Control y regulación de la velocidad en motores asincrónicos trifásicos /2002

Imprimir  

Control y regulación de la velocidad en motores asincrónicos trifásicos
Redacción SicaNews [ newsletter@sicaelec.com ]

Control y regulación de la velocidad en motores asincrónicos trifásicos

Resumen: 


En este artículo se describen los métodos tradicionales y modernos para el control y regulación de la velocidad de estos motores que se usan a diario en múltiples aplicaciones comerciales e industriales. 

Desarrollo:

Introducción 

Una gran parte de los equipos utilizados en la industria moderna funcionan a velocidades variables, como por ejemplo los trenes laminadores, los mecanismos de elevación, las máquinas-herramientas, etcétera. En los mismos se requiere un control preciso de la velocidad para lograr una adecuada productividad, una buena terminación del producto elaborado, o garantizar la seguridad de personas y bienes.

Los principales factores a considerar para el diseño de un sistema de regulación de velocidad son:

a) Límites o gama de regulación.
b) Progresividad o flexibilidad de regulación.
c) Rentabilidad económica.
d) Estabilidad de funcionamiento a una velocidad dada.
e) Sentido de la regulación (aumento o disminución con respecto a la velocidad nominal).
f) Carga admisible a las diferentes velocidades.
g) Tipo de carga (par constante, potencia constante, etcétera).
h) Condiciones de arranque y frenado.

El estudio de este fenómeno para cada caso particular tiene una gran importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los motores y variadores a instalar para un servicio determinado, requieren el conocimiento de las particularidades de éste proceso.

La regulación de velocidad puede realizarse por métodos mecánicos, como poleas o engranajes, o por métodos eléctricos. 
En este trabajo sólo nos dedicaremos a los métodos eléctricos aplicados en sistemas alimentados de una red de corriente alterna trifásica.

En principio digamos que la regulación a voluntad de la velocidad de los motores eléctricos es un régimen transitorio en el que se modifica la velocidad angular del conjunto motor-máquina accionada como consecuencia de una acción de mando determinada. Dicho conjunto es inercial y disipativo, incluyendo en este último concepto a las cargas útiles, pues consumen energía.

Recordemos que el comportamiento dinámico del conjunto motor-maquina accionada está regido por la siguiente ecuación diferencial:

Tm - Tr = J . dO / dt

Donde Tm es el par motor, Tr el par resistente, J es el momento de inercia del conjunto motor-maquina accionada y O es la velocidad angular de dicho conjunto.

Por lo tanto, para que el conjunto modifique su velocidad angular se necesita variar el par motor para que sea distinto del par resistente, de manera de generar una aceleración angular. El proceso finaliza cuando se equilibra el par motor con el par resistente, estabilizándose la velocidad de giro del motor.

Como la cupla es el producto de la corriente por el flujo, además de un factor que caracteriza al tipo de máquina, esta variación del par motor generalmente está asociada a una variación de la corriente absorbida, la que no debe superar determinado límite por el calentamiento de los conductores involucrados.

En este estudio no deben dejarse de lado otros aspectos que también resultan importantes, como por ejemplo el consumo de energía disipada en forma de calor y las perturbaciones sobre la red de baja tensión.

Estas perturbaciones incluyen principalmente a los transitorios de conmutación, la generación de armónicas y las caídas de tensión (muy notables en los elementos de iluminación), que pueden afectar el funcionamiento de otros elementos conectados a la misma, lo que resulta crítico en las instalaciones con muchos motores que realizan frecuentes cambios de velocidad.

Para finalizar esta introducción digamos que los dispositivos de variación de velocidad pueden ser de operación manual (regulación manual) o por un dispositivo automático especial (regulación automática).

Aplicación a los motores asincrónicos trifásicos

Los motores asincrónicos son máquinas de velocidad esencialmente constante. Recordemos que la expresión que nos da el valor de la velocidad de un motor asincrónico en RPM es:

N = (1 - s) Ns = (1 - s) 60 f / p

Donde s representa el resbalamiento, Ns las RPM sincrónicas, f la frecuencia y p el número de pares de polos. 
En consecuencia, para regular la velocidad se puede operar sobre los distintos componentes de la ecuación dada.

