Introduccin
Los motores elctricos son mquinas elctricas que transforman la
energa elctrica en mecnica por medio de campos electromagnticos
variables. Algunos de los motores elctricos son reversibles, es
decir, pueden transformar la energa mecnica en energa elctrica
funcionando como generadores. En la actualidad los motores
elctricos son sumamente utilizados en las industrias y es
imprescindible tener un control de la velocidad de giro, el sentido
del giro, etc., y en el caso de los generadores, es sumamente
importante mantener un control estricto de la velocidad de giro
para mantener constante el voltaje generado. Las tcnicas utilizadas
para tener un control de los distintos tipos de motores
detallaremos en el siguiente trabajo.Control de velocidad de
motores CA asncronos
Para comprender los principios bsicos de la regulacin de
velocidad de los motores asncronos, recordamos la frmula para la
velocidad mecnica de giro (en rpm) de este tipo de motores:
Y de acuerdo con esta expresin, existen tres procedimientos para
cambiar la velocidad de n, a saber: Variar el nmero de polos de la
mquina Cambiar la frecuencia de alimentacin Modificar el
deslizamiento s.El primer procedimiento no es un sistema de
regulacin de velocidad en el sentido estricto, sino una modificacin
de la velocidad en forma discreta, es decir, a saltos. De este modo
los procedimientos prcticos para regular la velocidad de un motor
asncrono se basan fundamentalmente en el control de la frecuencia y
el deslizamiento. De acuerdo con lo anterior, los accionamientos
elctricos con motores de induccin se clasifican en las tres
categoras principales siguientes:Regulacin de velocidad por control
de la tensin de lnea aplicada al estator
Se puede variar la velocidad de un motor asncrono variando la
tensin aplicada al devanado de su estator. En la siguiente figura
se muestra el esquema correspondiente, que utiliza dos tiristores
por fase colocados en oposicin. Las tensiones que llegan al estator
pueden regularse fcilmente variando el ngulo de encendido de los
tiristores.
El comportamiento de este tipo de accionamiento no es muy bueno
debido a los armnicos que introduce en la red y por el bajo factor
de potencia que se consigue. Las curvas de par-velocidad de estos
motores se parecen a las que tienen los motores con rotor devanado
en los que se haya introducido una resistencia adicional en serie
por medio de los anillos; por ello el par mximo se obtiene para
valores de deslizamientos altos y con deslizamientos a plena carga
bastante elevados, por lo que el rendimiento de estas mquinas es
bastante bajo.
Hay que tener en cuenta que la expresin del par electromagntico
producido por un motor asncrono es de la forma:
Es decir, el par depende del cuadrado de la tensin aplicada al
estator, y es por eso que si las cargas ofrecen un alto par de
arranque existirn problemas de regulacin de velocidad. De todas
formas este sistema puede resultar til para cargas con pares
resistentes tipo ventilador o bombas centrfugas. Las velocidades
n1, n2, n3,... son las diversas velocidades de equilibrio que se
obtienen para las distintas tensiones aplicadas.
Regulacin de velocidad por control de tensin y frecuencia de
lnea (control escalar).
De acuerdo con esta ecuacin, mostrada ya anteriormente: , es
evidente que un mtodo simple de cambiar la velocidad de giro de un
motor asncrono es variando la frecuencia de alimentacin f1 que
llega al estator, pues sta modifica la velocidad de sincronismo del
campo magntico giratorio y por ende la velocidad mecnica de giro,
que es cercana a la de sincronismo en virtud del pequeo valor del
deslizamiento de este tipo de mquinas. Sin embargo, hay que tener
en cuenta que el flujo magntico en el entrehierro es directamente
proporcional a la F.E.M. inducida en cada devanado e inversamente
proporcional a la frecuencia, lo que puede apreciarse perfectamente
en la frmula:
Por consiguiente, una reduccin en la frecuencia de alimentacin
f1 produce un aumento del flujo magntico m. Para evitar la
saturacin del ncleo magntico debido al aumento del flujo, deber
entonces aumentarse proporcionalmente la F.E.M. E1, es decir, hay
que mantener el cociente constante. En este sistema se controla,
por lo tanto, la magnitud del flujo magntico y por ello recibe el
nombre de control escalar
La realizacin prctica de este sistema de control, requiere el
uso de dos convertidores electrnicos; un rectificador controlado y
un inversor de conmutacin forzada. El rectificador controlado
transformar la tensin trifsica de la red en una etapa intermedia de
CC, de tal modo que se puede regular la tensin que llega al
inversor modificando el ngulo de encendido de los tiristores del
rectificador controlado.
El inversor produce una tensin trifsica cuya frecuencia depende
de la secuencia de impulsos que se aplican a las puertas de los
tiristores, de este modo al motor asncrono le llega una tensin
variable de frecuencia y tensin.
