PARA ENTENDER LAS UNIDADES DE ACCIONAMIENTO DE CC
Los motores de CC existen desde hace casi 100 años. En efecto, los primeros motores eléctricos fueron diseñados y construidos para operar con alimentación de corriente continua.
Por cierto, los motores de CA son y seguirán siendo los motores primarios básicos para las necesidades de velocidad fija en la industria. Dada su simplicidad, confiabilidad y solidez, los motores de CA son la elección natural para la gran mayoría de las aplicaciones de accionamiento industrial.
Entonces, ¿cuál es el rol que podrían cumplir en el futuro las unidades de CC en el área del accionamiento industrial?
Para responder a ello, es preciso considerar algunas de las características básicas que ofrecen los motores de CC y sus respectivos controles de estado sólido.
1. Amplio rango de velocidad. 2. Buena regulación de velocidad.
3. Tamaño compacto y peso liviano (en relación a la velocidad mecánica variable). 4. Facilidad de control.
5. Bajo mantenimiento. 6. Bajo costo.
Para comprender cómo las unidades de accionamiento de CC pueden proporcionar estas características, debemos analizarlas en función de los dos elementos que componen el equipo. Estos dos elementos son, por supuesto, el motor y el control. (El “control” puede denominarse más precisamente “regulador”).
MOTORES DE CC
Los motores básicos de CC que se usan en casi todas las unidades de accionamiento integradas tienen una característica de desempeño muy simple — el eje gira a una velocidad casi directamente proporcional al voltaje aplicado al inducido. La Figura 1 muestra una curva típica de voltaje/velocidad para un motor regulado por un control de 115 voltios.
En la curva de arriba podemos ver que, aplicando 9 voltios al inducido, este motor va a operar en el Punto 1, girando a unos 175 RPM. De manera similar, si se aplican 45 voltios el motor va a operar en el Punto 2 de la curva, o sea a 875 RPM. Si se aplican 90 voltios, el motor alcanzará su plena velocidad de 1750 RPM en el
A partir de este ejemplo, se puede afirmar de modo general que los motores de CC tienen características “sin carga” que corresponden casi exactamente a lo indicado en la curva de la Figura 1.
Sin embargo, al operar con un voltaje aplicado fijo pero con una carga de par (torque) que aumenta gradualmente, estos motores exhiben una caída de velocidad, como indica la Figura 2.
Esta caída de velocidad es muy similar a lo que ocurriría si el pedal del acelerador de un automóvil fuera mantenido en posición fija mientras el vehículo marcha en terreno llano. Al subir una pendiente donde se requiere un mayor par motor, la velocidad del auto va a disminuir en función de la inclinación de la colina. En una situación real, el conductor responderá apretando el pedal del acelerador para compensar la pérdida de velocidad y mantener una velocidad casi constante mientras se sube la pendiente.
En la unidad de accionamiento de CC, el control utiliza un tipo similar de “compensación” para ayudar a mantener una velocidad casi constante bajo condiciones de carga (par) variable.
La medida de esta tendencia a desacelerar se denomina Regulación, y se calcula mediante la ecuación siguiente:
Velocidad sin carga - Velocidad a plena carga
% Regulation = X 100
Velocidad sin carga
En las unidades de CC, la regulación se expresa generalmente como porcentaje de la velocidad base del motor.
Si el control (regulador) no tuviera la capacidad de responder a los cambios de carga del motor y compensarlos, la regulación de un motor típico sería así:
HP % MOTOR REGULATION HP % MOTOR REGULATION
1/4 13.6 1.5 8.0 1/3 12.9 2 7.2 1/2 13.3 3 4.2 3/4 10.8 5 2.9 1 6.7 7.5 2.3 Figura 2
Es preciso observar otra característica muy importante de los motores de CC. El amperaje del inducido es casi directamente proporcional al par de salida, no importa cual sea la velocidad. Esta característica se muestra en la Figura 3. El Punto 1 indica que se requiere una pequeña cantidad fija de corriente para hacer girar el motor, aun cuando no haya par de salida. Esto se debe a la fricción de los cojinetes, a las pérdidas eléctricas en los materiales del motor y a la carga impuesta por el aire al motor (efecto del viento).
Más allá del Punto 1 y a través de los Puntos 2 y 3, la corriente aumenta en proporción directa al par requerido por la carga.
En base a lo discutido anteriormente y a la Figura 3, se puede hacer la afirmación general que en los motores de imán permanente [PM] y los motores con devanado en derivación [shunt], el par de carga determina el amperaje del inducido.
En resumen, pueden hacerse dos afirmaciones generales sobre el desempeño de los motores de CC. 1. La Velocidad del Motor está determinada principalmente por el Voltaje del Inducido Aplicado. 2. El Par del Motor es controlado por la Corriente del Inducido (en amperios).
Para entender el desempeño total de la unidad de accionamiento, es necesario comprender estos dos conceptos de los motores de CC.
REGULADORES (CONTROLES) El control realiza dos funciones básicas:
1. Rectifica la energía de CA convirtiéndola en CC para el motor de CC.
2. Controla el amperaje y el voltaje de salida de CC en respuesta a diversas señales de control y retroalimentación, regulando así el desempeño del motor, tanto en velocidad como en par.
