Motores con variadores de frecuencia

Por Percy R. Viego Felipe*

Oportunidad de ahorro energético mediante la correcta selección de los motores accionados con variadores de frecuencia.

Después de los motores eléctricos, las bombas y los ventiladores son las máquinas más utilizadas en el mundo. Esto significa que una combinación de motor y bomba, o de motor y ventilador, constituyen áreas importantes en que el uso de la energía puede hacerse más eficiente. Así, hay una gran cantidad de ventajas que se pueden lograr, en parte asegurando que el sistema esté correctamente dimensionado, y en parte usándolo racionalmente. Otros tipos de cargas (elevadores, grúas, compresores, transportadores, máquinas herramienta, extrusoras, máquinas textiles, etc.) también ofrecen actualmente un importante campo para el ahorro, utilizando adecuadamente equipos eficientes. 

Un área que brinda grandes oportunidades de ahorro es en los casos en que se controla el flujo de agua o de aire por métodos de estrangulamiento (válvulas o compuertas) y se sustituye por métodos en que se varía la velocidad del motor que acciona la bomba. El método más eficaz y eficiente para la variación de velocidad es hoy en día el uso de variadores de frecuencia aplicados a los motores asincrónicos, principalmente aquellos que emplean el principio de control por modulación del ancho de pulso (PWM).

Control por variación de velocidadCon el estrangulamiento, la reducción de flujo se obtiene al precio de un incremento en las pérdidas, mientras que con el control por velocidad variable resulta posible ajustar las características de la bomba sin apenas incrementar las pérdidas; y los requerimientos de potencia son radicalmente reducidos según la velocidad disminuye.

En la figura 1 se muestra una comparación aproximada entre el porcentaje de la potencia requerida para distintos porcentajes de flujo con diferentes tipos de control. Como puede observarse, el control por frecuencia resulta el más efectivo y la reducción que se logra en comparación con el estrangulamiento es sustancial.

Fig. 1. Consumo relativo de potencia en función del flujo con tipos diferentes de control.

Método de control por frecuenciaEl método se fundamenta en que la velocidad sincrónica del campo magnético rotatorio de un motor asincrónico puede ser controlada por medio de la variación de la frecuencia de la línea, ya que:

ns = 120 f/P Donde: ns: Velocidad sincrónica, rpm. f: Frecuencia de la línea, Hz).P: Número de polos.

Pero a fin de mantener la densidad de flujo aproximadamente constante y que no haya afectaciones en el momento que desarrolla el motor, la tensión de línea debe variarse también proporcionalmente a la frecuencia, es decir, U1 / f debe ser aproximadamente constante. 

A veces es aconsejable una desviación con respecto a esta regla en los casos en que el momento de la carga disminuya marcadamente con la reducción de la velocidad, por ejemplo, en los accionamientos de cargas centrífugas, como bombas y ventiladores. En este caso, al disminuir la tensión en mayor proporción que la frecuencia, se produce una reducción del flujo y mejoran los indicadores energéticos del motor, al mismo tiempo que la disminución del momento máximo no es peligrosa desde el punto de vista de la capacidad de sobrecarga. 

En adición a su función de regular la velocidad, los convertidores de frecuencia actuales ofrecen otras características ventajosas. Una nueva generación de accionamientos de velocidad variable, que permite que los motores asincrónicos sean tan controlables y eficientes como sus contrapartes de corriente directa, ha evolucionado rápidamente con los avances de la electrónica del estado sólido y sin los grandes costos que anteriormente implicaba. Los nuevos sistemas de

accionamiento, como los que emplean control por modulación del ancho del pulso (PWM), permiten lograr la regulación de la velocidad con una alta eficacia y eficiencia. En la figura 2 se muestra un esquema modular de un sistema de este tipo.

Fig. 2. Esquema modular de un variadorelectrónico de velocidad tipo PWM.

