INDICE
Introducción ............................................................................... 3
Frenado por recuperación de energía ....................................... 5
Frenado por contracorriente ...................................................... 8
Frenado por inyección de corriente continua ............................ 12
Frenado monofásico ................................................................. 15
Bibliografía ............................................................................... 16
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Introducción Entendemos que una máquina eléctrica funciona como freno cuando ejerce un par de frenado; es decir, de sentido contrario a su velocidad. Dependiendo de cómo sea el par de la carga, se tiene que el comportamiento del sistema máquina eléctrica-carga cuando la primera actúa como freno es así:
Si la carga deja de actuar como tal y pasa a ejercer un par motor, el sistema buscará un punto de funcionamiento en el que se equilibre este par con el de frenado de la máquina eléctrica y la velocidad alcanzará un valor constante.
Ejemplo: Esto es lo que sucede cuando un vehículo eléctrico desciende una pendiente. Mientras subía la pendiente la máquina eléctrica ejercía un par motor que tenía que vencer al par resistente debido al peso y a los rozamientos. Cuando el vehículo desciende la pendiente el par debido al peso pasa a ser un par motor y la máquina eléctrica se conecta de modo que ejerza un par de frenado que impida que la velocidad aumente excesivamente.
Si la carga sigue actuando como tal, se suman los pares de frenado de la carga y de la máquina eléctrica provocando la disminución de la velocidad, que incluso puede llegar hasta la detención del sistema máquina eléctrica-carga.
Ejemplo: Esto es lo que sucede cuando un vehículo eléctrico circula en un trayecto plano. La máquina actúa, en principio, como motor y los rozamientos del vehículo constituyen la carga mecánica. Si ahora se desea frenar el vehículo, se conecta la máquina eléctrica como freno para que el vehículo disminuya su velocidad merced al efecto conjunto del par de frenado de la máquina eléctrica más el par de carga de los rozamientos.
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Existen varios procedimientos para que una máquina asíncrona pase a actuar como freno, y estos procedimientos son los siguientes:
1. Frenado por recuperación de energía (frenado regenerativo) 2. Frenado por contracorriente 3. Frenado por inyección de corriente continua 4. Frenado monofásico
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Frenado por recuperación de energía (frenado regenerativo) Si la maquina accionada por el motor da un par mecánico al motor en vez de recibirlo, el motor sobrepasa la velocidad de sincronismo y pasa a funcionamiento en generador actuando como freno. Este proceso solo se da en hipersincronismo, por lo que solo es posible para:
s<0
Al hacer funcionar la máquina de inducción como generador, se ejercerá un par de sentido contrario a la velocidad, tal y como se puede observar en la siguiente figura:
Figura1-Curva par-velocidad de un motor asíncrono
Para ello hay que conseguir que la velocidad de la máquina sea superior a su velocidad de sincronismo, bien aumentando la primera o bien disminuyendo la segunda.
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Un ejemplo de esto es el vehículo que sube y baja una pendiente. Mientras sube, la máquina asíncrona actúa de motor y la velocidad es ligeramente inferior a la de sincronismo. Cuando baja, el vehículo aumenta su velocidad debido a la acción motora de la máquina de inducción y de su peso hasta que supera la velocidad de sincronismo. A partir de este momento, la máquina asíncrona comienza a girar con una velocidad superior a la de sincronismo y empieza a actuar de freno (de generador) alcanzándose el equilibrio cuando el par de frenado de la máquina iguale al debido al peso. De esta manera la máquina asíncrona
“retiene” el
vehículo impidiendo que alcance
velocidades excesivas. La velocidad final será pues ligeramente superior a la de sincronismo.
Como se aprecia en este ejemplo, una máquina de inducción pasa automáticamente a funcionar como freno regenerativo si el sistema se acelera y su velocidad sobrepasa a la de sincronismo.
