Una pregunta común es ¿cuando decidir entre un arrancador suave o variador de frecuencia para el control de mi aplicación?. Generalmente la aplicación define la mejor selección del equipo. Preguntas frecuentas para realizarse son:
- ¿Requiere la aplicación de entrega de máximo par a velocidades bajas (cercanas a cero)?
- ¿Es necesario el control de velocidad en la aplicación?
- ¿Requiere la aplicación de par constante en un rango amplio de velocidad?
- ¿Se necesitan tiempos precisos de paro y arranque en la aplicación?
- ¿Es el espacio físico un factor a tomar en cuenta?
Comparasiones
- Eficiencia
Arranque suave
Arranques suaves pueden alcanzar hasta 99.5%… 99.9% de eficiencia. Típicamente menos de 1V es la caída de tensión a través de los SCRs. La eficiencia va a depender del tamaño del arrancador y la tensión trifásica aplicada. Después de que el proceso de arranque es completado, un arrancador suave con contactores de bypass integrado como el SMC-3, SMC-Flex y SMC-50 de Allen Bradley, los SCRs ya no están conmutando y toda la corriente trasiega a través de los contactores de bypass mejorando la eficiencia del equipo. Cuando los arranques suaves están operando a velocidad nominal y adecuadamente cargados son más eficientes que un variador de frecuencia.
Figura 1: Arrancador suave SMC-3 (izquierda), SMC-Flex (central) y SMC-50 (derecha).
El SMC-50 tiene dentro de sus parámetros un ajuste que permite eficiencia en el consumo energético cuando el motor está en una condición de no carga. Este arrancador suave es certificado CE y no necesita un filtro adicional para mitigar armónicos.
Variador de frecuencia
Los variadores de frecuencia tiene una eficiencia típica de 95%....98%. Durante el arranque, en marcha y paro ( a excepción de paro por inercia), componentes activos como los IGBTs están activos. Sin embargo, algunos variadores son más capaces de ajustar el consumo de energía cuando están en marcha. Es recomendable seleccionar el variador basado en las características de la carga y la aplicación para observar un impacto potencial en costos por ahorro energético.
Otra factor es la cantidad de elementos que posee un variador en su rectificador, a mayor pulso, mayor es su eficiencia. Por ejemplo un variador de 6 pulsos 96.5%...97.5% de eficiencia, variador de 18 pulsos 97.5%....98% de eficiencia.
- Emisión y disipación de calor
Arranque suave
En un arrancador suave con bypass integrado, la corriente es transportada a través del contactor cuando alcanza su velocidad nominal, por lo tanto, no hay elementos activos de estado sólido generando más calor.
Figura 2: Estructura de un arrancador suave con contactores de bypass incluidos. Los contactores de bypass internos son típicamente clasificados como AC-1 (nunca trasiegan la corriente de arranque). Cuando son externos al arrancador se recomiendan AC-3.
Variador de frecuencia
Cuando está en marcha, un variador de frecuencia inherentemente produce más calor que un arrancador suave debido a que los componentes activos constantemente están controlando la tensión y frecuencia.
- Motores estrella-delta
Arranque suave
Los arrancadores suaves poseen conexión en línea y estrella-delta. La conexión delta interna ubica los SCRs del arrancador suave en serie con cada devanado del motor, como se muestra en la figura 3, esto significa que el arrancador suave transporte solo corriente de fase y no de línea, por lo tanto, la corriente es reducido un 58% con respecto a la corriente de línea. Esta configuración de cableado permite el uso de un arrancador suave más pequeño. Por ejemplo, un motor de 200 HP conexión en línea utilizaría 251 A, en cambio un motor de 200 HP de seis terminales utilizaría 201 A, que se traducen en reducción de costos y reducción del tamaño del equipo.
Figura 3: Configuración de conexión estrella delta en un arrancador suave con motor de 6 terminales.
Variador de frecuencia
Los variadores son dimensionados para conexión en línea basado en la FLA del motor.
- Capacidades de comunicación para monitoreo y diagnóstico
Ambos equipos de Allen Bradley, tanto los arrancadores suaves como los variadores de frecuencia ofrecen una gran variedad de opciones de control ó protocolos de comunicación, incluyendo Ethernet/IP, Modbus, ControlNet, DeviceNet y PROFIBUS.
- Armónicos, cableado y consideraciones de instalación
Arranque suave
Los armónicos en un arrancador suave son típicamente menos del 10% en modo de arranque y paro. Cuando el motor alcanza la velocidad nominal, los SCRs se comportan como elementos 100% conductivos, virtualmente no hay armónicos. En la condición de bypass casi no hay armónicos generados.
Recorridos largos de distancia con un arrancador suave típicamente no necesitan ninguna consideración especial más que considerar una apropiada selección del calibre de los conductores para compensar la caída de tensión. Los arrancadores suaves de Allen Bradley típicamente cubren distancias de hasta 762 mts basado en la capacitancia del cable que se tuvo en cuenta en el diseño. No es necesario cableado especial, típicamente los arrancadores suaves no requieren mitigación EMC para cumplir requerimientos de armónicos por parte de IEC.
Variador de frecuencia
Largas distancias de cableado desde el variador hasta el motor pueden ocasionar problemas de onda reflejada en la instalación. Es recomendable utilizar reactores de línea para mitigar armónicos que se emitan a la red y causen distorsiones de tensión a otros equipos cercanos. Otros dispositivos que son usados para ayudar a reducir los armónicos son reactores en el bus DC (DC link choke), filtros pasivos, variadores de 12 pulsos con transformador de aislamiento, variadores de 18 pulsos, filtros activos y variadores de frente activo como los Powerflex 755TL que cuentan con un filtro LCL embebido y cumplen con la normativa IEEE.519 con emisión menor a 5%.
