<p>De todas las máquinas eléctricas, el motor de inducción es la máquina más utilizada en las industrias. Más del 90% de los motores utilizados en la industria son motores de inducción de jaula de ardilla debido a su diseño resistente y libre de mantenimiento. Generalmente, un motor de inducción funciona a una velocidad casi constante a medida que varía la carga. Pero en algunas aplicaciones industriales, se requiere control de velocidad del motor. Esto requiere el requisito de tener métodos para el control de velocidad del motor de inducción.
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Diferentes métodos de control de velocidad del motor de inducción
Como sabemos, el rotor de un motor de inducción gira a una velocidad algo menor que la velocidad síncrona. De hecho, la velocidad del rotor está gobernada por el deslizamiento. Primero echemos un vistazo a la relación entre la velocidad del rotor y el deslizamiento para llegar a varios métodos de control de velocidad del motor de inducción.
Si Nr, Ns y s son la velocidad del rotor, la velocidad síncrona y el deslizamiento respectivamente, entonces según la definición de deslizamiento en el motor de inducción,
Nr = Ns(1-s)
Pero Ns = Velocidad síncrona = 120f/P
Nr = (120f/P) (1-s)
De la expresión anterior de la velocidad del rotor, está claro que la velocidad se puede controlar cambiando la frecuencia (f), el número de polos (P) o el deslizamiento (s).
Ahora, el recibo se puede cambiar de las siguientes maneras:
- Cambiar la resistencia del circuito del rotor
- Varíe el voltaje de suministro
- Voltaje de inyección de frecuencia adecuada en el circuito del rotor
Por lo tanto, el control de velocidad del motor de inducción se puede lograr mediante un total de cinco métodos diferentes:
- Control de velocidad VVVF
- Método de cambio de polos
- Control de resistencia del circuito del rotor
- Control de voltaje del estator
- Inyección de fem en el circuito del rotor
Estos métodos se muestran en la siguiente figura.
Estos métodos de control de velocidad se pueden clasificar además en función de si el control se logra desde el lado del estator o desde el lado del rotor. Los siguientes métodos se encuentran en el lado del estator, ya que estos métodos se aplican en el devanado del estator:
- Método de cambio de polos
- Control de voltaje del estator
- Control de velocidad VVVF
Los siguientes métodos se emplean desde el lado del circuito del rotor para el control de velocidad:
- Operación en cascada del motor de inducción
- Inyección fem en el circuito del rotor
- Método de control de resistencia del circuito del rotor
Cabe señalar que el control de velocidad desde el lado del rotor solo se aplica al motor de inducción de anillos deslizantes.
Métodos de control de velocidad desde el lado del rotor
Los siguientes son los diversos métodos de control de velocidad del motor de inducción logrados desde el lado del rotor:
Operación en cascada del motor de inducción:
Este método también se llama control en tándem y ahora está obsoleto. En este método, la potencia de deslizamiento del motor de inducción se utiliza para controlar la velocidad. La potencia de deslizamiento en un motor de inducción es la potencia disipada en el devanado del rotor como pérdida óhmica. Como sabemos, la potencia Pg del entrehierro es la suma de la salida de potencia mecánica y la pérdida de potencia en el devanado del rotor, suponiendo que el devanado del rotor esté en cortocircuito. Por lo tanto,
Pg = (1-s)Pg + sPg
El primer término en el lado derecho de la ecuación anterior es la salida de potencia mecánica y el segundo término se denomina potencia de deslizamiento contabilizada por las pérdidas en el devanado del rotor. Esta potencia de deslizamiento se utiliza para controlar la velocidad en el funcionamiento en cascada del motor de inducción.
En el control de velocidad por conexión en cascada de dos motores de inducción, los rotores de los dos motores están acoplados mecánicamente. Un motor se llama motor principal y el segundo motor se llama motor auxiliar. El terminal del estator del motor principal está conectado al suministro principal y la potencia de deslizamiento del motor principal se alimenta a los terminales del estator del motor de inducción auxiliar a través del anillo deslizante, como se muestra en la figura a continuación.
De esta forma, la potencia de deslizamiento del motor principal se alimenta al motor de inducción auxiliar a una frecuencia de f2 = s1f1.
Supongamos ahora que P1, P2 y s1, s2 son el número de polos y deslizamientos respectivamente. Luego, para el motor principal, la velocidad síncrona es 120f1/P1. Por lo tanto, su velocidad de rotación será
Nr1 = (120f1/P1) (1-s1)
De manera similar para el motor auxiliar, la velocidad será
Nr2 = (120f2/P2)(1-s2)
Dado que el motor principal y el motor de inducción auxiliar están acoplados mecánicamente, su velocidad debe ser igual. Esto significa,
Nr1 = Nr2
(120f1/P1) (1-s1) = (120f2/P2)(1-s2)
Dado que el deslizamiento s2 del motor de inducción auxiliar es bastante pequeño y, por lo tanto, puede ignorarse en comparación con 1. Por lo tanto, (1-s2) ≈ 1.
⇒(120f1/P1) (1-s1) = (120f2/P2)
Pero f2 = s1f1,
⇒(120f1/P1) (1-s1) = (120f1s1/P2)
⇒s1= P2 / (P1 + P2)
Por lo tanto, la velocidad real del motor principal se da como
Nr1 = (120f1/P1) (1-s1)
= (120f1/P1) [1- P2 / (P1 + P2)]
= 120f1/(P1 + P2)
De la expresión anterior de la velocidad del motor de inducción principal, podemos decir que la velocidad en el funcionamiento en cascada del motor de inducción es equivalente a la velocidad de un solo motor que tiene los polos (P1 + P2). Dado que en este esquema, el par de los motores principal y auxiliar están en la misma dirección, este método se denomina cascada acumulativa.
