Variadores de velocidad
Un motor asincrónico gira a la velocidad que le impone la frecuencia de la red. Si se le cambia la frecuencia, cambia la velocidad. Todo el variador existe para poder generar esa frecuencia a voluntad, y para hacerlo sin destruir el motor.
01Por qué variar la frecuencia
En motores de CA quedó establecido que la velocidad sincrónica es ns = 120 f/p. Con 50 Hz y cuatro polos, 1500 rpm, y no hay manera de cambiarlo: es la red la que manda.
| Método | Rango | Problema |
|---|---|---|
| Válvula o compuerta | Todo el caudal | El motor sigue consumiendo lo mismo: se estrangula la salida y se tira la energía. |
| Poleas y reductores | Fijo | No se ajusta en marcha. |
| Cambio de polos | Dos o tres velocidades | Sólo motores especiales, en saltos. |
| Variador de frecuencia | Continuo, de 0 a más de 50 Hz | Costo del equipo y armónicos en la red. |
En una bomba centrífuga, el caudal es proporcional a la velocidad, pero la potencia va con el cubo de la velocidad.
- Al 80 % de velocidad, la potencia consumida es 0,8³ = 51 %.
- Al 50 %, es 0,5³ = 12,5 %.
Estrangulando con una válvula, en cambio, el consumo casi no baja. Por eso en bombas y ventiladores el variador se amortiza en meses, y es la razón principal por la que están en todas partes.
02Qué hay adentro
| Etapa | Qué hace | Detalle práctico |
|---|---|---|
| Rectificador | Convierte la alterna de red en continua | Puente de diodos trifásico: sobre 380 V da unos 537 V de continua. |
| Bus de continua | Almacena energía en capacitores grandes | Quedan cargados a más de 500 V minutos después de desconectar. Es el mayor riesgo del equipo. |
| Inversor | Seis IGBT que arman la alterna de salida por PWM | Portadora de 2 a 16 kHz (fuentes de energía). |
| Control | Microcontrolador o DSP que calcula la modulación | Aloja los parámetros, las protecciones y las comunicaciones. |
| Frenado | Resistencia o devolución a la red | Al frenar, el motor genera y sube la tensión del bus: hay que quemar esa energía o devolverla. |
03La ley Volts por hertz
Es el concepto central del eje. Si se baja la frecuencia sin bajar la tensión, el flujo magnético del motor crece hasta saturar el hierro: la corriente se dispara y el motor se quema.
V y f suben proporcionalmente, el flujo se mantiene y el motor puede dar su par nominal a cualquier velocidad. Es la zona de trabajo habitual.
A muy baja frecuencia hace falta un refuerzo de tensión (boost) para compensar la caída en la resistencia del bobinado, que a 2 o 3 Hz se come casi toda la tensión.
La tensión no puede pasar de la de red, así que V/f baja, el flujo baja y el par cae de manera inversamente proporcional a la frecuencia. A 100 Hz el motor da la mitad de par.
Además hay que verificar el límite mecánico: rodamientos, equilibrado y ventilación propia del motor.
El ventilador de un motor autoventilado está montado en su propio eje: a la mitad de la velocidad ventila mucho menos, pero el motor puede seguir entregando el mismo par y la misma corriente. Por eso el trabajo prolongado a baja velocidad con par nominal exige ventilación forzada independiente o un motor sobredimensionado. Es una de las causas más comunes de motores quemados en instalaciones con variador.
04Tipos de control
| Control | Cómo funciona | Cuándo se usa |
|---|---|---|
| V/f escalar | Aplica la curva V/f sin medir nada del motor | Bombas, ventiladores, cintas: cargas que no exigen par a velocidad cero. Es el más simple y barato. |
| Vectorial sin sensor | Estima la posición del flujo a partir de las corrientes medidas | Cuando hace falta par a baja velocidad y buena respuesta dinámica: elevadores, extrusoras. |
| Vectorial con realimentación | Usa un encoder en el eje | Posicionamiento y par exacto a velocidad cero: máquinas herramienta, grúas. |
- Datos de chapa del motor: tensión, corriente, frecuencia, velocidad, cos φ. Sin esto el variador no puede protegerlo.
- Rampa de aceleración y de desaceleración: si son muy cortas, el variador dispara por sobrecorriente o por sobretensión del bus.
- Frecuencia mínima y máxima.
- Límite de corriente y protección térmica.
- Origen del mando: teclado, bornera, comunicación.
- Frecuencia de portadora: más alta, más silencioso el motor y más calor en el variador.
05Instalación: lo que arruina un variador
No se pone ningún elemento de maniobra —contactor, llave, capacitores de compensación— entre la salida del variador y el motor. Abrir ese circuito con el variador entregando corriente destruye la etapa de salida. Si hace falta seccionar, se hace con el variador detenido y con un contacto auxiliar que se lo avise.
La salida PWM tiene flancos de nanosegundos: irradia muchísimo. El cable al motor debe ser apantallado, con la malla puesta a tierra en los dos extremos y por 360°, no con un «chicotito». Sin eso aparecen fallas en los sensores, en las comunicaciones y hasta en equipos vecinos.
- Corrientes por los rodamientos: la conmutación induce tensiones en el eje que descargan a través del rodamiento y lo pican. Con cables largos o motores grandes se usan rodamientos aislados o escobillas de puesta a tierra del eje.
