¿Dónde se usan los motores?

 Este uso generalizado hace que los sistemas de motorización industrial representen a menudo alrededor del 70 % de la electricidad consumida por la industria en diferentes países.

¿Qué son las aplicaciones de control de motores?

El control de motores se usa para alterar la velocidad o el par de los motores con el fin de satisfacer las necesidades del proceso o de la máquina accionada por el motor. Las aplicaciones de control de motores pueden incluir células robóticas, equipos de manipulación, sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, equipos de procesamiento en el sector de alimentos y bebidas, y soportes para productos con base en red, como el metal y el papel. El control garantiza que el motor funcione a la velocidad adecuada para el proceso, ahorrando energía, protegiendo los materiales y las máquinas de los daños y asegurando una producción de alta calidad.

Tipos de control de motores

Existen varios tipos de motores, cada uno de ellos controlado de forma diferente.

Motor CC con escobillas

Los motores CC con escobillas son uno de los primeros y más simples tipos de motor desarrollados. Un motor CC tiene dos partes principales: un conjunto de imanes fijos en el estator y un rotor formado por un inducido. Los motores CC suelen ofrecer un mejor rendimiento a baja velocidad que un motor CA similar y pueden controlarse con precisión hasta un 5 a 7 % de la velocidad nominal. Los controladores de estos motores suelen estar compuestos por un procesador, un controlador de motor, un convertidor analógico-digital y un encoder.

Motor CC sin escobillas

Un motor CC sin escobillas (BLDC) tiene un rotor con imanes permanentes y un estator que contiene los bobinados. En un BLDC, se usan componentes electrónicos para conectar y desconectar la corriente de cada bobina. La velocidad de funcionamiento de los motores CC puede controlarse ajustando la tensión aplicada al inducido.

Motor de inducción CA

Los motores de inducción CA representan más del 80 % de todos los motores. En un motor de inducción, el devanado del estator induce una corriente en el rotor de forma similar a un transformador. Este motor también se conoce como motor asíncrono, ya que el rotor también gira a una velocidad menor a la del campo. El rotor girará a una velocidad constante a menos que se utilice un controlador de frecuencia variable (VFD).

Motor síncrono de imanes permanentes (PMSM)

Un motor síncrono de imanes permanentes combina el rotor de un motor CC sin escobillas y el estator de un motor de inducción CA. La velocidad de rotación de un PMSM puede variar variando la frecuencia con un VFD, también conocido como controlador de velocidad variable (VSD). Con los imanes permanentes, el PMSM puede generar par a velocidad cero. Los PMSM se usan generalmente para controladores de motor de alto rendimiento y alta eficiencia. Pueden lograr rotación fluida en todo el rango de velocidades, control total del par a velocidad cero y rápida aceleración y desaceleración.

Motores de pasos

Los motores de pasos tienen pocas piezas móviles, lo que los hace económicos y resistentes. Como su nombre indica, los motores de pasos se usan para pasar de paso a paso en una serie de posiciones discretas, en lugar de girar continuamente. Se controlan fácilmente con un ordenador, convirtiendo los pulsos digitales en pasos fijos.

Servomotor

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 también requiere un módulo de control específico diseñado para usar con servomotores. Los servomotores se controlan a través de la modulación del ancho de pulso, que involucra el envío de un impulso eléctrico de anchura variable a través del cable de control.

Aplicaciones de los controladores de motores

Debido a que la gran mayoría de los motores empleados en la industria son motores CA, la mayoría de las aplicaciones de control de motores serán realizadas por VFD.

Los VFD se ubican entre la alimentación eléctrica y el motor. La energía procedente de la alimentación eléctrica llega al controlador, que a su vez regula la potencia suministrada al motor.

Dentro del controlador, hay un rectificador que convierte la CA entrante en CC. Luego se suaviza mediante una serie de condensadores y pasa a un inversor, que vuelve a transformar la CC a CA para alimentar el motor.

Esto permite al controlador ajustar la frecuencia y la tensión enviada al motor para que se adapte a la demanda del proceso. Así, los motores CA pueden funcionar a una velocidad o par correctos según la demanda, lo que permite ahorrar grandes cantidades de energía.

Un VFD controlará el par o la velocidad en modo "control de par" o "control de velocidad". Cuando el VDF funciona en modo de control de par, la velocidad viene determinada por la carga; cuando se usa en control de velocidad, el par lo determina la carga.

