Dominando corriente, potencia y par en variadores de velocidad

El comportamiento de la corriente y potencia en un sistema de variador de velocidad no siempre es bien entendido por usuarios, especialmente la cuestión de cómo las corrientes de entrada y salida del variador cambian a medida que la velocidad del eje del motor y la carga cambian. En este blog observamos el comportamiento básico de variadores de velocidad para clarificar cómo se relacionan estos valores. Esto ayuda a entender el comportamiento del sistema y hacer concesiones para los efectos de ciclo de trabajo variable en consumo energético y en la potencia nominal de los componentes principales. Observamos brevemente variadores de CC (rectificador controlado) así como variadores inversores de CA, ya que hay algunas diferencias interesantes.

Corriente del motor

El par producido por un motor eléctrico siempre puede considerarse como el producto de flujo magnético actuando sobre conductores que llevan corriente. Para un nivel de flujo de motor dado, el par es una función directa de la corriente que enlaza el flujo.

Ignorando efectos de segundo orden, podemos resumir esto para motores de CC y CA:

• En una máquina de CC, el flujo se establece por la corriente de excitación (de campo), y el par es el producto del flujo y la corriente de armadura.
• En un motor de CA sin imán permanente, la amplitud del flujo se establece por la relación del voltaje aplicado a la frecuencia. El par es el producto del flujo y la corriente productora de par, es decir, el componente de corriente que está en fase con el voltaje.

En motores de CC y motores de inducción CA, la corriente magnetizante es usualmente constante independientemente del par, a menos que se aplique un control especial de ahorro de energía a par reducido. Para un pequeño motor de inducción, la corriente magnetizante puede ser una proporción considerable (ej. 70%) de la corriente nominal. Es un beneficio de un motor de imán permanente que no se requiere corriente magnetizante, así que se evitan las pérdidas asociadas con esta corriente.

La Figura 1 muestra una variación típica de la corriente del motor (normalizada) con el par, para un motor de inducción con voltaje de alimentación fijo. La variación con la velocidad es insignificante.

Potencia del motor

La potencia en el eje viene dada por el producto del par y la velocidad.

Si ignoramos pérdidas, la potencia eléctrica de entrada viene dada, para una máquina de CC por el producto del voltaje y corriente de CC, y para una máquina de CA por el producto del voltaje r.m.s. y el componente de corriente en fase con el voltaje, ya que la corriente usualmente va retrasada en fase respecto al voltaje.

Como primera aproximación, la corriente depende del par y el voltaje de la velocidad. La potencia de entrada es similar a la de salida excepto por las pérdidas, que a potencia nominal suelen estar en el rango del 5% al 20% de la potencia nominal.

Corrientes y potencia del variador

Dado que los variadores usan dispositivos de conmutación con pérdida de potencia mínima, alrededor del 2%, la potencia de entrada tiene que ser muy cercana a la de salida. El comportamiento de la corriente de entrada del variador es un poco menos obvio.

La Figura 2 muestra los elementos esenciales de un rectificador de armadura de variador de CC.

Los tiristores permiten regular el voltaje de salida para controlar el par y velocidad del motor. Nota que hay continuidad entre las fases de entrada y la salida, sin caminos de corriente alternativos como condensadores o conexiones compartidas. Excepto durante el breve intervalo de solapamiento, solo dos tiristores conducen en cualquier momento, así que la corriente de carga siempre tiene que fluir en las fases de entrada a menos que se instale un diodo de rueda libre.

Variador de CC – salida

La corriente en la salida de un variador de CC es la corriente de armadura del motor, que es proporcional al par. Hay un pequeño convertidor adicional para alimentar el campo.

Variador de CC – entrada

Si ahora vemos cómo la corriente de entrada se ve afectada por la operación del motor, vemos que la magnitud de la corriente de entrada es directamente proporcional al par en una relación muy simple. Si se puede ignorar el rizado de corriente, entonces. Esto es independientemente de la velocidad, o voltaje de salida[1].

¿Cómo entonces puede la potencia de entrada variar para igualar la de salida, si la corriente y voltaje de entrada son independientes de la velocidad? La respuesta es que el factor de potencia de entrada cambia, ya que cuando el rectificador se retrasa (ángulo de disparo mayor a 0°) la corriente de entrada va retrasada en fase respecto al voltaje de alimentación. En el extremo, si el motor está parado pero entregando par nominal, así que la potencia del eje es cero, la corriente de entrada sigue en su valor nominal, pero con un retraso de fase que sería 90° si no fuera por las pérdidas. Esto puede ser un inconveniente serio de variadores de CC, y es la razón por la que variadores de CC grandes a menudo se usan con condensadores de corrección de factor de potencia.

Variador de CA – salida

La corriente de salida del variador de CA es la corriente del motor, que como hemos visto comprende un componente productor de par y un componente magnetizante, este último suministrado por el variador independientemente del par requerido. La corriente en la etapa inversora, que representa una gran parte del coste material del variador, es por tanto una función del par de salida junto con un componente fijo. Es apenas afectada por la velocidad.

Variador de CA – entrada

La Figura 3 muestra los elementos esenciales de un variador inversor de CA.