- Armónicos hacia la red: el rectificador de entrada toma corriente en picos. Se corrige con reactancia de línea o de bus, y en instalaciones grandes con filtros (potencia en CA).
- Ventilación del tablero: el variador disipa del 2 al 4 % de la potencia que maneja. Un equipo de 15 kW puede estar tirando 500 W dentro del gabinete.
- Distancia al motor: cables largos producen reflexiones que duplican la tensión en bornes del motor. Por encima de unas decenas de metros hace falta filtro de salida.
Cortar, esperar el tiempo que indique el fabricante —típicamente 5 a 15 minutos— y verificar con instrumento que la tensión del bus de continua bajó a menos de 50 V. Los capacitores del bus almacenan energía suficiente para matar mucho después de haber desconectado el equipo, y el frente apagado no significa nada.
06En el laboratorio
Con un variador didáctico y un motor chico, cargar los datos de chapa y las rampas, y arrancar desde el teclado. Medir con tacómetro la velocidad para 10, 25, 50 y 60 Hz y comparar con n = 120 f/p. Anotar el deslizamiento en cada punto.
Medir con multímetro True RMS la tensión de salida a distintas frecuencias y armar la tabla V contra f. Verificar que la relación se mantiene constante hasta la nominal y que después la tensión se aplana. Graficarla.
Acortar la rampa de aceleración hasta que el variador dispare por sobrecorriente, y la de frenado hasta que dispare por sobretensión del bus. Anotar los valores límite y explicar cada disparo. Es la mejor manera de entender qué protege cada parámetro.
Cambiar la frecuencia de portadora entre 2 y 12 kHz y escuchar el motor: el silbido característico cambia de tono hasta volverse inaudible. Medir la temperatura del variador en cada caso: el silencio se paga con calor.
07Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| Dispara por sobrecorriente al arrancar | Rampa demasiado corta para la inercia, o límite de corriente mal cargado. |
| Dispara por sobretensión al frenar | El motor devuelve energía y sube el bus. Alargar la rampa o poner resistencia de frenado. |
| El motor se calienta a baja velocidad | Ventilación propia insuficiente. Hace falta ventilación forzada. |
| No tiene fuerza a baja frecuencia | Falta refuerzo de tensión, o la aplicación exige control vectorial. |
| Fallas en sensores y comunicaciones al arrancar el motor | Cable de salida sin apantallar o malla mal conectada. |
| Rodamientos picados a los pocos meses | Corrientes de eje inducidas por la conmutación. |
| El variador se destruyó al abrir un contactor de salida | Nunca se secciona entre variador y motor con el equipo en marcha. |
| El motor vibra y hace ruido raro | Portadora baja, o resonancia mecánica en cierta frecuencia: se resuelve con «frecuencias prohibidas» en la parametrización. |
08Autoevaluación
¿Por qué hay que bajar la tensión al bajar la frecuencia?
Porque el flujo magnético es proporcional a V/f: si baja f y no baja V, el flujo crece, el hierro satura y la corriente de magnetización se dispara, quemando el motor.
Un motor de 380 V y 50 Hz trabaja a 30 Hz. ¿Qué tensión debería aplicarle el variador?
La relación es 380/50 = 7,6 V/Hz, así que 7,6 × 30 = 228 V —más el refuerzo que compense la caída resistiva—.
¿Qué pasa por encima de la frecuencia nominal?
La tensión no puede subir más, así que V/f cae: el flujo baja y el par disponible disminuye. El motor entra en zona de potencia constante y hay que verificar además su límite mecánico.
¿Por qué una bomba con variador ahorra tanta energía?
Porque la potencia de una bomba centrífuga varía con el cubo de la velocidad: al 80 % de velocidad consume el 51 %, y al 50 %, apenas el 12,5 %. Estrangular con una válvula no baja el consumo.
¿Cuáles son las tres etapas de un variador?
Rectificador (red a continua), bus de continua con sus capacitores, e inversor de seis IGBT que arma la alterna de salida por PWM.
¿Por qué no se pone un contactor entre el variador y el motor?
Porque abrirlo con el variador entregando corriente destruye la etapa de salida: se interrumpe bruscamente una corriente inductiva. Si hace falta seccionar, se hace con el variador detenido.
¿Qué diferencia hay entre control V/f y control vectorial?
El V/f aplica una curva sin medir el estado del motor: es simple y suficiente para bombas y ventiladores. El vectorial estima o mide la posición del flujo y controla el par directamente, dando fuerza a baja velocidad y mejor respuesta.
¿Por qué el cable al motor debe ser apantallado?
Porque la salida PWM tiene flancos de nanosegundos que irradian mucha interferencia. La malla, puesta a tierra en los dos extremos y por 360°, la contiene y evita fallas en sensores, comunicaciones y equipos vecinos.
¿Qué precaución hay que tomar antes de abrir un variador?
Cortar, esperar el tiempo indicado —5 a 15 minutos— y verificar con instrumento que el bus de continua está por debajo de 50 V. Los capacitores conservan más de 500 V mucho después del corte.
Un motor trabaja al 30 % de velocidad con par nominal y se quema. ¿Qué faltó?
Ventilación forzada. El ventilador propio gira con el eje: a baja velocidad casi no refrigera, mientras la corriente sigue siendo la nominal.