Por Mike Howell
Especialista de Soporte Técnico de EASA
Los motores de reluctancia conmutada (SRM), también conocidos como motores de reluctancia variable (VRM), tienen su origen a mediados de 1830. Estos motores fueron usados como motores de tracción ferroviaria. Sin embargo, la electrónica de potencia necesaria para controlar satisfactoriamente los SRMs, no fue patentada hasta comienzos de los 70´s. Esto implicaba una conmutación electrónica sincronizada con la posición del rotor. Los centros de servicio están notando un incremento en el número de SRMs que reciben para reparar y algunos de los técnicos no están familiarizados con su funcionamiento. Como cualquier otra máquina rotativa, un conocimiento básico de los principios de funcionamiento puede ayudar a detectar problemas y durante la reparación. Uno de los puntos más críticos para el personal del centro de servicios es entender de antemano que estas máquinas no pueden ser operadas sin un drive especial, el cual normalmente necesita ser suministrado por el usuario final o el fabricante.
La característica mecánica que distingue a un SRM es un rotor de polos salientes sin bobinados o con imanes permanentes (ver Figura 1). Los devanados de los SRMs son bobinas concentradas, arrolladas sobre un diente del estator y diseñadas para 3, 4 o 5 fases, haciéndolos robustos y resistentes a los fallos. Los diseños monofásicos y bifásicos sufren de alto rizado de torque y problemas en el arranque. Además, a diferencia de la mayoría de las máquinas eléctricas, el rotor y el estator de un SRM tendrán un número de polos diferente. El número de polos normalmente está diseñado por la relación entre los polos del estator y los polos del rotor. Por ejemplo, una máquina con 6 polos en el estator (N
s) y 4 polos en el rotor (N
r) será normalmente diseñada como una máquina 6/4.
Dos de las características más importantes para comprender el funcionamiento o el control de cualquier máquina rotativa son: La velocidad de giro y el torque. En un SRM, la velocidad de giro (n) depende de la frecuencia de operación (f) y del número de polos del rotor (Nr). Con lo cual, si tomamos el ejemplo de la máquina 6/4 a una frecuencia de 133.33 Hz, la velocidad de operación sería:
Para entender como un SRM produce torque, comencemos con una revisión de los circuitos básicos.
Analogía de Circuitos Básicos
Durante la introducción a los circuitos básicos, a menudo se usa una analogía con los circuitos básicos eléctricos (ver Figura 2). En este circuito eléctrico, el voltaje, también denominado fuerza electromotriz (FEM), impulsa una corriente (I), que está limitada por la resistencia total (R1+R2). En el circuito magnético, la fuerza magnetomotriz (FMM) impulsa un flujo magnético (Φ), que está limitado por la reluctancia total (Rnúcleo + Rentrehierro).
Note en el circuito eléctrico de la Figura 2 que si R
1 es más grande que R
2, la caída de voltaje a través de R1 también será máyor que la caída de voltaje en R
2. Esta misma relación se cumple en el circuito magnético. Si la reluctancia R
entrhierro es más grande que la reluctancia R
núcleo, la caída de la FMM debida a R
entrehierro será más alta que la caída de la FMM producida en R
núcleo. Como en un circuito eléctrico, el acero es mejor conductor de flujo magnético que el aire. Como se muestra también en la Tabla 1, note que tanto la resistencia de un conductor eléctrico como la reluctancia de una trayectoria magnética están determinadas por la longitud (ℓ), la sección transversal (A) y un factor basado en la fabricación de los materiales (ƿ para la resistividad eléctrica o σ para la permeabilidad magnética).
Inductancia
Para poder discutir de forma convencional la producción de torque en un SRM se requiere un concepto adicional. Asumiendo que un circuito magnético no está saturado, podemos definir la inductancia (L) en términos del número de vueltas del bobinado (N) y la reluctancia total del circuito magnético (Rtotal) asociada a este bobinado. La inductancia se mide en henrios (H) y la inductancia de un bobinado normalmente es más pequeña (mH).
A partir de esto, uno puede ver que una reluctancia alta da como resultado una inductancia baja y viceversa. Además, la inductancia cambia con el cuadrado de la vueltas del devanado: Un pequeño cambio en las vueltas produce un gran cambio en la inductancia.
