1.- QUE ES UN ACCIONAMIENTO VECTORIAL (VECTOR DRIVE)
El control vectorial, debe su nombre a que este utiliza un regulador electrónico sofisticado para controlar la magnitud y dirección (o fuerza y velocidad) del flujo magnético en un motor de corriente alterna a través de lazos independientes de control.
Los accionamientos (drives) A-C convencionales VVVF (voltaje variable - frecuencia variable) manejan un solo lazo para el control del flujo magnético, es decir la corriente es tomada como una magnitud escalar.
La estrategia de control de los accionamientos VVVF es buena para condiciones en régimen permanente, o para aquellos tipos de cargas que permiten mucho tiempo para que cambie la velocidad en aplicaciones tales como ventiladores y bombas. Pero en muchas aplicaciones de la vida real, las cargas, la velocidad o posición son probables que cambien abruptamente. El control vectorial satisface mucho mejor el manejo de estas condiciones ya que suministra control directo del torque, también como una capacidad de respuesta dinámica, la cual es diez veces la del accionamiento VVVF.
Los diagramas de bloques en las figuras 1,2, y 3 suministran mas detalles acerca de las diferencias y semejanzas entre los accionamientos vectoriales y los convencionales VVVF.
Figura # 1: Conversión de potencia por Modulación de Ancho de Pulso (PWM)
La sección de conversión de potencia mostrada en la fig.#1, es común para todos los accionamientos modulados por ancho de pulso (PWM), independientemente si utilizan un regulador vectorial o VVVF. La potencia trifásica fluye a través de un bloque de seis diodos, los cuales la rectifican convirtiéndola en potencia DC de voltaje fijo. La potencia DC es suavizada por el filtro capacitivo. Un bloque de seis transistores con diodos en la sección de switcheo es controlado a través del regulador microprocesado para reconvertir la potencia DC de nuevo en potencia AC de voltaje y frecuencia variables para alimentar el motor.
La figura # 2 muestra un diagrama de bloques simplificado del regulador de un accionamiento convencional VVVF.
Figura # 2: Diagrama de bloques volt/Hertz
La referencia de velocidad comandada por el usuario, alimenta al bloque rampa para convertir la función escalonada de la velocidad en una rampa con cambios retardados que limiten el flujo de corriente y evitar que la máquina se desestabilice . Esta señal entonces ocasiona que una sección fije ambos parámetros, la rata de cambio y la fuerza del campo magnético en el motor. Es importante reconocer que un solo comando de entrada de control de velocidad, controle ambas variables en un accionamiento VVVF.
En la figura # 3 se muestra un diagrama de bloques del regulador de un accionamiento vectorial. Se han añadido dos lazos de control separados, haciéndolo más complejo. Los lazos de control permiten controlar en forma independiente la velocidad y la fuerza del campo magnético del motor. Ellos también le permiten al regulador medir la velocidad actual del motor y estimar fielmente la cantidad de torque requerido.
2.-EL SECRETO DEL “BLOQUE MODELO DEL MOTOR”
El “bloque modelo del motor”, mostrado en la tabla # 1, es el secreto del accionamiento vectorial. El utiliza tecnología electrónica de alta velocidad (usualmente un microprocesador o un procesador de señal digital) para computar los cálculos a 2000 veces o más por segundo.
El bloque modelo del motor hace uso de un principio muy importante de los motores de inducción como es la relación existente entre: torque, corriente y deslizamiento.
La tabla # 1, compara el deslizamiento, la corriente y el torque versus la carga para un motor de 20 HP.
El deslizamiento se define como la diferencia entre la velocidad del campo magnético giratorio del estator (velocidad sincrónica) y la velocidad del rotor. La corriente es el valor de corriente AC medida con un amperímetro de gancho en uno de los terminales del motor. El torque es el torque de salida en el eje del motor. Es de esperarse que el motor tome mas corriente a medida que la carga aumente.
El torque y el deslizamiento están directamente relacionados. Un incremento en el torque de la carga requiere de un incremento proporcional en el deslizamiento. Sin embargo, aunque la corriente aumente con el torque, el cambio no es lineal.
Afortunadamente, el cambio de la corriente con el torque varia de una manera predecible. La corriente total tomada por el motor tiene dos componentes. La primera es la corriente en vacío o corriente magnetizante. Esta porción es simplemente corriente reactiva y no produce potencia mecánica. La segunda es la corriente activa, esta si produce torque y está eléctricamente en fase con el voltaje aplicado al motor. Esta es la componente que maneja la potencia del motor (potencia activa, KW) y varía directamente con el torque de salida (torque en el eje).
Como se muestra en el diagrama vectorial de la figura # 4, en el eje “Y” se representa la corriente magnetizante de 8.5 amps (corriente reactiva). En el eje “X” se representa la corriente productora de torque de 23.5 amps (corriente activa). La corriente actual de plena carga (corriente total) medida en el motor de 25.0 amp, está representada por la hipotenusa del triángulo recto formado por las componentes “X” y “Y”. Es decir que la corriente total es la suma vectorial de las corrientes activa y la reactiva.
En la practica, podemos obtener la corriente magnetizante del fabricante del motor (o aproximadamente midiendo la corriente en vacío). Podemos ciertamente medir la corriente total tomada por el motor utilizando sensores de corriente de efecto hall de alta velocidad. El regulador debe entonces resolver la siguiente ecuación:
para determinar la componente de la corriente productora de torque que es la ultima parte del rompe cabezas del bloque modelo del motor.
