Voy a responder esta pregunta desde el punto de vista del uso de motores de inducción trifásicos utilizados en variadores de frecuencia (VFD), en un entorno industrial. Estas son las aplicaciones en las que necesita tener una buena comprensión de las características de par vs velocidad de la carga, para obtener un buen rendimiento sin cocinar su motor. El motor siempre funcionará a una velocidad en la que el par requerido por la carga coincida con el par disponible del motor, a la velocidad seleccionada. La Figura 1 muestra la familia de curvas de par vs velocidad que pueden esperarse de un motor de 60Hz controlado por un VFD. En este dibujo, puse una curva de par de carga (aleatorio) vs velocidad y muestro el punto de operación si el motor funciona a 50Hz. Tenga en cuenta que un motor autoenfriado (con un ventilador en el eje), ya que el motor funciona a velocidades más bajas, el enfriamiento se reduce, por lo que para evitar el sobrecalentamiento del motor, el par continuo máximo debe reducirse a velocidades más bajas. Esta curva de reducción se superpone a la Figura 1. Para la operación a baja velocidad a largo plazo, siempre debe mantenerse por debajo de esta curva. De lo contrario, seleccione un motor más grande O use un ventilador de enfriamiento de velocidad fija separado (enfriamiento forzado).
Figura 1: Curvas de par vs velocidad para motor bajo control VFD
Ahora veamos cómo esto afecta a los diferentes tipos de carga. Para comprender esto, debe tener un conocimiento razonable de la física newtoniana. La carga más simple es una carga de par constante . Esto es típico de transportadores, elevadores y montacargas, y se caracteriza por el torque que no depende de la velocidad. El par absorbido puede aumentar mientras se acelera el transportador. El más simple es un transportador horizontal (es decir, no levantar o bajar la carga). El par absorbido por el motor es principalmente para superar la fricción mecánica de la caja de engranajes y la mecánica del transportador. Esto no cambia significativamente con la velocidad o el peso del producto que se transporta. La potencia absorbida por el motor es proporcional al producto de este par de fricción y la velocidad de rotación del motor. Si el transportador eleva esta carga contra la gravedad, el peso del producto también afectará el par absorbido. Habrá dos componentes de torque: uno para superar la fricción y otro para superar la gravedad. La potencia total P = T (fricción) x omega + mg (dh / dt) donde omega es la velocidad angular en radianes / segundo, m = masa del producto que se levanta, g = constante gravitacional, (dh / dt) es la velocidad de elevación de el producto. Ver Figura 2 (a). Como puede verse, a bajas velocidades el par de carga puede exceder la curva de par continuo. Aquí es donde es posible que deba reducir la potencia del motor o aplicar enfriamiento forzado.
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El siguiente tipo de carga es aquel en el que el par es proporcional a la velocidad . Dichas cargas incluyen mezcladores, bombas de desplazamiento positivo, compresores, etc. Tales cargas normalmente no causan un problema de calentamiento del motor, ya que la curva de par de carga siempre está por debajo de la curva de reducción. Esto se muestra en la Figura 2 (b).
Figura 2: Características de carga: par constante y par proporcional a la velocidad
El siguiente tipo de carga es donde el par es proporcional al cuadrado de la velocidad . Dichas cargas incluyen bombas centrífugas y ventiladores, y son extremadamente comunes. Esta característica se debe a las características mecánicas del fluido del medio que estamos moviendo (gas o líquido). En esta carga, el par es proporcional al cuadrado de la velocidad angular del rotor (omega). Esto se muestra en la Figura 3 (a). En estas cargas, la operación a baja velocidad nunca es un problema. Pero a altas velocidades, el requisito de torque se vuelve balístico para tener cuidado de no acelerar demasiado estas cargas. Estas aplicaciones brindan la posibilidad de un importante ahorro de energía, ya que la potencia del motor es proporcional al cubo de la velocidad. Por ejemplo, reducir la velocidad al 90% reducirá el torque al 81% y la potencia al 73% (idealmente). Esto supone un ahorro de energía del 27%, lo que significa que el costo de un VSD puede amortizarse en poco tiempo.
El tipo final de carga a considerar es una carga de potencia constante , donde el par es inversamente proporcional a la velocidad . Dichas aplicaciones incluyen bobinadoras de par constante de accionamiento central y tornos de pelado de troncos. Considere una bobinadora: un producto se enrolla en un tambor a una velocidad lineal constante y tensión constante. A medida que el rodillo crece, el radio más grande significa un mayor torque requerido para mantener la tensión constante y una velocidad de rotación más baja (omega – radianes / segundo) para mantener la velocidad lineal constante. La potencia requerida del motor = F x V = T x omega = constante. Donde F = fuerza de tensión, V = velocidad lineal, T = par motor, omega – velocidad de rotación. Esta característica se muestra en la Figura 3 (b). Como se puede ver, es un problema real a baja velocidad del motor: el par requerido por el motor puede superar fácilmente el par disponible del motor debido a la refrigeración reducida. Por lo tanto, en esta aplicación, debe limitar el diámetro máximo de su rodillo, reducción o motor o aplicar enfriamiento forzado.
Figura 3: Características de carga: par proporcional al cuadrado de velocidad,
Par inversamente proporcional a la velocidad
Los cuatro tipos de carga anteriores son una simplificación de las características prácticas de carga. En realidad, una carga puede exhibir una combinación de dos o más de los tipos de carga anteriores. Por ejemplo, una bomba de gran elevación mostrará una característica de ley cuadrada combinada con una característica de par constante correspondiente al cabezal estático del sistema.
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