Variadores de frecuencia (VFD) se han generalizado para el control de la velocidad de los motores debido a su capacidad para ofrecer una regulación flexible de la velocidad, una mayor eficiencia energética y una buena relación coste-eficacia. Aunque existen motores especialmente diseñados para el funcionamiento a frecuencia variable, la sencillez y el bajo coste de los motores asíncronos estándar los convierten en una opción atractiva para muchas aplicaciones industriales.
Sin embargo, utilizar un VFD para controlar la velocidad de un motor de inducción estándar plantea varios retos. Este artículo explora los efectos clave del control de velocidad basado en VFD en motores asíncronos ordinarios y proporciona información sobre la eficiencia, los mecanismos de pérdida y las consideraciones de diseño.
¿Por qué utilizar motores de inducción estándar con variadores de frecuencia?
Uno de los principales atractivos de los VFD es su compatibilidad con los motores asíncronos convencionales. Estos motores presentan estructuras sencillas, costes de fabricación más bajos y una gran durabilidad, lo que los hace ideales para la mayoría de las aplicaciones de velocidad variable de uso general.
Si los VFD sólo pudieran utilizarse con motores especialmente diseñados, las ventajas inherentes de la tecnología VFD (sencillez, robustez y rentabilidad) se verían mermadas.
Salida no sinusoidal y sus efectos en el rendimiento motor
Cuando un variador de frecuencia regula la velocidad del motor, la forma de onda de la tensión de salida no es una onda sinusoidal perfecta. En su lugar, suele parecerse a una señal escalonada o modulada por ancho de pulsos (PWM), lo que introduce componentes armónicos que afectan al rendimiento del motor de las siguientes maneras:
1. Aumento de las pérdidas de cobre
Pérdidas de cobre en el estator:
Las corrientes armónicas inducidas en los devanados del estátor aumentan las pérdidas en el cobre (pérdidas I²R). Esto es especialmente notable cuando los armónicos provocan corrientes parásitas y saturación magnética, lo que se traduce en mayores requisitos de corriente de excitación y, por tanto, en un aumento de la corriente total consumida por el motor.
Pérdidas de cobre en el rotor:
Las barras del rotor, especialmente en los rotores de jaula de ardilla de ranura profunda, experimentan pérdidas significativamente mayores debido al efecto piel en las frecuencias armónicas. Por ejemplo, con una frecuencia fundamental de 50 Hz, los armónicos quinto y séptimo generan corrientes de rotor a 300 Hz y 600 Hz, respectivamente. A frecuencias tan altas, la resistencia de CA del rotor aumenta drásticamente, a veces hasta 3,7 veces la resistencia de CC, lo que provoca más pérdidas de energía y generación de calor.
2. Aumento de las pérdidas de hierro
La presencia de armónicos también provoca elevadas pérdidas de hierro (pérdidas en el núcleo) en el motor, ya que los campos magnéticos variables en el tiempo generan corrientes parásitas adicionales y pérdidas por histéresis. Mientras que el flujo magnético primario sigue basándose en la forma de onda fundamental, los flujos armónicos contribuyen a aumentar el calentamiento y a reducir la eficiencia del motor.
Incluso con una forma de onda típica de 6 pasos de un variador de frecuencia, el flujo magnético máximo en el entrehierro del motor puede ser 10% mayor que con una onda sinusoidal pura, aunque el aumento real de la pérdida de hierro es relativamente modesto.
3. Pérdidas por dispersión adicionales
Fugas en los extremos del devanado y corrientes de Foucault:
Los armónicos de alta frecuencia también aumentan las pérdidas parásitas debido a las corrientes parásitas adicionales en los devanados finales del estator y las tapas finales del motor. Estas pérdidas son más pronunciadas en motores con diseños de ranura cerrada o ranura sesgada.
Flujo de fuga de ranura sesgada:
A medida que el ángulo de fase entre los campos magnéticos del estator y del rotor se desplaza bajo la influencia armónica, el flujo de fuga de la ranura sesgada provoca un calentamiento localizado, especialmente cerca de los devanados extremos y los dientes del núcleo del motor.
Conclusión: ¿Debería utilizar un motor estándar con un variador de frecuencia?
Aunque es posible utilizar un motor asíncrono estándar con un VFD, es fundamental conocer los problemas térmicos y de eficiencia añadidos que plantea el contenido de armónicos. Cuando el control preciso de la velocidad, la alta fiabilidad y la eficiencia energética son prioridades, puede merecer la pena considerar motores con clasificación VFD o tomar medidas como añadir filtros, reducir la potencia del motor o actualizar el aislamiento para mejorar la longevidad y el rendimiento.
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