Si la secuencia de fases del motor auxiliar se cambia intercambiando dos cables cualquiera, desarrolla un par en una dirección opuesta al motor de inducción principal. Este esquema se denomina funcionamiento en cascada diferencial del motor de inducción. Bajo este esquema, la velocidad del motor principal se da como
Nr1 = 120f1/(P1 – P2)
De la expresión anterior, es obvio que la operación en cascada diferencial solo es posible si los motores principal y auxiliar tienen diferente número de polos, es decir, P1 ≠ P2
Control de Velocidad por Inyección de EMF en Circuito Rotor:
En este método, la velocidad del motor de inducción se controla inyectando una fem en el circuito del rotor. La frecuencia de esta fem inyectada debe ser una frecuencia de deslizamiento a todas las velocidades. Este método es aplicable solo para motores de inducción de anillos deslizantes. Cabe señalar que, cuando se inyecta fem en el rotor, el motor de inducción se convierte en una máquina de inducción doblemente excitada. Mediante este método, se puede lograr una velocidad por encima de la velocidad síncrona.
Para comprender mejor el principio de funcionamiento y el efecto de la inyección de fem en el circuito del rotor, debemos considerar el diagrama fasorial del motor de inducción. La siguiente figura muestra el diagrama fasorial.
La figura a) representa el diagrama fasorial de un motor de inducción funcionando con deslizamiento s y el devanado del rotor en cortocircuito. sE2 es la fem en el devanado del rotor en cualquier deslizamiento s.
Como sabemos que, el par por fase desarrollado por el motor se da como
Te = (E2/ωs)I2cosɵ2
donde E2 = FEM generada en el devanado del rotor en estado de parada
ωs = Velocidad síncrona
Suponiendo que el par de carga es constante, entonces
Te = (E2/ωs)I2cosɵ2 = Constante
Dado que E2 y ws son constantes para un motor dado, I2cosɵ2 debe permanecer constante para un requisito de par de carga constante. Una constante I2cosɵ2 se muestra en la figura anterior a), b) yc) por la línea horizontal punteada inferior.
En la figura b), se inyecta una fem Ej en oposición de fase a la fem E2 del rotor en reposo. Dado que la velocidad del motor no puede cambiar repentinamente debido a la inercia, el efecto de la inyección de fem en el circuito del rotor es reducir la corriente del rotor de (sE2 / Z2) a [(sE2 – Ej) / Z2] como se muestra en la figura c).
Debido a la reducción de la corriente del rotor, el par electromagnético se reduce repentinamente. Como el requerimiento de par de carga es constante, una reducción en el par electromagnético da como resultado una reducción de la velocidad del motor. Posteriormente, el deslizamiento aumenta a un nuevo valor (por ejemplo, s’) y, por lo tanto, la fem del rotor s’E2 aumenta. Debido a este aumento en la fem del rotor, la corriente del rotor vuelve a aumentar hasta que el par electromagnético se vuelve igual al par de carga constante.
Por lo tanto, se puede concluir que la inyección de fem en oposición de fase a E2 da como resultado una velocidad operativa más baja del motor de inducción.
Si una fem está en fase con la fem del rotor en reposo E2, aumenta la corriente del rotor y, por lo tanto, el par eléctrico. Como el par de carga es constante, la velocidad del motor aumentará. Por lo tanto, el deslizamiento disminuirá a un valor algo más bajo (digamos s”). En consecuencia, la fem del rotor en el deslizamiento s” se reducirá y, por lo tanto, la corriente del rotor también se reducirá hasta que el par eléctrico equilibre el par de carga.
Por lo tanto, se puede concluir que la inyección de fem en fase a E2 da como resultado una mayor velocidad operativa del motor de inducción.
De la discusión anterior, está claro que no es la resistencia del circuito del rotor la que aumenta o disminuye. Más bien, es la corriente del circuito del rotor la que aumenta o disminuye debido al aumento o disminución de la fem neta del circuito del rotor debido a la inyección de fem en fase o fuera de fase con la fem del rotor en reposo E2.
Control de resistencia del circuito del rotor:
En este método, la resistencia del circuito del rotor varía para controlar la velocidad. Lea Control de resistencia del circuito del rotor del motor de inducción para obtener más detalles.
Métodos de control de velocidad desde el lado del estator
Los siguientes son los diversos métodos de control de velocidad del motor de inducción logrados desde el lado del estator:
Control de velocidad VVVF:
El control de velocidad mediante el cambio de la frecuencia de suministro se implementa junto con el cambio en el voltaje de suministro para tener un flujo constante. Por lo tanto, este método se denomina método de frecuencia variable de voltaje variable (VVVF). Para obtener detalles sobre este método, lea “Control de velocidad VVVF del motor de inducción”.
Método de cambio de polo:
En este método, el número de polos del motor de inducción cambia cambiando la conexión del devanado del estator. Este método ya se discutió en la publicación anterior y puede leer aquí en “Método de cambio de polo”.
Control de voltaje del estator:
El control de velocidad del motor de inducción se logra controlando el voltaje del terminal del estator. Este método es útil para cargas que requieren menos par de arranque pero el requisito de par aumenta con la carga. Para obtener detalles sobre este método, lea “Control de voltaje del estator del motor de inducción”.
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