Explicación del accionamiento eléctrico: cómo funciona, tipos y por qué es importante

¿Qué es un propulsor eléctrico y cómo funciona?

Un accionamiento eléctrico es un sistema que utiliza energía eléctrica para controlar la velocidad, el par y la dirección de una carga mecánica impulsada por un motor. En su nivel más fundamental, un accionamiento eléctrico consta de tres elementos centrales: una fuente de energía, una unidad de conversión de energía (como un inversor de frecuencia o un controlador de motor) y un motor eléctrico que convierte la energía eléctrica en movimiento mecánico. El sistema de transmisión gobierna cómo se entrega la energía eléctrica al motor, lo que permite un control preciso, eficiente y receptivo sobre la salida, ya sea que esa salida haga girar una cinta transportadora, haga girar el impulsor de una bomba, acelere un vehículo o impulse un brazo robótico.

Lo que distingue a un accionamiento eléctrico moderno de la simple conexión de un motor directamente a una fuente de alimentación es la inteligencia integrada en la unidad de control. Una conexión directa del motor en línea proporciona voltaje y frecuencia completos de inmediato, lo que no le da al motor otra opción que operar a una velocidad fija sin capacidad para modular el torque o adaptarse a las condiciones cambiantes de carga. Un sistema de accionamiento eléctrico inserta un controlador programable entre la fuente de alimentación y el motor, lo que permite un ajuste continuo en tiempo real del voltaje, la corriente y la frecuencia en función de las señales de retroalimentación de los sensores que monitorean la velocidad, la carga, la temperatura y la posición. Esta controlabilidad es la ventaja definitoria de la tecnología de accionamiento eléctrico sobre las alternativas mecánicas de velocidad fija.

Componentes principales de un sistema de propulsión eléctrica

Comprender lo que constituye un sistema de propulsión eléctrica es esencial para cualquiera que especifique, ponga en marcha o mantenga uno. Si bien las arquitecturas específicas varían según la aplicación, la mayoría de los sistemas de propulsión eléctrica comparten un conjunto común de componentes funcionales que trabajan juntos para ofrecer una salida mecánica controlada.

Etapa de fuente de alimentación y rectificador.

En los sistemas de accionamiento eléctrico alimentados por CA, la corriente alterna entrante de la red se convierte primero en corriente continua mediante un circuito rectificador. Esta etapa del bus de CC almacena energía en condensadores y proporciona un voltaje intermedio estable que la etapa inversora del variador puede luego modular en la forma de onda de salida precisa que requiere el motor. La calidad de esta etapa de rectificación afecta directamente a las características de distorsión armónica del variador y a su compatibilidad con la red eléctrica. Los accionamientos eléctricos de alto rendimiento incorporan rectificadores frontales activos que reducen los armónicos inyectados en el suministro y permiten el frenado regenerativo, devolviendo energía a la red cuando el motor desacelera.

Control inversor y PWM

El inversor es el corazón del variador de velocidad. propulsión eléctrica . Toma el voltaje del bus de CC y utiliza un banco de transistores de conmutación, generalmente transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), para reconstruir una salida de CA de frecuencia y voltaje variables mediante una técnica llamada modulación de ancho de pulso (PWM). Al encender y apagar rápidamente los transistores miles de veces por segundo, el variador sintetiza una forma de onda de CA suave y controlable que el motor interpreta como un suministro sinusoidal genuino. Cambiar la frecuencia de salida cambia la velocidad del motor; cambiar el voltaje de salida en proporción a la frecuencia mantiene constante el flujo del motor y la capacidad de torque en todo el rango de velocidad. La frecuencia de conmutación del inversor PWM (normalmente entre 2 kHz y 16 kHz) afecta tanto al ruido audible producido por el motor como a las pérdidas de conmutación en el propio variador.

Procesador de control de motor y bucle de retroalimentación

El microprocesador o DSP (procesador de señal digital) de un variador eléctrico ejecuta el algoritmo de control que traduce un punto de ajuste de velocidad o par en comandos precisos de conmutación del inversor. En unidades de control escalar (V/f) más simples, el procesador mantiene una relación tensión-frecuencia fija y responde relativamente lentamente a los cambios de carga. En unidades de control vectorial o control de par directo (DTC) más sofisticadas, el procesador calcula continuamente la posición instantánea y la magnitud del flujo magnético del motor y los componentes de corriente que producen par, lo que permite una respuesta de menos de un milisegundo a los cambios dinámicos de carga. La retroalimentación al procesador proviene de sensores de corriente dentro del variador y, opcionalmente, de un codificador externo o resolutor montado en el eje del motor para una medición precisa de la posición y la velocidad.