Las cargas de par variable ofrecen el mayor potencial de ahorro energético y mejora de la eficiencia. Estas cargas incluyen bombas, ventiladores y unidades de tratamiento de aire.

La controlabilidad de los VFD y su capacidad para recibir entradas de sensores del entorno o dentro del proceso hace que se usen ampliamente en muchos tipos diferentes de aplicaciones de control industrial, que pueden ir desde la manipulación de productos alimentarios delicados, como los tomates, hasta la regulación de la refrigeración y el oxígeno en procesos industriales pesados, como la fabricación de acero. Esta capacidad de controlar los procesos variando la velocidad de sus motores hace que a menudo se les llame también controladores de automatización industrial.

Control de motores CC por PLC

Los motores CC se manejan más fácilmente mediante relés. Un relé electromecánico (EMR) es esencialmente un interruptor operado por un electroimán. El relé enciende o apaga un circuito de carga energizando el electroimán, que a su vez abre o cierra los contactos conectados en serie con una carga. Los relés se usan generalmente para controlar pequeñas cargas inferiores a 15 A.

Un relé tiene dos circuitos: la entrada de la bobina (también conocida como circuito de control) y la salida del contacto (el circuito de carga). En los circuitos de motor, los EMR se emplean a menudo para controlar las bobinas en contactores y arranques de motor.

Un relé suele tener una sola bobina, pero puede tener muchos contactos diferentes. Los EMR tienen contactos fijos y móviles, y los contactos móviles están unidos a la armadura. Los contactos se designan como normalmente abiertos (NO) y normalmente cerrados (NC). Cuando se energiza la bobina, se crea un campo electromagnético que hace que la armadura se mueva, cerrando los contactos NO y abriendo los contactos NC.

Las bobinas suelen designarse con una letra, la M se usa para un arranque de motor, mientras que CR se usa para los relés de control. Los contactos de los relés de control son pequeños porque solo necesitan manejar las pequeñas corrientes usadas en los circuitos de control, lo que les permite contener numerosos contactos aislados.

Un dispositivo similar a un EMR es un contactor, cuya principal diferencia es el tamaño y el número de contactos. Los contactores están destinados a la conexión directa de dispositivos de carga de alta intensidad. Los dispositivos que conmutan más de 15 A o en circuitos de más de unos pocos kilovatios se describen generalmente como contactores.

El control de la frecuencia variable ofrece una serie de ventajas:

• Mejor eficiencia operativa Con los controladores, el control de los sistemas de producción puede automatizarse, ya que el controlador puede formar parte de un sistema de control de bucle cerrado. Esto reduce la necesidad de mano de obra, ahorrando en horas de trabajo y costes laborales
• Ahorro de costes energéticos Al hacer funcionar los motores a carga parcial para adaptarse a la demanda, los VDF usan solo la cantidad de energía necesaria, lo que reduce hasta en un 50 % el consumo de energía
• Ahorro en gastos de capital Con una reducción inmediata del consumo eléctrico, se pueden conseguir rápidos tiempos de amortización, en algunos casos a los pocos meses de la instalación
• Ahorro en los costes de mantenimiento y recambios El uso de VFD genera menor estrés en los equipos mecánicos durante su puesta en marcha y funcionamiento, lo que alarga la mayor vida útil de los equipos

Aplicaciones de control de ventiladores

Uno de los principales usos de los VFD es el control de la velocidad de los ventiladores industriales. Los ventiladores se usan ampliamente en aplicaciones que van desde la calefacción, la ventilación y el aire acondicionado (HVAC) en propiedades comerciales, industriales y residenciales, el control de la velocidad del soplador para enfriar el clinker en la producción de cemento y la regulación de la temperatura de los hornos para la producción de artículos de panadería.

El uso de los VFD en el control de la velocidad de los ventiladores industriales ofrece una serie de ventajas. Además del control preciso del flujo de aire, los VFD también ayudan a producir menor ruido en el ventilador y a prolongar su vida útil. Además de reducir el consumo energético, los VFD también permiten arrancar los ventiladores mientras giran, lo que evita la necesidad de detener completamente el ventilador antes de volver a ponerlo en marcha. También ofrecen pérdidas de potencia sin interrupción. Durante una caída de tensión de alimentación, el controlador ordena al ventilador que disminuya la velocidad y usa la potencia regenerativa para mantenerse encendido y conservar el control del ventilador.

