Mike Howell
Especialista de Soporte Técnico de EASA
Los avances en la electrónica de potencia en las últimas décadas han permitido el uso de una variedad de máquinas eléctricas rotativas que de otro modo no sería factible. Una de ellas se denomina máquina de reluctancia debido a la forma en la que dichas máquinas producen un torque electromagnético. Una máquina de reluctancia es una máquina eléctrica en la cual el torque se produce por la tendencia de su parte móvil a moverse a una posición donde se maximiza la inductancia del devanado excitado. En un artículo publicado en Currents en marzo de 2020, se trató el tema del motor de reluctancia conmutada (SRM), mientras que este artículo se centrará en el motor sincrónico de reluctancia (SynRM). Demos un vistazo a algunas de sus similitudes y diferencias.
| Resumen Máquinas de Reluctancia |
| Reluctancia Conmutada |
Sincrónica de Reluctancia |
| Rotor y estator con polos salientes |
Estator con diámetro interior liso excepto en la ranura |
| Bobinado de estator compuesto de un conjunto de bobinas, cada uno de los cuales está arrollado en un polo |
Estator con bobinado polifásico con bobinas con una distribución sinusoidal aproximada |
| La excitación es una secuencia de pulsos de corriente aplicados a la vez a cada fase |
La excitación es un conjunto de corrientes sinusoidales polifásicas equilibradas |
| Ref: SRM and their control by T.E. Miller |
Fundamentos de las SynRM
Los conceptos del motor sicrónico de reluctancia datan de finales de 1800, pero al igual que los motores de reluctancia conmutada, la tecnología de accionamiento (drive) fue clave para poder hacerlos prácticos, ya que esencialmente no son máquinas que arrancan por si solas cuando son conectadas directamente a la energía. Existieron algunas máquinas construidas a mediados y finales de 1900 que arrancaban a la energía que dependían de una construcción híbrida que incluía un devanado de jaula de inducción modificado en el rotor para el arranque. Pero estas máquinas no tenían un buen desempeño, por lo que no fueron atractivas a largo plazo.
Para aquellos que están acostumbrados a los motores trifásicos de inducción y a los motores sincrónicos que encontramos en los centros de servicio, los SynRM serán mucho más fáciles de entender que los SRM. A diferencia de los SRM, el estator y el rotor de los SynRM tienen el mismo número de polos. Pero al igual que un SRM, los rotores no tienen devanados y dependen de la saliencia (la reluctancia varía con la posición del rotor) para producir un par de reluctancia. En la Figura 1 se ve un SynRM de 4 polos, sin una de las tapas y sin la placa del extremo del rotor que muestra la sección de laminación del rotor. Este tipo de construcción de rotor es muy común en los diseños de las SynRM, aunque también analizaremos otras configuraciones.
Por lo general, los devanados del estator en los motores sincrónicos de reluctancia modernos no difieren de los que se encuentran en los motores trifásicos de inducción o en los motores sincrónicos convencionales con polos bobinados o de imán permanente. Es decir, los bobinados concéntricos o distribuidos (dos capas) son los más comunes, y como cualquier máquina síncrona trifásica, la velocidad de rotación (n) del motor sincrónico de reluctancia depende de la frecuencia de funcionamiento (f) y del número de polos del rotor (p). Por ejemplo, para un SynRM de 4 polos (p) con una frecuencia de operación (f) de 60 Hz, la velocidad de operación será:
La mayoría de los SynRM fabricados actualmente son máquinas trifásicas, ya que esto permite usar estatores de motores de inducción y tecnologías de accionamiento (drives) estándar que utilizan control de campo orientado (vector). Pueden operar en un amplio rango de velocidades y se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, que incluyen: Extrusoras, mezcladoras, trituradoras, trefiladoras, bombas, ventiladores y compresores.
Dado que los SynRM pueden utilizar los estatores de un motor de inducción convencional, son fáciles de fabricar. Además, sin pérdidas en el devanado del rotor, los diseñadores pueden lograr una mayor densidad de torque que en las máquinas de inducción convencionales. Históricamente, algunos diseños sufrían de saliencia y robustez mecánica del rotor inadecuadas. Las prácticas de diseño modernas, que utilizan herramientas como el análisis de elementos finitos, han ayudado con ambos problemas. La mayoría de los SynRM tendrán entrehierros más pequeños que las máquinas tipo jaula de ardilla comparables debido a los desafíos de diseño para lograr un factor de potencia aceptable. Dependiendo del fabricante, esto puede afectar las tolerancias mecánicas.
