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Aplicación de
partidores suaves a
sistemas de ahorro
de energía

En varias industrias nacionales, se ha popularizado el uso de sistemas electrónicos de arranque suave para motores de inducción. Su instalación se justifica principalmente para permitir arranques de máquinas que perturbarían la red de alimentación si arrancasen de forma directa. Con un simple análisis, y siempre que la tecnología del partidor suave lo permita, se puede realizar un método de ahorro de energía por medio de un ajuste adecuado de sus parámetros de control. En este breve artículo, se trata de explicar el funcionamiento de los partidores suaves y su aplicación para lograr ahorros de energía eléctrica sin inversión adicional.

La literatura técnica señala que un partidor suave es un cicloconvertidor de frecuencia fija y tensión variable. La topología estándar de este accionamiento consiste en un par de tiristores por fase, en antiparalelo, como se muestra en la Figura 1.

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Figura 1.

Mediante un sistema de control que considera el cruce por cero de las tensiones trifásicas de entrada, se realiza un control de ángulo de fase a los tiristores, y se obtiene una tensión de salida de la misma frecuencia que la entrada, pero de tensión RMS variable (aproximadamente entre cero y la tensión RMS de la entrada). Un efecto adicional de la actuación de los tiristores es la inyección de corrientes armónicas.

Normalmente, los partidores suaves se conectan entre la red y los bornes de la máquina, pero existen modelos que permiten conectarse dentro del devanado delta del motor de inducción. También existen partidores suaves trifásicos más económicos, que tienen cuatro semiconductores únicamente, con un tiristor en antiparalelo con un diodo en las fases externas y un simple puente de alambre en la fase central, pero se utilizan exclusivamente en máquinas de baja tensión y poca potencia (menos de 20 kW).


Efectos de la disminución de tensión en un motor de inducción

Un motor trifásico de inducción al que se aplica una tensión nominal, tiene aproximadamente una curva de torque-velocidad en estado estacionario muy definida. Para una velocidad cualquiera, el torque es proporcional del cuadrado de la tensión aplicada, de forma que un partidor suave permite, por medio de una variación de la tensión aplicada al motor (variando el ángulo de encendido de los tiristores), variar el torque motriz a la carga conectada al eje, permitiendo de este modo aceleraciones o frenadas controladas.

En la Figura 2, se aprecia que la operación en estado estacionario para cada caso, donde se produce el equilibrio entre el torque motriz y el torque de la carga, varía según la tensión aplicada. De esta forma, para una disminución de la tensión, la operación de la máquina ocurre con una velocidad distinta en cada caso. Se deduce entonces que la operación de la máquina con tensión reducida implicará una menor velocidad de giro.

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Figura 2.

Las pérdidas de un motor de inducción estarán resumidas como:

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Las pérdidas mecánicas serán la suma de pérdidas de roce y ventilación, mientras que las pérdidas eléctricas serán básicamente las pérdidas de vacío (de fierro), las pérdidas de devanados (de carga, I2R de rotor y estator).

Un motor de inducción sometido a un régimen de carga constante durante un largo período requiere una alimentación constante, incluyendo un factor de potencia constante. Sin embargo, en muchas aplicaciones industriales, las cargas no requieren una potencia motriz constante, sino que solamente un cierto porcentaje del período. Esto se conoce como ciclo de carga (duty cycle), como es el caso de una máquina aserradera de madera, un chancador de mineral, un elevador de capachos, etc.

Por ejemplo, un chancador primario de una planta minera gira permanentemente, pero la descarga de mineral desde los camiones de la mina en el buzón del chancador no es continua, sino que ocurre cada tantos minutos. Por ello, el motor del chancador opera algunos instantes con carga y el resto del tiempo gira en vacío, hasta que nuevamente se vacía la carga de mineral de otro camión en el buzón. Esto define un ciclo de carga (duty cycle) distinto del 100%.

Mientras haya mineral en el buzón de descarga, el chancador operará con un grado de carga elevado, con un factor de potencia relativamente bueno, pero cuando el chancador no muele mineral porque el buzón de descarga está vacío, el grado de carga del motor es muy bajo y el factor de potencia asociado es muy pobre. De esta forma, se plantea la idea de medir el factor de potencia, y disminuir la tensión aplicada por el partidor suave al motor del chancador mientras éste se encuentre con un factor de potencia muy bajo. De esta forma, con la tensión reducida en el motor se disminuye básicamente la pérdida de vacío, y se minimiza la pérdida respectiva.

Un efecto asociado a la disminución de tensión aplicada es una menor velocidad de giro, por lo que la transición desde el caso de giro en vacío al giro con carga podría implicar una reaceleración de la máquina.

Cabe hacer una observación y corresponde a que la mayoría de los partidores suaves instalados en la industria tienen un sistema de contactores de bypass, que se cierran una vez se logra el arranque de la máquina. Para la aplicación de ahorro de energía sugerida, no se puede aplicar este bypass, y se debe mencionar que para una actuación continua de los tiristores del partidor suave, se tendrá pérdidas adicionales en el accionamiento debido a las pérdidas de conducción, pero éstas no debiesen ser relevantes dado que para la actuación en vacío implica bajas corrientes, pero para la condición de carga esta pérdida de conducción de los semiconductores puede ser importante.

Por Cristián Guevara Vicuña, Ingeniero Civil Electricista UTFSM, autor del libro “Métodos prácticos para lograr ahorros de energía eléctrica” – segunda edición. Mayor información: expertos.eficiencia@gmail.com
Marzo 2011
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Comentarios acerca de este artículo
Hector calle h elecomandina (13/08/2015)
saludos cordiales señores mis felicitaciones por el articulo , si fueran tan amables en como uno se podria afiliar a su
revista atte Hector
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