Un VFD se puede usar para variar la velocidad de un compresor para satisfacer la demanda, y también para reaccionar rápidamente a la demanda y evitar la necesidad de mantener una alta presión de descarga en reserva.

Control de motores para bombas

Las bombas se usan a lo largo de la industria desde en procesos como la producción petroquímica, hasta el petróleo y el gas, los alimentos y bebidas y el tratamiento del agua y las aguas residuales. La índole de los fluidos bombeados varía mucho en cuanto a su composición, densidad, caudales y niveles de presión, lo que exige diferentes parámetros de rendimiento y control de las bombas usadas para moverlos.

Las aplicaciones que requieren caudales variables, como satisfacer la demanda de agua de los consumidores en distintos momentos del día o adecuar las condiciones del proceso y controlar la calidad del agua en una planta de tratamiento de agua, requerirán un VFD. Sin embargo, algunas aplicaciones de motores de bombas pueden no requerir velocidad variable y, en su lugar, pueden combinar un motor IE3 de mayor eficiencia con un arrancador directo en línea, un arrancador estrella-delta que pueda limitar la corriente de arranque o un arrancador suave.

Los arrancadores suaves también pueden reducir el peligro de los golpes de ariete, una condición en la que se producen picos de presión en el fluido cuando la bomba se enciende o se apaga. Estos picos de presión pueden dañar las juntas y, en última instancia, provocar fugas en las tuberías o en los recipientes. Los VFD, con su capacidad de aumentar la velocidad del motor de la bomba, son también una muy buena forma de evitar los golpes de ariete.

Control de motores en la automatización industrial

Los sistemas de automatización industrial se usan en aplicaciones como alimentos y bebidas, embalaje, sistemas logísticos, producción de papel, máquinas herramienta y robots. Como los VFD pueden ser parte de un sistema de bucle cerrado al recibir datos de los sensores de la máquina, procesarlos y dando una orden al motor, pueden ser el núcleo de un sistema de automatización. Pueden realizar una función de control independiente en una máquina o célula o formar parte de un sistema de control más amplio, recibiendo datos de otras partes de la línea o de operadores humanos en la sala de control.

Las ventajas de incluir los VFD en el circuito de automatización son, en primer lugar, el ahorro de energía que pueden aportar. Con el control preciso de la velocidad que pueden aportar a los motores, los VFD también pueden mejorar la calidad al garantizar que equipos como las líneas de embotellado funcionen a la velocidad correcta para evitar daños. También pueden suministrar el material al ritmo correcto para evitar retrasos o la escasez de artículos en curso, contribuyendo a lograr los objetivos de productividad.

Un ejemplo de mejora de la productividad es una solución para un productor de tomates que usó los VFD de ABB. La empresa necesitaba embalar los tomates de forma más rápida y precisa mientras inspeccionaba la calidad.

Se diseñó un sistema de cinta de transporte con servomotores y controladores de maquinaria de alto rendimiento. Este sistema controlaba la velocidad de las cintas de transporte de los tomates ajustándose a la velocidad de la embaladora. Esto garantizaba el embalaje de los tomates con rapidez y precisión. Un simple controlador hace funcionar los rodillos de las cintas transportadoras, lo que permite dar vuelta a los tomates de forma automática e inspeccionar su calidad.

Cada una de las cintas transportadoras es controlada por un controlador de maquinaria de alto rendimiento. Dispuesto en configuración maestro-esclavo, el maestro recibe una señal de encoder de la estación de embalaje. El controlador sabe en qué fase del ciclo se encuentra la embaladora y controla los motores de la cinta transportadora para garantizar que los tomates lleguen a la embaladora en el momento adecuado.

La solución permite un promedio de embalaje de 70 a 80 por minuto, el doble de lo que logra el sistema exclusivamente mecánico.

De hecho, las cintas de transporte son una aplicación de control muy común que usa motores controlados por VFD. Las cintas transportadoras pueden necesitar moverse en una o dos direcciones, arrancar o detenerse con frecuencia o parar en posiciones exactas para permitir tareas de precisión como la decantación de medicamentos en viales. Los VFD pueden satisfacer todos estos requisitos de movimiento.

Las bombas y los ventiladores también suelen formar parte del control de motores de la automatización industrial. Por ejemplo, con la retroalimentación de temperatura de un sensor, un VFD puede encender o apagar un ventilador para lograr la temperatura de cocción correcta en un horno. Asimismo, los sensores de nivel pueden alimentar datos al VFD sobre el nivel de fluido en un tanque, permitiendo que el VFD encienda o apague una bomba para mantener el nivel dentro de los límites específicos y mantener el suministro correcto de agua u otros fluidos.