Sin embargo, no siempre el variador y el motor se adquieren en el mercado como un todo, en el cual el fabricante ha compatibilizado adecuadamente los requerimientos, características y parámetros de cada uno de esos dos equipos. Es frecuente que se adquiera un convertidor de frecuencia para aplicárselo a un motor convencional existente, con el propósito de controlar su velocidad para, por ejemplo, cumplir el mencionado objetivo de sustituir un sistema de control de flujo de agua que emplea válvulas de estrangulamiento.

En esos casos hay que tener en cuenta una serie de aspectos relacionados con las características del accionamiento y del motor, que de no hacerlo puede conducir a costosas fallas. A continuación se brindan algunas orientaciones que, aplicándolas, evitan que se presenten problemas operacionales y fallas. 

Cargabilidad del motor Cuando se utiliza un motor asincrónico con convertidor de frecuencia, en adición a los criterios generales de selección, se deben considerar los aspectos siguientes:La tensión (y la corriente) con la cual el convertidor alimenta al motor no es puramente sinusoidal, lo cual, como resultado, incrementa las pérdidas, las vibraciones y el ruido de los motores. Distintos convertidores con diferentes frecuencias de corte y de modulación proporcionan comportamientos distintos para el mismo motor. Por esta razón, no resulta recomendable utilizar métodos empíricos generales para determinar la cargabilidad del motor. 

Se debe hacer la selección a partir de las curvas de cargabilidad del motor, correspondientes a los distintos tipos específicos de convertidores de frecuencia que suministran los fabricantes. 

En la figura 3 se aprecia una curva de cargabilidad con un convertidor de frecuencia. Este tipo de curva muestra el momento máximo continuo con respecto al momento nominal (en unidades relativas: M/Mn), para un motor totalmente cerrado con ventilación forzada (TEFC), en función de la frecuencia. Operando en las condiciones que establece esta curva, no se sobrepasa el calentamiento nominal que alcanza el motor cuando trabaja alimentado de una red a frecuencia y tensión sinusoidal nominales, y a plena carga. Además, en la gráfica se observa la zona de operación a bajas velocidades que requiere ventilación separada, así como los momentos que pueden desarrollarse en el proceso de arranque y las sobrecargas de corto tiempo permisibles.

Fig. 3. Cargabilidad de un motor con un convertidor de frecuencia.

Es recomendable, debido a los esfuerzos eléctricos y térmicos a los que son sometidos los motores accionados por convertidores de frecuencia, el empleo de sistemas de aislamiento reforzados utilizando aislamiento de clase H en los conductores, y de clase F para el resto del sistema. De esto resulta un aislamiento equivalente a clase F. Estas condiciones en muchas ocasiones no se cumplen en los motores a los cuales se les va a aplicar el convertidor, por lo que se debe tener en cuenta la inevitable reducción de la vida útil que esto significa.

Criterios generales de selecciónLas principales cuestiones que hay que considerar son:

• Verificar la tensión de suministro y las tensiones nominales del convertidor y del motor.• Seleccionar el convertidor adecuado a la potencia nominal del motor. • Comprobar también que la corriente nominal del convertidor sea igual o mayor que la del motor seleccionado. • Verificar el tipo de característica de momento de la carga (constante, tipo centrífugo, etcétera).• El momento real de la carga debe estar en todos los puntos por debajo del indicado por la curva de cargabilidad (hay que conocer qué tipo de convertidor va a ser usado). Si la operación no es continua en todos los puntos, se puede sobrepasar el momento indicado por la curva, pero este caso requiere de una evaluación especial. • Prestarle mucha atención a los casos especiales en cuanto a altos requerimientos de momento de arranque o de momento máximo.• El momento máximo del motor debe ser por lo menos 40% mayor que el momento a cualquier frecuencia.• Cuando se emplee freno eléctrico, hay que realizar las comprobaciones adecuadas. • Debe comprobarse el intervalo de velocidad requerido y el que puede proporcionar el convertidor.• La velocidad máxima permisible del motor no se puede exceder (esto se debe chequear con las normas). • Analizar si hay necesidades especiales en cuanto al medio ambiente.• Debe comprobarse el sistema de tierra del motor, del equipo accionado y del tacómetro.• Verificar técnica y económicamente si un sistema separado de enfriamiento reduce el tamaño del motor y, consecuentemente, el tamaño del convertidor.• A altas velocidades debe prestarse especial atención a la construcción de los rodamientos, la lubricación, el ruido del ventilador, el balanceo, las velocidades críticas, los sellos de los ejes y el momento máximo del motor.• A bajas velocidades debe evaluarse la lubricación de los rodamientos, la ventilación del motor y el ruido electromagnético.

