Control de Velocidad y Frenado en Motores Asíncronos: Fundamentos y Métodos Avanzados

Concepto de Regulación en Máquinas Eléctricas

La regulación en máquinas eléctricas se refiere al conjunto de técnicas y procedimientos empleados para controlar y modificar las características operativas de estas máquinas, como la velocidad, el par o la dirección de giro, con el fin de adaptarlas a los requisitos específicos de una aplicación o proceso industrial.

Modificación de la Velocidad del Motor

La modificación de la velocidad de un motor es una capacidad fundamental en muchas aplicaciones industriales. Se puede llevar a cabo mediante diversos métodos que alteran las condiciones de operación del motor para lograr la velocidad deseada.

Factores que Influyen en la Velocidad en Vacío de Motores Asíncronos

La velocidad en vacío de los motores asíncronos depende principalmente de la frecuencia de la red de alimentación (f) y del número de polos (P) del motor. En condiciones ideales (sin deslizamiento), la velocidad en vacío se aproximaría a la velocidad de sincronismo.

Cálculo de la Velocidad de Sincronismo en Motores Asíncronos

La expresión matemática para calcular la velocidad de sincronismo (Ns) en motores asíncronos es:

Ns = (120 * f) / P

Donde:

• Ns: Velocidad de sincronismo (revoluciones por minuto, RPM).
• f: Frecuencia de la red de alimentación (Hertz, Hz).
• P: Número de polos del motor.

Métodos de Regulación de Velocidad para Motores Asíncronos

Existen diversas formas para regular la velocidad de los motores asíncronos, cada una con sus propias ventajas y desventajas:

• Variación de resistencia en el rotor.
• Cambio del número de polos.
• Variación de frecuencia.

Variación de Velocidad por Resistencia en el Rotor

Este método se utiliza principalmente en motores asíncronos de rotor bobinado. Consiste en la inserción de resistencias externas en el circuito del rotor para aumentar el deslizamiento y, por ende, reducir la velocidad del motor.

La regulación se obtiene variando el valor de estas resistencias. Las resistencias utilizadas deben ser de tipo variable y capaces de disipar la potencia generada por el deslizamiento, es decir, deben tener una alta capacidad de disipación de calor.

Inconvenientes de la Regulación por Resistencia en el Rotor

Este procedimiento presenta varios inconvenientes, tales como:

• Baja eficiencia: Gran parte de la energía se disipa en forma de calor en las resistencias.
• Regulación escalonada: La variación de velocidad no es continua, sino en pasos discretos.
• Dependencia de la carga: La velocidad varía significativamente con los cambios de carga.
• Menor par de arranque: Aunque puede mejorar el par de arranque, la regulación de velocidad en sí puede reducir el par disponible a velocidades bajas.

Elementos de un Variador de Velocidad por Resistencia en el Rotor

Los elementos principales de un variador de velocidad por resistencia en el rotor incluyen:

• Resistencias externas: Conjunto de resistencias conectadas al circuito del rotor.
• Contactores o interruptores: Para conectar o desconectar las resistencias y variar su valor.
• Controlador: Dispositivo para gestionar la conexión de las resistencias y la velocidad deseada.

Principio de Funcionamiento

El principio se basa en la ecuación de par-velocidad del motor asíncrono. Al aumentar la resistencia en el circuito del rotor, se incrementa el deslizamiento necesario para producir un determinado par, lo que resulta en una disminución de la velocidad del rotor. La energía adicional se disipa como calor en las resistencias.

Variación de Velocidad por Cambio del Número de Polos

Este método se aplica en motores asíncronos especiales con bobinados conmutables. Consiste en modificar el número de polos magnéticos del estator, lo que directamente altera la velocidad de sincronismo del motor (Ns = (120 * f) / P) y, por ende, la velocidad de operación.

Motor de Dos Velocidades en Conexión Dahlander

La particularidad del motor de dos velocidades en conexión Dahlander es que utiliza un único bobinado estatórico que puede ser configurado para operar con dos números de polos diferentes (generalmente en una relación de 1:2, por ejemplo, 4/8 polos o 2/4 polos), permitiendo así dos velocidades de operación.

El bobinado del motor Dahlander es un bobinado especial con seis terminales de salida. Estas salidas pertenecen a las dos mitades de cada fase del bobinado, permitiendo diferentes configuraciones (triángulo/doble estrella o estrella/doble estrella) para obtener las dos velocidades.

Tipos de Caja de Conexión Dahlander

Según su construcción, los tipos de caja de conexión para motores Dahlander pueden ser:

• Conexión en Triángulo/Doble Estrella (Δ/YY): Utilizada para obtener una relación de par constante.
• Conexión en Estrella/Doble Estrella (Y/YY): Utilizada para obtener una relación de potencia constante.