Control de motores para robótica

Obviamente, los robots usan motores para conseguir movimientos precisos en diversas aplicaciones como recogida y colocación, manipulación de materiales, inspección de componentes, pintura y soldadura de precisión.

Los movimientos requeridos pueden ser giratorios o lineales y los controladores de motores de robots dependen de cuatro tipos de motores para lograr estos diversos movimientos.

Servomotores de robots

Los servomotores son esencialmente actuadores giratorios o lineales, empleados en aplicaciones de robots para girar o empujar partes de la estructura del robot con gran exactitud y precisión. Los servomotores usan motores normales pero añaden un sensor que proporciona información sobre su posición. El servomotor de un robot formará parte de un sistema de bucle cerrado con componentes como un eje, engranajes y un circuito de control.

Motores lineales

Los motores lineales son esencialmente motores de inducción que producen un movimiento lineal en lugar de un movimiento de rotación. Usan una fuente de alimentación CA y un servocontrolador, a menudo los mismos que se usan en los servomotores giratorios.

Motores de husillo

Los motores de husillo son pequeños motores eléctricos de alta precisión que se usan para hacer girar un eje o husillo. Suelen tener la forma de un motor de pasos con un eje hueco y en las aplicaciones de robótica se usan para tareas como taladrado, fresado, grabado y desbarbado.

Motores de pasos

Los motores de pasos aportan un alto grado de precisión a los movimientos robóticos gracias a su capacidad para recorrer un ángulo preciso que es una subdivisión de una rotación completa del eje del motor. Se puede lograr un posicionamiento muy preciso con los motores de pasos mediante un paso digital controlado por ordenador, lo que los hace ideales para controlar plataformas de cámaras, trazadores X-Y y otros subsistemas que se usan en aplicaciones robóticas.

Control de motores de ascensores

Los ascensores consumen mucha energía, pero, usando el tipo adecuado de control de motores, gran parte de esa energía puede reutilizarse para escaleras mecánicas u otras cargas eléctricas de la red.

Cuando un ascensor sube con una carga ligera y baja con una carga pesada, el sistema genera más energía de la que usa. En un controlador tradicional de ascensor, este exceso de energía se pierde en forma de calor. Por el contrario, el uso de un controlador regenerativo captura esa energía para reutilizara: cuando el ascensor baja, el motor que lo subió actúa como un generador, transformando la energía mecánica en energía eléctrica para otras cargas. Los controladores regenerativos pueden reducir la energía usada por los sistemas de ascensores de un edificio hasta en un 70 %.

Vehículos eléctricos e híbridos

Los vehículos eléctricos (VE) y los vehículos eléctricos híbridos (VEH) son un mercado en aumento para el control de motores. Aunque las baterías mejoran constantemente, la duración de la batería sigue preocupando a los conductores, por lo que cualquier sistema que pueda ahorrar batería es útil. Al igual que los ascensores, los VE pueden usar el frenado regenerativo, convirtiendo el movimiento mecánico de las ruedas giratorias en energía eléctrica al usar el motor como un generador. Esto también ralentiza el coche ya que la energía es consumida por las ruedas que hacen girar el eje del motor.

Los vehículos modernos también usan motores en muchas otras aplicaciones, como la dirección asistida, las puertas automáticas, las ventanas y los espejos.

Otras aplicaciones de control de motores industriales

Además de los ejemplos anteriores, el control de motores industriales se usa en muchas otras aplicaciones. Entre ellas están las grúas, en las que los VFD ahora se pueden usar para controlar todas las partes motorizadas de la grúa, incluyendo el polipasto, el puente, la cabina y la rotación del gancho. El uso de los VFD evita las paradas y los arranques bruscos en el puente y la cabina, evitando el desgaste excesivo de componentes como los acoplamientos, las cajas de cambios, las ruedas y los soportes estructurales. Una tecnología particular de VFD que es muy ventajosa para el control de grúas es el control de par directo (DTC). Esto permite mantener el par completo a velocidad cero para mantener una carga suspendida a una altura determinada. También responde más rápido que otras tecnologías para mantener las cargas oscilantes bajo control.

