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4.0 CONTROLADORES DE VELOCIDAD DE MOTOR
Sistema de control de velocidad monofásico y de media onda para un motor de corriente directa en derivación
En la figura 1 se muestra un circuito de control de velocidad sencillo de media onda para un motor de corriente
directa. La velocidad del motor es ajustada por el potenciómetro de ajuste de velocidad de 25kΩ. A medida que
se gira hacia arriba (alejando el cursor de la tierra), aumenta la velocidad del motor. Esto ocurre porque el
voltaje de compuerta relativo a tierra se vuelve una parte mayor del voltaje de la línea de corriente alterna,
permitiendo por tanto que el voltaje de compuerta a cátodo alcance el voltaje de disparo del SCR más pronto en
el ciclo.
Fig. 1 a) Diagrama esquemático de un circuito de manejo de media onda por SCR. (b) Gráfica de
velocidad de eje contra ángulo de retardo de disparo para el circuito de la parte a. (c) grafica de
velocidad de eje contra para par un ajuste fijo de potenciómetro de ajuste de velocidad de la parte a.
Al mover hacia abajo el potenciómetro de ajuste de velocidad, el voltaje de compuerta a tierra se vuelve una
parte menor de la línea de voltaje, por lo que le toma más tiempo a V GK alcanzar el valor necesario para disparar
el SCR.
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La relación entre velocidad y ángulo de retardo de disparo para este sistema se presenta gráficamente en la
figura 1b. Como puede verse, la acción de control de velocidad se logra en un rango bastante estrecho de ajuste
del ángulo de retardo de disparo, de 70º a 110º aproximadamente.
Este sistema tiene una característica deseable que tiende a estabilizar la velocidad del motor aun frente a
cambios de carga. La característica se llama realimentación de fuerza contraelectromotriz. Esta es su operación.
Suponga que el potenciómetro de ajuste de velocidad esta ajustado para proporcionar una velocidad de eje de
1500r/min. Si la carga de par en el motor aumenta ahora, hay una tendencia natural del motor a reducir su
velocidad. Hace esto para que la fuerza contraelectromotriz pueda disminuir ligeramente, permitiendo un flujo
de corriente aumentando. El aumento de corriente de armadura proporciona el aumento de par necesario para
manejar la mayor carga. Esta es la reacción natural de todos los motores.
En el sistema de la figura 1 sin embargo, cuando disminuye la fuerza contraelectromotriz, disminuye el voltaje
de cátodo a tierra (VK) ya que VK depende en gran medida de la fuerza contraelectromotriz generada por el
devanado de armadura. Si VK disminuye, el disparo del SCR ocurre antes, pues V G no tiene que subir tan alto
como antes para hacer que VGK sea lo suficientemente grande para dispara el SCR. Por tanto, un aumento de
para de carga automáticamente produce una reducción del ángulo de retardo de disparo, y un aumento
consecuente del voltaje y corriente de armadura. Esta acción mantiene casi constante la velocidad del motor,
aun ante una carga de par variante. La grafica de velocidad del motor contra par se presenta en la figura 1c,
suponiendo una velocidad de eje inicial sin carga de 1500r/min.
La capacidad de un sistema de control de velocidad de mantener bastante constante la velocidad del motor ante
cargas variantes de llama regulación de carga. En forma de formula, la regulación de carga esta dada como
Reg. Carga =
SEV - SPC
SPC
Donde SEV significa la velocidad de giro en vacío. La fase en vacío significa que el contrapar de la carga
tendiente a reducir la velocidad del eje del motor es igual a cero. S PC significa la velocidad de giro a plena carga,
significando que el contrapar de la carga tendiente a reducir la velocidad del motor esta a su máximo. Puede
verse de la ecuación 1 que a menor cambio en velocidad de la condición en vacío a la condición de plena carga,
menor la regulación de la carga. Por tanto, entre menos sea la cifra de regulación de carga, mejor será el
sistema de control.
El sistema de manejo de la figura 1 proporciona buena regulación de carga.
Como ejemplo especifico del calculo de la regulación de carga, haga referencia a la figura 1c. Podemos ver que
la velocidad en vacío es de 1500 r/min, y que la velocidad a plena carga es de 1475 r/min. Por tanto, la
regulación de carga esta dada por:
reg. carga =
1500 r/min – 1475r/min
1475 r/min
= 0.017 o 1.7%
(1)
Para muchas aplicaciones industriales, una regulación de carga de 1.7% es bastante adecuada.
Otro sistema de control de velocidad monofásica
En la figura 2 se muestra otro circuito de control de velocidad. A continuación se describe su funcionamiento.
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La potencia de corriente alterna de entrada es rectificada en un puente de onda completa, cuyo voltaje pulsante
de corriente directa de salida es aplicado al devanado de campo y al circuito de control de armadura. El
capacitor C es cargado por la corriente que fluye a través del devanado de armadura de baja resistencia, a
través de D2 y del potenciómetro de ajuste de velocidad, y a la placa superior del capacitor. El capacitor se
carga cuando alcanza el voltaje de transición conductiva del SUS. En ese instante, el SUS permite que parte de
la carga del capacitor se descargue en la compuerta del SCR, disparándolo. El ángulo de retardo de disparo es
determinado por la resistencia del potenciómetro de ajuste de velocidad, que establece la razón de carga de C.
