Control V/f, vectorial y DTC en variadores: diferencias

Respuesta corta

El control V/f (escalar) mantiene proporcional la tensión y la frecuencia y no mide el par; es simple y suficiente para bombas y ventiladores. El control vectorial separa la corriente que produce flujo de la que produce par y los regula por separado, con o sin encoder, y ofrece par alto a baja velocidad y respuesta rápida. El control directo de par (DTC) elige directamente el estado del inversor para mantener flujo y par dentro de bandas. La elección depende del par necesario a baja velocidad, la precisión de velocidad y la dinámica de la carga.

Tres formas de controlar el motor desde el variador

Todos los variadores de tensión impuesta generan una salida trifásica con el mismo hardware: rectificador, bus de continua e inversor, como se describe en la guía de cómo funciona un variador de frecuencia. Lo que cambia entre un modo de control y otro es el algoritmo que decide qué tensión y qué frecuencia aplicar en cada instante. Hay tres familias:

Escalar o V/f. Controla módulo de tensión y frecuencia, sin medir el par.
Vectorial. Calcula y regula por separado el flujo y el par del motor.
Control directo de par (DTC). Selecciona el estado de conmutación del inversor para mantener flujo y par dentro de bandas.

Control escalar V/f

El control V/f mantiene constante la relación entre tensión y frecuencia, para conservar el flujo del motor. Se parametriza con pocos datos: tensión y frecuencia nominales, rampa de aceleración y desaceleración, y un refuerzo de tensión a baja frecuencia. No necesita encoder ni un modelo detallado del motor.

Ventajas: simple, robusto, permite operar varios motores en paralelo con un solo variador y no exige identificar el motor.

Límites:

El par a baja velocidad es limitado, porque la caída de tensión en el estator pesa más y el refuerzo es una compensación aproximada.
La velocidad real cambia con la carga, por el deslizamiento, y no se corrige sin ayuda adicional (algunos equipos compensan el deslizamiento de forma aproximada).
La respuesta dinámica es lenta, y el motor puede oscilar en ciertas cargas ligeras.

Aplica bien a bombas, ventiladores y otras cargas de par variable, y a cualquier proceso donde la velocidad exacta no es crítica.

Control vectorial

El control vectorial (también field oriented control, FOC) trata la corriente del estator como un vector y lo descompone en dos componentes, una que produce flujo y otra que produce par. Al regularlas por separado, el motor de inducción se comporta, desde el punto de vista del control, como un motor de corriente continua de excitación independiente: el par responde rápido a la orden.

Hay dos variantes:

Variante	Realimentación	Qué aporta	Qué exige
Vectorial de lazo abierto (sin sensor)	Ninguna física; estima velocidad y flujo con un modelo y las corrientes	Buen par a baja velocidad, mejor regulación que V/f	Buena identificación del motor
Vectorial de lazo cerrado	Encoder o resolver en el eje	Par pleno a velocidad casi nula, precisión de velocidad alta, respuesta rápida	Encoder, tarjeta de realimentación, cableado adecuado

El vectorial exige que el variador conozca el motor: resistencias, inductancias y constantes. Los equipos incluyen una rutina de identificación o autoajuste; su resultado condiciona el desempeño. La potencia del variador y la del motor deben ser compatibles: un variador muy sobredimensionado respecto al motor identifica y controla peor.

Se usa en grúas y elevación, extrusoras, bobinadoras, transportadores con carga variable, bancos de prueba y cualquier proceso que necesite par controlado o velocidad precisa.

Control directo de par (DTC)

El DTC, desarrollado como alternativa al vectorial, no utiliza un modulador PWM con portadora fija. Estima el flujo y el par del motor a partir de las medidas y, en cada intervalo muy corto, elige directamente el estado de conmutación del inversor que lleva flujo y par hacia sus referencias dentro de unas bandas de tolerancia. El resultado es una respuesta de par muy rápida, sin el lazo de corriente intermedio del vectorial.

Entre sus características:

La frecuencia de conmutación no es fija, por lo que el espectro de ruido es distinto al del PWM tradicional.
Funciona con o sin encoder, según el equipo.
Algunos fabricantes lo ofrecen como modo principal de algunas series, y otros lo implementan con otros nombres. La terminología comercial cambia: el manual del equipo manda.

Tabla comparativa

Criterio	V/f	Vectorial sin sensor	Vectorial con encoder	DTC
Par a baja velocidad	Limitado	Bueno	Pleno, incluso a velocidad cero	Bueno a muy bueno
Precisión de velocidad	Depende del deslizamiento	Buena	Muy alta	Buena
Respuesta de par	Lenta	Rápida	Muy rápida	Muy rápida
Necesita identificar el motor	No	Sí	Sí	Sí
Varios motores por variador	Sí	No recomendado	No	No recomendado
Complejidad de puesta en servicio	Baja	Media	Alta	Media

Cómo se elige

Tipo de carga. Par variable (bombas, ventiladores): V/f suele bastar. Par constante o de arranque pesado: vectorial.
Rango de velocidad. Si se trabaja a menos de una décima parte de la velocidad nominal con par, el vectorial es la opción normal. Con par pleno a velocidad cero se requiere lazo cerrado.
Precisión. Si el proceso exige regulación de velocidad estrecha, el vectorial con encoder o un lazo externo.
Número de motores. Varios motores de distinta carga en una salida obligan a V/f.
Tipo de motor. Un motor de imanes permanentes o de reluctancia necesita un algoritmo para ese motor.
Cable largo. En distancias grandes entre variador y motor, un modo de control con estimación puede perder exactitud; se revisa con el fabricante.