http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia42/HTML/Articulo05.htm

Flujo Magnético: Las corrientes eléctricas producen efectos magnéticos. Una

corriente eléctrica  produce un campo magnético Una pregunta que surge en forma natural es si es posible que algún fenómeno magnético produzca también un fenómeno eléctrico. Faraday (1831) descubrió que los efectos buscados aparecen como consecuencia de la variación temporal de los campos magnéticos.

Antes de discutir los resultados de Faraday, definamos el concepto de flujo magnético.

Es el flujo magnético que atraviesa una superficie S. El flujo magnético tiene varias propiedades interesantes,

El flujo a través de una superficie cerrada cualquiera es siempre cero. Debido a lo anterior, el flujo a través de una superficie S abierta no depende de

su forma, sino sólo de la curva que lo limita. El hecho anterior puede hacerse explícito.

Experimento de Faraday:

En el experimento de Faraday, al cerrar el interruptor en el circuito 'primario', se produce una corriente en el secundario. Al cabo de un tiempo, la corriente cesa. Si entonces se abre el interruptor, vuelve a aparecer corriente en el secundario, la cual nuevamente cesa al cabo de un tiempo breve. Es importante recalcar que los circuitos primario y secundario se hallan físicamente separados (no hay contacto eléctrico entre ellos).

Los resultados del experimento de Faraday (y muchos otros) se pueden entender en términos de una nueva ley experimental, que se conoce como la ley de Faraday-Lenz:

La variación temporal del flujo magnético enlazado por un circuito, induce en éste una 'fem'

Ley de Lenz:

El sentido de la 'fem' inducida es tal que siempre tiende a oponerse a la variación del flujo magnético (lo cual explica el signo (-)).

La variación temporal del flujo magnético enlazado por un circuito puede deberse a varias causas, entre las cuales se puede mencionar:

Variación temporal de,  El circuito se mueve. El circuito se deforma.

Por supuesto, una combinación de las causas anteriores también producirá variación del flujo. Observemos también que la Ley de Faraday es una ley experimental, que no puede deducirse,-en su forma general, de ningún otro hecho previamente conocido.

Recordemos ahora que la 'fem' de un circuito C se define como, en que

este campo eléctrico  no es un campo electrostático.

http://www.monografias.com/trabajos70/induccion-electromagnetica/induccion-electromagnetica2.shtml

ElectroimánUn electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de

una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente.

En 1819, el físico danés Hans Christian Ørsted descubrió que una corriente eléctrica que circula

por un conductor produce un efecto magnético que puede ser detectado con la ayuda de una

brújula. Basado en sus observaciones, el electricista británico William Sturgeon inventó el

electroimán en 1825. El primer electroimán era un trozo de hierro con forma de herradura envuelto

por una bobina enrollada sobre él. Sturgeon demostró su potencia levantando 4 kg con un trozo de

hierro de 200 g envuelto en cables por los que hizo circular la corriente de una batería. Sturgeon

podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso de la energía eléctrica en máquinas

útiles y controlables, estableciendo los cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran

escala.

Introducción

La corriente (I) fluyendo por un cable produce un campo magnético (B) en torno a él. El campo se orienta según

la regla de la mano derecha.

El tipo más simple de electroimán es un trozo de alambre enrollado. Una bobina con forma de tubo

recto (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando además se curva de forma que los

extremos coincidan se denomina toroide. Pueden producirse campos magnéticos mucho más

fuertes si se sitúa un «núcleo» de materialparamagnético o ferromagnético (normalmente hierro

dulce o ferrita, aunque también se utiliza el llamado acero eléctrico) dentro de la bobina. El núcleo

concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia

bobina.

Los campos magnéticos generados por bobinas se orientan según la regla de la mano derecha. Si

los dedos de la mano derecha se cierran en torno a la dirección de la corriente que circula por la

bobina, el pulgar indica la dirección del campo dentro de la misma. El lado del imán del que salen

las líneas de campo se define como «polo norte».

Además, dentro de la bobina se crean corrientes inducidas cuando ésta está sometida a un flujo

variable. Estas corrientes son llamadas corrientes de Foucault y en general son indeseables,

puesto que calientan el núcleo y provocan una pérdida de potencia

[editar]Electroimán e imán permanente

La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo magnético

puede ser rápidamente manipulado en un amplio rango controlando la cantidad de corriente

eléctrica. Sin embargo, se necesita una fuente continua de energía eléctrica para mantener el

campo.

Cuando una corriente pasa por la bobina, pequeñas regiones magnéticas dentro del material,

llamadas dominios magnéticos, se alinean con el campo aplicado, haciendo que la fuerza del

campo magnético aumente. Si la corriente se incrementa, todos los dominios terminarán

alineándose, condición que se denomina saturación. Cuando el núcleo se satura, un mayor

aumento de la corriente sólo provocará un incremento relativamente pequeño del campo

magnético. En algunos materiales, algunos dominios pueden realinearse por sí mismos. En este

caso, parte del campo magnético original persistirá incluso después de que se retire la corriente,

haciendo que el núcleo se comporte como un imán permanente. Este fenómeno,

llamado remanencia, se debe a la histéresis del material. Aplicar una corriente alterna decreciente

a la bobina, retirar el núcleo y golpearlo o calentarlo por encima de su punto de Curie reorientará

los dominios, haciendo que el campo residual se debilite o desaparezca.

En aplicaciones donde no se necesita un campo magnético variable, los imanes permanentes

suelen ser superiores. Además, es posible fabricar imanes permanentes que producen campos

magnéticos más fuertes que un electroimán de tamaño similar.

[editar]Dispositivos que usan electroimanes

Los electroimanes se usan en muchas situaciones en las que se necesita un campo magnético

variable rápida o fácilmente. Muchas de estas aplicaciones implican la deflección de haces de

partículas cargadas, como en los casos del tubo de rayos catódicos y el espectrómetro de masa.

Los electroimanes son los componentes esenciales de muchos interruptores, siendo usados en los

frenos y embragues electromagnéticos de los automóviles. En algunos tranvías, los frenos

electromagnéticos se adhieren directamente a los rieles. Se usan electroimanes muy potentes en

grúas para levantar pesados bloques de hierro y acero, y para separar magnéticamente metales

en chatarrerías y centros de reciclaje. Los trenes de levitación magnética usan poderosos

electroimanes para flotar sin tocar la pista. Algunos trenes usan fuerzas atractivas, mientras otros

emplean fuerzas repulsivas.

Los electroimanes se usan en los motores eléctricos rotatorios para producir un campo magnético

rotatorio y en los motores lineales para producir un campo magnético itinerante que impulse

la armadura. Aunque la plata es el mejor conductor de la electricidad, el cobre es usado más a

menudo debido a su relativo bajo costo, y a veces se emplea aluminio para reducir el peso.

[editar]Fuerza sobre los materiales ferromagnéticos

Calcular la fuerza sobre materiales ferromagnéticos es, en general, bastante complejo. Esto se

debe a las líneas de campo de contorno y a las complejas geometrías. Puede simularse

usando análisis de elementos finitos. Sin embargo, es posible estimar la fuerza máxima bajo

condiciones específicas. Si el campo magnético está confinado dentro de un material de alta

permeabilidad, como es el caso de ciertas aleaciones de acero, la fuerza máxima viene dada por:

Donde:

F es la fuerza en newtons;

B es el campo magnético en teslas;

A es el área de las caras de los polos en m²;

μo es la permeabilidad magnética del espacio libre.

En el caso del espacio libre (aire),  , siendo la fuerza por

unidad de área (presión):

, para B = 1 tesla

, para B = 2 teslas

En un circuito magnético cerrado:

Donde:

N es el número de vueltas del cable en torno al electroimán;

I es la corriente en amperios;

L es la longitud del circuito magnético.

Sustituyendo, se obtiene:

Por su fuerza se usan para levantar contenedores de más de 25

Toneladas, más el peso de la carga y vehículos.

Para construir un electroimán fuerte, se prefiere un circuito magnético

corto con una gran superficie. La mayoría de los materiales

ferromagnéticos se saturan sobre 1 a 2 teslas. Esto sucede a

una intensidad de campo de   787 amperios×vueltas/metro.

Por esta razón, no hay motivos para construir un electroimán con una

intensidad de campo mayor. Los electroimanes industriales usados para

levantar peso se diseñan con las caras de ambos polos en un lado (el

inferior). Eso confina las líneas de campo para maximizar el campo

magnético. Es como un cilindro dentro de otro. Muchos altavoces usan

una geometría parecida, aunque las líneas de campo son radiales al

cilindro interior más que perpendiculares a la cara.

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Inducción electromagnética

Esquema del principio de la inducción electromagnética

La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de unafuerza

electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en

un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un

conductor, se produce unacorriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday quien

lo expresó indicando que la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la variación del flujo

magnético (Ley de Faraday).

Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio

de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el

caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.

Definición matemática

La ley de inducción de Faraday establece que la Fuerza Electromotriz inducida en un circuito es

igual a menos la derivada del flujo magnético con respecto del tiempo.

Matemáticamente se puede expresar como:

1

Φ = Flujo magnético en weber

t = Tiempo en segundos

y el signo − es debido a la Ley de Lenz.

La inducción electromagnética es el principio fundamental sobre el cual

operan transformadores, generadores, motores eléctricos, la vitrocerámica de inducción y la

mayoría de las demás máquinas eléctricas.

De forma más general, las ecuaciones que describen el fenómeno son:

http://es.wikipedia.org/wiki/Inducci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica

LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Cuando movemos un imán permanente por el interior de las espiras de una bobina solenoide (A), formada por espiras de alambre de cobre, se genera de inmediato una fuerza electromotriz (FEM), es decir, aparece una corriente eléctrica fluyendo por las espiras de la bobina, producida por la “inducción magnética” del imán en movimiento.

Si al circuito de esa bobina (A) le conectamos una segunda bobina (B) a modo de carga eléctrica, la corriente al circular por esta otra bobina crea a su alrededor un “campo electromagnético”, capaz de inducir, a su vez, corriente eléctrica en una tercera bobina.

 

Por ejemplo, si colocamos una tercera bobina solenoide (C) junto a la bobina (B), sin que exista entre ambas ningún tipo de conexión ni física, ni eléctrica y conectemos al circuito de esta última un galvanómetro (G), observaremos que cuando movemos el imán por el interior de (A), la aguja del galvanómetro se moverá indicando que por las espiras de (C), fluye corriente eléctrica provocada, en este caso, por la “inducción electromagnética” que produce la bobina (B). Es decir, que el “campo magnético” del imán en movimiento produce “inducción magnética” en el enrollado de la bobina (B), mientras que el “campo electromagnético” que crea la corriente eléctrica que fluye por el enrollado de esa segunda bobina produce “inducción electromagnética” en una tercera bobina que se coloque a su

lado.

El campo magnético del imán en movimiento dentro de la bobina solenoide (A), provoca que, por.“inducción magnética”, se genere una corriente eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) en esa bobina. Si.instalamos al circuito de (A) una segunda bobina (B), la corriente eléctrica que comenzará a circular por.sus espiras, creará un “campo electromagnético” a su alrededor, capaz de inducir, a su vez, pero ahora.por “inducción electromagnética”, una corriente eléctrica o fuerza electromotriz en otra bobina (C). La.existencia de la corriente eléctrica que circulará por esa tercera bobina se podrá comprobar con la ayuda.de un galvanómetro (G) conectado al circuito de esa última bobina.http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_induc_elecmagnetica/ke_induc_elecmagnetica_1.htm