El diodo D3 suprime la contracorriente de ruptura que es producida por el devanado inductivo de armadura al
completarse cada semiciclo. Cuando el SCR, se apaga al final del semiciclo, la corriente continúa circulando en la
malla de armadura-D3 durante un tiempo corto. Esto disipa la energía almacenada en la inductancia de
armadura.
El propósito de la combinación R1 – D1 es proporcionar una trayectoria de descarga para el capacitor C. Reduce
que un SUS no cae por completo a O V al dispararse. Por tanto, el capacitor no es capaz de descargar toda su
carga a través del circuito compuerta-cátodo del SCR. Una parte de la carga permanece en la placa superior de,
aun después de que el SCR se ha disparado. A medida que las pulsaciones del suministro de corriente directa se
acercan a OV, la carga restante en C es transferida a través de R 1 y de D1 al devanado de campo. Por tanto, el
capacitor comienza en blanco la siguiente pulsación del puente.
Fig. 2 Otro circuito de operación por SCR.
Este sistema también proporciona realimentación de fuerza contraelectromotriz, y por tanto tiene una buena
regulación de carga. He aquí como funciona la realimentación de fuerza contraelectromotriz.
Suponga que el potenciómetro de ajuste de velocidad esta ajustado para dar una velocidad de eje de 2000
r/min a cierto para de carga. Si la carga aumenta por alguna razón, lo primero que quiere hacer el motor es
reducir su velocidad un poco para admitir más corriente de armadura. Al ocurrir esto, la fuerza
contraelectromotriz de la armadura disminuye un poco.
A medida que disminuye la fuerza contraelectromotriz, aumenta el voltaje disponible para cargar el capacitor C.
Esto ocurre porque el voltaje disponible para cargar C es la diferencia entre el voltaje de pulsación del puente y
la fuerza contraelectromotriz creada por la armadura. Esto puede entenderse haciendo referencia a las marcas
de polaridad de fuerza contraelectromotriz de la figura.
Con más voltaje disponible para cargar C, es natural que C, se cargará más pronto el voltaje de disparo,
aumentando entonces el voltaje promedio suministrado a la armadura. Esto corrige la tendencia del motor a
reducir su velocidad, y lo regresa virtualmente a la misma velocidad de antes.
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Control reversible de velocidad
Algunas aplicaciones industriales de control de velocidad requieren que el giro de un motor de corriente alterna
reversible. Esto es, el motor debe ser capaz de girar tanto en dirección de las manecillas del reloj como en
dirección contraria, además de tener velocidad ajustable. La inversión de la dirección de giro puede lograrse de
dos maneras:
1. Invirtiendo la dirección de la corriente de armadura, dejando igual la corriente de campo.
2. Invirtiendo la dirección de la corriente de campo, manteniendo igual la corriente de armadura.
En la figura 3 se muestra la manera de invertir la corriente de armadura en un sistema de control de onda
completa. El método mas directo de inversión de la corriente de armadura o de campo es por medio de dos
conectores arrancadores de motor independientes. El contactor directo cusa el flujo de corriente a través de la
armadura en una dirección, mientras que el otro contactor de reversa, causa el flujo de corriente en la dirección
opuesta.
En la figura 3ª, el contactor DIR es energizado presionando el botón de ARRANQUE DIRECTO. Mientras el
contactor REV esta desactivado en ese momento, el contactor DIR se energizará y se sellará alrededor del botón
interruptor NA. El operador puede entonces soltar el botón de ARRANQUE DIRECTO, y el contactor permanecerá
energizado hasta que se apriete el botón de PARO.
Fig. 3 Sistema de manejo reversible de onda completa por SCR: (a) circuito de control del arrancador del motor;
(b) circuito de armadura. Los SCR se disparan en semiciclos alternos, causando que el voltaje de armadura
tenga la polaridad mostrada. La dirección de la corriente de armadura depende del contacto cerrado: DIR o REV.
En la figura 3b puede verse que, cuando los contactos DIR están cerrados la corriente fluye a través de la
armadura de abajo hacia arriba, causando entonces el giro en cierta dirección (suponga en dirección de las
manecillas del reloj). Cuando los contactos REV están cerrados, la corriente de armadura fluye de arriba hacia
abajo, causando por tanto el giro en la dirección contraria a las manecillas del reloj. Como siempre, la velocidad
de giro es controlada por el ángulo de retardo de disparo de los SCR.
Puede conseguirse un control reversible de onda completa sin el uso de conmutadores (contactores, botones de
presión, etc.) con el circuito de la figura. 4. En la figura 4, la dirección de giro es determinada por el circuito de
disparo que se habilita. Si se habilita el circuito de disparo directo, los dos SCR superiores se dispararán en
semiciclos alternos de la línea de corriente alterna, y pasara n corriente a través de la armadura de derecha a
izquierda, si se habilita el circuito de disparo en reversa, los dos SCR inferiores se dispararán en semiciclos
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alternos de la línea de corriente alterna y pasaran corriente a través de la armadura izquierda a derecha, como
se indica.
Fig. 4 Sistema de manejo reversible de onda
completa de estado sólida.
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