Control de la velocidad por variación de la tensión de red. Caso particular de los arrancadores estáticos

Control de la velocidad por variación de la tensión de red. Caso particular de los arrancadores estáticos

Con una alimentación de frecuencia constante, el par desarrollado por un motor asíncrono es proporcional, para un determinado deslizamiento, al cuadrado de la tensión aplicada. Se obtiene el punto de funcionamiento correcto cuando el par motor equilibra el par resistente de la carga. En consecuencia, el deslizamiento del rotor está determinado por el par de carga y la tensión de la alimentación, pudiéndose obtener un control de la velocidad de la máquina por la regulación de la tensión. Se aplica esto en la siguiente figura, donde se representan las curvas características par-velocidad de la máquina en la zona de funcionamiento como motor, eligiendo como parámetro variable la tensión de alimentación.

Curvas de par-velocidad a diferentes tensiones del estator

El gran inconveniente de esta regulación es que el par se reduce estrepitosamente con el cuadrado de la tensión. Por lo que solo ha alcanzado una cierta popularidad en aplicaciones con una curva de par resistente cuadrático (caso de bombas y ventiladores). En estas aplicaciones es posible proporcionar, con pequeñas corrientes de arranque y sin grandes calentamientos del motor, tanto el par de arranque como el par motor necesario a velocidades relativamente diferentes de la síncrona. El margen de regulación debido a su principio de funcionamiento es pequeño, en torno al 15% de la velocidad nominal o asíncrona.

El esquema de control consiste en aplicar al motor mayores o menores tramos de senoide de la tensión de red, en función del ángulo de disparo de los tiristores, variando así el valor medio de la tensión en bornes del motor. Otro problema lo constituyen los inevitables armónicos que aparecen por no ser senoidales las tensiones aplicadas al motor, eso produce repercusiones negativas sobre la red y el motor en forma de calentamientos. Otro inconveniente es que al ser la frecuencia constante en el motor, solo puede controlarse bajo condiciones de carga. El sistema permite el funcionamiento como freno electromagnético, así como el cambio de sentido de giro del motor por permuta electrónica de dos fases, mediante la secuencia de disparo de los tiristores. La potencia térmica suele ser pequeña, y se disipa en el propio sistema.

Caso particular: los arrancadores estáticos

Estos sistemas permanecen a nivel de estructura de potencia, igual que en el esquema anterior, excepto en que no se ejerce ningún control de velocidad mediante ninguna señal de referencia (control de regulación por par).

Cada vez que el motor se arranca con el sistema de arranque directo, este desarrolla su máxima capacidad de par en la aceleración del motor. Puede causar “estrés” en el acoplamiento de la carga con el siguiente resultado:

  • fallo en el acoplamiento.
  • holguras en la transmisión.
  • sobreimpresiones y golpes de ariete en las instalaciones hidráulicas.
  • roturas de la cadena cinemática de la máquina.

Cuando utilizamos el método de arranque directo se producen altos picos de corriente durante el arranque, lo que provoca “estrés” en la fuente de suministro, causando los siguientes resultados:

  • caídas de tensión en la fuente de suministro eléctrico.
  • provocando un mal funcionamiento de otros equipos conectados al mismo transformador.
  • envejecimiento prematuro de la instalación eléctrica (contactores, etc.).

En muchos casos las compañías eléctricas colocan maxímetros para poder medir los picos de corriente y penalizan al consumidor si este sobrepasa los límites contratados. Por ello, se utilizan sistemas de arranque alternativos, como el arranque estrella-triángulo, arranque por auto-transformador o inserción de resistencias en motores de rotor devanado y los arrancadores estáticos.

El método de arranque conocido como estrella-triángulo se basa en una reducción del 57% de voltaje durante el arranque, conectando el motor en estrella, con lo que el par decrece en un 33% respecto del par nominal. Pero en el momento que pasamos de la conexión en estrella a la conexión en triángulo, el motor se queda durante un instante sin tensión y se producen picos de corriente superiores, en algunos casos, a 8 veces la corriente nominal del motor, y un pico de par de más de 2,5 veces el par nominal, con lo que continúa produciéndose “estrés” en el conjunto mecánico y eléctrico. Bajo este sistema, necesitamos seis cables conectados del arrancador estrella-triángulo al motor, con lo que se encarece la instalación en los casos de largas distancias entre arrancador y motor. Además, no se puede efectuar un paro controlado en bombas, con lo que se producen sobrepresiones y golpes de ariete en el conjunto hidráulico.

El arrancador se basa entonces en el funcionamiento de arranque por par, es decir, se le proporciona un escalón inicial de tensión para vencer el par de arranque, con un parámetro llamado pedestal de tensión. Se le determina un tiempo de rampa, para que la tensión progrese desde ese valor inicial hasta el valor máximo de tensión, acompañado además de un límite de corriente si se desea. Una vez alcanzada la tensión máxima, el sistema puede o no activar la señal de “by-pass”, que consiste en cortocircuitar los tiristores de potencia con un contactor. A la orden de parada, este puede parar con una rampa de desaceleración, o “soft stop”, o bien desactivando instantáneamente los tiristores, con lo que el motor para por inercia propia.

Los arrancadores son utilizados principalmente para bombas y ventiladores, que no requieren regulación, sino en los que es suficiente un arranque suave y progresivo, limitando así la punta de corriente y eliminando posibles problemas mecánicos en la cadena cinemática de la máquina. También en el caso de bombas centrífugas, en el que los arrancadores eliminan los golpes de ariete por sobrepresiones en las conducciones. Con los arrancadores, las puntas de corriente absorbidas pueden ser limitadas entre 3 y 5 veces la corriente nominal del motor. Para un mejor rendimiento del sistema, ver figura siguiente.

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