Si
se cambia la frecuencia eléctrica aplicada al estator de un motor de inducción,
la velocidad de rotación de sus campos magnéticos cambiará en proporción directa
al cambio de frecuencia eléctrica, y el punto de vacío sobre la curva
característica par-velocidad cambiará con ella (véase figuras 1a, 1b y 1c). La
velocidad sincrónica del motor en condiciones nominales se conoce como
velocidad base. Utilizando control de frecuencia variable, es posible ajustar
la velocidad del motor por encima o por debajo de la velocidad base. Un
controlador de frecuencia variable para motor de inducción, diseñado
adecuadamente, puede ser muy flexible y puede controlar la velocidad de un
motor de inducción sobre un rango de velocidad que va desde el tan pequeño de
5% de la velocidad base hasta cerca del doble de ésta. Sin embargo, es
importante mantener ciertos límites de voltaje y par sobre el motor cuando
varía la frecuencia para asegurar una operación confiable. Cuando se opera a
velocidades inferiores a la velocidad base del motor, es necesario reducir el
voltaje aplicado a los terminales del estator para obtener una operación
adecuada. El voltaje aplicado a los terminales del estator deberá disminuir
linealmente con la disminución de la frecuencia en él. Este proceso se llama
degradación (derating). Si esto no se hace, se saturará el acero del núcleo del
motor de inducción y fluirán corrientes de magnetización excesivas en la máquina.
Para entender la necesidad de reducción, recuérdese que un motor dc inducción
es básicamente un transformador giratorio. Como con cualquier transformador, el
flujo en el núcleo de un motor de inducción se puede encontrar aplicando la ley
de Faraday:
Si se aplica un voltaje v(t) = VM sen wt al núcleo, el flujo Φ
resultante es:
Nótese
que la frecuencia eléctrica aparece en el denominador de esta expresión.
Entonces, si la frecuencia eléctrica aplicada al estator disminuye en 10%,
mientras que la magnitud del voltaje aplicado al estator permanece constante,
el flujo en el núcleo del motor se incrementará cerca del 10% y la corriente de
magnetización se incrementará también. Así mismo en la región de no saturación
de la curva de magnetización del motor, el aumento en la corriente de
magnetización será de cerca del 10%. Sin embargo, en la región saturada de la
curva de magnetización del motor, un aumento del 10% en el flujo requiere un
aumento mucho mayor en la corriente de magnetización.
Los
motores de inducción están diseñados para operar cerca del punto de saturación
de sus curvas de magnetización; por lo tanto, el aumento en el flujo debido a
la disminución de frecuencia causará un flujo excesivo de corriente de
magnetización en el motor.
Figura 1a: Familia de curvas para velocidades por debajo de la
velocidad base,
suponiendo que el voltaje de línea disminuye linealmente con la
frecuencia
Figura 1b: Familia de curvas para velocidades por encima de la
velocidad base,
suponiendo que se mantiene el voltaje de línea
Figura 1c: Curvas características par-velocidad para todas las
frecuencias
Para
evitar corrientes de magnetización excesivas, es costumbre disminuir el voltaje
aplicado aI estator en proporción directa a la disminución de la frecuencia
siempre que la frecuencia esté por debajo de la nominal del motor. Puesto que
el voltaje aplicado v aparece en el
numerador de la ecuación (1) y la frecuencia (w = 2πf) en el denominador, los dos
efectos se contrarrestan entre sí y la corriente de magnetización no se altera.
Cuando el voltaje aplicado a un motor de inducción varía linealmente con la
frecuencia por debajo de la velocidad base, el flujo en el motor permanece aproximadamente
constante. Entonces, el máximo par que puede suministrar el motor permanece
alto. Sin embargo, la potencia máxima nominal del motor debe ser disminuida
linealmente con la reducción de frecuencia para evitar el sobrecalentamiento
del circuito del estator. La potencia suministrada al motor de inducción
trifásico está dada por:
Si
se disminuye el voltaje VL, la potencia máxima P también debe ser
disminuida o la corriente que fluye en el motor llegará a ser excesiva y el
motor se sobrecalentará. La figura 1a muestra una familia de curvas
características de par-velocidad del motor de inducción para velocidades
menores que la velocidad base suponiendo que la magnitud del voltaje del
estator varía linealmente con la frecuencia.
Cuando
la frecuencia eléctrica aplicada al motor excede la frecuencia nominal del
motor, el voltaje del estator es mantenido constante en el valor nominal.
Aunque consideraciones de saturación permitirían elevar el voltaje por encima
del valor nominal bajo estas circunstancias, aquél está limitado al voltaje
nominal para proteger el aislamiento del devanado del motor. Cuanto mayor sea
la frecuencia eléctrica sobre la velocidad base, mayor será el denominador de
la ecuación (1). Puesto que el término del numerador se mantiene constante cuando
se opera sobre la frecuencia nominal, disminuyen el flujo resultante en la
máquina y el par máximo. La figura 1b muestra una familia de curvas
características de par-velocidad del motor de inducción a velocidades por
encima de la nominal, si el voltaje del estator se mantiene constante.
Si
el voltaje del estator varía linealmente con la frecuencia por debajo de la
velocidad base y su valor nominal se mantiene constante a velocidades por
encima de la velocidad base, la familia resultante de características
par-velocidad se muestra en la figura 1c. La velocidad nominal del motor que
aparece en las figuras 1 es 1800 r/min.
En
el pasado, la principal desventaja del control de frecuencia eléctrica como
método de cambio de velocidad era que se requería un generador o un cambiador
mecánico de frecuencia exclusivos para hacerlo operativo. Este problema
desapareció con el desarrollo de Ios modernos controladores de frecuencia
variable y estado sólido, para motores de inducción. En efecto, el cambio de la
frecuencia de la línea con estos controladores ha llegado a ser el método
preferido para el control de velocidad de los motores de inducción.
FUENTE:
Máquinas
eléctricas (Stephen J. Chapman)
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