Control de la velocidad mediante cascada subsincrónica

Control de la velocidad mediante cascada subsincrónica

¿Qué es la cascada subsincrónica?

La cascada subsincrónica se denomina así dado que toda la regulación se efectúa siempre por debajo de la velocidad de sincronismo. La energía de deslizamiento del rotor no se disipa en calor o de forma térmica, sino que es devuelta a la red. En esta imagen se muestra un esquema básico.

Su funcionamiento es el siguiente: se pone en marcha el motor de anillos rozantes, con el arrancador A (grupo de resistencias rotóricas), hasta alcanzar la velocidad mínima de funcionamiento elegida. Llegado a este punto entra el grupo de diodos G, el cual rectifica la intensidad rotórica. La bobina L produce un aislamiento y el inversor W trabaja siempre en régimen de conmutación natural, como si fuese un regulador de velocidad de continua, pero en fase de regeneración, con un ángulo de disparo de tiristores entre 90º y 150º.

¿Cómo se controla la cascada subsincrónica?

El control, en resumen, se realiza de la siguiente forma: la tensión inducida en el rotor implica que los devanados del rotor deberán cortar a una cierta velocidad el campo magnético para que en ellos se genere dicha tensión (la velocidad del campo es fija, ya que el estator se alimenta a frecuencia constante). Por lo que, variando el ángulo de disparo del inversor W, se modifica automáticamente la velocidad del motor. En este sistema de regulación, cuanto menor sea la velocidad mínima de trabajo respecto a la velocidad de sincronismo ns, menor es el margen de regulación, pero por contrapartida, menor es la potencia necesaria de los convertidores electrónicos que intervienen.

Resulta particularmente interesante y económico cuando se requiere una velocidad mínima de trabajo mínima, entre 50% y 75% de la velocidad nominal, y es muy interesante en grandes potencias del orden de algunos MW. Para aplicaciones de grandes bombas y ventiladores es útil dentro del escalado de velocidades citado anteriormente; fuera de él ya pasaríamos a la regulación de frecuencia.

Desventajas

Conviene recordar que este sistema, frente al de regular por resistencias rotóricas, tiene una pequeña desventaja: es que así como en las resistencias las corrientes rotóricas son puramente senoidales, en la cascada no, ya que entran componentes no lineales, con lo que se producen corrientes armónicas en la conmutación (5º, 7º, 11º). Por lo tanto, para una igualdad de producción de par, la cascada subsincrónica comporta un incremento de consumo de la intensidad eficaz rotórica en un 15%, respecto a la regulación por resistencias rotóricas. Esto se traduce en una disminución del par motor aproximadamente en un 10%.

El método 3 es el de variar frecuencia y tensión a la vez; es el caso que más nos interesa, bajo el punto de vista de los variadores. Se genera un grupo de curvas para-velocidad en el motor asíncrono con un flujo de estator constante, eligiendo como parámetro la frecuencia de alimentación del estator. En la siguiente imagen se observa el abanico de curvas par-velocidad: se puede obtener cualquier velocidad con un deslizamiento muy pequeño y casi constante en toda la regulación del motor, de forma que este es desde un punto de vista teórico el método más práctico para efectuar de forma continua y más amplia, la variación de velocidad en el motor asíncrono.

Donde:

M/Mn = relación del par real respecto al nominal del motor.

M = curva de par nominal.

Mk = curva de par de pico o máximo.

Se trata de variar la frecuencia y la amplitud de la tensión para asegurar el flujo magnético constante, por lo que el motor está dispuesto para proporcionar el par nominal o máximo constante: esta zona es la llamada de trabajo a par constante o potencia variable, hasta alcanzar la velocidad nominal del motor. Más allá de esta zona se puede aumentar la frecuencia, pero no la tensión máxima, por lo que el flujo decrece con el incremento de la velocidad y, por consiguiente, también decrece el par del motor. Las curvas par-velocidad en esta zona se denominan a potencia constante o decrecimiento de flujo. El principal problema que aparece en el control de motores asíncronos es que, para mantener el flujo constante tenemos que controlar la corriente del estator y la del rotor, lo que constituye un inconveniente grave, ya que las magnitudes eléctricas rotóricas no son externamente accesibles. En un principio, se pensó en usar bobinas o sondas Hall introducidas en el entrehierro, para medir el flujo y ejercer correcciones sobre él.

Esta solución fue descartada por el coste y la complejidad técnica que requería. Dada esta dificultad de medición directa del flujo, se optó entre varias posibles soluciones:

  • Determinación mediante cálculo a partir de otras magnitudes de más fácil medición (tensión y corriente del estator), deduciendo de esta forma los valores de resistencia e inductancia del estator y el rotor, y el flujo magnético.

  • Vectorial lazo abierto. Asegurarse de manera indirecta la constancia del flujo (método de regulación indirecta). El fundamento de esta solución está en variar coordinadamente la frecuencia y la tensión, para que cualquiera que sea el par exigido, el flujo de la máquina sea constante.

  • Vectorial lazo cerrado por medición real de la velocidad del rotor.