Si la máquina de inducción está alimentada mediante un variador de frecuencias se la puede hacer actuar como generador sin que aumente su velocidad. Para ello hay que reducir la frecuencia f1 de forma que la velocidad de sincronismo sea inferior a la de giro del rotor. De esta manera, disminuyendo gradualmente el valor de la frecuencia hasta valores muy bajos se puede ir reduciendo la velocidad hasta casi provocar la parada de la máquina. En la siguiente figura se puede observar la característica del frenado por recuperacion a frecuencia normal (50Hz), a frecuencias menores (45 y 40Hz) y con resistencias adicionales en el motor.
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Figura2-Característica del frenado por recuperación
La inserción de resistencias adicionales (R ad) en el circuito sirve para regular el par de frenado al valor deseado.
En este frenado la máquina actúa como generador por lo que se puede recuperar la energía de frenado (menos la disipada en las pérdidas de la máquina) convirtiéndola en energía eléctrica que se devuelve a la red por el estator de la máquina asíncrona.
Dada su naturaleza de recuperación energética, su empleo esta muy indicado en los frenados largos (vehículos descendiendo una rampa, descensos de carga de gran longitud…)
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Frenado por contracorriente
Para frenar por contracorriente se desconecta el motor de la red y después de permutar dos terminales del estator y de disponer en el rotor la resistencia adicional adecuada, se volverá a conectar el motor de nuevo. Con esto conseguimos invertir el sentido de giro del campo magnético con respecto al de giro del rotor, por lo que la máquina empieza a funcionar con un deslizamiento superior a 1 y a ejercer un par de frenado.
De este modo el motor y su maquina accionada van decelerando hasta que se llega a la velocidad nula, y el motor iniciara su arranque en sentido contrario. Tendremos que disponer de los dispositivos adecuados para evitar que esto último suceda.
Con la resistencia adicional del rotor, obtendremos la característica de frenado adecuada y se limitaran las corrientes del motor, ya que en este tipo de funcionamiento la máquina tiene unas corrientes muy elevadas (superiores a las de arranque) y se calienta mucho, lo que puede provocar su deterioro. Por este motivo, no se debe emplear más que en casos excepcionales o en motores especialmente diseñados. A veces se utilizan sistemas similares a los de arranque (disminuir la tensión del estator, añadir resistencias en serie con el rotor) para reducir las corrientes durante este tipo de frenado.
En el caso de motores trifásicos la inversión del sentido de giro del campo magnético se consigue permutando la conexión de dos de las fases del estator.
En la siguiente figura se muestra un ejemplo de este tipo de frenado cuando el par resistente M r es debido a un rozamiento seco. Este es un par resistente constante, pero siempre de sentido contrario a la velocidad.
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Figura3 –Frenado por contracorriente
Cuando la máquina asíncrona tiene su campo magnético girando en sentido positivo (con velocidad n1 ) ejerce el par dado por la curva (1) de la figura anterior. En estas condiciones, cuando la máquina gira con una velocidad n el deslizamiento
s
viene dado por:
Si se invierte el sentido de giro del campo giratorio, la velocidad de sincronismo pasa a ser -n1 con lo que a la velocidad
n
el deslizamiento s ’ ahora
pasa a ser:
Teniendo esto en cuenta, y que ahora la máquina actuará como motor (con el deslizamiento
s’
tomando valores entre 0 y 1) cuando su par sea
negativo (del mismo sentido que la velocidad de sincronismo), se deduce que la máquina asíncrona a pasado a funcionar con la curva (2).
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En el ejemplo de la figura anterior el sistema inicialmente se encontraba en el punto
A
actuando la máquina asíncrona como motor venciendo el par
resistente. Ahora queremos frenar rápidamente el sistema, con lo que invertiremos las conexiones de las fases del primario para conseguir el cambio de sentido de giro del campo giratorio.
Esta inversión se puede realizar muy rápidamente, de forma que cuando ya se ha producido la inversión, la velocidad del rotor aún no le ha dado tiempo a cambiar debido a la inercia mecánica del conjunto máquina-carga.
Esto hace que la curva de la máquina pase de ser la (1) a ser la (2) y el motor en el instante de la inversión pase a estar actuando como freno a contracorriente en el punto
B.