Ejemplo ilustrativo

Un transportador cargado debe arrancar con el par nominal del motor y mantener la velocidad dentro de una banda estrecha. Datos ilustrativos, no de una planta real: motor de 55 kW con par nominal de unos 355 N·m a 1.480 rpm (par = 9.550 · 55 / 1.480 ≈ 355 N·m).

Con V/f, el par útil a muy baja frecuencia queda por debajo del nominal y el arranque puede ser débil con la banda cargada.
Con vectorial sin sensor, el variador puede entregar el par nominal cerca de 1 Hz, aunque a velocidad cero el desempeño es menor.
Con vectorial con encoder, el par nominal se entrega hasta velocidad cero, adecuado si la banda debe mantener la carga sin deslizar.

Cómo se verifica el modo elegido

Elegir el modo es solo la mitad del trabajo; la otra mitad es comprobar que el accionamiento se comporta como el proceso necesita. Las pruebas de aceptación suelen cubrir cuatro aspectos:

Arranque con carga. Se confirma que el motor desarrolla el par necesario desde la velocidad mínima sin entrar en límite de corriente ni disparar por sobrecarga. En V/f, el refuerzo de tensión a baja frecuencia es el ajuste que más pesa; en vectorial, la identificación del motor.
Regulación de velocidad. Se compara la velocidad real, medida con un tacómetro o con el encoder, contra la referencia a varias cargas. La diferencia revela el deslizamiento sin compensar en V/f y la calidad de la estimación en vectorial sin sensor.
Respuesta a un cambio de carga o de referencia. En procesos con impactos de carga (trituradoras, prensas), se observa la caída de velocidad y el tiempo de recuperación. Un vectorial con lazo de velocidad bien ajustado recupera más rápido que un V/f.
Funcionamiento a velocidad mínima y a velocidad máxima. Se revisa la temperatura del motor y del variador, el ruido y las vibraciones, especialmente cerca de frecuencias que excitan resonancias mecánicas.

Cuando el variador ofrece varios modos, conviene registrar con cuál se entregó el equipo y con qué parámetros. Un cambio de modo posterior sin repetir la identificación del motor es una causa frecuente de comportamientos distintos entre dos equipos que parecían iguales. Las funciones de protección del motor no dependen del modo de control. Pero su modelo térmico sí usa la corriente medida, de modo que la corriente de placa debe ser correcta en cualquier caso.

Errores frecuentes

Elegir vectorial sin identificar el motor. El variador usa parámetros de fábrica y el control queda por debajo de lo esperado.
Dejar V/f en una aplicación de par alto a baja velocidad y atribuir el problema al motor.
Un encoder mal montado o con cableado sin apantallar. Produce lecturas ruidosas y disparos por falla de realimentación.
Operar varios motores con un modo vectorial. El modelo corresponde a un solo motor.
Cambiar de modo sin repetir las pruebas de funcionamiento. El comportamiento en arranque, frenado y límite de corriente cambia.
No considerar el tiempo de operación a baja velocidad con el motor autoventilado, aunque el modo de control permita par.

Lista de verificación

Tipo de carga y par necesario en el arranque y a la velocidad mínima.
Precisión y estabilidad de velocidad requeridas.
Cantidad y tipo de motores conectados al variador.
Encoder disponible y su cableado apantallado, si se usa lazo cerrado.
Identificación del motor ejecutada y registrada.
Protección térmica del motor coherente con la operación a baja velocidad.
Prueba de arranque con carga, frenado y reversa si aplica.

Cómo le ayudamos

Elegir el modo de control correcto evita sobredimensionar el variador o quedarse corto de par. En Diseño de ingeniería y estudios analizamos la carga y la red para definir el equipo y el esquema de control, y en la puesta en servicio comprobamos el comportamiento con el proceso. Escríbanos por contacto.

Guías relacionadas

Referencias

IEC 61800, sistemas de accionamiento eléctrico de velocidad variable (edición vigente).
Wikipedia, «Variable-frequency drive» (V/f, control vectorial y control directo de par).
Manuales de aplicación y de parámetros de los fabricantes de variadores.

Preguntas frecuentes

¿El control vectorial siempre necesita encoder?

No. Existe el vectorial de lazo abierto o sin sensor, que estima la velocidad y el flujo a partir de las corrientes y tensiones del motor y de un modelo, y el de lazo cerrado, que usa un encoder. El de lazo cerrado da mejor precisión y par a velocidad casi nula; el sin sensor basta en muchas aplicaciones industriales.

¿Puedo usar control V/f con un motor sincrónico de imanes permanentes?

Algunos variadores lo permiten con una configuración específica, pero el desempeño y la estabilidad son limitados. Los motores de imanes permanentes y de reluctancia se manejan normalmente con algoritmos propios para ese tipo de motor. Se confirma en el manual del variador.

¿Por qué el modo vectorial exige la identificación del motor?

Porque el modelo del motor (resistencia, inductancias, constantes de flujo) es la base del cálculo. Sin esos parámetros bien estimados, el variador calcula mal el flujo y el par. Por eso el procedimiento de identificación lo define cada fabricante, con el motor acoplado o desacoplado de la carga, como indique su manual.

¿Cambiar de V/f a vectorial mejora el ahorro de energía en una bomba?

En una bomba centrífuga, el ahorro viene sobre todo de bajar la velocidad, no del modo de control. El vectorial puede mejorar la eficiencia del motor a carga parcial en algunos equipos, pero el efecto es menor que el de la reducción de velocidad.