¿SCR o PWM? Cómo elegir un variador para motores de CC con escobillas

Los motores de CC con escobillas siguen siendo comunes en bobinadoras, extrusoras, transportadores, bancos de pruebas, polipastos y máquinas de producción antiguas. Su par depende de la corriente de armadura, mientras que la velocidad está influida por la tensión aplicada a la armadura y el flujo del campo. Esta relación hace que el motor sea fácil de comprender, pero no significa que todos los controladores sean intercambiables.

Los dos enfoques electrónicos habituales son la conversión con rectificadores controlados de silicio (SCR) conmutados por la red y la conmutación mediante transistores con modulación por ancho de pulso (PWM). Ambos pueden regular la tensión media de armadura. Se diferencian en la ondulación de corriente, el comportamiento a baja velocidad, los efectos sobre la entrada, las opciones de regeneración, el ruido electromagnético y el riesgo de modernización.

La selección del accionamiento debe tener en cuenta las especificaciones de la armadura, el diseño del campo, la realimentación, el ciclo de trabajo, la inversión de giro, y toda la trayectoria de la energía durante la parada.

Comience por el circuito del motor

Un motor de imanes permanentes no tiene una alimentación de campo independiente. Un motor en derivación o de excitación independiente utiliza un devanado de campo cuya corriente establece el flujo. Un motor serie se comporta de otra manera y rara vez es un candidato compatible con un accionamiento de CC genérico. Antes de seleccionar el hardware, identifique el tipo de motor, la tensión y la corriente de armadura, la tensión y la corriente de campo, la velocidad base, la velocidad máxima permitida, el estado del aislamiento y el método de refrigeración.

Por debajo de la velocidad base, un accionamiento suele controlar la tensión de armadura mientras mantiene el campo nominal. Por encima de la velocidad base, algunos sistemas reducen la corriente de campo para permitir una velocidad mayor con un par disponible menor. El debilitamiento de campo requiere protección contra sobrevelocidad y límites mecánicos verificados. La pérdida de campo en un motor de excitación independiente puede provocar una condición peligrosa de sobrevelocidad, por lo que la detección de pérdida de campo es un requisito funcional y no una alarma opcional.

Cómo controla la tensión de armadura un accionamiento SCR

Un SCR entra en conducción después de recibir un pulso de compuerta y normalmente permanece activado hasta que la corriente cae por debajo de su valor de mantenimiento. En un convertidor alimentado por CA, el controlador retrasa el ángulo de disparo dentro de cada ciclo de red. Al cambiar ese ángulo, cambia la tensión media de CC suministrada a la armadura.

Un puente de un cuadrante permite la motorización en una dirección. La inversión de giro y el funcionamiento regenerativo requieren una topología adecuada, como un convertidor dual, además de un control que impida corrientes circulantes no deseadas. La disposición exacta es importante, porque invertir el giro mediante contactores no equivale a un control electrónico de cuatro cuadrantes.

La conversión con SCR está probada y es fácil de mantener. Sus limitaciones se deben a la conmutación a frecuencia de red. La corriente de armadura contiene una ondulación de baja frecuencia, especialmente con carga ligera o a baja velocidad. Esta ondulación puede producir pulsaciones de par y ruido audible. El disparo retardado también reduce el factor de potencia de desplazamiento y distorsiona la corriente de entrada. Una alimentación trifásica generalmente proporciona una salida más uniforme que un puente monofásico, pero no elimina la necesidad de evaluar los armónicos y las condiciones de la red.

Cómo cambia el problema de control con PWM

Un accionamiento PWM conmuta rápidamente transistores entre el bus de CC y la armadura. Variar el ciclo de trabajo cambia la tensión media de armadura. La inductancia del motor suaviza gran parte de la corriente entre pulsos, lo que permite un control de corriente más preciso y un par más uniforme a baja velocidad que el de muchos convertidores de frecuencia de red.

El regulador de corriente es el lazo de control interno porque la corriente de armadura representa el par. Un regulador de velocidad externo compara la velocidad ordenada y la medida, y después solicita la corriente necesaria para corregir el error. La limitación de corriente protege el motor y el convertidor durante la aceleración, los atascos o los cambios rápidos de carga. El ajuste debe mantener la separación entre el lazo de corriente rápido y el lazo de velocidad más lento.