Configuración del Rotor de los SynRM
El tipo de rotor de la Figura 1 es común en la producción de máquinas industriales, pero existen otras topologías utilizadas en las SynRM. Los tres tipos de diseños de rotor más comunmente empleados se muestran en la Figura 2, en la que se identifican los ejes directos (d) y en cuadratura (q). Tenga en cuenta que el término “axial” utilizado está describiendo la dirección de la laminación en relación con los ejes d y q más no la línea central del eje del motor.
l rotor de construcción transversal con saliencia simple que se muestra en la Figura 2 se usa normalmente en máquinas pequeñas de bajo costo donde el rendimiento no es crítico. La construcción de tipo axial es muy rara debido a los desafíos de fabricación. Como se mencionó anteriormente, la configuración más común en los motores industriales es la disposición transversal con barreras magnéticas. Este estilo puede fabricarse de manera similar a los rotores de inducción estándar y también se puede diseñar para obtener un alto rendimiento. En la actualidad, los fabricantes están produciendo SynRM por encima de 300 kW (400 hp) y la mayoría son máquinas de 4 polos. Si bien casi todos los fabricantes ofrecen paquetes motor SynRM-drive, existen otros drives estándar capaces de operar máquinas sincrónicas de reluctancia. Uno de los beneficios de esto es facilitar las pruebas dinámicas en el centro de servicio.
Característica torque-velocidad
Al igual que el motor de reluctancia conmutada, el torque producido por un SynRM es función de su saliencia, es decir, la diferencia entre la inductancia del eje directo y la inductancia del eje en cuadratura. La característica torque-velocidad de un SynRM es similar a la de una máquina de inducción que trabaja con un inversor de propósito definido. Como lo muestra la Figura 3, habrá una región de par constante y una región de potencia constante (debilitamiento de campo).
El punto (1) es la velocidad mínima permitida según las consideraciones de temperatura. El punto (2) es la velocidad mínima del rango de torque constante. Para algunas máquinas, el punto (1) y el punto (2) serán idénticos. El punto (3) es el punto base donde se definen el voltaje de placa, la velocidad, la potencia de salida, etc. El punto (4) es la velocidad máxima de operación basada en caballos de fuerza constantes. La región desde el punto (3) hasta el punto (4) también se denomina región de debilitamiento de campo o debilitamiento de flujo, y el torque es inversamente proporcional a la velocidad. A veces se muestra un rango adicional a velocidades aún más altas, donde el torque permitido es inversamente proporcional al cuadrado de la velocidad. El torque disponible en esta región extendida puede ser menor por varias razones, incluida la estabilidad del control y las características de la máquina.
Resúmen
Probablemente, el uso de las máquinas sincrónicas de reluctancia continuará creciendo en una gran variedad de aplicaciones y esto significa que habrá oportunidades de reparación para los centros de servicio. Así que veamos algunos consejos que vale la pena recordar: Por lo general, los devanados del estator de los SynRM no serán diferentes a los utilizados en los motores de inducción trifásicos de alambre redondo. Sin embargo, tenga cuidado al realizar cualquier cambio en los datos originales del devanado, ya que los cambios en la resistencia o inductancia del devanado pueden causar problemas en el arranque y / o el rendimiento.
Los rotores para las máquinas SynRM serán mecánicamente robustos y no tendrán devanados ni imanes permanentes a menos que sean algún tipo de máquina híbrida. Los ejes, rodamientos, carcasas y otros aspectos mecánicos de estas máquinas serán similares a las encontradas en otras máquinas rotativas comunes.
Los SynRM pueden utilizar un sensor de velocidad, aunque los esquemas de control sin sensores son mucho más comunes. Además, existen muchos drives estándar capaces de hacer funcionar los SynRM en el centro de servicio, por lo que en muchos casos, las pruebas dinámicas son factibles.
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