Regulación de velocidad de motores asíncronos
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REGULACIÓN DE VELOCIDAD VELOCIDAD POR CAMBIO DE TENSIÓN Y FRECUENCIA Manzano Peralta Luis Felipe
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&l variador de %recuencia regula la %recuencia del volt voltaj aje e apli aplica cado do al moto motor, r, logr logran ando do modi modi%i %ica carr su velocidad. +in em#argo, simultáneamente con el cam#io de %recuencia, de#e variarse el voltaje aplicado al motor para evitar la saturación del %lujo magntico con una elevación de la corriente que da)aría el motor.
RESUMEN: El desarrollo de la Electrónica de Potencia en la permanente búsqueda de nuevos y mejores dispositivos así como el incremento en la velocidad de cálculo de los modernos microcontroladores ha permitido fabricar equipos eficientes para la generación de ondas de corriente alterna con frecuencia y tensión controladas (variadores de velocidad para motor A! que" suministradas al motor hacen de #ste una máquina tan versátil para el control del torque y velocidad" como lo es el motor $% logrando que" en la actualidad se haya reducido el uso de los motores $" sobre todo por su mayor precio y necesidad de mantenimiento causados por las escobillas y conmutador respecto de los motores de inducción asíncronos&
2 CONCEPTOS VELOCIDAD
DE
CONTROL
DE
&l motor a inducción jaula de ardilla es un motor de velocidad %ijada, cu"a velocidad es controlada por el n!mero de polos, " la %recuencia de alimentación a la que está conectado. n peque)o cam#io de velocidad se nota a medida que la carga en el motor cam#ia, como resultado del deslizamiento. La ecuación de la velocidad del motor es f 120 N s /0 p
1 INTRODUCCIÓN
⋅
=
La máquina asíncrona de inducción alimentada con corriente alterna, especialmente la que utiliza un rotor en jaula de ardilla, es el motor elctrico más com!n en todo tipo tipo de aplica aplicacio ciones nes industria industriales les " el que a#arca un margen de potencias potencias ma"or. Pero no #asta conectar un motor a la red para utilizarlo correctamente, sino que e$isten diversos elementos que contri#u"en a garantizar un %uncionamiento seguro.
−
* 1 velo veloci cida dad d del del motor motor en revo revolu luci cion ones es por por minuto % 1 %recuencia de alimentación del motor en 2z p 1 n!mero de polos en el estator s 1 deslizamiento del motor en revoluciones por minuto 3e esta ecuación, se desprende que la velocidad de un motor a inducción puede ser controlada en tres maneras-
La %ase de arranque merece una especial atención. &l par de#e ser el necesario para mover la carga con una aceler aceleraci ación ón adecua adecuada da 'asta 'asta que se alcanz alcanza a la velocidad velocidad de %uncionamien %uncionamiento to en rgimen rgimen permanente, permanente, procurando que no aparezcan pro#lemas elctricos o mecá mecáni nico coss capa capace cess de perj perjud udic icar ar al moto motor, r, a la instal instalaci ación ón elctri elctrica ca o a los elementos elementos que 'a" que mover.
a) Cambio e e! "me#o $e %o!o&' &sto &sto requ requie iere re un rotor rotor con con dos dos conj conjun unto toss de #o#inados, " un conjunto de contactos de potencia para permitir la energización de cada #o#inado. *ote *ote que que la velo veloci cida dad d no es cont contin inua uame mente nte varia#le. Por ejemplo, un motor de polos 456 conectado a 78 2z tiene dos velocidades de sincronismos 9888 " :78 rpm0.
&l motor de corriente alterna, a pesar de ser un motor ro#usto, de poco mantenimiento, liviano e ideal para la ma"oría de las aplicaciones industriales, tiene el inconveniente de ser un motor rígido en cuanto a su velocidad. La velocidad del motor asincrónico depende de la %orma constructiva constructiva del motor " de la %recuencia %recuencia de alimentación. (omo la %recuencia de alimentación que entregan las (ompa)ías de electricidad es constante, la veloci velocidad dad de los motores motores asincr asincróni ónicos cos es constan constante, te, salvo que se varíe el n!mero de polos, el res#alamiento o la %recuencia.
b) Cambio e e! (a!o# $e $e&!iamie*o' &sto se puede 'acer mediante el ajuste de la tensión suministrada al motor. &sto causa que la curva par vs velocidad se vuelva menos a#rupta, causando así más deslizamiento a medida que la carga del motor aume aument nta a. &n gene genera ral, l, la redu reducc cció ión n de par par es proporcional al cuadrado de la reducción de velocidad.
