Frenado de motores asíncronos

Figura 1: Zonas de funcionamiento del motor asíncrono

Cuando el motor asíncrono funciona en régimen de freno, el rotor gira en sentido contrario al campo giratorio, de tal forma que la máquina recibe energía de la red y energía mecánica por el eje.

Propiedades:

● La resistencia R'c < 0 y por tanto la potencia mecánica interna, es negativa. La máquina recibe energía mecánica por el eje.

● La potencia en el entrehierro   

(s = deslizamiento)

es positiva y por tanto se transfiere energía del estátor al rotor. Por ello la potencia que se absorbe de la red es positiva, y el par electromagnético es positivo.

Figura 2

Durante el período de frenado la máquina recibe energía mecánica por el eje y también energía eléctrica de la red, esto origina grandes corrientes rotóricas con las consiguientes pérdidas por efecto Joule tanto en el estátor como en el rotor, que es donde se disipan las potencias que recibe la máquina en esta situación.

● Par de frenado

El par de frenado del motor y el conjunto de la máquina accionada es igual al par desarrollado por el motor más el par motor de la máquina accionada.

C_f = Par de frenado

C_m = Par motor

C_r = Par resistente

El tiempo de frenado, o el tiempo necesario para que el motor asíncrono pase de una velocidad n a la parada es:

T_f = tiempo de frenado en segundos

J = momento de inercia en kg x m²

n = velocidad de rotación en r.p.m.

C_f = par medio de frenado en el intervalo n → 0 en Newton x metro

Frenado por contracorriente

Se utiliza en la práctica cuando se desea parar rápidamente un motor. La maniobra se realiza invirtiendo dos fases de la alimentación trifásica, de forma que el campo giratorio pasa súbitamente a girar en sentido contrario al del rotor.

Inicialmente:

Velocidad como motor: n

Al invertir dos fases

Velocidad del motor: - n

En el momento de la inversión el deslizamiento, s, pasa de un valor de unos 3 - 8% a un valor cercano a 2.

El rotor al estar girando en sentido opuesto al campo giratorio, va disminuyendo gradualmente su velocidad, y cuando ésta llega a cero, el motor debe ser desconectado de la red, ya que en caso contrario la máquina pasaría de nuevo a régimen motor pero girando ahora en sentido contrario al original.

Precauciones en la utilización del frenado a contracorriente

En el frenado a contracorriente se pueden producir corrientes incluso muy superiores a las de arranque, por ello no debe emplearse este sistema de frenado con demasiada frecuencia por que la elevación de la temperatura de los devanados puede llegar a fundir las barras del rotor y sobrecalentar el devanado del estátor. Térmicamente, una inversión es equivalente a 4 arranques.

Los motores preparados para realizar este frenado son generalmente de rotor devanado, de tal modo que al realizar esta maniobra se introducen resistencias adicionales en el rotor para limitar las corrientes a magnitudes admisibles y deseables.

Frenado por recuperación de energía o frenado regenerativo

Aparece cuando la máquina asíncrona trabaja como generador, por lo tanto a una velocidad superior a la de sincronismo.

Se puede producir este frenado en las máquinas de elevación y transporte cuando se bajan cargas pesadas.

Este modo de frenado se aplica a motores de varias velocidades (2 y 4 polos, 1500 y 3000 rpm, por ejemplo) en tales casos es imposible parar el motor cuando se pasa a una velocidad inferior.

Las tensiones térmicas son aproximadamente idénticas a las obtenidas durante la transición de la velocidad más baja a la velocidad más alta.

El par máximo de frenado es ligeramente mayor que el par de arranque del motor a la velocidad más baja.

Este régimen de frenado aparece con frecuencia en los motores de c.c. utilizados en la tracción eléctrica, al bajar un tren por pendientes elevadas (si el tren tiende a embalarse, aparecerá un par de frenado que tiende a evitar un posible descarrilamiento).