El motor eléctrico

El motor es el dispositivo de salida del sistema de accionamiento eléctrico y convierte la energía eléctrica controlada del accionamiento en rotación mecánica del eje. El tipo de motor más común utilizado con accionamientos eléctricos de velocidad variable es el motor de inducción trifásico (también llamado motor asíncrono), que es robusto, de bajo mantenimiento y está disponible en una enorme gama de potencias nominales y tamaños de bastidor. Los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) se utilizan cada vez más en aplicaciones de accionamiento eléctrico tanto industriales como automotrices, donde las prioridades son alta densidad de potencia, alta eficiencia en un amplio rango de velocidades y tamaño compacto. Los motores de reluctancia conmutada y los motores síncronos de rotor bobinado se utilizan en aplicaciones especializadas de accionamiento eléctrico de alta potencia o en entornos hostiles.

Principales tipos de sistemas de propulsión eléctrica

La tecnología de accionamiento eléctrico abarca varias arquitecturas de sistemas distintas, cada una adaptada a diferentes requisitos de rendimiento, tipos de motores y entornos de aplicación. La siguiente tabla resume los principales tipos de accionamientos eléctricos y sus características clave.

Propulsión eléctrica en vehículos eléctricos: cómo funciona la tracción automotriz

La unidad de propulsión eléctrica en un vehículo eléctrico de batería (BEV) es una de las aplicaciones de tecnología de propulsión eléctrica más críticas para el rendimiento y técnicamente más sofisticadas que existen en la actualidad. Un sistema de propulsión eléctrica para automóviles debe ofrecer un par suave e instantáneo desde el reposo, mantener una alta potencia de salida durante períodos prolongados, funcionar de manera eficiente en un enorme rango de velocidades, sobrevivir a décadas de vibraciones y ciclos de temperatura y ajustarse a limitaciones de embalaje extremadamente estrictas, todo ello simultáneamente.

Cómo funciona una unidad de tracción para vehículos eléctricos

En un vehículo eléctrico con batería, el paquete de baterías de alto voltaje (normalmente 400 V u 800 V) suministra energía de CC al inversor de tracción, que la convierte en CA trifásica a la frecuencia y el voltaje necesarios para producir el par comandado por el conductor. El inversor de tracción utiliza control orientado al campo (FOC) para regular de forma independiente los componentes de corriente que producen flujo y par en el motor, lo que permite una entrega de par precisa incluso a velocidades muy bajas. El eje de salida del motor se conecta a una caja de cambios reductora de una sola velocidad (los motores eléctricos producen un par útil en un rango de velocidades muy amplio, eliminando la necesidad de una transmisión de varias velocidades) y desde allí a las ruedas motrices a través de un diferencial o, en algunas arquitecturas, a través de motores individuales en las ruedas.

Frenado regenerativo en propulsores eléctricos de vehículos eléctricos

Una de las ventajas de eficiencia energética más importantes de los sistemas de propulsión eléctrica en los vehículos es el frenado regenerativo. Cuando el conductor levanta el acelerador o aplica los frenos, la transmisión ordena al motor que funcione como un generador, convirtiendo la energía cinética del vehículo nuevamente en energía eléctrica y devolviéndola a la batería. El inversor funciona en flujo de energía inverso, y el motor produce ahora un par de frenado mientras actúa como fuente eléctrica. En ciclos de conducción urbana con aceleraciones y desaceleraciones frecuentes, el frenado regenerativo puede recuperar entre el 15% y el 25% de la energía total utilizada, ampliando significativamente el alcance en comparación con lo que se lograría solo con el frenado por fricción.

Configuraciones de motor único versus motor dual y tracción total

Los vehículos eléctricos de nivel básico suelen utilizar una única unidad de propulsión eléctrica que acciona el eje delantero o trasero. Las configuraciones de motor dual, con una unidad motriz por eje, brindan capacidad de tracción total y permiten que el sistema de gestión del vehículo controle de forma independiente el par en cada eje para una tracción y dinámica superiores. Algunos vehículos eléctricos de alto rendimiento utilizan tres o incluso cuatro unidades motrices individuales, una por rueda, lo que permite la vectorización del par con un grado de precisión que ningún sistema diferencial mecánico puede igualar. La controlabilidad independiente de cada unidad de propulsión eléctrica es una ventaja fundamental que tienen las transmisiones electrificadas sobre los sistemas mecánicos convencionales.

