Motores con variadores
de frecuencia



Por
Percy R. Viego Felipe*

 

Oportunidad de ahorro energético mediante la correcta selección de los motores accionados con variadores de frecuencia.

 

Después de los motores eléctricos, las bombas y los ventiladores son las máquinas más utilizadas en el mundo. Esto significa que una combinación de motor y bomba, o de motor y ventilador, constituyen áreas importantes en que el uso de la energía puede hacerse más eficiente. Así, hay una gran cantidad de ventajas que se pueden lograr, en parte asegurando que el sistema esté correctamente dimensionado, y en parte usándolo racionalmente. Otros tipos de cargas (elevadores, grúas, compresores, transportadores, máquinas herramienta, extrusoras, máquinas textiles, etc.) también ofrecen actualmente un importante campo para el ahorro, utilizando adecuadamente equipos eficientes.

Un área que brinda grandes oportunidades de ahorro es en los casos en que se controla el flujo de agua o de aire por métodos de estrangulamiento (válvulas o compuertas) y se sustituye por métodos en que se varía la velocidad del motor que acciona la bomba.
El método más eficaz y eficiente para la variación de velocidad es hoy en día el uso de variadores de frecuencia aplicados a los motores asincrónicos, principalmente aquellos que emplean el principio de control por modulación del ancho de pulso (PWM).

Control por variación de velocidad
Con el estrangulamiento, la reducción de flujo se obtiene al precio de un incremento en las pérdidas, mientras que con el control por velocidad variable resulta posible ajustar las características de la bomba sin apenas incrementar las pérdidas; y los requerimientos de potencia son radicalmente reducidos según la velocidad disminuye.

En la figura 1 se muestra una comparación aproximada entre el porcentaje de la potencia requerida para distintos porcentajes de flujo con diferentes tipos de control. Como puede observarse, el control por frecuencia resulta el más efectivo y la reducción que se logra en comparación con el estrangulamiento es sustancial.


Fig. 1. Consumo relativo de potencia en función
del flujo con tipos diferentes de control.

Método de control por frecuencia
El método se fundamenta en que la velocidad sincrónica del campo magnético rotatorio de un motor asincrónico puede ser controlada por medio de la variación de la frecuencia de la línea, ya que:

ns = 120 f/P
Donde:
ns: Velocidad sincrónica, rpm.
f: Frecuencia de la línea, Hz).
P: Número de polos.

Pero a fin de mantener la densidad de flujo aproximadamente constante y que no haya afectaciones en el momento que desarrolla el motor, la tensión de línea debe variarse también proporcionalmente a la frecuencia, es decir, U1 / f debe ser aproximadamente constante.

A veces es aconsejable una desviación con respecto a esta regla en los casos en que el momento de la carga disminuya marcadamente con la reducción de la velocidad, por ejemplo, en los accionamientos de cargas centrífugas, como bombas y ventiladores.
En este caso, al disminuir la tensión en mayor proporción que la frecuencia, se produce una reducción del flujo y mejoran los indicadores energéticos del motor, al mismo tiempo que la disminución del momento máximo no es peligrosa desde el punto de vista de la capacidad de sobrecarga.

En adición a su función de regular la velocidad, los convertidores de frecuencia actuales ofrecen otras características ventajosas. Una nueva generación de accionamientos de velocidad variable, que permite que los motores asincrónicos sean tan controlables y eficientes como sus contrapartes de corriente directa, ha evolucionado rápidamente con los avances de la electrónica del estado sólido y sin los grandes costos que anteriormente implicaba. Los nuevos sistemas de accionamiento, como los que emplean control por modulación del ancho del pulso (PWM), permiten lograr la regulación de la velocidad con una alta eficacia y eficiencia. En la figura 2 se muestra un esquema modular de un sistema de este tipo.


Fig. 2. Esquema modular de un variador
electrónico de velocidad tipo PWM.

Sin embargo, no siempre el variador y el motor se adquieren en el mercado como un todo, en el cual el fabricante ha compatibilizado adecuadamente los requerimientos, características y parámetros de cada uno de esos dos equipos. Es frecuente que se adquiera un convertidor de frecuencia para aplicárselo a un motor convencional existente, con el propósito de controlar su velocidad para, por ejemplo, cumplir el mencionado objetivo de sustituir un sistema de control de flujo de agua que emplea válvulas de estrangulamiento.

