Control de Velocidad de Motores Asíncronos: Técnicas de Regulación y VFD

Control de Velocidad en Máquinas Asíncronas: Métodos y Aplicaciones

La máquina asíncrona (o motor de inducción) es esencialmente de velocidad constante. Su característica mecánica presenta una elevada pendiente en la zona de funcionamiento permanente. La velocidad de rotación depende fundamentalmente de la frecuencia, el deslizamiento y el número de pares de polos.

Métodos de Variación de la Velocidad

1. Variación por Cambio de Número de Polos

Este método se basa en actuar sobre el número de polos del devanado inductor del estator para así cambiar la velocidad de sincronismo.

• Principio: Recuerda que, si la frecuencia es constante, la velocidad síncrona ($N_s$) del campo magnético giratorio excitado por el estator se modificará por saltos y en razón inversa al número de pares de polos. Esto es posible si el devanado estatórico, mediante simples cambios en las conexiones de las bobinas, es capaz de modificar el número de polos del campo.
• Implementación: Por consiguiente, si el motor se provee de dos devanados de estator con diferente número de polos, y el rotor es preferentemente del tipo jaula de ardilla (para no tener que realizar ningún tipo de conexiones en el secundario), fácilmente se podrían obtener dos velocidades de sincronismo $N_s$, energizando un solo devanado a la vez (técnica de estator de devanado múltiple).

2. Variación por Modificación del Deslizamiento

Este conjunto de técnicas busca alterar la curva característica par-velocidad actuando sobre el rotor o la alimentación.

2.1. Variando la Tensión de Alimentación

El par es proporcional al cuadrado de la tensión de alimentación. Este método permite un escaso margen de variación de la velocidad en régimen permanente. Es útil en aplicaciones como ventiladores, donde el par resistente disminuye de manera importante con la velocidad.

2.2. Inserción de Resistencias en el Rotor

Se modifica la pendiente de la característica mecánica y, por lo tanto, el deslizamiento. Es una regulación de la velocidad a base de insertar escalones de resistencia, lo que se traduce en la modificación de la característica par-velocidad que, en la zona de trabajo, se hace cada vez más inclinada.

2.3. Resistencia Rotórica Variable Electrónicamente

El ciclo de trabajo $\alpha$ (alfa) controla la corriente eficaz en la resistencia y, por lo tanto, la potencia disipada en ella. El efecto es el mismo que el de variar la resistencia del rotor. Si el sistema se integra en un lazo cerrado, la velocidad de giro se adaptará a la que se fije como consigna.

2.4. Recuperación de Energía del Circuito del Rotor (Cascada Subsíncrona)

Consiste en intercalar un convertidor de frecuencia electrónico conectado a los anillos del rotor por un lado y a la red de alimentación por el otro. El ángulo de disparo controla la velocidad del rotor, por debajo de la cual empieza a circular corriente por el mismo. Esto produce un desplazamiento de la característica mecánica a la izquierda.

3. Variación de Velocidad por Variación de Frecuencia de Alimentación (VFD)

Este es el método más avanzado y usado por los variadores de velocidad electrónicos (VFD). Esto genera una familia completa de curvas par vs. velocidad, cada una con una velocidad de sincronismo correspondiente a la frecuencia suministrada al motor en cualquier instante (Ver la Figura 2.1).

Este es el mejor método de control de velocidad por las siguientes razones:

• Se mantiene una alta eficiencia a través de todo el rango de velocidades.
• Se dispone de control variable de velocidad continuo. Este puede ser controlado electrónicamente, mediante, por ejemplo, una señal de control de 0-10 V o 4-20 mA. Esto convierte al Controlador de Frecuencia Variable ideal para la automatización de procesos.
• El momento (par) del motor disponible es mantenido, aun a bajas velocidades. Así, es adecuado para el uso con cargas de cualquier característica de par.
• Se pueden lograr velocidades mayores que la “velocidad base” de 50 Hz, aunque con el costo de una reducción del par total disponible.

Velocidad Base

Al valor de la velocidad de sincronismo bajo condiciones de frecuencia nominal en el estator lo definiremos como velocidad base. En general, un sistema de regulación por variación de frecuencia puede funcionar con velocidades tanto por encima como por debajo de esta velocidad base. Tiene la ventaja de ser un método de regulación continua y que permite mantener las características asignadas al motor dentro de un gran margen de regulación.