Regulacin de velocidad por medio de una resistencia adicional en
el rotor
Aplicando el mismo principio de funcionamiento que en el motor
asncrono con rotor devanado, en el que se introduce un restato
trifsico en los anillos del rotor para reducir la corriente de
arranque, podemos aprovechar este mismo principio para regular la
velocidad de giro de un motor. La resistencia externa se puede
variar estticamente empleando el circuito mostrado en la
figura:
La resistencia externa se puede variar estticamente mediante
este circuito, as, la potencia que llega al rotor se rectifica por
medio de un puente trifsico de diodos y la inductancia L se utiliza
como elemento de filtro para alisar la CC que sale del
rectificador. La resistencia externa Rex est en paralelo con el
chopper, de tal modo que el valor de la resistencia efectiva que se
aade al rotor depende del parmetro k o ciclo de trabajo del
chopper.
Este sistema de regulacin de velocidad tiene el grave
inconveniente de que el rendimiento es pequeo, sobre todo con altos
deslizamientos, pero por otro lado, posee una electrnica muy
sencilla y es por esto que encuentra sus aplicaciones en mecanismos
de elevacin y transporte, tales como gras, montacargas, etc.
Regulacin de velocidad por recuperacin de la potencia de
deslizamiento
En el sistema de regulacin anterior, con resistencia adicional
de rotor, la potencia de deslizamiento era disipada en dicha
resistencia de rotor, lo cual era la causa de su bajo rendimiento.
Ahora bien, si en vez de colocar dichas resistencias, se introduce
una F.E.M. trifsica, con una frecuencia mltiplo de la frecuencia de
alimentacin, que sea variable tanto en amplitud como en fase, se
podra aumentar el rendimiento del conjunto y seguira produciendo el
mismo efecto. La forma prctica de introducir esta F.E.M. externa es
mediante un montaje denominado recuperacin de la energa de
deslizamiento, por lo que la potencia se devuelve a la red.
Aunque aparecieron distintas tcnicas de recuperacin de potencia
de deslizamiento a lo largo de los tiempos, destacndose los
sistemas tipo Kramer, Scherbius y Schrage, todos en la actualidad
obsoletos. Sin embargo, la modificacin de uno de dichos sistemas,
el Kramer, pero sin utilizacin de mtodos electromecnicos,
reservndose solo a tcnicas estticas. Este accionamiento, llamado
Kramer esttico, permite una regulacin de velocidad por debajo de la
de correspondiente sincronismo y de ah que algunos autores
denominan a este montaje como cascada subsncrona.
Como se muestra en la figura, el sistema esttico Kramer tiene un
rectificador en puente trifsico que transforma la CA del rotor a la
frecuencia de deslizamiento en CC y dispone de una inductancia de
filtrado y un inversor conmutado por lnea de tiristores que
devuelve la energa del rotor a la red a travs de un transformador
trifsico.
Control vectorial de motores asncronos
El control vectorial, denominado tambin control por orientacin
de campo, constituye el mtodo de regulacin de velocidad ms
sofisticado y moderno de los motores asncronos. La base de este
mtodo de regulacin es controlar tanto la magnitud como la fase del
flujo magntico del motor asncrono para conseguir un funcionamiento
anlogo al que tienen los motores de CC, y que hasta fechas muy
recientes haban representado el motor por excelencia en los
accionamientos elctricos de velocidad variable.
En un sistema de control vectorial de motores asncronos hay que
controlar en tiempo real la magnitud y fase de las corrientes de
alimentacin del estator, en respuesta a cambios en las demandas de
velocidad y par requeridas por el accionamiento. Para este tipo de
de control ser necesario conocer con exactitud la posicin del fasor
de flujo magntico en el entrehierro, para lo que se deber disponer
de una seal de realimentacin en la amplitud y la posicin instantnea
del mismo flujo magntico, que puede realizarse de dos modos:
Control vectorial directo: que incorpora dos transductores
magnticos en el entrehierro basados en el efecto Hall y situados a
90 elctricos para averiguar la magnitud y la posicin del flujo
magntico.
Control vectorial indirecto: en el cual la amplitud y la
orientacin del flujo se calculan en base a partir de los parmetros
del motor, y la posicin relativa instantnea del motor se mide
mediante un encder (transductor de posicin) situado en el
rotor.
El control vectorial directo, aunque tericamente tiene sus
ventajas, tiene problemas en la implementacin en un ambiente
industrial, y es por eso que no suele utilizarse porque carece de
la robustez necesaria (pierde casi todas las ventajas que traa el
reemplazo de un motor CC por un asncrono). Es por eso que en la
prctica se utiliza el control vectorial indirecto, midiendo la
posicin y velocidad del motor con un encder. En la siguiente figura
se muestra un diagrama de bloques de un sistema de control
vectorial indirecto que dispone de una etapa de potencia con un
inversor de corriente.
El inversor de corriente dispone de una etapa intermedia de
corriente continua que incluye una gran inductancia para mantener
constante la corriente en el lado de CC. El sistema de potencia
incluye lazos de comparacin de corriente para mantener a sta en los
valores requeridos, y es por eso que el inversor de corriente es ms
sencillo en su funcionamiento que el inversor de tensin.
Todas las funciones sealadas en el recuadro sombreado de la
figura se realizan con un procesador digital de seales DSP. Los
nuevos avances de control vectorial de motores asncronos no
incluyen ningn tipo de transductor (sin sensores, o sensorless)
para detectar la posicin del fasor espacial de flujo, y se estima
la velocidad del motor nicamente a partir de medidas de tensiones y
corrientes de la mquina.