¿QUÉ EFECTOS SE PRODUCEN EN EL MOTOR ELÉCTRICO AL VARIAR LA VELOCIDAD DE GIRO?
Para
ver qué efectos se producen en el motor eléctrico al variar la velocidad de
giro se ha recurrido a diversos artículos de investigación sobre la variación
de velocidad de giro.
GRÁFICO DE VARIACIÓN DE RENDIMIENTO DE UN MOTOR ELÉCTRICO
En
primer lugar se ha buscado la gráfica que muestre la variación del rendimiento
en función del porcentaje de carga para un motor eléctrico (de igual aspecto a
la que el fabricante establece para su motor). En la gráfica se observa que el
rendimiento se hace máximo con la
velocidad nominal del motor. Para otras velocidades, tanto inferiores como
superiores, el rendimiento disminuye. Para tener un rendimiento elevado se hace
inviable hacer trabajar al motor a menor régimen de giro.
¿QUÉ ES UN MOTOR SINCRONO?
El
motor que se ha elegido para este estudio es el motor eléctrico que se
seleccionó para el vehículo eléctrico, es decir, un motor síncrono de imanes
permanentes. Las máquinas síncronas tienen la velocidad de rotación constante y
dependiente únicamente de la frecuencia.
n=(60*frecuencia)/pares de polos
Las
máquinas síncronas están sometidas al principio de reciprocidad
electromagnética, es decir, tienen la posibilidad de funcionar tanto como
generador como motor. El motor eléctrico síncrono posee una curva de par-ángulo
de potencia diferente a la de un motor eléctrico asíncrono. La curva potencia y
el par en los motores síncronos es la misma porque están regidas por la
siguiente ecuación:
Potencia=Par * velocidad de giro
POTENCIA ACTIVA DE UNA MÁQUINA SINCRONA EN FUNCIÓN DEL ÁNGULO DE POTENCIA
La
fotografía ha sido extraída del libro “Máquinas eléctricas” de Jesús Fraile
Mora. La fotografía muestra la potencia activa de una máquina síncrona en
función del ángulo de potencia y toma como positiva la potencia activa cuando
la máquina suministra energía a la red.
La
figura anterior ha sido extraída de la web, tuveras.com, como se puede ver en
la imagen que el par no es función de la velocidad ya que la velocidad de giro
es constante.
La
curva de par tiene forma sinusoidal y para la estabilidad del motor o generador
requiere que el desplazamiento polar o ángulo eléctrico sea inferior a δ = π/2.
Si se excediese ese ángulo, tanto para la función de generador como la de
motor, la máquina síncrona perdería el sincronismo. La pérdida del sincronismo
se produce porque un aumento del par resistente provoca una caída de
potencia y un aumento del desfase. Por
lo tanto en la gráfica de variación de rendimiento en una máquina síncrona no
puede exceder del 100% de carga.
En
segundo lugar se ha considerado si el par máximo del motor puede vencer el
máximo par resiste que ejerza el vehículo. El motor síncrono que se ha seleccionado posee 191 N*m de par máximo. El par resistente en
las ruedas del vehículo es aproximadamente 1800 N*m. Debido a la existencia de
la caja de cambios en el eje del motor llegan 186 N*m. Por lo tanto el motor eléctrico
síncrono tiene la capacidad necesaria para empujar al vehículo en el momento
más desfavorable.
RENDIMIENTO DE UN MOTOR ELÉCTRICO
Para
conseguir un elevado rendimiento se debe elegir un motor acorde con el par
resistente porque un par resistente elevado implica un motor de grandes
dimensiones y por consecuencia gran peso, es decir, mayor par resistente y
mayor energía para desplazarlo. Lo contrario ocurre con un par resistente de
pequeñas magnitudes.
El
variador de frecuencia sería el dispositivo adecuado para lograr variar la
velocidad de giro del motor eléctrico síncrono. Estos dispositivos modifican el
voltaje y la frecuencia que se suministra al motor para variar la velocidad de
giro del motor. Esto proceso nos permite controlar la velocidad de giro en un
rango amplio de velocidades, desde cero hasta el doble de la nominal
aproximadamente, con el par máximo y con un rendimiento elevado.
Al
variar la frecuencia y la tensión en la misma proporción por debajo de los
valores nominales la curva de par se desplaza hacia la izquierda sin deformarse
y manteniendo el par máximo. Al desplazar la curva hacia la izquierda el
deslizamiento se mantiene constante por lo que el rendimiento no sufre grandes
modificaciones permitiéndonos alcanzar los diferentes puntos de funcionamiento
del vehículo eléctrico.
VARIADOR DE FRECUENCIA EN UN MOTOR ELÉCTRICO
El
variador de frecuencia sigue la expresión de la fuerza electromotriz:
E=4.44 * k*N*f*flujo
E:
fuerza electromotriz inducida
N:
número de espiras
k:
factor de devanado
f:
frecuencia
La
expresión se simplifica puesto que una vez constituido el motor ni las espiras
ni el factor de devanado se puede modificar.
E=cte*f*flujo
El
variador de frecuencia también puede aumentar la velocidad de giro por encima
de la nominal de la siguiente forma:
La
caída de par que se observa en la gráfica se debe a que la ecuación anterior
debe cumplirse por lo que si se aumenta la frecuencia para aumentar la
velocidad de giro con una E=cte el flujo cae provocando la reducción del par.
Cabe destacar que a revoluciones próximas a cero la potencia debe aumentarse
ligeramente debido a que las pérdidas son grandes en comparación con potencia
entregada.
RENDIMIENTO DE UN VARIADOR DE FRECUENCIA
Un
variador de frecuencia convencional tiene rendimientos entorno al 97% y no produce
pérdida de rendimiento en el motor. Debido a estos datos se concluye que el
motor eléctrico síncrono en combinación con el variador de frecuencia logra
alcanzar todos los puntos de funcionamiento con un rendimiento superior al de
la caja de cambios.
Ahora
bien, si no se añadiese caja de cambios al vehículo el motor necesitaría un par
de 1800 N*m porque el variador de frecuencia no eleva el par máximo del motor.
Esto implica motores de grandes dimensiones y de elevado peso por lo que
necesitaríamos mucha energía para desplazarlo. En cambio con la caja de cambios
solo necesitamos aportar un par de 186 N*m aligerando el peso del vehículo y la
energía necesaria para desplazarlo por lo que se conseguiría un menor
requerimiento de energía para desplazar el vehículo. Además se pueden utilizar
marchas de multiplicación.