Frenado dinámico

Consiste en desconectar el estátor de la red y aplicarle una corriente continua por medio de una fuente auxiliar (un regulador utilizado para arranque del motor también puede realizar esta función). De esta forma se produce un campo de amplitud constante que es fijo en el espacio y que al reaccionar con el campo giratorio del rotor provoca un frenado de la máquina.

Se pueden realizar cuatro modos de acoplamiento de los devanados con la tensión continua. (Ver figura 3)

Figura 3

Las solicitaciones térmicas son aproximadamente 3 veces inferiores a las del frenado a contracorriente, pero el tiempo de frenado es más prolongado.

La representación del par de frenado en el intervalo de velocidad (0, n_s) es similar al de la curva C_m = f(n) (figura 4).

Figura  4: Curva del par de frenado

Este tipo de frenado se utiliza en los trenes de laminación de plantas siderúrgicas y se emplea para conseguir una parada rápida y exacta de muchos mecanismos, reduciendo el tiempo de paro de los accionamientos principales.

Frenado con variador de velocidad electrónico

Este modo de frenado es posible con variadores de velocidad controlados.

Cuando el ondulador del inversor suministra una frecuencia inferior a la velocidad del motor, el motor frena y devuelve energía:

- a la red cuando el rectificador es reversible (rectificador a tiristores)

- a una resistencia de disipación térmica controlada por transistores instalada en paralelo con el circuito de continua.

El sistema de recuperación de energía es esencial para no dañar el ondulador por las mismas razones que en el caso de producirse caídas de tensión en la red.

POST RELACIONADOS:

Sistemas de variación de velocidad en motores trifásicos asíncronos

http://imseingenieria.blogspot.com/2018/07/sistemas-de-variacion-de-velocidad-en.html
Soluciones electrónicas para el control y mando de motores de corriente alterna

http://imseingenieria.blogspot.com/2016/01/soluciones-electronicas-para-el-control.html 

Necesidad de los transformadores de potencia en el transporte y la distribución eléctrica

Distribución de la energía eléctrica

La energía eléctrica generada en las centrales eléctricas no es utilizada, o lo es muy parcialmente,  en el mismo lugar de su producción. Es por tanto necesario transportar esta energía hacia los centros urbanos y las zonas industriales.

Los transformadores, por sus diferentes facetas de utilización, hacen posible el transporte y por tanto, están presentes en todas las etapas de utilización de la energía eléctrica desde el transporte hasta su utilización.

Si llamamos U a la tensión de una red e I la corriente en las líneas, la potencia transmitida por una red trifásica, es igual a: P = U · I · √3.

A potencia constante, la tensión y la corriente varían en sentido inverso, la posibilidad de elevar fuertemente la tensión conduce a reducir, en la misma proporción, la intensidad de las corrientes correspondientes y consecuentemente, la sección de los conductores de las líneas eléctricas y sus infraestructuras.

¿Por qué se transporta y distribuye la energía eléctrica en Alta Tensión?

·      Elevar la tensión 10 veces en las líneas de distribución eléctrica supone reducir  las pérdidas de energía por efecto Joule  en razón de 100.

·         Si se duplica la tensión la sección necesaria en las líneas se reduce a la cuarta parte.

·         Si se duplica la tensión la potencia a transmitir se multiplica por cuatro.

Ejemplo:

Potencia transportada por una línea, según la tensión y la sección de los conductores de aluminio con alma de acero:

Necesidad de los transformadores en los sistemas de distribución eléctrica

Los transformadores son indispensables en los sistemas de distribución de energía eléctrica, porque permiten:

·      Elevar la tensión de salida de las centrales eléctricas para reducir pérdidas en la transmisión de energía (subestaciones de central).

·   Conectar diferentes redes de transporte que sean de diferentes tensiones (subestaciones de interconexión).

·    Reducir la tensión de transporte hasta los niveles más convenientes y seguros para su distribución y el consumo (subestaciones de reparto, de distribución y centros de transformación).