Ambas configuraciones permiten conmutar el bobinado para cambiar el número de polos y, por tanto, la velocidad.

La velocidad lenta se consigue conectando el bobinado para el mayor número de polos (por ejemplo, en doble estrella o estrella). La velocidad rápida se obtiene reconfigurando el mismo bobinado para el menor número de polos (por ejemplo, en triángulo o doble estrella), lo que se logra mediante la conmutación de los terminales en la caja de conexiones.

Elementos de un Variador de Velocidad Dahlander

Los elementos principales de un variador de velocidad para motores Dahlander incluyen:

• Contactores de potencia: Para conmutar las conexiones del bobinado del motor entre las configuraciones de baja y alta velocidad.
• Relés de protección: Para proteger el motor contra sobrecargas y cortocircuitos.
• Selector de velocidad: Un interruptor o pulsador para elegir entre las dos velocidades.
• Circuito de control: Lógica de control (PLC o relés) para gestionar la secuencia de conmutación y asegurar una transición segura entre velocidades.

Principio de Funcionamiento

El principio se basa en la conmutación de las conexiones del bobinado estatórico para alterar el número de polos magnéticos. Al cambiar el número de polos, se modifica la velocidad de sincronismo del campo magnético giratorio, lo que a su vez cambia la velocidad de operación del motor. La conmutación se realiza mediante contactores que reconfiguran el bobinado.

Motor de Dos Velocidades con Devanados Independientes

En un motor de dos velocidades con devanados independientes, la velocidad lenta se consigue energizando un bobinado estatórico diseñado para un mayor número de polos, mientras que la velocidad rápida se logra energizando un segundo bobinado estatórico, completamente independiente del primero, diseñado para un menor número de polos.

La particularidad de este tipo de motor es que posee dos bobinados estatóricos completamente separados dentro del mismo motor, cada uno diseñado para un número de polos diferente. Esto permite una mayor flexibilidad en el diseño de las velocidades y, a menudo, un mejor rendimiento en cada una de ellas, aunque el motor es más voluminoso y costoso.

Elementos de un Variador de Velocidad para Devanados Independientes

Los elementos de un variador para motores con devanados independientes son:

• Contactores de potencia: Dos juegos de contactores, uno para cada bobinado, para energizar el bobinado correspondiente a la velocidad deseada.
• Relés de protección: Para cada bobinado, asegurando la protección individual.
• Selector de velocidad: Para elegir qué bobinado energizar.
• Circuito de control: Para gestionar la secuencia de energización y desenergización de los bobinados, asegurando que solo uno esté activo a la vez.

Principio de Funcionamiento

El principio se basa en la selección y energización de uno de los dos bobinados estatóricos independientes. Cada bobinado está diseñado para un número de polos fijo, lo que determina una velocidad de sincronismo específica. Al energizar un bobinado u otro, se cambia directamente la velocidad de operación del motor.

Variación de Velocidad por Variación de Frecuencia (VFD)

Este es el método más versátil y se utiliza ampliamente en motores asíncronos trifásicos estándar. Consiste en variar la frecuencia de la tensión de alimentación del motor, lo que directamente modifica la velocidad de sincronismo (Ns = (120 * f) / P) y, por ende, la velocidad del rotor. Para mantener el flujo magnético constante y evitar la saturación o desmagnetización, la tensión también se varía proporcionalmente a la frecuencia (relación V/f constante).

Principio de Funcionamiento de un VFD

Un variador de frecuencia (VFD) o inversor de frecuencia convierte la corriente alterna de la red en corriente continua (rectificación) y luego la vuelve a convertir en corriente alterna (inversión) con una frecuencia y tensión variables. Esto se logra mediante la modulación por ancho de pulso (PWM) de semiconductores de potencia (como IGBTs), permitiendo un control preciso de la velocidad y el par del motor.

Frenado de Motores Asíncronos

Normas Generales para el Frenado de Máquinas

Al realizar el frenado de cualquier máquina, es fundamental tener en cuenta las siguientes normas:

• Seguridad: El sistema de frenado debe ser seguro y fiable, evitando movimientos inesperados.
• Control: Debe permitir un control preciso de la desaceleración.
• Disipación de energía: La energía cinética del sistema debe disiparse de forma segura (calor, retorno a la red).
• Desgaste: Minimizar el desgaste de los componentes mecánicos y eléctricos.
• Eficiencia: Buscar la mayor eficiencia energética posible en el proceso de frenado.

Métodos de Frenado para Motores Asíncronos

Existen diversas formas para frenar los motores asíncronos, entre las que se destacan:

• Frenado por electrofreno.
• Frenado por contracorriente.
• Frenado por inyección de corriente continua (CC).