El sistema se ve sometido a un par de frenado total que es la suma de la máquina asíncrona y el par resistente Mr de la carga, esto provoca que la velocidad vaya disminuyendo rápidamente hasta que la máquina se sitúa en el punto
C
cuando la velocidad se ha anulado, en este mismo instante se debe
desconectar la alimentación del estator de la máquina asíncrona. De no hacerse así, la máquina volvería a actuar como motor, pero girando en sentido negativo, y acabaría por funcionar en el punto estable D.
En el momento de la inversión, cuando la máquina aún no ha modificado su velocidad y pasa del punto A al B en la figura anterior, se produce un aumento muy grande de la corriente.
En este tipo de frenado aparecerán perdidas energéticas importantes, y la energía cinética del motor junto con su maquina accionada se disipa en forma de calor en los devanados y no es recuperable. En la siguiente figura se puede observar que hay par de frenado para velocidad nula y que coincide con el par de arranque del motor a rotor parado.
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Figura4 .-Curvas de par motor en el frenado a contracorriente
Sin inversión de campo magnético y únicamente con inserción de resistencias rotóricas, se puede usar el motor como freno a contracorriente para el trabajo de descenso. Esto lo podemos ver en la figura anterior.
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Frenado por inyección de corriente continua En este procedimiento de frenado se desconecta el estator de la red alterna y se alimenta con corriente continua. De esta manera en el entrehierro de la máquina aparece un campo magnético fijo que induce f.e.m.s en los conductores del rotor si éste se está moviendo. Las corrientes rotóricas debidas a estas f.e.m.s se combinan con el campo magnético para producir un par que trata de evitar las variaciones de flujo sobre el devanado del rotor. Por lo tanto, este par intenta que el rotor no se mueva (para que los conductores rotóricos no “vean” un campo variable). Aparece, pues, un par de frenado.
Para desconectar el estator de la red de alterna y alimentarlo con corriente continua dispondremos de un rectificador adecuado que se alimenta en bornas de corriente alterna a través de un pequeño transformador, tal y como podemos ver en el siguiente esquema.
Figura5-Esquema para la realización del frenado por corriente continua
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Este método de frenado admite además una regulación muy cómoda del par de frenado. Hay cinco posibilidades de conexión del devanado trifásico del estator del motor para que se pueda alimentar con corriente continua.
La intensidad no se reparte regularmente por las tres fases del motor, pero esto no es muy relevante desde el punto de vista práctico. Ya que en función del tipo de conexión elegido podremos obtener diferentes repartos de la capa de corriente en la periferia del entrehierro. Haremos para cada una de las disposiciones señalada el cálculo de la capa de corriente eficaz de la conexión elegida considerando una distribución senoidal aproximada.
1. Relacionaremos la intensidad continua de frenado I ccf con la intensidad eficaz de corriente alterna Icaf a través de un coeficiente definido a continuación:
K i
I caf I cc f
2. También definiremos el siguiente coeficiente:
K u
U cc f I cc f R1
Siendo: Uccf : Tensión para frenado en corriente continua Iccf : Intensidad total de corriente continua R1: Resistencia óhmica por fase del bobinado
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Figura6-Disposiciones de conexión del bobinado del estator para alimentación por corriente continua de frenado
Para finalizar con este método de frenado, decir que la tensión continua con que se alimenta el estator debe tener un valor pequeño para que no origine corrientes peligrosas.
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Frenado monofásico Para realizar este frenado se desconecta una fase de la red y se inserta en el circuito rotorico una resistencia muy elevada.
El comportamiento de la maquina trifásica con alimentación monofásica se explica por la superposición de deslizamientos trifásicos de rotación inversa entre si. Será necesario acudir al método de las componentes simétricas.
La tensión por fase toma un valor 1/
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respecto al servicio normal. Por
lo tanto, los pares quedan multiplicados por 1/3.
Este método tiene un par nulo a velocidad cero y además los pares que da son bajos.
Figura7-Curvas de par de frenado componentes y curva resultante
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BIBLIOGRAFIA Manual de Accionamientos Eléctricos – TOMO 1 www.wikipedia.org www.unican.es (Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética)
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