Aplicaciones de accionamiento eléctrico industrial y ahorro de energía

Los accionamientos eléctricos industriales, principalmente los accionamientos de frecuencia variable que controlan motores de inducción de CA, representan una parte sustancial del consumo mundial de electricidad industrial. Según la Agencia Internacional de Energía, los sistemas de motores eléctricos consumen aproximadamente el 45% de toda la electricidad generada en el mundo, y la mayor parte de ese consumo se produce en entornos industriales. Reemplazar los arrancadores de motor directos en línea de velocidad fija con accionamientos eléctricos de velocidad variable ofrece algunos de los ahorros de energía más rentables disponibles en las operaciones industriales.

Las leyes de afinidad: por qué el control de velocidad ahorra tanta energía

Para cargas centrífugas (bombas, ventiladores, compresores y sopladores), la relación entre la velocidad del motor y el consumo de energía sigue las leyes de afinidad: el consumo de energía es proporcional al cubo de la relación de velocidad. Esto significa que reducir la velocidad del motor de una bomba del 100% al 80% de la velocidad máxima reduce su consumo de energía a aproximadamente el 51% de su valor de velocidad máxima (0,8³ = 0,512). Reducir la velocidad al 60% reduce el consumo a sólo el 22% de la velocidad máxima. En los sistemas de bombeo y HVAC donde la demanda de flujo varía a lo largo del día o del año, reemplazar un motor de velocidad fija por un motor eléctrico de velocidad variable puede reducir el consumo de energía entre un 30 % y un 60 % con períodos de recuperación frecuentemente inferiores a dos años con las tarifas eléctricas industriales típicas.

Arranque suave y estrés mecánico reducido

Más allá del ahorro de energía, los accionamientos eléctricos de velocidad variable protegen tanto el motor como el sistema mecánico accionado al eliminar la alta corriente de entrada y el par de choque asociados con el arranque directo. Cuando un motor se arranca directamente en línea, consume de seis a diez veces su corriente de carga completa durante los primeros segundos y aplica un pico de torque impulsivo al sistema mecánico. Con el tiempo, este choque mecánico repetido fatiga cargas en acoplamientos, cajas de engranajes, cintas transportadoras, juntas de tuberías e impulsores de bombas. Arrancar a través de un accionamiento eléctrico (aumentar la velocidad suavemente sobre una rampa de aceleración programable) reduce la corriente de arranque máxima del 100% al 150% de la corriente de carga completa y elimina el pico de torsión por completo, extendiendo de manera mensurable la vida útil de todo el tren de transmisión.

Especificaciones clave que se deben comprender al seleccionar un accionamiento eléctrico

Ya sea que esté seleccionando un variador de velocidad industrial para una aplicación de bomba o evaluando el sistema de transmisión eléctrica en un vehículo, las siguientes especificaciones son las más importantes para comprender y adaptar a los requisitos de su aplicación.