Producción de Torque
Veamos una máquina práctica 6/4, con un bobinado trifásico y 6 polos en el estator y 4 polos en el rotor (ver Figura 3). Asumiremos que la máquina trabaja como motor y que gira en sentido anti-horario, aislando la fase del devanado que se muestra en rojo. Cuando los polos del estator se sitúan directamente entre dos polos del rotor, esto se denomina posición desalineada (ver Figura 4A). En dicha posición la inductancia es mínima y al energizar el devanado de la fase que se muestra, no se produce torque. Si el rotor está desplazado de la posición desalineada una distancia en sentido antihorario (ver Figura 4B), se producirá un torque que tiende a alinear el polo más cercano del rotor con el polo del estator energizado. La región sombreada en azul que se muestra aquí, se denomina zona de torque y este es el ángulo a través del cual se energizará el devanado de la fase que se muestra.
La posición mostrada en la Figura 4C se conoce como posición de alineamiento. En esta posición la inductancia es máxima y no se produce torque de reluctancia, ya que los polos están alineados. Tenga en cuenta que si este devanado de fase permanece energizado cuando el rotor pasa a través de la posición alineada como se muestra en la Figura 4D, el torque producido actuaría como torque de restitución, empujando el rotor hacia atrás en el sentido de las agujas del reloj, hasta que regrese a la posición de la Figura 4C. Por lo que justo antes que el rotor alcance la posición de alineamiento, el devanado de fase que se muestra será des energizado y el devanado de la fase que sigue en la dirección del giro será energizado a través de su zona de torque, continuando con el funcionamiento en la dirección antihoraria deseada. El torque promedio producido por el SRM a través de una zona de torque depende de la corriente en el devanado (i) y del cambio de inductancia (L
máx-L
min) a través del ángulo de barrido (ΔΘ). Este torque promedio se puede expresar como:
Una consideración importante es que, a través de la zona de torque la magnitud de la inductancia no es tan importante como el rango de inductancia. El rango de inductancia (Lmáx-Lmin) se denomina algunas veces como saliencia (saliency). Además, si el núcleo no está saturado, el torque es proporcional al cuadrado de la corriente. A diferencia de la mayoría de los bobinados de estatores, otra característica interesante de los SRM es que la polaridad de los devanados no afecta la dirección del torque.
l problema principal en el diseño de los SRM es el rizado del torque. Este es un problema significativo en los diseños monofásicos y bifásicos, pero puede ser un problema también con más fases. Para minimizar esto en las máquinas trifásicas, se debe escoger cuidadosamente el ancho de los polos. La Figura 5 demuestra como se reduce el rizado del torque a medida que el número de fases aumenta de tres a cinco. Esto es muy similar a aumentar más segmentos de colector por polo en una máquina de C.C.
Además de la reducción en el rizado del torque, usar cuatro o cinco fases tiene otra ventaja, ya que se pueden energizar múltiples fases durante cortos períodos de tiempo. Sin embargo, a medida que aumenta el número de fases, el costo y la complejidad del drive también aumentan. El número de polos del estator (Ns) debe ser múltiplo del número de fases. Algunas configuraciones comunes se muestran en la Tabla 2. Otras opciones son posibles, pero a menudo estas combinaciones se encuentran en la práctica.
Para energizar el devanado de fase apropiado, mientras el rotor está dentro de su zona de torque como se muestra en la Figura 5, se debe conocer con gran precisión la posición del rotor. Esto se logra por lo general. empleando sensores de posición del rotor como codificadores o sensores de efecto Hall, que aumentan los costos y disminuyen la confiabilidad. El control sin sensores es de gran interés para los diseñadores de SRMs. Un enfoque común consiste en usar la inductancia y la corriente del estator para estimar el enlace de flujo, pero operar con el núcleo en saturación o cerca de ella, hace que esto se convierta en un desafío.
Este material debería ser útil como introducción a los principios básicos de funcionamiento del motor de reluctancia conmutada, incluida la velocidad y el par. Sin embargo, revisemos algunos consejos para tratar con estas máquinas en el centro de servicio.
- Recuerde que el número de polos del estator (ranuras) será múltiplo del número de fases y que el número de polos del estator y el número de polos del rotor será diferente.
- Si es necesario rebobinar, reemplace los devanados tal como los encontró. La resistencia del devanado, la resistencia de aislamiento, la prueba de hipot y la prueba de impedancia (o prueba de impulso) son razonables para evaluar el devanado.
- En ausencia de las instrucciones del fabricante, los procedimientos mecánicos usualmente más utilizados para la reparación de motores de inducción son aplicables a los SRMs, por ejemplo, rodamientos, ajustes.
- Un SRM no se puede operar sin un drive especial, el cual normalmente debería ser suministrado por el usuario final o el fabricante.
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