El motor de inducción de CA a menudo se conoce como el caballo de batalla de la industria porque ofrece a los usuarios una construcción simple y resistente, un mantenimiento sencillo y un precio rentable. Estos factores han promovido la estandarización y el desarrollo de una infraestructura de fabricación que ha llevado a una vasta base instalada de motores; Más del 90% de todos los motores utilizados en la industria mundial son motores de inducción de CA.
A pesar de esta popularidad, el motor de inducción de CA tiene dos limitaciones básicas. El motor estándar no es una verdadera máquina de velocidad constante, ni es inherentemente capaz de proporcionar una operación de velocidad variable. Ambas limitaciones requieren consideración, ya que los requisitos de calidad y precisión de las aplicaciones de motor / accionamiento continúan aumentando.
Este artículo explorará la razón del deslizamiento y discutirá formas de minimizarlo. Además, detallará los mejores métodos ahora disponibles para controlar la velocidad del motor con electrónica de potencia, incluida la tecnología para minimizar los efectos negativos del deslizamiento.
El deslizamiento del motor es necesario para la generación de par. Un motor de inducción de CA consta de dos conjuntos básicos: el estator y el rotor. La estructura del estator está compuesta de laminaciones de acero con forma de postes. Bobinas de alambre de cobre se enrollan alrededor de estos polos. Estos devanados primarios están conectados a una fuente de voltaje para producir un campo magnético giratorio. Los motores trifásicos con bobinados espaciados a 120 grados eléctricos son estándar para uso industrial, comercial y residencial.
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Esta vista en corte de un motor de inducción de CA de jaula de ardilla muestra la construcción del estator y el rotor, el eje con cojinetes y el ventilador de enfriamiento.
El rotor es otro conjunto hecho de laminaciones sobre un núcleo de eje de acero. Las ranuras radiales alrededor de la periferia de las laminaciones albergan barras de rotor, que son conductores de aluminio fundido o cobre en corto en los extremos y colocados paralelos al eje. La disposición de las barras del rotor parece una jaula de ardilla, de ahí el conocido término “motor de inducción de jaula de ardilla”. El término “motor de inducción” proviene de la corriente alterna (CA) que se “induce” en el rotor a través del flujo magnético giratorio. producido en el estator.
El par motor se desarrolla a partir de la interacción de las corrientes que fluyen en las barras del rotor y el campo magnético giratorio del estator. En la operación real, la velocidad del rotor siempre es inferior a la velocidad del campo magnético, lo que permite que las barras del rotor corten líneas de fuerza magnéticas y produzcan un par útil. Esta diferencia de velocidad se llama velocidad de deslizamiento. El deslizamiento también aumenta con la carga y es necesario para producir torque.
El deslizamiento depende de los parámetros del motor. Según la definición formal, el deslizamiento (S) de un motor de inducción se puede encontrar con la siguiente ecuación:
s = [(n
2
– n) / n
s
] x 100%
donde n
s
es la velocidad síncrona yn es la velocidad real.
Deslizamiento del motor de motores NEMA seleccionados de aluminio y hierro fundido con una velocidad síncrona que varía de 3.600 RPM a 900 RPM.
Para valores pequeños de deslizamiento del motor, el deslizamiento es proporcional a la resistencia del rotor, la frecuencia de voltaje del estator y el par de carga. Es inversamente proporcional a la segunda potencia de la tensión de alimentación. La forma tradicional de controlar la velocidad de un motor de inducción de rotor bobinado es aumentar el deslizamiento agregando resistencia en el circuito del rotor. El deslizamiento de los motores de baja potencia es mayor que el de los motores de alta potencia debido a la mayor resistencia del devanado del rotor en motores más pequeños.
Como se ve en la Tabla anterior, los motores más pequeños y los motores de baja velocidad generalmente tienen un deslizamiento relativo más alto. Sin embargo, también están disponibles motores grandes de alto deslizamiento y motores pequeños de bajo deslizamiento.
Puede ver que el deslizamiento a plena carga varía de menos del 1% en motores de alta hp a más del 5% en motores de hp fraccional. Estas variaciones pueden causar problemas de reparto de carga cuando los motores de diferentes tamaños están conectados mecánicamente. A baja carga, compartir normalmente no es un problema, pero a plena carga, el motor con menor deslizamiento toma una mayor parte de la carga que el motor con mayor deslizamiento.
Fig. 1. Esta es una curva de velocidad típica de un motor de inducción. El deslizamiento es la diferencia en la velocidad del rotor con respecto a la velocidad síncrona. CD = AD – BD = AB.