FUNCIÓN RECTIFICADORA
La función básica rectificadora del control es efectuada por una combinación de semiconductores de potencia (Rectificadores Controlados de Silicio y Diodos) que integran el conjunto del “puente de potencia”.
FUNCIÓN REGULADORA
La función reguladora está a cargo de un circuito electrónico relativamente sencillo que monitorea diversas entradas y suma estas señales para producir lo que se conoce como una “señal de error”. Esta señal de error es procesada y transformada en impulsos precisamente temporizados (ráfagas de energía eléctrica). Estos impulsos son aplicados a las puertas de los SCRs en el puente de potencia, regulando así la energía alimentada al motor de CC.
En muchos casos no es necesario conocer los detalles electrónicos del regulador, pero para poder apreciar la función reguladora conviene entender algunas de las señales de entrada requeridas para el desempeño del regulador, que se exhiben diagramáticamente en la Figura 4.
El flujo de energía de CA a CC es un proceso directo relativamente sencillo, donde la energía es convertida de CA a CC por la acción de los dispositivos de potencia de estado sólido que componen el conjunto del puente de potencia.
Las señales de entrada y de retroalimentación deben analizarse en más detalle.
ENTRADA DEL PUNTO DE REFERENCIA
En la mayoría de las unidades de accionamiento integradas, esta señal se deriva de una fuente de voltaje fijo muy regulado que se aplica a un potenciómetro. 10 voltios constituye una referencia muy común.
El potenciómetro tiene la capacidad de admitir el voltaje fijo y dividirlo reduciéndolo a cualquier valor, por ejemplo, desde 10 a cero voltios, dependiendo de su respectivo ajuste. Una entrada de 10 voltios al regulador desde el control de ajuste de velocidad (potenciómetro) corresponde a la máxima velocidad del motor, y cero voltios corresponde a la velocidad cero. De forma similar, se puede obtener cualquier velocidad entre cero y la máxima ajustando el control de velocidad al valor apropiado.
Figura 4
INFORMACIÓN DE RETROALIMENTACIÓN DE VELOCIDAD
Para poder “cerrar el bucle” y controlar en forma precisa la velocidad del motor, es necesario proporcionar al control una señal de retroalimentación relacionada con la velocidad del motor.
El método estándar para realizar ésto en un control sencillo, consiste en monitorear el voltaje del inducido y retroalimentarlo al regulador para que sea comparado con la señal de entrada del “punto de referencia”. Al hacerse el voltaje del inducido alto en relación al punto de referencia definido por el ajuste del
potenciómetro de velocidad, se detecta un “error” y el voltaje de salida del puente de potencia se reduce para aminorar la velocidad del motor hasta devolverla al nivel del “punto de referencia”. En forma similar, cuando cae el voltaje del inducido se detecta un error de polaridad opuesta y el voltaje de salida del control aumenta automáticamente para tratar de restablecer la velocidad deseada.
El “Sistema de Retroalimentación de Voltaje del Inducido”, que es estándar en la mayoría de las unidades de accionamiento integradas, generalmente se denomina “Unidad Regulada por Voltaje”.
Otro método más preciso de obtener la información de retroalimentación de velocidad del motor, se
denomina “Retroalimentación Tacométrica”. En este caso, la señal de retroalimentación de velocidad viene de un tacómetro montado en el motor. La salida de dicho tacómetro está directamente relacionada a la
velocidad del motor. El uso de retroalimentación tacométrica generalmente le da mejores características de regulación a la unidad de accionamiento. Las unidades que utilizan retroalimentación tacométrica se conocen como “Unidades Reguladas por Velocidad”. La mayoría de los controles pueden ser modificados para admitir señales procedentes de un tacómetro y operar en el modo de retroalimentación tacométrica.
En algunas nuevas “unidades digitales” de alto rendimiento, la retroalimentación puede venir de un codificador montado en el motor que retroalimenta impulsos de voltaje a una rapidez relacionada con la velocidad del motor. Estas (cuentas) son procesadas digitalmente y se comparan con el “punto de referencia”, generándose señales de error que permiten regular el voltaje del inducido y la velocidad.
RETROALIMENTACIÓN DE CORRIENTE
La segunda fuente de información de retroalimentación se obtiene monitoreando la corriente del inducido del motor. Como se discutiera previamente, ésta es una indicación precisa del par requerido por la carga. La señal de retroalimentación de corriente se usa con dos fines:
1. Como retroalimentación positiva para eliminar la caída de velocidad que se produce cuando aumenta la carga de par en el motor. Ello se logra haciendo un pequeño incremento correctivo en el voltaje del inducido al aumentar la corriente del inducido.
2. Como retroalimentación negativa con un control de tipo “umbral” que limita la corriente a un determinado valor de modo de proteger a los semiconductores de potencia contra posibles daños. Haciendo a esta función ajustable, se la puede utilizar para controlar el par máximo que el motor puede suministrar a la carga.
La acción limitadora de corriente de la mayoría de los controles es ajustable, y se la conoce usualmente como “Límite de Corriente” o “Límite de Par”.
En resumen, el regulador realiza dos funciones básicas: 1. Convierte la Corriente Alterna en Corriente Continua.