• Potencia nominal (kW o hp): La potencia nominal de salida continua del variador debe igualar o exceder el requisito de potencia de carga completa del motor que controlará. La mayoría de los variadores también especifican una capacidad de sobrecarga, como el 150 % de la corriente nominal durante 60 segundos, que debe ser suficiente para las demandas de par de aceleración de la aplicación.
• Tensión y frecuencia de entrada: Los variadores están diseñados para rangos de voltaje de entrada específicos (p. ej., monofásico de 200 a 240 V, trifásico de 380 a 480 V, trifásico de 690 V) y frecuencia de entrada (50 Hz o 60 Hz). Es esencial adaptar el variador a la tensión de alimentación disponible; la mayoría de los variadores modernos aceptan una tolerancia de voltaje de ±10% y admiten frecuencias de suministro de 50 Hz y 60 Hz.
• Rango de frecuencia de salida: Para aplicaciones de velocidad variable, el rango de frecuencia de salida del variador determina el rango de velocidad del motor que puede ofrecer. Un VFD industrial típico produce de 0 Hz a 500 Hz o más, lo que proporciona un rango de velocidad mucho más amplio que cualquier sistema mecánico de ajuste de velocidad. La velocidad mínima controlable sin perder la capacidad de torsión es igualmente importante para aplicaciones que requieren un funcionamiento estable a baja velocidad.
• Modo de control (V/f, vector de lazo abierto, vector de lazo cerrado): El control escalar V/f es adecuado para aplicaciones de carga centrífuga simples sin requisitos de velocidad o torque de precisión. El control vectorial de bucle abierto (vectorial sin sensor) proporciona un par mejorado a baja velocidad y una respuesta dinámica sin codificador. El control vectorial de circuito cerrado con retroalimentación del codificador ofrece el mayor rendimiento dinámico y precisión de velocidad, necesarios para aplicaciones de posicionamiento y cargas de alta inercia que requieren una respuesta de par rápida.
• Clasificación de protección ambiental (clasificación IP): La clasificación IP (protección de ingreso) de la carcasa de la unidad especifica su resistencia al ingreso de polvo y agua. Los variadores IP20 son adecuados para paneles de control limpios y secos. Los variadores IP54 o IP55 se utilizan en entornos industriales polvorientos o propensos a salpicaduras. Se requiere IP66 o superior para instalaciones al aire libre o entornos de lavado en procesamiento de alimentos y sectores similares.
• Interfaces de comunicación: Los accionamientos eléctricos modernos admiten una variedad de protocolos de comunicación industrial para la integración con PLC y sistemas de control de supervisión. Las interfaces comunes incluyen Modbus RTU/TCP, PROFIBUS, PROFINET, EtherNet/IP, CANopen y EtherCAT. Seleccionar una unidad con el protocolo correcto para su sistema de automatización evita costosos hardware de puerta de enlace y simplifica la puesta en servicio y el diagnóstico.
• Capacidad de frenado: Las aplicaciones con cargas de alta inercia o ciclos de desaceleración frecuentes, como centrífugas, polipastos, grúas y bancos de pruebas, requieren un variador con un transistor de frenado incorporado y una resistencia de frenado externa para el frenado dinámico (disipando la energía de frenado en forma de calor) o un variador regenerativo frontal activo que devuelve la energía de frenado a la red de suministro para lograr la máxima eficiencia.

Accionamiento eléctrico, accionamiento hidráulico y accionamiento mecánico: una comparación práctica

En muchas aplicaciones de equipos industriales y móviles, los sistemas de accionamiento eléctrico compiten directamente con las alternativas de accionamiento hidráulico y mecánico. Cada tecnología tiene verdaderas fortalezas y debilidades, y la elección correcta depende de las demandas específicas de la aplicación. La siguiente comparación resalta las diferencias prácticas clave.

Instalación y puesta en servicio de un sistema de propulsión eléctrica: qué hacer correctamente

Incluso el mejor sistema de propulsión eléctrica tendrá un rendimiento inferior o fallará prematuramente si se instala o pone en marcha incorrectamente. Los siguientes puntos cubren las consideraciones de instalación y configuración más críticas para accionamientos eléctricos industriales.

Gestión Térmica y Ventilación

Los accionamientos eléctricos generan calor durante el funcionamiento, principalmente a partir de pérdidas de conmutación en los IGBT del inversor y pérdidas de conducción en el circuito de potencia. La mayoría de los variadores están diseñados para funcionar dentro de un rango de temperatura ambiente de 0 °C a 40 °C (32 °F a 104 °F) con corriente nominal máxima. Por encima de los 40 °C de temperatura ambiente, se debe reducir la potencia del variador (operar con una corriente de salida reducida) para mantener las temperaturas de los componentes internos dentro de límites seguros. Asegúrese de que la unidad esté montada en un lugar con circulación de aire adecuada, el espacio libre requerido por encima y por debajo de la unidad para el flujo de aire de refrigeración como se especifica en el manual de instalación del fabricante, y que el panel de control o gabinete tenga suficiente ventilación o refrigeración por aire forzado para la disipación total del calor de todas las unidades instaladas.

Longitud del cable del motor y filtrado EMC

La forma de onda de salida PWM de un variador eléctrico de velocidad variable contiene componentes de voltaje de alta frecuencia que pueden causar problemas en tramos largos de cables hasta el motor. Los efectos de la reflexión de voltaje en cables de motor largos (normalmente definidos como de más de 50 metros para variadores sin reactores de salida) pueden causar voltajes máximos en los terminales del motor significativamente más altos que el voltaje del bus de CC del variador, lo que tensiona el aislamiento del devanado del motor. Para tendidos de cable que excedan el límite establecido por el fabricante del variador sin mitigación, instale un reactor de salida (también llamado inductor de motor) o un filtro dV/dt en la salida del variador. Además, asegúrese de que el cable del motor esté apantallado (blindado) con la pantalla conectada a tierra en los extremos del variador y del motor, y que el cable del motor esté encaminado por separado de los cables de señal y control para minimizar la interferencia electromagnética (EMI).

