Control de motores industriales
Guía para el control de motores industriales
Los motores eléctricos se usan ampliamente en muchas aplicaciones industriales, desde el accionamiento de rodillos para productos con base en red como el papel y la chapa de acero, hasta la molienda y mezcla de ingredientes en el sector de alimentos y bebidas. También se emplean ampliamente para controlar ventiladores y compresores en aplicaciones de climatización y refrigeración, así como para hacer funcionar maquinaria de producción y manipulación como centros de mecanizado de control numérico CNC y cintas transportadoras.
Este uso generalizado hace que los motores industriales consuman actualmente casi el 50 % de la electricidad mundial. Con la creciente presión en el precio del suministro energético y la necesidad de reducir el consumo de energía para disminuir las emisiones de carbono, los motores son un candidato principal en la toma de medidas para mejorar la eficiencia energética.
Los motores también deben ser controlados para mejorar la precisión en el movimiento y protegerlos contra corrientes de entrada potencialmente dañinas en el arranque. Los motores conectados directamente en línea (DOL) se conectan directamente a la alimentación. Cuando se enciende, el motor consume una gran cantidad de corriente, normalmente entre seis y ocho veces la corriente a plena carga del motor. Esto produce un gran par máximo que puede causar daños como la ruptura de las cintas transportadoras, así como daños menos evidentes en las cajas de cambios y otros componentes de la transmisión. Este tipo de arranque también produce un estrés térmico en el motor, acortando potencialmente su vida útil. El aumento gradual de la corriente a través de un controlador de motor evita estos choques.
Los controladores de motores industriales superan los retos del arranque limitando la corriente y reducen el uso de energía de un motor durante su funcionamiento haciéndolo funcionar a la velocidad adecuada para las condiciones de la aplicación.
Por ejemplo, una aplicación de refrigeración con un ventilador puede gestionarse mediante un control de bucle cerrado. Se puede medir la temperatura del aire y enviar los datos de nuevo al controlador que selecciona la velocidad correcta para hacer funcionar el ventilador. Esto garantiza el mantenimiento del punto de ajuste de la temperatura mientras el ventilador funciona a una velocidad que ahorra energía, en contraste con el funcionamiento a velocidad constante, en el que el ventilador funciona a la máxima velocidad sea cual sea la demanda de refrigeración.
Los controladores de motor son, por tanto, una parte importante de cualquier sistema industrial, ya que controlan los motores y permiten una mayor precisión en la producción.
¿Qué es el control de motores industriales?
El control de motores industriales consiste en usar un dispositivo para controlar la velocidad y el funcionamiento de un motor industrial. El control de la velocidad de un motor permite que éste satisfaga las demandas del proceso usando la mínima energía. Un controlador de motor también puede proteger el motor y ofrecer un control más preciso de la aplicación.
Tipos de motores industriales
Esencialmente, un motor eléctrico es una máquina que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Esto se consigue mediante la interacción entre un campo magnético en la parte móvil del motor (el rotor) y una corriente eléctrica en el bobinado de la parte fija del motor (el estator).
Existen tres tipos principales de motores industriales:
- CC
- de inducción CA
- síncronos CA
Motores CC
Los motores CC se usan sobre todo en juguetes, vehículos eléctricos, polipastos y ascensores. En los procesos industriales, han sido sustituidos en gran medida por los motores CA.
Un motor CC simple está compuesto por dos partes principales: un conjunto de imanes estacionarios en el estator y un rotor que consiste en un inducido que tiene uno o más devanados de alambre aislado enrollado alrededor de un núcleo de hierro blando. Esta disposición está diseñada para concentrar el campo magnético.
Los extremos de los bobinados están conectados a un conmutador, un interruptor giratorio que invierte periódicamente el sentido de la corriente entre el rotor y el circuito externo. Esto permite que cada bobina del inducido se energice a su vez. También conecta las bobinas giratorias a la fuente de alimentación externa a través de unos contactos llamados escobillas.
Las bobinas se encienden y apagan en secuencia para producir un campo magnético giratorio. Estos campos magnéticos interactúan con los campos magnéticos de los imanes del estator, que pueden ser permanentes o electroimanes. Esto, a su vez, crea un par en el inducido, lo que lo hace girar.
Una alternativa a las escobillas es usar motores CC sin escobillas, que conectan y desconectan la corriente de cada bobina mediante componentes electrónicos.
La velocidad de funcionamiento de los motores CC puede controlarse ajustando la tensión aplicada al inducido.
El flujo estable de energía de los motores CC los hace óptimos para aplicaciones que necesitan velocidad y par constantes, como los equipos de laminación de las acerías y las máquinas de papel.
Motores de inducción CA
Un motor de inducción CA, también conocido como motor asíncrono, usa los campos magnéticos del bobinado del estator para inducir una corriente eléctrica en el bobinado del rotor. Estas corrientes inducidas en el rotor crean a su vez campos magnéticos en el mismo.
