Control de máquinas eléctricas
Con la tensión proporcional a la frecuencia, a 10 Hz el par máximo de un motor cae de 191 a 86 N·m, porque la caída en el estator ya no es despreciable. Un refuerzo de 15 V lo devuelve a 122 N·m.
01Motores de continua
La velocidad de un motor de continua de excitación independiente es proporcional a la tensión de armadura, descontada la caída en su resistencia, y el par, a la corriente. Se controla con un rectificador controlado desde la red o con un troceador de continua; con dos puentes en antiparalelo, o con un puente H de transistores, el accionamiento trabaja en los cuatro cuadrantes: gira en los dos sentidos y frena devolviendo energía. El control clásico tiene dos lazos en cascada: uno interno de corriente, que limita el par, y uno externo de velocidad. Las máquinas se describieron en máquinas de continua.
02El motor de inducción con frecuencia variable
La velocidad de un motor de inducción está atada a la frecuencia: la sincrónica es \( n_s = 60 f / p \), con \( p \) pares de polos, y el rotor gira un poco más lento, con un deslizamiento \( s \). Un variador de frecuencia —rectificador, bus de continua e inversor— cambia la frecuencia, y con ella la velocidad. Para que el flujo no cambie, la tensión se varía en proporción: es el control escalar V/f. Las curvas de par salen del circuito equivalente de máquinas de alterna:
Un motor de cuatro polos, 400 V y 50 Hz, de unos 7,5 kW, con R1 = 0,5 Ω, R2' = 0,4 Ω, X1 = X2' = 1 Ω y Xm = 30 Ω a 50 Hz. Las curvas grises son 10, 25 y 50 Hz sin refuerzo; la azul, la frecuencia elegida; la línea amarilla, el par de la carga.
03Control vectorial y motores sincrónicos
El control V/f es simple y suficiente para bombas y ventiladores, pero lento. El control vectorial u orientado al campo transforma las corrientes trifásicas a un sistema de ejes que gira con el flujo del rotor, donde una componente controla el flujo y otra el par, como en un motor de continua; se logra respuesta de par en milisegundos y par pleno a velocidad cero. El control directo de par elige los estados del inversor según el error de par y de flujo. Los motores sincrónicos de imanes permanentes, de alto rendimiento, dominan los vehículos eléctricos y la robótica, y se controlan con los mismos métodos a partir de la posición del rotor. Cuando el motor frena, la energía vuelve al bus de continua: se disipa en una resistencia de frenado o, con un rectificador activo, se devuelve a la red. El diseño de los lazos se apoya en diseño de controladores.
04En el laboratorio
Programar un variador en modo V/f, medir la velocidad y la corriente de un motor con freno a varias frecuencias, con y sin refuerzo de tensión.
Controlar un motor de continua con un puente H y PWM, cerrar un lazo de velocidad con un codificador y medir la respuesta al escalón.
Frenar bruscamente un motor con un variador sin resistencia de frenado y observar la sobretensión del bus de continua.
05Errores frecuentes
- Usar V/f puro a baja velocidad. Sin refuerzo, el motor pierde par justo donde más se necesita para arrancar.
- Hacer trabajar un motor autoventilado mucho tiempo a baja velocidad. Su ventilador gira despacio y el motor se calienta.
- Frenar rápido sin prever dónde va la energía. El bus de continua sube hasta disparar la protección.
- Superar la frecuencia nominal esperando el mismo par. Con debilitamiento de campo, el par disponible baja.
06Autoevaluación
¿A qué velocidad sincrónica gira un motor de cuatro polos alimentado con 25 Hz?
750 rpm.
Con los datos del laboratorio y 50 N·m, ¿a cuántas rpm gira a 50 Hz?
Unas 1466 rpm, con un deslizamiento del 2,2 %.
¿Por qué cae el par máximo a baja frecuencia con V/f constante?
Porque la caída en la resistencia del estator se lleva una parte cada vez mayor de la tensión, que ya es chica.
¿Qué separa el control vectorial?
La componente de la corriente que produce flujo de la que produce par.
07Para ampliar
- Bimal K. Bose. Modern Power Electronics and AC Drives. Prentice Hall, 2002. El control escalar y vectorial de motores de alterna.
- R. Krishnan. Electric Motor Drives: Modeling, Analysis, and Control. Prentice Hall, 2001. El modelado de los motores y sus accionamientos de continua y alterna.
- Ned Mohan. Electric Drives: An Integrative Approach. MNPERE. Una introducción a los accionamientos con el control vectorial explicado desde cero.