Frenado por Electrofreno

El frenado por electrofreno consiste en la aplicación de un freno mecánico activado eléctricamente. Cuando se interrumpe la alimentación del motor, un electroimán se desenergiza, liberando un resorte que presiona unas zapatas o discos contra una superficie giratoria (generalmente el eje del motor o un tambor acoplado), deteniendo el movimiento por fricción.

Partes de un Electrofreno

Un electrofreno típicamente consta de:

• Electroimán: Genera un campo magnético que, al ser energizado, libera el freno.
• Resorte: Mantiene el freno aplicado cuando el electroimán está desenergizado.
• Zapatas o discos de fricción: Elementos que entran en contacto con la superficie giratoria para generar la fuerza de frenado.
• Tambor o disco: Superficie giratoria acoplada al eje del motor sobre la que actúan las zapatas/discos.
• Palanca o mecanismo de accionamiento: Transmite la fuerza del resorte a las zapatas.

Principio de Funcionamiento

El principio de funcionamiento es electromecánico. Cuando el motor está en marcha, el electroimán se energiza, atrayendo una armadura y liberando las zapatas de freno. Al cortar la alimentación del motor (y, por ende, del electroimán), el resorte vence la fuerza magnética, empujando las zapatas contra el tambor o disco, generando fricción y deteniendo el movimiento.

Frenado por Contracorriente

El frenado por contracorriente, también conocido como frenado regenerativo o por inversión de fase, consiste en invertir el sentido de giro del campo magnético del estator mientras el motor aún está girando en el sentido original. Esto se logra invirtiendo dos de las fases de alimentación del motor. El motor actúa entonces como un generador, oponiéndose al movimiento y disipando la energía en forma de calor en el rotor y el estator.

Condiciones para el Frenado por Contracorriente

Para un frenado efectivo por contracorriente, se deben cumplir las siguientes condiciones:

• El motor debe estar girando.
• Se debe invertir el sentido de giro del campo magnético (cambiando dos fases).
• Es crucial desconectar la alimentación justo antes de que el motor se detenga para evitar que comience a girar en sentido contrario.

Aplicación, Inconvenientes y Soluciones

Este método se utiliza en motores asíncronos de jaula de ardilla y de rotor bobinado, especialmente en aplicaciones que requieren paradas rápidas. Sin embargo, presenta inconvenientes:

• Grandes esfuerzos mecánicos: Debido a los altos pares de frenado, puede causar estrés en el motor y la maquinaria.
• Alto consumo de energía: Se disipa mucha energía en forma de calor.
• Riesgo de inversión de giro: Si no se desconecta a tiempo, el motor puede empezar a girar en sentido contrario.

Soluciones:

• Detección de velocidad cero: Utilizar un tacómetro o sensor de velocidad para desconectar la alimentación justo antes de la parada.
• Limitación de corriente: Implementar sistemas para limitar la corriente durante el frenado y reducir los esfuerzos mecánicos.

Principio de Funcionamiento

Cuando se invierten las fases, el campo magnético giratorio del estator cambia de sentido. Dado que el rotor sigue girando en el sentido original, la diferencia de velocidad relativa entre el campo y el rotor se vuelve muy grande, y el deslizamiento se hace mayor que 1. Esto induce corrientes muy grandes en el rotor, generando un par de frenado opuesto al movimiento, disipando la energía cinética como calor.

Frenado por Inyección de Corriente Continua (CC)

Este método se utiliza en motores asíncronos de jaula de ardilla y de rotor bobinado. Consiste en desconectar el motor de la red de corriente alterna y, en su lugar, inyectar corriente continua (CC) en dos o tres fases del estator. Esto crea un campo magnético estático (no giratorio) en el estator. Cuando el rotor, que aún está girando por inercia, atraviesa este campo estático, se inducen corrientes en él, generando un par de frenado que lo detiene.

Inconvenientes del Frenado por Inyección de CC

El principal inconveniente de este método es que no genera un par de frenado a velocidad cero. A medida que la velocidad del rotor disminuye, el par de frenado también lo hace, lo que significa que el motor puede tardar más en detenerse completamente o no detenerse del todo si la carga tiene mucha inercia. Además, puede generar un calentamiento considerable en el estator si la inyección de CC es prolongada.

Principio de Funcionamiento

Al inyectar corriente continua en el estator, se crea un campo magnético fijo. El rotor, que sigue girando por inercia, corta las líneas de flujo de este campo estático. Según la ley de Faraday, esto induce una fuerza electromotriz (FEM) y, por ende, corrientes en el bobinado del rotor. Estas corrientes interactúan con el campo estático del estator, generando un par de frenado que se opone al movimiento del rotor, disipando la energía cinética en forma de calor.