El rotor de un motor de inducción gira más lentamente que el campo del estator, de ahí el término asíncrono. Por lo tanto, el campo magnético del estator cambia en relación con el rotor, induciendo una corriente opuesta en el rotor.
Para oponerse al cambio de las corrientes del devanado del rotor, éste comenzará a girar en la dirección del campo magnético del estator en rotación. Este efecto de inducción significa que un motor de inducción no requiere conexiones eléctricas en el rotor.
El rotor de un motor de inducción puede ser de dos tipos: bobinado o de jaula de ardilla. Los motores trifásicos de jaula de ardilla se usan ampliamente en la industria por su fiabilidad y eficacia. También ofrecen la ventaja del autoarranque.
Motores síncronos CA
Un motor síncrono es un motor eléctrico CA en el que el eje gira a la frecuencia de la corriente de alimentación. Esto significa que el periodo de rotación coincide con un número integral de ciclos de CA.
El estator lleva un número de electroimanes CA multifásicos que consisten en un devanado trifásico provisto de una alimentación trifásica, creando un campo magnético que gira de forma sincronizada con las oscilaciones de la corriente de línea. El rotor tiene imanes permanentes o electroimanes y está provisto de una alimentación CC.
Un motor síncrono funciona gracias a las interacciones de los campos magnéticos del estator y del rotor. El devanado trifásico del estator, que transporta corrientes trifásicas, produce un flujo magnético giratorio trifásico. El rotor se enclava a este campo magnético giratorio y gira junto con él. En este estado, se dice que el motor está en sincronización.
Una vez que el motor ha arrancado, su velocidad depende únicamente de la frecuencia de alimentación. Por ejemplo, a 120 Vac y una frecuencia de 60 Hz, un motor síncrono CA girará a 72 rpm. Esta velocidad de rotación puede variarse modificando la frecuencia con un controlador de frecuencia variable (VFD), también conocido como controlador de velocidad variable (VSD).
Como presentan cambios de energía continuos, los motores CA son la opción preferida para aplicaciones como compresores, sistemas hidráulicos y bombas de riego.
Otros motores
Existen dos tipos de motores que se usan habitualmente en las aplicaciones industriales: los servomotores y los motor de pasos.
Un servomotor adopta la forma de un actuador giratorio o lineal. Se le puede ordenar que adopte una posición, velocidad o aceleración precisas, angulares o lineales. Un servomotor consiste en un motor acoplado con un sensor para dar información sobre su posición y requiere un módulo de control específico diseñado para usar con servomotores.
Los servomotores se usan a menudo en aplicaciones como robótica, maquinaria CNC y fabricación automatizada. Los servomotores pueden alimentarse con tensión continua o alterna.
Los motores de pasos son un tipo de motor eléctrico CC sin escobillas. Como su nombre lo indica, dividen una rotación completa en varios pasos iguales y puede ordenar al motor que se mueva y se mantenga en uno de esos pasos.
Los motores de pasos controlados por ordenador suelen estar controlados digitalmente como parte de un sistema de bucle abierto para usar en aplicaciones que requieren sujeción o posicionamiento.
Los motores de pasos son hoy en día los más usados en aplicaciones como unidades de disco, escáneres planos, impresoras de ordenador, plotters, máquinas CNC e impresoras 3D. En la mayoría de las aplicaciones industriales, su papel ha sido reemplazado por los servomotores.
Controladores de motores industriales
Control de motores CA industriales
Existen diversas opciones para controlar los motores, y la más simple es un arrancador suave. Se trata de un dispositivo que se usa con los motores CA para reducir temporalmente la carga y el par que experimenta la transmisión, así como el aumento de la corriente eléctrica que consume el motor durante el arranque. El arranque suave reduce la tensión mecánica en el motor y el eje, así como la tensión eléctrica en los cables y las conexiones, ayudando a alargar la vida útil.
Un arranque suave puede estar formado por dispositivos mecánicos o eléctricos. Los dispositivos mecánicos pueden incluir embragues o acoplamientos para limitar el par, mientras que los arrancadores suaves eléctricos pueden usarse en cualquier sistema de control que reduzca la tensión o la entrada de corriente temporalmente reduciendo así el par.
Una solución más moderna y de mayor capacidad que también ofrece gran flexibilidad de control es el controlador de velocidad variable (VSD) o el controlador de frecuencia variable (VFD). El control de motores por VFD varía la frecuencia de la alimentación CA al motor. Como la velocidad de un motor de inducción depende de la frecuencia de alimentación, el VFD puede usarse para variar su velocidad. También pueden usarse con motores síncronos.
Un VFD es un convertidor de potencia que usa la electrónica para convertir una frecuencia fija y una tensión fija en una frecuencia variable y una tensión variable. Suelen tener una interfaz de usuario programable que permite controlar fácilmente la velocidad del motor eléctrico.