Como se muestra en la Fig. 1 a la derecha, la velocidad del rotor disminuye en proporción al par de carga. Esto significa que el deslizamiento del rotor aumenta en la misma proporción.
Se requiere una impedancia de rotor relativamente alta para un buen rendimiento de arranque a través de la línea o de voltaje completo. En otras palabras, se requiere un alto par contra una corriente baja. La baja impedancia del rotor también es necesaria para un deslizamiento de baja velocidad a plena carga y una alta eficiencia operativa. Las curvas en la Fig. 2 muestran cómo una mayor impedancia del rotor en el motor B reduce la corriente de arranque y aumenta el par de arranque, pero causa un mayor deslizamiento que en el motor estándar A.
Fig. 2. Estas curvas representan par / velocidad y corriente / velocidad para un motor estándar (A) y un motor de alto par (B).
Métodos para reducir el deslizamiento. Los motores síncronos, de reluctancia o de imán permanente (PM) pueden resolver el problema del deslizamiento porque no hay deslizamiento medible en estos tres tipos de motores. Los motores síncronos se utilizan para aplicaciones de muy alta y baja potencia, pero en menor medida en el rango de potencia media, donde caen muchas aplicaciones industriales típicas. También se utilizan motores de renuencia, pero su relación potencia / peso no es muy buena, por lo que son menos competitivos que el motor de inducción de jaula de ardilla. Los motores PM, que se usan con variadores electrónicos de velocidad ajustable (ASD) ofrecen un control de velocidad preciso sin deslizamiento, alta eficiencia con bajas pérdidas de rotor y la flexibilidad de elegir una velocidad base muy baja, lo que elimina la necesidad de cajas de engranajes. Sin embargo, los motores PM todavía están limitados a ciertas aplicaciones especiales, principalmente debido al alto costo y la falta de estandarización.
Seleccionar un motor de inducción de CA de gran tamaño es otra forma de reducir el deslizamiento. Los motores más grandes generalmente tienen un valor de deslizamiento más bajo para comenzar, y el deslizamiento se vuelve más pequeño con una carga de motor parcial, en lugar de completa. La desventaja de sobredimensionar el motor es que con un motor más grande viene un mayor consumo de energía, lo que aumenta los costos de inversión y operación.
El variador de velocidad de CA suele ser la mejor solución. Las limitaciones inherentes del motor de inducción de CA se pueden resolver con ASD. Los variadores de CA más comunes en la actualidad se basan en la modulación de ancho de pulso (PWM). El voltaje de línea de CA constante con 60 ciclos por segundo desde la red de suministro se rectifica, se filtra y luego se convierte a un voltaje y frecuencia variables. Cuando esta salida del convertidor de frecuencia está conectada a un motor de CA, es posible ajustar la velocidad del motor.
Cuando se usa un variador de CA para ajustar la velocidad del motor, hay muchas aplicaciones en las que el deslizamiento del motor ya no es un problema. La velocidad del motor no es el parámetro de control primario. Más bien, podría ser el nivel del líquido, la presión del aire, la temperatura del gas o algún otro parámetro de control.
Fig. 3. La adición de compensación de deslizamiento al variador de velocidad ayuda a reducir el deslizamiento general.
Todavía se requiere alta precisión de velocidad estática y / o precisión de velocidad dinámica en muchas aplicaciones de accionamiento, como máquinas de impresión, extrusoras, máquinas de papel, grúas y elevadores. También hay muchas máquinas y cintas transportadoras donde el control de velocidad, entre secciones accionadas por motores separados, debe sincronizarse. En lugar de sobredimensionar los motores para eliminar el error de velocidad causado por el deslizamiento, puede ser mejor usar alineaciones de unidades seccionales con inversores separados para cada motor individual. Los inversores están conectados a una barra de bus de voltaje de CC suministrada por un rectificador común. Esta es una solución muy eficiente energéticamente, porque las secciones de conducción de la maquinaria pueden usar la energía de frenado de las secciones de desaceleración (regeneración).
La compensación de deslizamiento incluso se puede agregar a los variadores de CA para reducir aún más el efecto del deslizamiento del motor. Se agrega una señal de par de carga al controlador de velocidad para aumentar la frecuencia de salida en proporción a la carga. La compensación de deslizamiento no puede ser el 100% del deslizamiento debido a las variaciones de temperatura del rotor que pueden causar una compensación excesiva y un control inestable. Pero la compensación puede lograr precisiones de hasta el 80%, lo que significa que el deslizamiento se puede reducir del 2.4% a aproximadamente el 0.5%.