Las máquinas de control numérico CNC también son grandes usuarios de motores. Muchas máquinas CNC generales que se usan para una amplia gama de tareas como taladrado, escariado y fresado tienen motores de hasta seis ejes. Esto permite que una herramienta de corte realice una gran variedad de operaciones a lo largo de tres ejes lineales y tres ejes de rotación.

El control de motores también se usa ampliamente en los ámbitos militar y de la aviónica. Por ejemplo, el Fly-by-Wire implica la activación de las superficies de control de vuelo a través de motores cuyo funcionamiento se ordena mediante señales eléctricas procedentes de los mandos del piloto, en lugar del método tradicional de cables y poleas conectados físicamente. Esto permite una respuesta mucho más rápida, con menos esfuerzo por parte del piloto. También permite la introducción de técnicas como la estabilidad artificial, en la que el fuselaje está diseñado para ser deliberadamente inestable. El ordenador integrado ordena a las superficies de control que se ajusten para mantener la estabilidad, mejorando en gran medida los tiempos de respuesta y la agilidad de la aeronave.

Otro de los principales usos de los motores y sus controladores es en el ámbito médico. Las bombas de infusión para suministrar fluidos como nutrientes y medicamentos al cuerpo de un paciente son comunes, y otros usos importantes incluyen el movimiento de equipos de exploración médica como escáneres de IRM y TAC.

La importancia del control de motores industriales

Con tantos motores en uso en la industria, que realizan tantas tareas, controlarlos correctamente es de vital importancia.

Un control adecuado del motor puede aportar grandes ventajas al proceso y a la máquina que se controla. Una de las principales ventajas es la eficiencia energética. Controlando la velocidad del motor para que se adapte a las demandas del proceso, se puede reducir drásticamente el uso de la energía. en comparación con la ausencia de control de velocidad, en la que se deja que los motores funcionen a la máxima velocidad, usando toda la potencia sea cual sea la demanda real del proceso. Las tecnologías regenerativas también son útiles en determinadas aplicaciones, ya que permiten que el frenado mecánico haga funcionar el motor como un generador y, por tanto, suministre una potencia adicional que, de otro modo, se desperdiciaría en forma de calor.

Algunos motores, como los motores de pasos, también ofrecen un alto grado de precisión con la capacidad de avanzar en pequeños incrementos precisos para lograr un posicionamiento exacto. Esto es especialmente útil en las aplicaciones de robótica, donde se deben colocar las pinzas con precisión sobre los componentes y la propia pinza debe moverse para sujetar componentes que en algunos casos pueden ser delicados. Los servomotores también se pueden usar para mover los mecanismos de enfoque de la cámara y garantizar la captura precisa de la información visual para el robot.

Las aplicaciones controladas por motores conllevan algunos riesgos de lesiones para los operarios o de daños a los equipos o a los materiales, por lo que la seguridad es primordial en el control de motores. Por ejemplo, un motor puede experimentar una interrupción de la alimentación, lo que lo lleva a detenerse. Si luego se restablece la potencia de forma inesperada, el motor puede arrancar en una posición insegura o herir a las personas que trabajan en él. Para evitar esto, los VDF pueden usar funciones de seguridad como la desconexión de par segura o STO, que lleva al controlador a un estado de no par seguro y evita un arranque inesperado de la maquinaria controlada.

Asimismo, los PLC contribuyen a la seguridad de los motores mediante su programación en diagrama de escalera. Esto permite programar el PLC para que responda a las entradas de interruptores y sensores. De este modo, el programador puede asegurarse de que el PLC solo proporcionará la señal de encendido del motor si se cumplen determinadas condiciones de seguridad.

El control del motor también desempeña un papel importante a la hora de proteger contra posibles daños tanto el motor como el equipo controlado, lo que contribuye a aumentar la fiabilidad y la seguridad, al tiempo que maximiza el tiempo de producción y minimiza el esfuerzo y los costes de mantenimiento. Por ejemplo, el uso de los VFD provoca menos tensión en los equipos mecánicos durante el arranque y el funcionamiento, lo que alarga la vida útil de los equipos. Los VFD también pueden programarse para evitar que el control de equipos como trituradoras y mezcladoras supere los límites de par establecidos, protegiendo los motores y la máquina en sí ante posibles daños.

Por lo tanto, la elección del método de control correcto para el motor y el proceso desempeña un papel crucial en el funcionamiento satisfactorio de los procesos industriales, garantizando una larga vida útil, funcionamiento seguro y costes optimizados.