Como los controladores reducen la potencia de una aplicación, como una bomba o un ventilador, controlando la velocidad del motor, a menudo esto puede reducir el consumo de energía en un 50 % (hasta en un 90 % en casos extremos).
Además del ahorro de energía, la capacidad de control que ofrecen los VFD también puede aportar otras ventajas. Por ejemplo, en una extrusora es posible que un VFD no ahorre mucha energía, pero el control y la regulación de la velocidad que ofrece producirán un resultado de mayor calidad.
Los VFD se han usado durante muchos años para controlar la velocidad y el par de los motores, gestionando las velocidades de la línea para alterar los parámetros de producción, como el grosor, la formación del grano y la estanqueidad del bobinado. También se usan en las bombas, donde resuelven problemas como el golpe de ariete, la cavitación y el cizallamiento del eje en el arranque. Todos estos problemas pueden mitigarse haciendo funcionar el motor con un VFD.
El número de motores diseñados para usar con VFD ha aumentado drásticamente en los últimos años. Los controladores también han proliferado, con muchas versiones especiales diseñadas para trabajar específicamente con bombas o ventiladores. Esto hace que sea un reto encontrar la combinación adecuada de controlador y motor. Encontrar el controlador correcto para el motor permitirá obtener la solución de tamaño adecuado, evitando el sobredimensionamiento que puede suponer un aumento de los costes, mayores necesidades de espacio y una mayor huella medioambiental.
Controladores de motores CC
Los controladores de motores CC se diferencian según las características del motor y el tipo de control que ofrecen, como el tipo de motor y la tensión de funcionamiento, el tipo de regulación de la potencia, el tipo de señal de control, la potencia del motor y el tipo de control.
Por ejemplo, un motor CC sin escobillas (BLDC) tiene un conmutador electrónico sin escobillas. Un controlador de motor BLDC para este motor usa sensores para detectar la posición del motor y conmuta la corriente en el bobinado mediante transistores.
Un controlador de motor CC con escobillas (BDC) regula la velocidad y el par motor modificando la potencia del motor mediante un regulador de tensión lineal o de conmutación. Un regulador lineal ofrece una tensión de salida estable, independiente de la tensión de entrada que le suministre una fuente de alimentación. Un regulador de conmutación usa la modulación por ancho de pulso (PWM), suministrando la tensión en pulsos. Esto significa que se puede regular la velocidad del motor ajustando los ciclos de trabajo de pulsos. Al ofrecer mayor eficiencia y baja pérdida de potencia, el PWM se usa ampliamente en el control de velocidad de motores CC.
Control de servomotores industriales
En un servomotor, el control se aplica a través de un bucle de retroalimentación entre el motor y el controlador. La posición y la velocidad del motor se detectan con encoders integrados en el motor.
Los servomotores son controlados por una señal de modulación de ancho de pulso (PWM) enviada a través del cable de control mientras se suministra energía al motor. El rotor del servomotor girará un ángulo determinado según el ancho de pulso. Esto significa que el ciclo de trabajo determinará la posición final del eje.
Una de las grandes ventajas de un servomotor es su capacidad para mantener su posición entre los pasos de actuación. Si una fuerza externa empuja el rotor fuera de su posición estacionaria ordenada, el encoder detecta esta desviación y hace que el controlador accione contra la fuerza externa, manteniendo la posición del rotor estable.
Control de motores de pasos industriales
Un controlador de motor de pasos controla un motor de pasos controlando su posición exacta sin usar un sistema de retroalimentación. Este tipo de controladores suelen emplear un control de corriente variable, así como varias resoluciones de paso.
Incluyen traductores fijos que permiten controlar el motor tanto con entradas de dirección como de paso. Estas son las señales principales y pueden ser fácilmente suministradas por un microcontrolador económico como Arduino o Raspberry Pi.
La señal de dirección a nivel lógico alto (+5 V) indica al motor en qué dirección debe moverse. Dependiendo de la fase de dirección, el motor girará en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario. Cuando la señal se pone a nivel bajo (GND), el motor se moverá en la dirección opuesta.
La señal de paso determina la resolución de paso. Si se ajusta a un paso completo, el motor se moverá paso a paso. Sin embargo, si se ajusta en el modo de medio paso, el motor dará medios pasos.
Resumen
Los motores eléctricos desempeñan un papel vital en la fabricación, el procesamiento y el transporte de bienes y materiales. Desde la molienda y la mezcla hasta las cintas transportadoras, los refrigeradores, los compresores y muchas más aplicaciones, los motores son el pilar de la producción moderna.
Además de ofrecer la "fuerza bruta" para movimientos sencillos, los motores también deben ser controlados para contribuir de la manera más eficaz y eficiente a un proceso de fabricación. Controlar un motor con el controlador adecuado le ayuda a lograr la máxima eficiencia energética, garantiza una mayor vida útil y contribuye al control preciso de los procesos, haciendo posible una producción de alta calidad.
