Conocer los fundamentos del motor de inducción trifásico y su control con SVPWM

Algunas ventajas, como el bajo coste, el diseño robusto y menos complejo y la facilidad de mantenimiento de los motores de CA, hacen que muchas operaciones industriales se realicen con accionamientos de CA en lugar de con accionamientos de CC. El motor de inducción de CA es un tipo especial de motor eléctrico con características y prestaciones típicas en cuanto a arranque, control de velocidad, protección, etc.

El rendimiento en una amplia gama de aplicaciones hace que los motores de inducción trifásicos sean responsables del 85% de la capacidad instalada en los sistemas de accionamiento industrial. Veamos los fundamentos de este motor y su técnica especial de control SVPWM.

Motor de inducción trifásico

El motor de inducción trifásico es una máquina eléctrica rotativa diseñada para funcionar con una fuente de alimentación trifásica. Este motor trifásico también se llama motor asíncrono. Estos motores de CA son de dos tipos: de ardilla y de anillo. El principio de funcionamiento de este motor se basa en la producción de un campo magnético giratorio.

construcción de un motor de inducción trifásico

Estos motores trifásicos constan de un estator y un rotor entre los que no hay conexión eléctrica. El estator y el rotor están construidos con materiales altamente magnéticos para reducir las pérdidas debidas a la histéresis y a las corrientes parásitas.

El armazón del estator puede construirse de hierro fundido, aluminio o acero laminado. El bastidor del estator proporciona la protección mecánica y el soporte necesarios para el núcleo laminado del estator, los devanados y otras disposiciones de ventilación. El estator está bobinado por devanados trifásicos superpuestos con un desplazamiento de fase de 120 grados e incrustados en láminas acanaladas. Los seis extremos de los tres devanados se llevan al exterior y se conectan a la caja de bornes para que estos devanados reciban energía de la alimentación principal trifásica.

Estos devanados están formados por hilos de cobre aislados con pintura e insertados en láminas aisladas y ranuradas. A todas las temperaturas de funcionamiento, esta pintura impregnada permanece rígida. Estos bobinados tienen una gran resistencia al aislamiento y a la atmósfera salina, a la humedad, a los vapores alcalinos, al aceite, a la grasa, etc. Según el nivel de tensión, estos devanados están conectados en estrella o en triángulo.

El rotor del motor de inducción trifásico es diferente para los motores de inducción de anillo y de jaula de ardilla. El rotor del tipo de anillo deslizante está formado por barras pesadas de aluminio o cobre acortadas en ambos extremos del rotor cilíndrico. El eje del motor de inducción se apoya en dos cojinetes en ambos extremos para garantizar la libre rotación dentro del estator y reducir la fricción. El motor de inducción consiste en una pila de chapas de acero con ranuras uniformemente espaciadas, que se insertan dentro de su circunferencia mediante varillas pesadas de aluminio o cobre sin aislar.

Un rotor de tipo anillo deslizante está formado por devanados trifásicos que se inician internamente en un extremo, mientras que los otros extremos se conducen hacia fuera y se conectan a anillos deslizantes montados en el eje del rotor. Para desarrollar un alto par de arranque, estos devanados están conectados a un reóstato con la ayuda de escobillas de carbón. Esta resistencia o reóstato externo sólo se utiliza durante el periodo de arranque. Una vez que el motor alcanza la velocidad normal, las escobillas se cortocircuitan y el rotor bobinado funciona como un rotor de jaula de ardilla.