·  Utilización de transformadores en sistemas de distribución (desde las centrales a los consumidores)

·         Cambiar de régimen de neutro en distribuciones de BT.

·         Aislar circuitos para evitar perturbaciones electromagnéticas.

·         Limitar o atenuar armónicos

Arquitectura básica de una red eléctrica y algunas aplicaciones

Tipos de Transformadores de Potencia

Producción y Transporte de energía

·         Transformadores elevadores de central.

·         Transformadores para la transmisión de corriente continua en AT (HVDC)

·         Transformadores reductores de subestación

·         Transformadores y autotransformadores de interconexión

·         Autotransformadores de regulación

·         Bobinas de inductancia Shunt

·         Bobinas de punto neutro

Aplicaciones industriales

·     Transformadores de alimentación de rectificadores (electrolisis del cloro, del aluminio, etc), para equipos siderúrgicos (laminación, prensado, trefiladoras, etc.).

·         Autotransformadores para arranque de motores

·         Transformador bloque (Transformador/alternador)

·         Transformadores para centros de soldadura

·         Transformadores para alimentación de onduladores

·         Transformadores para hornos eléctricos

·         Transformadores para marina

·         Transformadores para locomotoras

Distribución eléctrica

·         Transformadores MT/BT en baño de aceite

·         Transformadores secos encapsulados en resina epoxi

Distribución rural

·         Transformadores para poste

¿Qué es un transformador electromagnético?

Un transformador es un dispositivo que transforma una energía eléctrica de entrada en una energía eléctrica de salida, modificando, si es necesario, los niveles de la tensión e intensidad de la energía de entrada y salida para adaptarlos a la aplicación que se desee.

El transformador es una máquina eléctrica sin partes móviles y la transformación entre el circuito de entrada y el de salida se realiza por el principio de la inducción electromagnética de Faraday.

Elementos básicos de un transformador:

Circuito magnético

El núcleo es un circuito cerrado de material con propiedades ferromagnéticas cuya función es la de canalizar el flujo magnético que se genera cuando circulan corrientes alternas por los devanados.

Circuitos eléctricos de entrada y salida

Los circuitos de entrada y de salida están formados por devanados eléctricos de hilo conductor arrollados sobre un núcleo de hierro.

Ambos devanados están eléctricamente aislados entre sí, pero acoplados magnéticamente mediante el núcleo.

El transformador electromagnético consiste en una bobina conductora dispuesta en las cercanías de otra u otras bobinas conductoras.

La bobina conectada a la red de potencia se llama bobina primaria, y las otras bobinas son conocidas como secundarias.

¿Cómo funciona un transformador?

El transformador electromagnético acopla dos o más circuitos de corriente alterna (AC), utilizando el Principio de Inducción Electromagnética entre las bobinas primaria y secundaria.

Leyenda de la figura:

(1) Tensión de alimentación

La conexión del devanado primario a una fuente de tensión alterna provoca la circulación de una corriente eléctrica i₁ también alterna.

(2) Corriente eléctrica de primario

La circulación de una corriente alterna inducirá un flujo magnético también alterno, en el arrollamiento del circuito primario. La dirección del flujo viene dada por la regla del sacacorchos.

(3) f.e.m. inducida en el primario

La variación del flujo magnético (flujo alterno) induce, por la Ley de Faraday, una f.e.m. en el devanado primario opuesta a la tensión de la fuente (se opone a la causa que genera el flujo).

(4) Flujo magnético

El flujo magnético alterno se canaliza por el núcleo magnético abrazando al devanado secundario.

(5) f.e.m. inducida en el secundario

La existencia de un flujo magnético alterno que abraza al devanado secundario induce (por la Ley de Faraday) una f.e.m. cuya corriente asociada provocaría un flujo que se opondría al existente (Regla de la Mano Derecha).