El ciclo de trabajo controla la tensión media de armadura; la realimentación de corriente regula el par y limita el esfuerzo eléctrico.

La regeneración y el frenado deben seguirse como un flujo de energía

Una carga giratoria almacena energía cinética. Una carga arrastrada también puede accionar mecánicamente el motor. Durante la desaceleración, esa energía debe dirigirse a algún lugar. Un controlador no regenerativo puede utilizar el frenado dinámico, conectando la armadura a una resistencia después de eliminar la potencia de accionamiento. Un controlador regenerativo devuelve la energía a la alimentación de CA o a un bus de CC compartido cuando su topología lo permite.

Las etiquetas de cuatro cuadrantes deben comprobarse frente a la aplicación real. La máquina puede requerir motorización hacia delante, frenado hacia delante, motorización hacia atrás y frenado hacia atrás, pero quizá no necesite regeneración hacia la red en todos los cuadrantes. Calcule la potencia máxima de frenado, la energía de los pulsos, la frecuencia de repetición y el calor medio. Verifique la resistencia de frenado, la capacidad de trabajo del contactor, la potencia nominal del troceador y la protección contra sobretemperatura.

La realimentación determina el rendimiento a baja velocidad

La realimentación de tensión de armadura puede proporcionar una regulación económica de la velocidad, pero debe estimar la tensión perdida en la resistencia de armadura. La estimación se vuelve menos precisa con un par alto y a baja velocidad. Un tacogenerador o un codificador mide la velocidad de forma más directa y mejora la regulación ante cambios de carga. La polaridad de la realimentación debe probarse con una orden baja antes de habilitar el lazo; una polaridad incorrecta hace que el regulador actúe en la dirección equivocada.

En los sistemas de control de tensión, la velocidad por sí sola quizá no sea la variable controlada. El cálculo del diámetro, los límites de par, la posición del bailarín o la realimentación de una célula de carga pueden dominar el diseño. Sustituir un accionamiento antiguo sin comprender esos lazos externos puede desestabilizar una máquina incluso cuando el motor gira correctamente.

El riesgo de modernización va más allá de la placa de características

Una modernización de SCR a PWM cambia el entorno eléctrico. La conmutación de alta frecuencia aumenta las emisiones conducidas y radiadas, y puede acoplar corriente a través de la capacitancia de los cables. Revise el tendido de los cables de armadura y realimentación, la terminación de las pantallas, la equipotencialidad del armario, la separación de la alimentación de control y la puesta a tierra. No tienda el cableado del codificador o del tacómetro junto a los conductores conmutados del motor.

Inspeccione las escobillas, la superficie del colector, los rodamientos, el aislamiento del campo y la ventilación antes de la puesta en servicio. Un regulador más rápido puede revelar holguras mecánicas, engranajes desgastados o un colector deteriorado que el sistema antiguo y más lento toleraba. Registre la ondulación de corriente, el error de velocidad, el chisporroteo de las escobillas, la temperatura del motor y las vibraciones con una carga representativa.

Las opciones de accionamiento pueden consultarse en Accionamientos y control de movimiento, mientras que la secuenciación de la máquina y los permisos permanecen dentro de Sistemas PLC y PAC.

Un marco práctico de selección

Compare la corriente continua y máxima de armadura, los requisitos de campo, el rango de velocidad, la uniformidad del par, el tipo de realimentación, la frecuencia de inversión, la energía de frenado, la regeneración hacia la red, las condiciones del envolvente, los armónicos de entrada, la compatibilidad electromagnética, los diagnósticos y las competencias de servicio disponibles. Preserve también el comportamiento existente de parada segura y enclavamiento de la máquina.

Por lo general, PWM es la opción más sólida para un diseño nuevo de baja tensión que requiera un control uniforme a baja velocidad y diagnósticos modernos. Sin embargo, un sistema SCR operativo puede seguir siendo la mejor decisión de mantenimiento cuando su rendimiento es adecuado y todavía existe soporte para repuestos. La modernización correcta es la que mejora una limitación medida sin crear nuevos riesgos en el motor, la realimentación, la puesta a tierra o el sistema de frenado.