Figura # 4: Diagrama vectorial de corrientes
3.- VENTAJAS DEL ACCIONAMIENTO VECTORIAL
El accionamiento vectorial suministra todos los beneficios y ventajas de los accionamientos VVVF y mucho más.
Arranque con todas las ventajas de los accionamientos VVVF:
1.- Utiliza motores de inducción “standard”, de bajo costo. Los motores a prueba de explosión y de otras construcciones especiales pueden también utilizarse.
2.- Alto factor de potencia (alrededor del 95%), para un menor costo de energía.
3.- Capacidad para alta velocidad (6.000 RPM es fácilmente alcanzable
4.- Lazo cerrado de velocidad para una regulación de 0.01%
5.- Alta respuesta dinámica mayor de 50 radianes/seg.
6.- Operación suave a baja velocidad, aún bajo variaciones de la carga
7.- Alto torque de arranque (150% a 200%)
8.- Control lineal de torque para posición o tensión.
Estas ventajas hacen al control vectorial la mejor respuesta para muchas aplicaciones.
Comparándolos con los controles DC, el accionamiento con control vectorial tiene un alto factor de potencia, capacidad para alta velocidad, y la habilidad de utilizar motores de inducción son ventajas importantes.
A diferencia los accionamientos “sin carbones”, los cuales se han vendido como reemplazo para los accionamientos DC, el accionamiento vectorial no necesita motores diseñados especialmente con rotores de imán permanente.
ESTANDAR DC | DC SIN CARBONES | VVVF AC | VECTOR AC | SERVO | |
REGULACION DE VELOCIDAD | 0.01% | 0.01% | 1% | 0.01% | 0.01% |
RANGO DE VELOCIDAD | 100:1 | 100:1 | 10:1 | 100:1 | 2000:1 |
REQUERIMIENTO DE TACOMETRO | SI/NO | SI | NO | SI | SI |
RANGO DE HP CONSTANTE | 4:1 | 2:1 | 2:1 | 4:1 | NINGUNO |
TORQUE DE ARRANQUE | 150% | 150% | 100% | 150% | 200% |
CAPACIDAD PARA ALTA VELOCIDAD (1) | <3000 | <3000 | <6000 | <6000 | <6000 |
REGENERACION (2) | LINEA | SNUBBER | SNUBBER | SNUBBER | SNUBBER |
PRECIO RELATIVO (3) | 1.0 | 1.0 | 0.9 | 1.20 | 2.0 |
FRENADO DINAMICO | SI | SI | NO | NO | SI |
(1) Velocidad en RPM con motores estándar
(2) Regeneración en línea posible con hardware adicional
(3) Comparación de precio a 20 HP, incluye controlador, motor y tacómetro.
Tabla #2: Tabla comparativa para diferentes tipos de accionamientos
La tabla #2 muestra algunas comparaciones entre accionamientos vectoriales y otras tecnologías. Estos datos pueden variar algo entre los diferentes fabricantes, pero no obstante suministran una directriz general.
Los precios para los accionamientos vectoriales AC, son competitivos con los accionamientos DC en aplicaciones por debajo a 50HP. El accionamiento vectorial es más costoso que el accionamiento DC en potencias mayores, debido al alto costo de los semiconductores de potencia que utiliza.
4.- CONSIDERACIONES ESPECIALES
Aunque el accionamiento vectorial ofrece muchas ventajas, también tiene algunas limitaciones.
En primer lugar, requiere de una realimentación tacométrica del motor.
En segundo lugar, la regeneración es más difícil con accionamiento vectorial que con accionamiento DC con tiristores convencionales. Los accionamientos AC requieren de un kit compuesto por resistencias para la regeneración.
En tercer lugar, en aplicaciones donde se necesite frenado dinámico, requerirá de diferentes soluciones cuando se utilice accionamiento vectorial.
Los accionamientos DC pueden operar como generadores sin un regulador activo para suministrar la función de frenado dinámico. El accionamiento AC (vectorial o convencional), puede requerir de una inyección de corriente DC para el frenado o freno mecánico para suministrar el equivalente funcional al frenado dinámico. Esto es necesario por que el regulador en accionamientos AC debe ser activado para frenar la carga.
Finalmente, a través de este artículo se a dicho que los motores de inducción “convencionales” pueden utilizarse con accionamientos vectoriales. Sin embargo, la capacidad de alto rendimiento de estos accionamientos dan lugar a mayores demandas de energía de los motores que ellos manejan.
Consideración espacial debe darse al uso de motores optimizados para torque constante, alta sobrecarga durante un amplio rango de velocidad.
Algunos fabricantes ahora ofrecen motores “vector-duty” (servicio vectorial) con provisión par montaje de tacómetro y ventilador de enfriamiento, con baja inercia construidos con diseño especial para variadores de velocidad AC.
Los accionamientos vectoriales representan un paso hacia adelante en el desempeño que muchas aplicaciones han necesitado para disfrutar las ventajas de la tecnología AC. Es un hecho su utilización en una amplia gama de nuevas aplicaciones. También son una alternativa para el reemplazo de los variadores mecánicos de velocidad.