(6) Conexión de la carga

La existencia de la f.e.m. en el secundario provocará la circulación de una corriente por el secundario cuando se conecte una carga al mismo.

(7) Relación de transformación

La relación entre las tensiones de entrada y salida viene dada, de forma muy aproximada, por la relación de espiras entre primario y secundario. Esta relación se conoce como relación de transformación. Para las intensidades la relación es la inversa.

(8) Potencia de entrada y salida

Despreciando pérdidas, que son mínimas, la potencia de entrada y salida de un transformador se mantiene constante.

POST RELACIONADO:

Antecedentes históricos del Transformador Eléctrico de Potencia

http://imseingenieria.blogspot.com/2018/07/antecedentes-historicos-del.html

Antecedentes históricos del Transformador Eléctrico de Potencia

La transmisión de la energía eléctrica, tal como la conocemos en la actualidad, sería impensable sin la utilización de los transformadores.

Los transformadores permiten elevar o reducir tensiones a los niveles más convenientes para el transporte, distribución y consumo de la energía eléctrica.

Antecedentes históricos

Desde que en 1831 Faraday realizó sus famosos experimentos sobre inducción electromagnética, la evolución hacia el transformador, tal como hoy lo conocemos, ha sido intensa. La mayoría de los acontecimientos que influyeron en su desarrollo se sitúan en la segunda mitad del siglo XIX.

La puesta en funcionamiento de los sistemas de alumbrado eléctrico, primero por arco y más tarde por lámpara de incandescencia (Edison 1878), impulsó el desarrollo de nuevos equipos que permitieran el transporte de la energía eléctrica al mayor número de consumidores. Así nació el transformador.

(1.831) Primeras experiencias

La primera bobina de inducción fue empleada por Faraday en sus famosos experimentos de 1831. Estaba constituida por un anillo de hierro macizo sobre el que estaban dispuestos dos devanados situados en arcos opuestos del anillo.

(1.840 a 1.856) Mejoras

En 1842, Masson y Breguet hicieron ligeras modificaciones a la bobina de Faraday y sustituyeron el anillo macizo por un haz de hilos de hierro. Pohl, Wright, Callan, Henley y Dove estudiaron los diferentes tipos de hierro para construir el núcleo magnético.

Ruhmkorff, en 1855, dio a la bobina sus proporciones y dimensiones clásicas

En 1856, C.F.Varley inventó una bobina de inducción con núcleo laminado y cerrado para reducir las pérdidas por corrientes de Foucault y mejorar el rendimiento magnético.

Ritchie, en 1857, sugirió la idea de subdividir el devanado secundario para conseguir un gran aislamiento.

(1.877) Primer uso de la c.a. para alumbrado

En 1877 Jablochkoff patentó una invención en la que utilizaba bobinas de inducción para la distribución de corrientes en la iluminación eléctrica por arco y en la que por primera vez se alimentaban estas bobinas con corriente alterna.

El sistema consistía en intercalar en serie con el circuito principal, los arrollamientos primarios de un cierto número de bobinas de inducción; el secundario de cada una de estas bobinas de inducción alimentaba una lámpara de arco o varias de ellas conectadas en serie.

(1.882) Transformador con primario conectado en serie

En 1882, Lucien Gaulard y John-Dixon Gibbs patentaron un sistema para la distribución por corriente alterna, que alimentaba lámparas incandescentes (Edison inventó en 1878 la lámpara incandescente).

Los primarios de las bobinas de inducción se conectaban en serie y los secundarios alimentaban en paralelo a un cierto número de lámparas.

(1.884) Transformador con primario en paralelo

El 16 de Septiembre de 1884 se fabricó en la Casa Ganz el primer transformador acorazado monofásico de 1400 VA, 40 Hz, 120/72 V.

El circuito magnético estaba cerrado y el primario se conectaba en paralelo.

