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.