- Exactitud en tiempo de arranque y paro
Arranque suave
Los arrancadores suaves cuentan con ajusten programados de arranque y paro. Un algoritmo ajusta la tensión para incrementar el par y la corriente para arrancar el motor. Basado en la fuerza electromotriz trasera del motor, el arrancador suave determina si el motor está a velocidad nominal. Si el arrancador suave detecta que está velocidad nominal antes del tiempo de aranque seleccionado, el arrancador suave aplica tensión plena al motor e indica estado en marcha (running). Si el motor no acelera en un periodo de tiempo establecido, el arrancador suave (SMC-Flex y SMC-50) aplica tensión plena o un porcentaje de tensión (SMC-3) dependiendo de la carga. La excepción es el SMC-50 en arranque lineal y paro lineal, donde un algoritmo especial sin necesidad de usar tacómetro externo permite tiempos de paro y arranque con exactitud mediante ajuste de parámetros adicionales.
Variador de frecuencia
En variadores de frecuencia el control de velocidad es suministrado con precisión incluyendo los tiempos de paro y arranque, dependiendo del variador que es seleccionado, de las capacidades de la carga y sobrecarga del variador.
- Control de velocidad
Arranque suave
Algunos arrancadores suaves ofrecen limitadas capacidades de control a bajas velocidades en el arranque y paro como se muestra en la figura 4.
Figura 4: Rampa programable a bajas velocidades en un arrancador suave SMC-50.
El arrancador suave SMC Flex ofrece dos bajas velocidades fijas (7% y 15%) en macha hacia adelante y dos bajas velocidades fijas (10% y 20%) en reversa. El arrancador SMC-50 ofrece velocidad ajustable entre 1% y 15% tanto en marcha hacia adelante como en reversa sin usar un contactor adicional. El control. El control a baja velocidades es funcional por pocos minutos debido al incremento de temperatura en los SCRs.
Variador de frecuencia
Los variadores de frecuencia ofrecen control de velocidad ajustable y continuo desde el arranque hasta el paro debido a la habilidad de ajustar la frecuencia. A pesar que tanto el variador como el arrancador suave pueden correr a bajas velocidades, la duración de cada uno es dependiente del motor y de la carga. El calor generado en un motor a bajas velocidades va a depender del tiempo. La operación continua del variador por debajo de 5 Hz requerirá de algún grado de sobredimensionamiento.
- Par nominal a velocidad 0 (bajas velocidades)
Arranque suave
Los arrancadores suaves operan a una frecuencia fija, el par nominal solo está disponible a tensión plena. El par inicial es programable, la tensión asociada para el ajuste del par es el punto de inicio de la rampa de arranque. Par nominal no está disponible a bajas velocidades.
Variador de frecuencia
En aplicaciones con variador de frecuencia, 100% del par está disponible hasta la frecuencia de línea a velocidad nominal. Por arriba de la velocidad nominal, la potencia es 100% y el par decrece. Mantener el par es una ventaja que los variadores proveen en aplicaciones como bandas transportadoras inclinadas, ya que sostiene la carga con la banda para que no se mueva hacia atrás cuando se detenga por peso y la inercia de la carga. Un arrancador suave necesitaría usar un freno mecánico para lograr la misma función.
- Tamaño físico
La figura 5 muestra una diferencia relativa de tamaños entre un arrancador suave y un variador de frecuencia, donde el arrancador suave es más pequeño que el variador. Grandes potencias en variadores de frecuencia deben ser auto soportados en un gabinete similar a un centro de control de motores.
Figura 5: Comparación de tamaños en arrancador suave, arrancador directo NEMA y variador de frecuencia en 480 V trifásico.
- Mantenimiento
Arranque suave
En un arranque suave se requiere un mínimo mantenimiento, más que mantener limpios los ventiladores y fuera de algún objeto o partícula que limite la disipación de calor.
Variador de frecuencia
Dependiendo del variador de frecuencia, se requiere de un mantenimiento anual o incluso menos, algunas partes deben ser inspeccionadas, limpiadas o reemplazadas. Por ejemplo, un variador con una operación de 24 horas al día en 3 años se debería reemplazar los siguientes componentes (si aplica):
- Ventiladores de disipadores de potencia
- Ventiladores internos de control
- Coolant
- Capacitores del bus rectificador e inversor
- Fuentes de alimentación AC/DC y DC/DC
- Baterías de UPS
Para mayor detalle verificar publicación Guía de mantenimiento preventivo en variadores Powerflex.
En resumen, conociendo la aplicación, restricciones de tamaño y presupuesto será mejor la selección del equipo adecuado.
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Característica |
Arrancador suave |
Variador de frecuencia |
|
Tensión reducida, corriente y par durante el arranque |
Sí |
Sí |
|
Capacidades bajas velocidades |
Limitado |
Sí |
|
Conexión Estrella-Delta |
Sí |
No |
|
Aplicación requiere de tiempos precisos de arranque y paro |
Limitado |
Sí |
|
Tamaño del equipo |
Más pequeño |
Más grande |
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Costo inicial |
Menor |
Mayor |
|
Par pleno a velocidad 0 |
No |
Sí |
Para mayor soporte contactar a mercadeo@elvatron.com
Ing. David Vindas Navarro.| Especialista de producto Elvatron S.A. | Control inteligente de motores.
Bibliografía
[1] Rockwell Automation (s.f). When to use a Soft Starter or an AC Variable Frequency Drive, disponible en; https://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/wp/150-wp007_-en-p.pdf