(1.885) Compra de patentes y mejoras definitivas

En 1885, la Compañía Westinghouse compró los derechos de la Casa Ganz y uno de sus ingenieros, William Stanley construyó un transformador de tipo acorazado con núcleo formado por láminas individuales de chapas de hierro.

(1.886) Primera instalación de un transformador en distribución

En 1886, la Compañía Westinghouse demostraba la aplicabilidad del transformador en la distribución de corriente alterna a potencial constante con éxito.

En 1886, la Westinghouse Company instalaba un sistema de distribución por c.a. en Great Barrigton, Massachusetts (EE.UU.), basado en una línea de transporte de 1.200 m en la que se incorporaban dos transformadores, uno a principio y otro a final de la línea.

La puesta en marcha de tal sistema influyó decisivamente en la aceptación de la corriente alterna para la distribución de la energía eléctrica frente a la alternativa de los sistemas de c.c. Esto nunca hubiese sido posible sin la aportación decisiva de los transformadores.

Las disputas de la corriente continua y la corriente alterna

La introducción de la corriente alterna estuvo llena de grandes disputas, en las que se reflejaban motivos tanto técnicos como económicos.

En Europa estaban a favor de la corriente continua: Lord Kelvin, Crompton, A. W. Kennedy y J. Hopkinson, y a favor de la corriente alterna: Ferranti, Gordon, W. M. Mordey y Silvanus Thompson.

En Estados Unidos, donde las disputas alcanzaron su mayor ferocidad, Edison defendía la corriente continua y la corriente alterna la defendían Westinghouse, Nikola Tesla, Sprague y Steinmetz.

En 1893 el Proyecto de la Central a instalar en las cataratas del Niágara fue finalmente adjudicado a la Compañía Westinghouse tras una larga disputa con la compañía de Edison. Este hecho representó el comienzo del declive de la corriente continua a favor del auge de la corriente alterna, que es el sistema usado hoy en día para la generación, el transporte y la distribución de la energía eléctrica.

Evolución del Transformador:

Cuadro cronológico de los progresos más importantes

·         1886      Transformador trifásico

·         1891      Inmersión en aceite mineral

·         1903      Chapa magnética al silicio

·         1909      Cuba de chapa ondulada

·         1910      Chapa magnética de grano orientado

·         1912      Junta magnética entrelazada

·         1918      Depósito de expansión (Conservador de aceite)

·         1920      Aislamiento de conductores con papel

·         1920      Aislamiento de chapas magnéticas con esmalte

·         1920      Cuba de radiadores

·         1922      Secado al vacío del transformador completo

·         1922      Transformador de tres devanados

·         1926      Chapa magnética 1,3 W

·         1928      Regulador de tensión en carga

·         1930      Inmersión con circulación forzada de aire

·         1930      Circuitos magnéticos trifásicos de cinco columnas

·         1932      Inmersión en dieléctricos líquidos clorados (Askarel, Piralenos, PCB’s)

·         1940      Protección de imagen térmica

·         1942      Cuba con “colchón” de Nitrógeno

·         1945      Comienzo de los ensayos de Choque

·         1947      Aislamiento con papel impregnado

·         1947      Devanados antiresonantes

·         1947      Chapa magnética 1,1 W

·         1947      Aparición de la resina epoxi a escala industrial

·         1950      Refrigeración por aire embridados a la cuba

·         1950      Chapa magnética 0,6 W

·         1950      Depósito elástico con Nitrógeno

·         1956      Inmersión con circulación forzada a través de los devanados

·         1972      Bobinados de aluminio en Transformadores de distribución

·         1974      Transformadores trifásicos encapsulados en resina epoxi

·         1976      Transformadores en baño de silicona líquida

·         1982      Núcleo magnético de chapa amorfa

·         1986      Transformadores herméticos de llenado integral

·         1990      Transformadores trifásicos hasta 250 kVA en chapa amorfa

·         1999      Transformadores en baño de éster natural (aceite vegetal)