Las tres patas de fase del inversor están conectadas al mismo circuito de bus CC, que es suministrado por el rectificador. La presencia de esta conexión común significa que cuando el voltaje de salida del inversor es menor que su valor máximo, es decir, a una velocidad menor que la velocidad base, la corriente de salida circula parcialmente entre las patas de fase del inversor. Lo mismo se aplica a la parte reactiva de la corriente de salida. El bus CC solo tiene que suministrar la potencia real requerida por el motor, es decir, el producto del voltaje de salida y la parte real (activa) de la corriente. El voltaje CC está fijado por el voltaje de alimentación, así que la corriente CC varía en proporción a la potencia, o a la velocidad si el par es constante.

La corriente de entrada del rectificador refleja la corriente del bus CC. La potencia de entrada es prácticamente la misma que la del bus CC, ya que la pérdida del rectificador es insignificante. El valor r.m.s. de corriente es algo mayor que lo esperado para la potencia, porque la forma de onda no es sinusoidal, es decir, la corriente contiene armónicos. A medida que la corriente aumenta, los armónicos se vuelven proporcionalmente menores debido al efecto suavizador de los chokes de suavizado o reducción de armónicos. A potencia de carga nominal, la corriente de entrada r.m.s. a menudo está bastante cerca de la corriente de salida r.m.s., y esto puede llevar a usuarios a asumir que son lo mismo. Sin embargo, esto es realmente solo una coincidencia, con motores típicos teniendo factor de potencia de unos 0.85, y variadores típicos teniendo factor de distorsión de unos 0.85. A velocidad reducida, las dos corrientes se vuelven completamente diferentes.

Para resumir, la Figura 4 muestra cómo la corriente de entrada y salida de un variador de CA típico varían conforme la velocidad y el par varían. Todas las cantidades están normalizadas para que el valor nominal o base sea 1.0.

Hay solo una línea para la corriente de salida ya que apenas varía con la velocidad. La corriente de entrada aumenta como función del producto de par y velocidad, pero con pendiente decreciente a medida que el efecto de los chokes se vuelve más pronunciado al acercarse a la corriente nominal, mejorando el factor de potencia al reducir los armónicos de corriente. Hay una pequeña pérdida fija y alguna pérdida variable con el par, como se ve en la línea para velocidad cero, causada principalmente por pérdida resistiva en los devanados del motor.

Dirección del par y velocidad – regeneración

Para simplicidad, la discusión anterior se ha aplicado a situaciones de un cuadrante. Si el par y/o la velocidad pueden invertirse, algunos factores adicionales deben considerarse.

Para variadores de CC, una aplicación de cuatro cuadrantes requiere dos puentes de tiristores para permitir la corriente CC bidireccional. El comportamiento de la corriente de entrada al invertirse la dirección de rotación es una continuación del caso de un cuadrante, el factor de potencia pasando por cero a velocidad cero y luego subiendo de nuevo hacia el máximo de unos 0.82 pero con la fase de la parte real invertida dando flujo de potencia invertido.

Para variadores de CA, el rectificador no controlado no puede devolver potencia a la red de suministro. El inversor es naturalmente regenerativo, así que con una carga de sobrevelocidad, el bus CC recibe la potencia devuelta, y se requiere un circuito de frenado resistivo para evitar un disparo por sobrevoltaje. La corriente de entrada es entonces cero.

Podemos resumir todo lo anterior en un gráfico como se muestra en la Figura 5. Esto se aplica a una carga de par constante (bastante teórica), es decir, una donde el par es constante en todo el rango de velocidad de -100% a +100%. En la práctica esto ocurre con un ascensor o polipasto llevando una carga fija, y donde la aceleración es lo suficientemente baja para ignorar la fuerza requerida para acelerar la carga. En otras palabras, variamos la velocidad lentamente.

En la Figura 5, comenzamos a velocidad máxima. Para ambos variadores de CC y CA, la corriente de entrada es de unos 100%. Ahora comenzamos a reducir la velocidad. Para el variador de CC, la magnitud de la corriente de entrada permanece inalterada, y solo podemos saber que la velocidad cae si miramos su componente activo (en fase con el voltaje). Para el variador de CA, la corriente de entrada cae, no del todo proporcionalmente a la velocidad.

A velocidad cero, la corriente de entrada del variador de CC sigue ligeramente por encima del 100%. Su ángulo de fase es casi -90°, la única parte activa de la corriente siendo causada por las pérdidas de potencia, ya que la potencia del eje es cero. La corriente de entrada del variador de CA es muy baja, entregando solo las pérdidas de potencia. El factor de potencia es bastante pobre porque los chokes de suavizado tienen poco efecto a tan baja corriente – pero esto no tiene importancia práctica ya que la corriente es mucho menor que el valor nominal.

A velocidades negativas, la corriente de entrada del variador de CC sigue en su valor nominal, pero la parte real se ha vuelto negativa, así que el variador está devolviendo energía regenerada a la red de suministro, con un factor de potencia bastante bajo. El variador de CA tiene una corriente de cero, porque el rectificador de entrada ha sido bloqueado y la pérdida de potencia del variador está siendo suministrada por la potencia regenerada de la carga. Cualquier potencia sobrante tiene que disiparse en la resistencia de frenado.