caudal y Presión

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Corrección del Factor de Potencia del Motor

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Eliminación de la Energía Reactiva

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Arranque suave de los motores.

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No es necesario arranques “estrella-triángulo” en motores de gran consumo

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Menor mantenimiento

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Eliminación de ruidos por vibraciones

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No se producirán cavitaciones en las bombas hidráulicas

¿Dónde se utilizan? Calefacción – Climatización – Agua Caliente Sanitaria: Bombas de Circulación El control de velocidad en bombas de circulación de agua para instalaciones de calefacción. climatización y agua caliente sanitaria implica una adaptación, en todo momento, a las condiciones de carga de la instalación, adecuando los caudales y presiones a la demanda de la instalación, garantizando la máxima eficiencia y ahorro energético.

Figura 10. Bombas con variador de velocidad

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Fontanería: Grupos de Presión de Abastecimiento de Agua El funcionamiento de un grupo de presión convencional, se regula mediante presostatos, que realizan arranques y paradas de las bombas según las presiones prefijadas. Los consumos eléctricos son elevados, sin ajustarse su caudal a la demanda del sistema Si disponemos de variadores de frecuencia, las bombas suministrarán el caudal de agua necesario, adaptándose a la demanda existente en cada momento, y regulando la velocidad de las bombas, con lo que el consumo disminuye considerablemente.

Figura 11. Bombas de presión con control de velocidad

Ventilación: Control por Ocupación Imaginemos un local donde la ocupación de personas no siempre es la misma; por lo tanto, no necesitaríamos siempre el mismo caudal de aire de impulsión y extracción, ya que, como sabemos, la normativa fija un caudal por persona. Si disponemos de variadores de frecuencia para los ventiladores, y un sistema de control automático de ocupación, podremos adecuar los caudales al número de personas presentes.

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Figura 12. Ventilación: control por ocupación.

Ventilación: Control de Calidad de Aire Interior Como sabemos, la actividad metabólica de las personas, los humos, etc, influyen en la calidad del aire de un local, por lo que necesitaremos más o menos ventilación (más o menos caudal de impulsión y extracción), dependiendo del valor de esos parámetros. Si disponemos de variadores de frecuencia para los ventiladores, y un sistema de control automático de calidad del aire, podremos adecuar los caudales a las necesidades ambientales del local.

Figura 13. Ventilación: control de calidad de aire interior

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Ventajas y Desventajas de los variadores de velocidad (frecuencia): Ventajas: Entre las diversas ventajas por el empleo de variadores de velocidad destacan: 

Operaciones más suaves.

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Control de la aceleración.

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Distintas velocidades de operación para cada fase del proceso.

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Compensación de variables en procesos variables.

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Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba.

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Ajuste de la tasa de producción.

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Permitir el posicionamiento de alta precisión.

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Control del Par motor (torque).

Desventajas: 

El convertidor toma de la red corrientes no sinusoidales y se comporta como un generador de corrientes armónicas.

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El convertidor está constituido por semiconductores que cierran o abren los circuitos muy rápidamente y originan variaciones rápidas de corriente o de tensión. Por este motivo, las ondas electromagnéticas radiadas pueden alterar el entorno.

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Es necesario que el motor pueda funcionar adecuadamente con el convertidor, ya que la corriente que recibe no es perfectamente lisa si se trata de un motor de corriente continua, ni perfectamente sinusoidal si se trata de un motor de corriente alterna.

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