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lunes, 10 de junio de 2019

Consideraciones sobre el control de velocidad mediante el cambio de la frecuencia en un motor



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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