Principio de funcionamiento del motor de inducción trifásico

• Cuando el motor se alimenta con una fuente de alimentación trifásica, el devanado trifásico del estator produce un campo magnético giratorio con 120 desplazamientos de magnitud constante que gira a velocidad sincrónica. Este campo magnético variable corta los conductores del rotor e induce una corriente según el principio de las leyes de inducción electromagnética de Faraday. Cuando los conductores del rotor se cortocircuitan, la corriente empieza a circular por estos conductores.
• En presencia del campo magnético del estator, los conductores del rotor se posicionan y así, según el principio de la fuerza de Lorenz, actúa una fuerza mecánica sobre el conductor del rotor. De este modo, todos los conductores del rotor ejercen una fuerza, es decir, la suma de las fuerzas mecánicas produce un par en el rotor que tiende a moverlo en la misma dirección que el campo magnético giratorio.
• La rotación del rotor también puede explicarse por la ley de Lenz, según la cual las corrientes inducidas en el rotor se oponen a la causa que las produjo, en este caso el campo magnético giratorio. Como resultado, el rotor comienza a girar en el mismo sentido que el campo magnético giratorio del estator. Si la velocidad del rotor es mayor que la del estator, no se induce corriente en el rotor porque la razón de la rotación del rotor es la velocidad relativa de los campos magnéticos del rotor y del estator. Esta diferencia de campo entre el estator y el rotor se llama deslizamiento. Por eso un motor trifásico se llama máquina asíncrona, por la diferencia de velocidad relativa entre el estator y el rotor.
• Como hemos dicho antes, la velocidad relativa entre el campo del estator y los conductores del rotor hace que éste gire en una dirección determinada. Por tanto, para producir la rotación, la velocidad del rotor Nr debe ser siempre inferior a la velocidad del campo del estator Ns, y la diferencia entre estos dos parámetros depende de la carga del motor.

La diferencia de velocidad o deslizamiento del motor de inducción de CA viene dada por

• Cuando el estator está parado, Nr=0; entonces el deslizamiento se convierte en 1 o 100%.
• Cuando Nr está a velocidad sincrónica, el deslizamiento es nulo; por tanto, el motor nunca funciona a velocidad sincrónica.
• El deslizamiento de un motor de inducción trifásico desde el reposo hasta la plena carga es de aproximadamente el 0,1% al 3%; por eso los motores de inducción se llaman motores de velocidad constante.

Control SVPWM de un motor de inducción trifásico

Los accionamientos basados en el inversor PWM se utilizan con mayor frecuencia para controlar los motores de inducción. En comparación con los accionamientos de frecuencia fija, estos convertidores PWM controlan tanto la magnitud de la tensión y la frecuencia de la corriente como la tensión aplicada al motor de inducción. Modificando las señales PWM aplicadas a las puertas de los interruptores de potencia, se varía también la cantidad de energía entregada por estos accionamientos para conseguir el control de la velocidad del motor de inducción trifásico.

Para controlar los motores trifásicos se utilizan varios esquemas de modulación de anchura de impulsos (PWM). Sin embargo, los más utilizados son el PWM sinusoidal (SPWM) y el PWM vectorial espacial (SVPWM). En comparación con el SPWM, el control SVPWM ofrece un nivel de tensión fundamental más alto y un contenido de armónicos reducido. Aquí hemos proporcionado una implementación práctica de este control SVPWM utilizando el microcontrolador 8051.

En el siguiente circuito, se utiliza un inversor de tres niveles para obtener tres tensiones de salida que dependen de la tensión del bus de CC. La fuente de alimentación monofásica se rectifica para proporcionar corriente continua a los circuitos del microcontrolador y del inversor. El microcontrolador 8051 está programado para producir señales SVPWM que se envían al CI del controlador de puerta.

El circuito inversor consta de seis MOSFET para producir una alimentación trifásica variable; se utilizan dos MOSFET para cada fase. Los puertos de estos MOSFET se conectan al CI controlador de puerta. Al recibir las señales PWM del microcontrolador, el controlador de puerta conmuta los MOSFET para producir una tensión de salida de CA variable. Por lo tanto, esta corriente alterna variable, con un cambio de tensión y frecuencia, varía la velocidad del motor.

Esta es la información básica sobre el motor de inducción de CA, con su construcción y principio de funcionamiento. Además, la técnica SVPWM para controlar la velocidad del motor tiene muchas ventajas sobre otras técnicas PWM, como hemos visto anteriormente. Si tienes alguna duda sobre la programación del microcontrolador para implementar la técnica SVPWM, puedes ponerte en contacto con nosotros comentando a continuación.

Créditos de las fotos:

• Motor de inducción de CA de wikimedia
• construcción de un motor de inducción trifásico mediante diseño electrónico
• Motores de inducción de anillo deslizante y de jaula de ardilla de tpub
• Principio de funcionamiento de un motor de inducción trifásico por blogspot