Configuración de parámetros e identificación del motor

Antes de poner en servicio un variador eléctrico por primera vez, ingrese los datos de la placa de identificación del motor (voltaje nominal, corriente nominal, frecuencia nominal, velocidad nominal y factor de potencia del motor) en el conjunto de parámetros del variador. La mayoría de los variadores modernos incluyen una identificación automatizada del motor o una rutina de ajuste automático que hace funcionar el motor a través de una secuencia de prueba controlada y mide las características eléctricas reales del motor conectado, optimizando los parámetros de control interno del variador para ese motor específico. Se recomienda encarecidamente ejecutar la rutina de ajuste automático antes de poner el sistema en servicio, especialmente para los variadores de control vectorial, ya que mejora significativamente la precisión de la regulación de velocidad y la respuesta dinámica del par en comparación con confiar únicamente en los parámetros estimados del motor a partir de la placa de identificación.

El futuro de la tecnología de propulsión eléctrica

La tecnología de propulsión eléctrica está avanzando rápidamente en múltiples frentes, impulsada por la electrificación del transporte, la creciente automatización en la industria y el impulso global para reducir el consumo de energía y las emisiones de carbono. Varios avances clave están dando forma a la próxima generación de sistemas de propulsión eléctrica.

• Semiconductores de banda prohibida amplia (SiC y GaN): Los transistores de potencia de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) están reemplazando a los IGBT de silicio convencionales en los accionamientos eléctricos de alto rendimiento. Estos dispositivos de banda prohibida ancha conmutan más rápido, funcionan a temperaturas más altas y tienen menores pérdidas de conmutación que el silicio, lo que permite unidades que son más pequeñas, más livianas, más eficientes y capaces de frecuencias de conmutación más altas. Los inversores de SiC son ahora estándar en los sistemas de tracción de vehículos eléctricos de primera calidad y están ingresando rápidamente a los productos de propulsión industrial.
• Unidades de motor integradas: Montar la electrónica del variador directamente sobre o dentro de la carcasa del motor (creando una unidad de variador de motor integrada) elimina el largo recorrido del cable del motor, reduce la EMI, mejora la eficiencia del sistema y simplifica la instalación. Los motores de accionamiento eléctrico integrados están ganando terreno en aplicaciones de bombas y ventiladores, sistemas HVAC y sistemas auxiliares de vehículos eléctricos.
• IA y mantenimiento predictivo: Los accionamientos eléctricos modernos generan un flujo continuo de datos operativos: corriente, voltaje, velocidad, temperatura, vibración e historial de fallas. Los algoritmos de inteligencia artificial y aprendizaje automático aplicados a estos datos pueden detectar cambios sutiles en el comportamiento del motor o de la carga que preceden a las fallas por semanas o meses, lo que permite intervenciones de mantenimiento predictivo que previenen tiempos de inactividad no planificados. Las unidades conectadas a la nube con monitoreo de condición incorporado son cada vez más estándar en las plataformas de automatización industrial.
• Arquitecturas de mayor voltaje en vehículos eléctricos: Los sistemas de propulsión eléctrica de automóviles están pasando de arquitecturas de baterías de 400 V a 800 V, lo que reduce la corriente requerida para un nivel de potencia determinado, lo que permite arneses de cableado más delgados y livianos y permite una carga rápida de CC mucho más rápida. La arquitectura de propulsión eléctrica de 800 V, de la que Porsche y Hyundai/Kia fueron pioneras, se está convirtiendo en el nuevo estándar para los vehículos eléctricos premium de largo alcance y se espera que se generalice en todos los segmentos de vehículos eléctricos en los próximos años.
• Unidades interactivas con la red y de vehículo a red (V2G): Los sistemas de propulsión eléctrica bidireccional capaces de exportar energía desde una batería de vehículo eléctrico a la red eléctrica o al sistema eléctrico de un edificio están pasando de proyectos de demostración a implementación comercial. Los motores eléctricos con capacidad V2G permiten que las baterías de vehículos eléctricos actúen como activos de almacenamiento de energía distribuida, brindando servicios de estabilidad de la red y permitiendo a los propietarios de vehículos eléctricos obtener ingresos vendiendo energía almacenada en los períodos de máxima demanda.