En esos casos hay que tener en cuenta una serie de aspectos relacionados con las características del accionamiento y del motor, que de no hacerlo puede conducir a costosas fallas. A continuación se brindan algunas orientaciones que, aplicándolas, evitan que se presenten problemas operacionales y fallas.

Cargabilidad del motor
Cuando se utiliza un motor asincrónico con convertidor de frecuencia, en adición a los criterios generales de selección, se deben considerar los aspectos siguientes:
La tensión (y la corriente) con la cual el convertidor alimenta al motor no es puramente sinusoidal, lo cual, como resultado, incrementa las pérdidas, las vibraciones y el ruido de los motores. Distintos convertidores con diferentes frecuencias de corte y de modulación proporcionan comportamientos distintos para el mismo motor. Por esta razón, no resulta recomendable utilizar métodos empíricos generales para determinar la cargabilidad del motor.

Se debe hacer la selección a partir de las curvas de cargabilidad del motor, correspondientes a los distintos tipos específicos de convertidores de frecuencia que suministran los fabricantes.

En la figura 3 se aprecia una curva de cargabilidad con un convertidor de frecuencia. Este tipo de curva muestra el momento máximo continuo con respecto al momento nominal (en unidades relativas: M/Mn), para un motor totalmente cerrado con ventilación forzada (TEFC), en función de la frecuencia. Operando en las condiciones que establece esta curva, no se sobrepasa el calentamiento nominal que alcanza el motor cuando trabaja alimentado de una red a frecuencia y tensión sinusoidal nominales, y a plena carga. Además, en la gráfica se observa la zona de operación a bajas velocidades que requiere ventilación separada, así como los momentos que pueden desarrollarse en el proceso de arranque y las sobrecargas de corto tiempo permisibles.


Fig. 3. Cargabilidad de un motor con un convertidor de frecuencia.

Es recomendable, debido a los esfuerzos eléctricos y térmicos a los que son sometidos los motores accionados por convertidores de frecuencia, el empleo de sistemas de aislamiento reforzados utilizando aislamiento de clase H en los conductores, y de clase F para el resto del sistema. De esto resulta un aislamiento equivalente a clase F. Estas condiciones en muchas ocasiones no se cumplen en los motores a los cuales se les va a aplicar el convertidor, por lo que se debe tener en cuenta la inevitable reducción de la vida útil que esto significa.

Criterios generales de selección
Las principales cuestiones que hay que considerar son:

• Verificar la tensión de suministro y las tensiones nominales del convertidor y del motor.
• Seleccionar el convertidor adecuado a la potencia nominal del motor.
• Comprobar también que la corriente nominal del convertidor sea igual o mayor que la del motor seleccionado.
• Verificar el tipo de característica de momento de la carga (constante, tipo centrífugo, etcétera).
• El momento real de la carga debe estar en todos los puntos por debajo del indicado por la curva de cargabilidad (hay que conocer qué tipo de convertidor va a ser usado). Si la operación no es continua en todos los puntos, se puede sobrepasar el momento indicado por la curva, pero este caso requiere de una evaluación especial.
• Prestarle mucha atención a los casos especiales en cuanto a altos requerimientos de momento de arranque o de momento máximo.
• El momento máximo del motor debe ser por lo menos 40% mayor que el momento a cualquier frecuencia.
• Cuando se emplee freno eléctrico, hay que realizar las comprobaciones adecuadas.
• Debe comprobarse el intervalo de velocidad requerido y el que puede proporcionar el convertidor.
• La velocidad máxima permisible del motor no se puede exceder (esto se debe chequear con las normas).
• Analizar si hay necesidades especiales en cuanto al medio ambiente.
• Debe comprobarse el sistema de tierra del motor, del equipo accionado y del tacómetro.
• Verificar técnica y económicamente si un sistema separado de enfriamiento reduce el tamaño del motor y, consecuentemente, el tamaño del convertidor.
• A altas velocidades debe prestarse especial atención a la construcción de los rodamientos, la lubricación, el ruido del ventilador, el balanceo, las velocidades críticas, los sellos de los ejes y el momento máximo del motor.
• A bajas velocidades debe evaluarse la lubricación de los rodamientos, la ventilación del motor y el ruido electromagnético.

* Doctor en Ciencia. Ingeniero Electricista.
Profesor Titular del Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente,
Universidad de Cienfuegos «Carlos Rafael Rodríguez».
Tel.: 511963.
e-mail: pviego@ucf.edu.cu