Etapa de control en variadores de velocidad de motores AC

Si examinamos con detenimiento el modelo matemático del motor de inducción mostrado en la figura 20 de la de los artículos anteriores, se puede notar que los circuitos de flujo y torque no están separados.

En los terminales del motor AC se tienen tres cables que transportan el vector suma de las.corrientes que producen flujo y torque. Esta es la razón por la cual el control vectorial de un motor AC es más dificultoso que el correspondiente a un motor DC.

El reto para el control del variador de Velocidad de motor AC es distinguir ambas corrientes sin el beneficio de circuitos separados.

La figura 3-10 nos muestra el problema. La corriente del estator I1 es el vector suma de las corrientes que producen flujo y torque. El ángulo entre IM e I2 cambia constantemente bajo diversas condiciones. La corriente del estator debe entonces ser variada con el fin de producir la corriente de torque requerida, mientras la corriente de magnetización debe ser mantenida.

Desde que se tienen diversas variables envueltas en el cálculo de las corrientes, habrá entonces muchos modos de diseñar el control del variador. Estos incluyen esquemas directos e indirectos. Los esquemas directos miden eléctricamente el ángulo del flujo del rotor. El control indirecto de campo-orientado usa realimentación de velocidad o posición del motor y consideraciones de deslizamiento para suministrar comandos instantáneos de torque y flujo.

El circuito PWM de potencia es comúnmente usado con tres tipos básicos de reguladores. Son estos reguladores los que determinan las capacidades del variador, incluyendo la respuesta, regulación de velocidad debido a cambios transitorios de carga y capacidad del torque a baja velocidad.

–  REGULADOR V/F.-

La configuración mas común y de menor costo, es usado en aplicaciones con o sin realimentación de velocidad. Este diseño ofrece generalmente los ajustes básicos de un variador, incluyendo ajuste de velocidad, límite de torque, V/Hz, peldaño de voltaje a bajas velocidades, mínima y máxima velocidad, tasas de aceleración y deceleración y otros ajustes similares, que reúnen los requerimientos para la mayoría de aplicaciones.

El control V/f en su forma mas simple lleva un comando de referencia de velocidad desde una fuente externa y varía el voltaje y frecuencia aplicado al motor.

Debido a que mantiene una relación constante de V/f, el variador puede controlar la velocidad del motor conectado. No es capaz de regular el torque. En la figura 3-11 se muestra el diagrama de bloques del regulador V/f.

Típicamente, un bloque limitador de corriente supervisa la corriente del motor y altera el comando de frecuencia cuando el motor excede el valor de corriente predeterminada. El variador sólo trabaja con la corriente total del motor y no puede distinguir los límites de capacidad de IM de I2. El pico de torque máximo es de 150%.

El bloque “compensación de deslizamiento” altera la referencia de frecuencia cuando la carga cambia para mantener la velocidad actual del motor cerca de la velocidad deseada.

Mientras este tipo de control es suficiente para muchas aplicaciones, no lo es tanto cuando se tienen aplicaciones que requieren gran rapidez de respuestas dinámicas, tal como cuando el motor debe trabajar a muy bajas velocidades o aplicaciones que requieren control directo del torque del motor en vez de frecuencia del motor.

– REGULADOR VECTOR BÁSICO

Introducido a mediados de los 80s, este regulador fue un avance significativo sobre el diseño V/Hz. Cada unidad usa un método de aproximación para controlar el ángulo del flujo del rotor-estator para optimizar la operación del motor. Algunos variadores vector tenían la expectativa de tener regulación de velocidad en lazo abierto equivalente a un variador de velocidad DC con realimentación. Muchas unidades no se acercaron a estas expectativas. A pesar de esto el Vector Básico ofrece mejores rendimientos.

– REGULADOR SENSORLESS VECTOR

Más recientemente, a mediados de los 90s, fueron introducidos muchos reguladores Vector mejorados. Estos tenían los recientes avances en microprocesadores y DSPs que enriquecieron significativamente las operaciones del variador, incluyendo la capacidad de regulación de respuesta y posición. Una razón para que las capacidades del Vector funcionaran mucho mejor es la habilidad de “ver” la EMF (fuerza contra-electromotriz) producida por el motor, entonces la circuitería ajusta el arranque de cada tren de pulsos PWM y la duración específica de cada pulso.

Los variadores Vector se usan en prensas de impresión de alta velocidad, imprentas, bobinadoras y otros sistemas de maquinarias de trabajo coordinado. Los variadores Vector también se usan en sistemas de servo posicionamiento, como en las maquinas ovilladoras. Algunos pueden acelerar desde reposo a velocidad máxima en tiempos de 1 a 200 ms.

Con todos estos tipos de variadores, una señal de realimentación de velocidad o posición mejora el trabajo del variador. En la figura 3-12 se muestra el tipo de regulador indicado, en donde se ha optado por tomar la señal de velocidad del motor mediante una dínamo-tacométrica en vez de estimarla con un observador. En cambio el torque generado y la intensidad magnetizante se obtienen del correspondiente observador.