&l mtodo más e%iciente de controlar la velocidad de un moto motorr elc elctr tric ico o es por por medio medio de un vari variad ador or electró electrónic nico o de %recue %recuenci ncia. a. *o se requie requieren ren motores motores especiales, son muc'o más e%icientes " tienen precios cada vez más competitivos.
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Regulación de velocidad de motores asíncronos
. desprenden directamente de las propiedades del motor asíncrono. < *o es una verdadera regulación de velocidad, "a que no puede variarse la velocidad en vacío que viene impuesta por la %recuencia. < Para un deslizamiento dado, el par es proporcional al cuadrado de la tensión, &sta proporcionalidad es aplica#le en particular al par má$imo. Reduciendo la tensión se reducen las posi#ilidades del motor. < Las prdidas por &%ecto Aoule en el rotor son proporcionales al deslizamiento. &l tra#ajo con elevado deslizamiento corresponde a un valor mu" #ajo del rendimiento. Para regular la velocidad, cuando se utiliza este principio, se coloca entre la red " el motor un par de tiristores en antiparalelo para cada %ase. +e varía la velocidad del motor actuando so#re el ángulo de paso de corriente de cada periodo.
Para tra#ajar correctamente, este mtodo requiere una carga con una característica de par vs velocidad creciente. (ualquier variación en el momento de la carga causará una variación en la velocidad del motor.
+,) A-.&*e $e !a /#e,.e,ia $e a!ime*a,i0 $e! mo*o#' &ste es el mtodo usado por los variadores de velocidad electrónicos. &sto genera una %amilia completa de curvas par vs ;elocidad, cada una con una velocidad de sincronismo correspondiente a la %recuencia suministrada al motor en cualquier instante. ;er la Figura 4./. &ste es el mejor mtodo de control de velocidad, por las siguientes razones< +e mantiene una alta e%iciencia a travs del rango de velocidades < +e dispone de control varia#le de velocidad continuo. &ste puede ser controlado electrónicamente, mediante, por ejemplo, una se)al de control de 8. &sto convierte al (ontrolador de rotor de Frecuencia ;aria#le ideal para automatización de proceso. <&l momento del motor disponi#le es mantenido, a!n a #ajas velocidades. >sí, es adecuado para el uso con cargas de cualquier característica de par. <+e pueden lograr velocidades ma"ores que la ?velocidad #ase de 78 2z, aunque con el costo de una reducción del par total disponi#le.
&l propio principio de %uncionamiento limita al campo de aplicaciones de este sistema- se reduce la tensión para disminuir el par con el %in de que la velocidad disminu"a. Para que el motor pueda %uncionar a velocidades mu" in%eriores que la del sincronismo, es preciso que el par resistente que opone la carga arrastrada disminu"a tam#in, al tiempo que lo 'ace la velocidad. Bste es el caso de la #om#as " ventiladores curvas (res trazadas en lazo mi$to0. Cncluso cuando es posi#le 'acer la regulación de velocidad de esta %orma, la mediocridad del rendimiento de la máquina a #aja velocidad limita enormemente el empleo de ste mtodo.
CONTROL DE VELOCIDAD CON TENSIÓN Y FRECUENCIA VARIABLES'
CONTROL DE VELOCIDAD CON TENSIÓN VARIABLE Y FRECUENCIA CONSTANTE
La posi#ilidad de regular la velocidad de un motor asíncrono por variación de la %recuencia se deduce de la e$presión2 π F ω 0 40 p Para o#tener una %recuencia regula#le, se utilizan alternadores especiales o convertidores de %recuencia varia#le, que alimentan un motor o grupo de motores asíncronos que se encuentran en las mismas condiciones de %uncionamiento. &n el caso de regulación de la %recuencia, 'a" que intentar o#tener características mecánicas que, en toda ⋅
=
&l procedimiento más %ácil para variar la velocidad del motor asíncrono consiste en alimentar la máquina a %recuencia contante " variar la tensión en sus #ornes. Para un mismo par resistente, cuanto menor es la tensión, el deslizamiento es ma"or " por lo tanto la velocidad en menor. &ste mtodo que se utiliza con motores de jaula de ardilla, presenta tres graves inconvenientes que se
2
⋅
Regulación de velocidad de motores asíncronos
. la gama de regulación, presenten rigidez " un tipo de motor que posea su%iciente capacidad de so#recarga. &sto se puede conseguir 'aciendo marc'ar el motor a %lujo magntico constante. Para un motor asíncrono, se puede admitir apro$imadamente, la proporcionalidad
disminución del par crítico. &sto es lo que con%irma la siguiente e$presión-
M c
90
' ) ƒ 1 *&
f 1
=
Cons tan te
2ω 0
U 2f
⋅
R1 ±
R + ( X + X ) 2
1
1
70
2
2
Para %recuencias elevadas, el valor de , es mu" in%erior al de -.-/ se puede admitir que-
Para conservar del %lujo magntico ", de acuerdo con la e$presión anterior, de#e realizarse la regulación invaria#le
U 1
=
3
2
M c
(+!
=
3·U f 2·ω 0 · X cc
E0
+iendo cc 1/G4. (omo se puede admitir que-
Mostramos una grá%ica en la que se representa las características de un motor asíncrono, en el caso de regulación por variación de la %recuencia " variación proporcional de la tensión. (omo nos indica#a la %ormula anterior
- cc ≈ ƒ 0ο ≈ ƒ /
se tiene que2
M c
≈
U f f 12
=
cons tan te
:0
&n el caso de una gran disminución de la %recuencia, las relaciones anteriores "a no son validas, porque la reactancia de dispersión - cc ) - . -1 /
Resulta compara#le, en magnitud, a la resistencia del estator ,, e incluso, in%erior a esta !ltima. La in%luencia de la caída de tensión en el estator tiene más importancia, lo que provoca una disminución del valor del par crítico. Para mantener la capacidad de so#recarga del motor, es desea#le que, para %recuencias peque)as, la tensión disminu"a menos que la %recuencia. n pro#lema de variar la %recuencia de la tensión es que el par motor tam#in disminu"e, con lo que esta no la podremos variar o disminuir tanto como queremos " depende en gran medida de la carga que tengamos conectada al eje del motor, "a que nos podemos encontrar situaciones en las que el motor se pare e incluso no nos llegue a arrancar, como se puede ver en la siguiente grá%ica.
D como estaríamos más acostum#rados a ver esta representación, par %rente a velocidad o deslizamiento-
(on este sistema de regulación, la rigidez de las características mecánicas es relativamente elevada. &l valor del par crítico en la zona de las %recuencias elevadas, permanece prácticamente invaria#le. &sta condición no se cumple para las %recuencias menores, a consecuencia del crecimiento relativo de la caída de tensión en el estator que provoca una nota#le
3 PAR VELOCIDAD
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Regulación de velocidad de motores asíncronos
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4 CICLOCONVERTIDORES
> medida que el rotor incrementa la velocidad, la di%erencia de velocidad entre el campo del estator " las #arras del rotor se 'ace menor. &sto reduce la %uerza del campo inducido en el rotor, reduciendo así el par del rotor. (uando el rotor alcanza la velocidad del campo del estator, no 'a" campo inducido en el rotor, " el par generado es cero. &sto es llamado la velocidad de sincronismo del rotor. ;er la Figura /.6 para una ta#la de velocidades de sincronismos vs n!mero de polos del estator. &sta lista es para una alimentación de 78 2z. *ote que los valores de potencia de un motor son proporcionales al producto de su par " velocidad nominales P 1 H $ I 0. >sí, un motor de = polos %unciona a la mitad de velocidad pero al do#le del par nominal de un motor de dos polos del mismo valor de potencia.
(ada %ase de la carga está colocada a la salida de dos recti%icadores montados en antiparalelo, por lo que será alimentada por una u otra de las tensiones recti%icadas que suministran. n recti%icador que utiliza !nicamente tiristores da una tensión de salida u de la que se puede variar su valor c
medio entre U c " −U c actuando so#re el retardo del ce#ado de los semiconductores que lo %orman. Mediante una programación conveniente de los ángulos, se puede %ormar la tensión u con porciones de senoide tales que su valor medio varíe periódicamente seg!n una le" senoidal. max
max
c
5 REFERENCIAS J/K u" +eguier. 2Electrónica de potencia3 , &dición 4,pp. 4:4< 48. /:=. J4K +tep'en A. ('apman, 34áquinas el#ctrica3 , =t'. ed, Mc raI 2ill, pp. /::<44/, 4887.
>daptado porLuis Felipe Manzano Peralta. Facultad de Cngeniería 48/9
> medida que la carga en el rotor aumenta, este se %rena aumenta la velocidad de deslizamiento0. &sto causa que el %lujo del estator corte las #arras del rotor más rápidamente, incrementando así la corriente " el par del rotor. +in em#argo, con la corriente del motor en aumento, la caída de tensión de#ida a la impedancia del #o#inado del estator causará que le campo del estator se de#ilite. >sí, a una carga crítica, llamada par de pull out, el par disponi#le del motor llega a un pico, para luego caer si la velocidad del motor se reduce más.
;er la Figura para una curva típica de par vs velocidad cuando el motor es e$citado con una alimentación de red de tres %ases. (uando el motor es arrancado directo en línea 3DL0, mostrará esta característica de par a medida que el rotor se acelere.
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