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El uso de este tipo de equipos combinados con variadores de frecuencia de altas prestaciones permite construir accionamientos de características cercanas a los servomotores

Motores asíncronos vectoriales

Alfred Santiago, Gerente de Mecánica Moderna09/10/2008

9 de octubre de 2008

Mecánica Moderna

¿Qué tipo de motor instala usted con su variador de frecuencia? Si formulamos esta pregunta a la mayoría de ingenieros, la respuesta en muchos casos será simplemente: “Un motor asíncrono normal y corriente”. Pocos técnicos son conscientes de que el motor de inducción convencional, ideado para su conexión directa a red, no es el adecuado para ser usado con convertidores de frecuencia. Es como equipar un coche deportivo con neumáticos de vehículo utilitario. Veamos por qué.

Hipótesis de diseño del motor asíncrono convencional

Variadores VFD-EL
Variadores VFD-EL.

Un motor de corriente alterna (AC) asíncrono convencional ha sido diseñado y construido considerando en todo momento que va a funcionar conectado directamente a la red eléctrica. Por tanto:

· Se ha pensado en una cierta tensión (por ejemplo, 230 Vac, 400 Vac) y en una determinada frecuencia fija (en España, 50 Hz). Se ha supuesto por tanto que la relación tensión / frecuencia, que a la postre determina entre otras cosas el par disponible, va a ser fija y constante.

· La refrigeración de un motor asíncrono convencional suele provenir del propio motor mediante un ventilador acoplado al rotor (autoventilación), ya que se supone que el rotor estará girando siempre a la velocidad nominal o cerca de ella, la cual sería suficiente para evitar el calentamiento excesivo del motor.

· Los aislamientos entre bobinados se han dimensionado para baja frecuencia, la única que se espera encontrar en la red.

· No se suponen requerimientos especiales en cuanto a aceleración angular. El motor girará a una sola velocidad. Por tanto el rotor no se ha diseñado para baja inercia.

Todas estas hipótesis son falsas cuando se utiliza variador de frecuencia.

Problemas derivados del uso de motores convencionales con variadores de frecuencia

A bajas velocidades, la autoventilación es claramente insuficiente para el régimen permanente a bajas revoluciones, al menos si se quiere mantener el par nominal, lo que nos obliga a instalar ventilación forzada exterior (dificultades de montaje...) o bien a sobredimensionar el motor. Recordemos que en la práctica el factor térmico suele ser el que limita la potencia de utilización del motor.

A altas velocidades, por encima de la velocidad nominal, los motores asíncronos entran en un cierto rango de funcionamiento en el que el par cae a medida que sube la velocidad, pero la potencia final se mantiene: es la llamada zona de potencia constante.

Lamentablemente, este rango de velocidades está a su vez muy limitado. Si continuamos incrementando la velocidad, la potencia disponible deja de mantenerse constante para empezar a caer rápidamente.

A bajas prestaciones dinámicas, el diseño mecánico del rotor no ha sido optimizado para presentar una baja inercia. Ello hace que las aceleraciones angulares máximas se vean muy limitadas.

Los armónicos presentes en la salida de potencia del convertidor son ricos en muy altas frecuencias y con el tiempo acaban degradando los bobinados, cuyos barnices de aislamiento no están preparados a largo plazo para un bombardeo permanente de transiciones abruptas de tensión.

En el caso de aplicaciones en lazo cerrado, el motor convencional no suele incorporar de fábrica ningún elemento de medición de velocidad o posición (encoder, resolver o dinamo tacométrica). En las aplicaciones con control de velocidad en lazo cerrado acaba siendo el técnico quien tiene que instalarlo, operación no siempre fácil y que comporta ciertos riesgos de complicaciones en la puesta en marcha.

Ventajas de los motores vectoriales

Los llamados motores vectoriales, como los DriveAX (IP54) y Tetravec (IP23) de la familia Powertech , fabricados por Comer, han sido concebidos y fabricados teniendo presente su utilización con variadores de frecuencia.

La carcasa está construida con chapa magnética, lo que minimiza las pérdidas magnéticas en el entrehierro. Gracias a ello las prestaciones de estos motores a velocidades por encima de la nominal son muy superiores a los asíncronos convencionales. Incorporan de fábrica la ventilación forzada, a elegir entre radial (como en el Powertech Tetravec) o axial (como en el Powertech DriveAX). Los bobinados se han diseñado para soportar a largo plazo los armónicos de muy altas frecuencias, así como altas temperaturas. Por los motivos anteriores, son motores que trabajan con un rendimiento excelente en un amplio rango de frecuencias del convertidor, tanto bajas como altas. El rango de funcionamiento a potencia constante es conocido y está disponible en catálogo. Por otra parte, al no tener que sobredimensionar el motor, normalmente se puede elegir una talla bastante menor a la necesaria con motores convencionales sobredimensionados, especialmente en el caso de la gama Tetravec. En la mayoría de modelos se incluye un encoder ya montado de serie. Opcionalmente se puede montar un resolver. Además, gracias a su diseño alargado, la inercia del rotor del DriveAX y sobre todo del Tetravec es notablemente inferior a la de los motores asíncronos convencionales. Ello le otorga un excelente comportamiento dinámico.

Estos motores incorporan sondas térmicas para su protección, ya que el exceso de temperatura es su principal enemigo. Además, la velocidad nominal puede elegirse a voluntad entre un muy amplio abanico de valores, sin estar limitados a los pocos valores típicos derivados de la frecuencia de red y el número de polos (1.500 rpm, 3.000 rpm...).

Máquina equipada con motores asíncronos vectoriales Powertech DriveAX
Máquina equipada con motores asíncronos vectoriales Powertech DriveAX.

Conclusiones

Mientras los motores de inducción convencionales son los más adecuados para aplicaciones a velocidad fija mediante conexión directa a red, los motores óptimos para su uso con variador de frecuencia son los motores asíncronos vectoriales.

Su coste es superior al de los motores asíncronos convencionales de la misma potencia nominal, pero dentro de un orden de magnitud similar, y en general queda claramente compensado con sus ventajas técnicas. En cualquier caso hay que considerar los costes totales del motor convencional: la instalación posterior de ventilación forzada o de encoder / tacodinamo requiere unos materiales y una mano de obra que también se deben contabilizar. Asimismo hay que tener en cuenta que muchas veces se escoge un motor convencional de potencia nominal superior a la realmente requerida, por culpa de su pobre comportamiento a velocidades diferentes a la nominal. Esto no es necesario si se usan motores vectoriales, con lo que esta elección suele ser la realmente económica.

El uso de este tipo de motores combinados con variadores de frecuencia de altas prestaciones (como el convertidor vectorial Delta VFD-V) permite construir accionamientos de características cercanas a los servomotores. Esta alternativa es tanto más económica cuanto mayor es la potencia a considerar, ya que el coste del conjunto ‘servomotor + servodrive’ crece mucho más rápidamente con la potencia que el del conjunto ‘motor asíncrono vectorial + variador vectorial’.