Los motores de inducción se comportarán de manera diferente dependiendo de la construcción que tenga. Las principales clasificaciones y características de motores son las siguientes:

Estas características están ligadas a la construcción de la máquina, por lo que una vez que se ha construido el motor, son imposibles de cambiar. El primer paso para el correcto control de un motor de inducción es su correcta selección.

Se deben analizar los requerimientos de la aplicación en particular. ¿Qué se desea?

• ¿La carga arrancará muchas veces al día?
• ¿La carga se mantendrá funcionando la mayor parte del día, o varios días seguidos?
• ¿La carga es pesada o ligera?

Después de considerar cómo va a estar funcionando la carga, el primer paso para el control del motor es la selección del mismo.

Cuando los motores de inducción se empezaron a implementar, el control de velocidad era prácticamente inexistente y estos funcionaban casi todo el tiempo cerca de sus parámetros nominales de operación. Sin embargo, en la segunda mitad del siglo XX, con el desarrollo de la tecnología en transistores y semiconductores, se desarrolló la electrónica de potencia y se abrieron las puertas para el control de los motores de inducción, lo cual ha incrementado exponencialmente la versatilidad en sus aplicaciones. A continuación se muestra un motor de inducción utilizado como parte del tren motriz de un Toyota Prius.

Figura 1. Motor eléctrico de un Toyota Prius.

Imagen obtenida de http://www.myprius.co.za/technical.htm solo para fines educativos.

Las técnicas de control de velocidad para un motor de inducción son principalmente:

1. Control mediante cambio de número de polos: Difícil es implementar ya que requiere cambiar las conexiones de la máquina.
2. Control mediante cambio de la frecuencia: La velocidad de giro de un motor de inducción depende directamente de la frecuencia de la línea de la cual se alimenta.
3. Control mediante magnitud de tensión: El par producido por un motor de inducción está relacionado directamente con el voltaje de línea aplicado.

Las dos últimas técnicas de control han sido en gran parte posibles debido a la introducción de la electrónica de potencia en los llamados variadores de velocidad o como se les conoce popularmente, drives.

Estos funcionan produciendo una serie de pulsos, que mediante la modulación de ancho de pulso (PWM por sus siglas en inglés de Pulse Width Modulation) le entregan una señal al motor que puede tener valores variables de frecuencia y amplitud y por tanto se puede controlar de una forma muy precisa la velocidad de giro del motor, así como el par disponible en flecha.

Figura 2. Controlador de frecuencia variable para un motor de inducción.

Imagen obtenida de http://en.wikipedia.org/wiki/File:Small_VFD_2.jpg solo para fines educativos.

Estos drives pueden tener un gran número de programas y funciones que hagan que el motor se comporte exactamente de la forma en que quieres. En la mayoría de las aplicaciones modernas, los motores se controlan con drives, incluyendo todos los componentes que encontrarás en un automóvil moderno.

Antes de que existieran los controladores de frecuencia variable, el arranque de un motor de inducción podía realizarse mediante circuitos que operaban por pasos limitando la corriente de arranque de un motor.

Es importante recordar que al arrancar, un motor de inducción podrá demandar entre 6 y 10 veces la corriente nominal. De modo que los circuitos de alimentación (cables, fusibles, etcétera.) deberán estar preparados para esta eventualidad.

Un ejemplo de este tipo de circuitos es el siguiente:

Figura 3. Circuito de arranque de un motor de inducción.

Imagen tomada del libro de Máquinas eléctricas de Chapman, capítulo 7. Fig. 7-38

El procedimiento de arranque de ese circuito es el que sigue:

1. El operador presiona el botón de Start, y se energiza el relé M, que manda una señal a los contactores M1,M2, M3, M4 y M5 para cerrarse.
2. Al estar cerrado el contactor M5, ya se puede soltar el botón start y el circuito seguirá energizado.
3. La corriente empieza a fluir desde la fuente hacia el motor, pero lo hace a través de una resistencia, por tanto, disminuye la magnitud de la corriente de arranque.
4. El relé 1TD es un relé con retraso de tiempo, y tras un tiempo predefinido, energizará el contactor 1TD, que se cerrará, ocasionando dos cosas:
   1. El contactor 1TD del circuito de potencia se cerrará, haciendo que la resistencia efectiva sea más pequeña, y por tanto el voltaje aplicado al motor sea un poco mayor que al arranque.
   2. El contactor 1TD del circuito de control se cerrará, energizando el relé 2TD.
5. El proceso descrito en el inciso 4 se repetirá para los relés y los contactores 2TD y 3TD.
6. Al estar energizado 3TD, la resistencia quedará en corto, y por tanto, el voltaje pleno de la fuente aparecerá en el motor, que ahora se encuentra girando en estado estable a su corriente nominal.

Esta es la forma en que los motores de inducción solían ser arrancados antes de la introducción de la electrónica de potencia. El interés principal de estos circuitos es reducir la magnitud de la corriente de arranque del motor, y una vez que este se encuentre en estado estable, dejarlo a voltaje pleno para que su funcionamiento sea normal.

En la actualidad, estos circuitos son inexistentes (aunque aún se pueden encontrar en instalaciones muy viejas) y han sido reemplazados por variadores de frecuencia de estado sólido.

Estos variadores, al tener la facultad de controlar tanto la frecuencia como la magnitud del voltaje aplicado en las terminales del motor, pueden hacer que este arranque con una curva de corriente muy suave, además de tener la facultad de controlar el par de arranque dependiendo de la carga. Esto ha incrementado dramáticamente la eficiencia de los motores.

Los motores de inducción también pueden ser arrancados a voltaje pleno, sin que esto represente ningún problema para el mismo. Solo se debe planear el sistema de conexiones y alimentación para estar preparado para la corriente de gran magnitud (pero corta duración) que circulará por el mismo.

Los variadores de frecuencia modernos tienen una enorme flexibilidad. Pueden ser utilizados para sistemas monofásicos o trifásicos, y pueden variar la frecuencia de alimentación del motor desde cero hasta varios múltiplos de la frecuencia de entrada (60 Hz para México) y variar el voltaje en terminales del motor desde cero hasta su tensión nominal. Esto permite modificar el comportamiento del motor en términos de velocidad y de par rotacional.

La técnica más utilizada por estos variadores de velocidad es la conocida como Modulación de Ancho de Pulso (PWM por sus siglas en inglés). Esto consiste en lo siguiente:

Figura 4. Modulación PWM.

Imagen obtenida de http://www.adam-audio.com/files/images/page/inline/pwmCurve.jpg solo para fines educativos

La modulación de pulsos es la generación de pulsos con distinta amplitud y distinta duración, de modo que el valor RMS de la onda sea equivalente al de una onda senoidal. De este modo, aunque el variador de frecuencia genera únicamente pulsos, el motor “ve” una onda senoidal siendo aplicada, por lo que puede funcionar perfectamente.

Los equipos utilizados en la industria moderna como por ejemplo bombas, ventiladores, elevadores y máquinas-herramientas, entre otros, no sólo utilizan motores de inducción, sino que deben funcionar a velocidades variables. Para alcanzar un buen desempeño de estos sistemas se hace necesario que estas velocidades variables sean controladas de una manera adecuada. Sin embargo, el motor de inducción presenta varias complicaciones desde el punto de vista del control como se expuso anteriormente.

Revisa a continuación el Checkpoint: