Motor asíncrono

Los dos circuitos eléctricos van situados uno en las ranuras del estator (primario) y otro en las del rotor (secundario), que está cortocircuitado. El rotor en cortocircuito puede estar formado por bobinas que se cortocircuitan en el exterior de la máquina directamente o mediante reostatos; o bien, puede estar formado por barras de cobre colocadas en las ranuras, que han de ser cuidadosamente soldadas a dos anillos del mismo material, llamados anillos de cortocircuito. Este conjunto de barras y anillos forma el motor jaula de ardilla.

También existen motores asíncronos monofásicos, en los cuales el estator tiene un devanado monofásico y el rotor es de jaula de ardilla. Son motores de pequeña potencia y en ellos, en virtud del Teorema de Leblanc, el campo magnético es igual a la suma de dos campos giratorios iguales que rotan en sentidos opuestos. Estos motores monofásicos no arrancan por sí solos, por lo cual se debe disponer algún medio auxiliar para el arranque (fase partida :resistencia o condensador, polo blindado).

El control de la tensión de línea se realiza variando la tensión que alimenta al devanado del estátor. Esta tensión puede regularse variando el ángulo de encendido de tiristores. Este sistema introduce armónicos en la red y no se consigue un buen factor de potencia.

Una bajada de la frecuencia produciría una bajada de la impedancia inductiva y si se mantiene la tensión ocasiona una subida de la corriente, lo que podría provocar que el motor se quemara. Este efecto se evita modificando ambos parámetros, pero manteniendo la relación V/Hz constante.

La técnica que se utiliza para variar en proporción el voltaje aplicado en el estátor y la frecuencia aplicada es la modulación del ancho de pulso o PWM mediante conversión DC/AC. Mediante la modulación PWM, se convierte un voltaje de entrada en CC a un voltaje simétrico de salida en CA con la magnitud y frecuencia deseadas.

Dependiendo de la red de suministro, la regulación es diferente:

• Red de corriente alterna

Si la red es trifásica, 15 o 25 KV como en el AVE, se suele emplear un rectificador o convertidor de alterna en continua y un ondulador trifásico o inversor para obtener la frecuencia deseada o bien directamente, con la técnica PWM conectamos directamente el ondulador trifásico del que alimentamos los motores de tracción.

La ventaja del convertidor sobre el rectificador es que mantiene un factor de potencia próximo a uno, con un mejor rendimiento y con reversibilidad, lo que permite el frenado regenerativo del que hablaremos más adelante.

La energía eléctrica procedente de la red en forma de CA, monofásica o trifásica, llega a un rectificador que suministra CC a una etapa intermedia más o menos compleja, le sigue un inversor que genera la CA trifásica de salida y alimenta el motor. Para controlar todos estos elementos se necesitan varios elementos analógicos y digitales con sus correspondientes fuentes de alimentación y también algún sistema de programación, que permita introducir los parámetros de funcionamiento e indicar la consigna de velocidad o el par mecánico que se desea.

• Red de corriente continua

En red CC se emplea el sistema troceador-ondulador. El troceador o chopper regula la tensión en continua que se aplica al ondulador actuando como un estabilizador de tensión. Se alimenta de la tensión de 3000 V de línea y genera otra continua de valor constante.

Con el ondulador el troceado de la tensión de alimentación se hace de forma más exhaustiva simulando la tensión de alimentación sinusoidal a los motores tanto por variación de amplitud como de frecuencia. Hoy día se consigue con IGBT´s y GTO´s.

• Convertidores de frecuencia

Los convertidores de frecuencia son dispositivos que se alimentan de la red de suministro eléctrico y generan corriente alterna de cualquier frecuencia, normalmente para accionar motores de inducción a velocidad variable, actualmente todos son electrónicos, pero también se fabrican algunos convertidores electromecánicos. Estos últimos son más caros, más grandes y necesitan más cuidados, pero a cambio suministran una CA más sinusoidal, suelen utilizarse a frecuencia fija, para alimentar motores especiales y aparatos que han sido diseñados para alimentarse con frecuencias de 60 o 400 Hz.

La finalidad de la modulación vectorial o control de campo orientado aplicado a las máquinas asincrónicas es lograr un tipo de control lineal, independizando a la corriente que produce el flujo magnético, de la corriente que produce el Par del motor. Para lograr esto, debido a que las máquinas asincrónicas no poseen dos bobinados desacoplados, se recurre a crear una referencia circuital ficticia y equivalente, de dos bobinados dispuestos en cuadratura (a 90° eléctricos) en el estátor, en reemplazo de los tres bobinados reales.

Se consigue transformar así el sistema trifásico de corrientes estatóricas en un sistema bifásico de corrientes en cuadratura, no estacionario, que gira sincrónicamente con el campo magnético del rotor.

En consecuencia estas dos corrientes representan a los dos bobinados desacoplados y por lo tanto podrán controlarse en forma independiente. En este nuevo sistema de referencia las dos corrientes estatóricas son procesadas como vectores rotantes, de ahí el nombre de Control Vectorial o Modulación del Vector Espacial (SVM) o Control de Campo Orientado (FOC).

Existen dos tipos de control de campo orientado:

• El control vectorial directo, el cual se mide a través de sensores de efecto Hall o bobinas en el estátor o bien se estima a partir del modelo del motor y la medida de la tensión y la corriente en el estátor.
• El control vectorial indirecto, prescinde de medir o estimar el vector flujo del entrehierro, se hace imponiendo desde control el valor de flujo y par. El cálculo del controlador dependerá de los parámetros de la máquina, siendo el parámetro dominante a considerar la resistencia del rotor, la cual se puede calcular por varios métodos.

En el control directo de par ofrece una respuesta muy rápida del par y buen comportamiento dinámico. Se calculan los valores instantáneos del par y del flujo a partir de las variables del estátor de la máquina.

El par y el flujo se controlan directamente y de forma independiente mediante la sección óptima de los estados de conmutación del inversor. Los valores se comparan con la referencia y genera un error.

El error entra en un controlador y genera una señal lógica que modifica el vector espacial de la tensión del inversor para que adopte el valor más idóneo. Así obliga al vector de flujo del entrehierro a variar según el valor de referencia.

El par motor se controla con la rotación del vector del flujo del estátor utilizando estados de conmutación adecuados. En el mismo tiempo se controla la magnitud del vector de flujo del estator de la misma manera, es decir, con la utilización de estado de conmutación del inversor. Este valor se puede cambiar según los requisitos de la consigna del flujo. Los valores calculados del par y del flujo se comparan con sus consignas, los errores entran en los controladores de histéresis. Sus salidas son señales lógicas de valores discretos ± 1,0 que se aplican a la tabla de conmutación que elige uno de los ocho estados posibles del vector espacial de la tensión del inversor.

Su principal diferencia con los otros métodos de control anteriores es que en el DTC no existe un modulador PWM separado, sino que la posición de los interruptores del convertidor de potencia se determina directamente por el estado electromagnético del motor. Para ello es necesario disponer de un modelo muy exacto del motor junto con una elevadísima capacidad de cálculo.