A - Cambio de frecuencia 

La preferencia actual por la regulación a frecuencia variable se debe a la posibilidad de utilizar el sencillo y robusto motor de jaula de ardilla; cuyo mantenimiento es mucho mas fácil que el de un motor de contactos deslizantes, lo que resulta muy importante en máquinas que operan bajo condiciones ambientales difíciles. Además este tipo de motor eléctrico resulta más económico y compacto que los restantes.
Asimismo, este método permite transformar fácilmente un equipo de velocidad fija en un accionamiento de velocidad variable, sin realizar grandes modificaciones.

Con este tipo de regulación se puede obtener un amplio control de velocidades, con el máximo par disponible en todas las frecuencias con un elevado rendimiento. Si se prolonga la característica al cuadrante generador se puede obtener un frenado muy eficiente por reducción de frecuencia, con una recuperación de energía hacia la red de alimentación.

Si bién pueden utilizarse distintos tipos de convertidores de frecuencia rotativos (semejantes al sistema Ward-Leonard), en la actualidad la modificación de la frecuencia se realiza fundamentalmente por medio de variadores estáticos electrónicos que ofrecen una regulación suave, permitiendo un aumento en la vida útil de todas las partes involucradas y originando un ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran des­gastes.

Los mismos se construyen generalmente con tiristores gobernados por un microprocesador que utiliza un algoritmo de control vectorial del flujo, y consisten básicamente en un convertidor estático alterna-alterna (cicloconvertidor) ó alterna-continua-alterna (convertidor de enlace), que permiten la modificación progresiva de la frecuencia aplicada, con la consiguiente modificación de la corriente y el par motor. En algunos casos se agregan filtros de armónicas.

En el cicloconvertidor se sintetiza una onda de menor frecuencia a partir de una alimentación polifásica de mayor frecuencia, conectando sucesivamente los terminales del motor a las distintas fases de la alimentación. La onda sintetizada generada es rica en armónicos y en algunos casos el circuito puede generar subarmónicos que podrían llegar a producir problemas si excitasen alguna resonancia mecánica del sistema. 

Por otro lado, el cicloconvertidor ofrece una transformación simple de energía de buen rendimiento, permite la inversión del flujo de potencia para la regeneración y la transmisión de la corriente reactiva; proporcionando una gama de frecuencias de trabajo que va desde valores cercanos a cero hasta casi la mitad de la frecuencia de alimentación, con fácil inversión de fase para invertir el sentido de rotación.
En ciertos casos este tipo de convertidor se emplea en motores asincrónicos de rotor bobinado con alimentación doble, estando el estator conectado a la red y el rotor al convertidor.

En el convertidor de enlace la alimentación de la red de corriente alterna se rectifica en forma controlada y luego alternativamente se conmutan las fases del motor al positivo y al negativo de la onda rectificada, de manera de crear una onda de alterna de otra frecuencia. 
La tensión y frecuencia de salida se controlan por la duración relativa de las conexiones con las distintas polaridades (modulación del ancho de pulso) de manera de conservar constante el cociente tensión / frecuencia para mantener el valor del flujo magnético en el motor. 

Aunque la onda de tensión obtenida no es sinusoidal, la onda de corriente tiende a serlo por efecto de las inductancias presentes. Además, de este modo se obtiene una amplia gama de frecuencias por encima y por debajo de la correspondiente al suministro, pero exige dispositivos adicionales c.c./c.a. para asegurar el flujo de potencia recuperada.

Hay que considerar que las corrientes poliarmónicas generan un calentamiento adicional que disminuye el rendimiento y puede llegar a reducir el par (por ejemplo, el 5º armónico produce un campo giratorio inverso). 

También cabe acotar que la vibración de los motores aumenta cuando se los alimentan con conversores electrónicos de frecuencia y que la componente de alta frecuencia de la tensión de modo común de los conversores de frecuencia puede causar un acoplamiento con la tierra a través de la capacidad que se forma en los rodamientos, donde las pistas actúan como armaduras y la capa de grasa como dieléctrico.

Asimismo digamos que los variadores de velocidad generalmente también sirven para arrancar o detener progresivamente el motor, evitando por ejemplo, los dañinos golpes de ariete que pueden aparecer en las cañerías durante la parada de las bombas.

Estos convertidores poseen protecciones contra asimetría, falla de tiristores, sobretemperatura y sobrecarga; además de vigilancia del tiempo de arranque con limitación de la corriente, control de servicio con inversión de marcha, optimización del factor de potencia a carga parcial, maximización del ahorro de energía durante el proceso.

B - Cambio del número de polos

Si el motor estuviera provisto de dos arrollamientos de estator con diferente número de polos, y si el rotor fuera preferentemente del tipo jaula de ardilla (para no tener que realizar ningún tipo de conexiones en el secundario), fácilmente se podrían obtener dos velocidades de sincronismo.

También, con un solo arrollamiento provisto de conexiones especiales pueden obtenerse dos diferentes números de polos, o incluso tres, mediante una simple reconexión. 
En todos los casos no se logra una regulación progresiva, sinó escalonada, y además sólo pueden obtenerse velocidades menores que la de sincronismo, con una gama de regulación que dificilmente supere la relación 8:1, pues con mayores relaciones resultarían motores muy voluminosos. Las conmutaciones habitualmente se implementan mediante circuitos de contactores que pueden incluir también la inversión del sentido de giro.

Veamos como se realiza todo esto. En los motores con conmutación del número de polos, el arrollamiento de cada fase está constituido generalmente por dos partes idénticas conectadas en serie, en una de las cuales se hace variar el sentido de la corriente por conmutación de estas partes en paralelo. Esta conmutación modifica la distribución de las fuerzas magnetomotrices, disminuyendo el número de polos a la mitad y por consiguiente duplicando la velocidad de sincronismo del motor (conexión Dahlander) a potencia constante o a par constante.

La conexión de los arrollamientos se efectúa por conmutación del arrollamiento estatórico de estrella simple a doble estrella (dos estrellas en paralelo), o por conmutación de dicho arrollamiento de triángulo a doble estrella.
Se puede demostrar que la conmutación del arrollamiento estatórico de estrella a doble estrella conduce a una regulación de velocidad a par constante, mientras que la conmutación del arrollamiento estatórico de triángulo a doble estrella conduce a una regulación de velocidad a potencia constante.

También se emplean motores de tres velocidades, con un arrollamiento independiente complementario no conmutado, así como motores de cuatro velocidades, en cuyo estator se instalan dos devanados independientes con diferentes números de polos; cada uno subdividido como en el caso de dos velocidades.

Los motores provistos de arrollamientos con diferente número de polos tienen su principal utilidad en aquellos casos en los que la velocidad no tiene que regularse de forma progresiva, como es el caso de máquinas-herramientas como tornos, fresas, taladradoras, y en general todas las que trabajan por arranque de virutas.

C - Cambio del resbalamiento

El resbalamiento s varía con la carga, pero la variación de la carga no proporciona un método práctico de control de la velocidad. Sin embargo, es posible cambiar la característica par/velocidad de varias maneras, de modo que para cada par de carga se necesita un valor de s distinto. 
Estos métodos proporcionan una mala utilización de la potencia y capacidad del motor, pero el control suele ser sencillo y justificable en algunas aplicaciones.

En el caso de variación de la tensión se pueden utilizar tiristores conectados en serie con el estator para interrumpir el paso de la corriente durante una fracción del período (control de fase) o en algunos períodos completos (encendido alternado), reduciéndose así la tensión media aplicada. 
El control de fase produce armónicos de orden elevado, mientras que el encendido intermitente puede generar subarmónicos que podrían entrar en resonacia con el sistema mecánico.

En el caso de variación de la resistencia rotórica se aprovecha la propiedad de los motores asincrónicos de modificar la velocidad a la que se produce la máxima cupla variando la resistencia del circuito rotórico. En este método, por medios manuales o automáticos, en forma continua o escalonada, se va modificando la resistencia rotórica mediante un reóstato conectado a los anillos rozantes del motor de rotor bobinado. 

La regulación permite disminuir la velocidad nominal y la utilización óptima del motor se produce en caso de regulación a par constante. La gama de regulación no es constante y resulta muy sensible a las variaciones de la carga. Asimismo, el inconveniente de este sistema de variación está en las grandes pérdidas de energía.

La modificación de la resistencia rotórica puede verse como un caso especial de inyección de una tensión al rotor, pues se crea un caida de tensión en la resistencia agregada externamente. 
Si se sustituye la resistencia por un elemento activo, la energía no se desperdicia y se pueden alcanzar velocidades supersincrónicas y corregir el factor de potencia. De esta manera, inyectando una tensión secundaria de frecuencia de resbalamiento y con un ángulo de fase determinado se puede variar el resbalamiento resultante e introducir una componente reactiva adecuada.

Un método para lograr esto consiste en acoplar mecánicamente un segundo motor asincrónico y alimentarlo de los anillos rozantes del primero (control en cascada), otro es utilizar un convertidor de frecuencia de colector y un tercero es emplear un motor polifásico de inducción a colector con rotor alimentado (motor Schräge). Dado que estos métodos en la actualidad sólo tienen un interés meramente académico no serán desarrollados.

D - Regulación por impulsos

La regulación por impulsos de la velocidad generalmente se aplica en motores de pequeña potencia, y básicamente consiste en provocar variaciones periódicas y de corta duración de los parámetros del motor, de tal manera y a una frecuencia tal, que la velocidad requerida se obtiene como una velocidad promedio de las aceleraciones y desaceleraciones producidas durante el ciclo completo de variación de los parámetros. Estas variaciones pueden realizarse mediante contactores o tiristores que conectan y desconectan la alimentación de los distintos arrollamientos, cortocircuitan alternativamente ciertas impedancias o invierten periódicamente la polaridad del suministro. La exposición de estos métodos tan especiales está mas alla de los alcances de este artículo.


Finalmente digamos que muchas veces el criterio de selección entre el uso de los distintos sistemas de regulación de velocidad pasa fundamentalmente por una consideración de tipo económico.

 

 




Redacción SicaNews [ newsletter@sicaelec.com ]



  



 

 

© Copyright 1999-2010 Paginadigital®. - Hecho el depósito que marca la Ley 11723 - Derechos reservados  




|Pon a paginadigital en tu sitio | Sugiere esta página a un amigo | Responsabilidad |
info@paginadigital.com.ar
   |  Ayuda |

Web diseñado y producido por paginadigital®, Copyright 1999 - 2011, todos los derechos reservados. Los nombres e íconos de: paginadigital, Kids, art, pinturas, grabados, dibujos, objetos. Todos los derechos reservados. Hecho el depósito que marca la Ley 11723 - Derechos reservados | Términos y condiciones

| Home | Cursos y talleres | Servicios de Internet |Agenda de Ferias y Exposiciones | Exposiciones de arte y galerías | Becas, maestrias y posgrados | Programación de teatro, cartelera | Centros culturales | Concursos de pintura, literatura, arte, video, television, tv, teatro, casting | | Conferencias, seminarios, jornadas | cartelera de cine, tv, fotografía | Música, recitales, bandas, música clásica | Libreria, venta de textos y libros | Museos | Coros, operas, conciertos | Noticias, notas y artículos | Música de tango, cena show | Textos, poesía, prosa, cuentos, poemas | Solidaridad | Tarot, astrología | Mapa del sitio | Foro | Not | Cart | Salas | Tel | Taller | Taller literario | Enlaces útiles