¿Cuáles son las dinámicas de los motores de inducción y síncronos?
Características Dinámicas de Motores de Inducción y Motores Síncronos
Los motores de inducción (Induction Motor) y los motores síncronos (Synchronous Motor) son dos tipos comunes de motores eléctricos de corriente alterna. Difieren significativamente en estructura, principios de funcionamiento y características dinámicas. A continuación se presenta un análisis de las características dinámicas de estos dos tipos de motores:
1. Características de Arranque
Motor de Inducción:
Los motores de inducción suelen tener una corriente de arranque alta, generalmente 5 a 7 veces la corriente nominal. Esto se debe a que, al arrancar, el rotor está estacionario y el deslizamiento s=1, lo que causa una corriente inducida grande en los devanados del rotor.
El par de arranque es relativamente bajo, especialmente bajo carga total, y puede ser solo 1.5 a 2 veces el par nominal. Para mejorar el rendimiento de arranque, se pueden usar arrancadores suaves o arrancadores en estrella-triángulo para reducir la corriente de arranque e incrementar el par de arranque.
El proceso de arranque de un motor de inducción es asincrónico; el motor se acelera gradualmente desde un estado estacionario hasta una velocidad casi sincrónica, pero nunca alcanza exactamente la sincronía.
Motor Síncrono:
Las características de arranque de los motores síncronos dependen de su tipo. Para los motores síncronos autoarrancables (como los motores síncronos de imán permanente o con devanados de arranque), pueden arrancar asincrónicamente como los motores de inducción, pero son llevados a la sincronía por el sistema de excitación a medida que se acercan a la velocidad sincrónica.
Para los motores síncronos no autoarrancables, generalmente se requieren dispositivos externos (como convertidores de frecuencia o motores auxiliares) para ayudar a arrancar el motor hasta que alcance la velocidad sincrónica, después de lo cual puede entrar en operación sincrónica.
Los motores síncronos generalmente proporcionan un mayor par de arranque, especialmente aquellos con sistemas de excitación, que pueden entregar un par significativo durante el arranque.
2. Características de Operación en Estado Estable
Motor de Inducción:
La velocidad de un motor de inducción es proporcional a la frecuencia de alimentación, pero siempre es ligeramente inferior a la velocidad sincrónica. El deslizamiento s representa la diferencia entre la velocidad real y la velocidad sincrónica, generalmente oscilando entre 0.01 y 0.05 (es decir, 1% a 5%). Un deslizamiento menor resulta en mayor eficiencia, pero la salida de par disminuye en consecuencia.
La característica par-velocidad de un motor de inducción es parabólica, con el par máximo ocurriendo en un valor específico de deslizamiento (generalmente el deslizamiento crítico). Cuando la carga aumenta, la velocidad disminuye ligeramente, pero el motor mantiene una operación estable.
El factor de potencia de un motor de inducción suele ser bajo, especialmente bajo carga ligera o sin carga, posiblemente tan bajo como 0.7. A medida que la carga aumenta, el factor de potencia mejora.
Motor Síncrono:
La velocidad de un motor síncrono es estrictamente proporcional a la frecuencia de alimentación y permanece constante a la velocidad sincrónica, independientemente de los cambios de carga. Esto asegura una velocidad altamente estable, lo que hace que los motores síncronos sean adecuados para aplicaciones que requieren un control preciso de la velocidad.
La característica par-velocidad de un motor síncrono es una línea vertical, lo que indica que puede proporcionar un par constante a la velocidad sincrónica sin ningún cambio en la velocidad. Si la carga excede la capacidad de par máxima del motor, este perderá la sincronía y se detendrá.
Los motores síncronos pueden controlar el factor de potencia ajustando la corriente de excitación, permitiéndoles operar en modo capacitivo o inductivo. Esta característica hace que los motores síncronos sean útiles para mejorar el factor de potencia de la red eléctrica.
3. Características de Respuesta Dinámica
Motor de Inducción:
La respuesta dinámica de un motor de inducción es relativamente lenta, especialmente cuando la carga cambia repentinamente. Debido a la inercia del rotor y la inercia electromagnética, hay un tiempo de retardo para que el motor se adapte a las nuevas condiciones de carga. Este retraso puede causar fluctuaciones de velocidad, especialmente en aplicaciones de carga pesada o de arranque y parada frecuentes.
El rango de control de velocidad de un motor de inducción es limitado, generalmente logrado variando la frecuencia de alimentación (por ejemplo, utilizando un inversor de frecuencia). Sin embargo, esto puede llevar a una reducción del par, especialmente a bajas velocidades.
Motor Síncrono:
La respuesta dinámica de un motor síncrono es más rápida, especialmente cuando la carga cambia. Dado que la velocidad del motor siempre está sincronizada con la frecuencia de alimentación, puede mantener una velocidad estable incluso ante variaciones de carga. Además, la respuesta de par de un motor síncrono es rápida, proporcionando el par necesario en un corto período de tiempo.
Los motores síncronos pueden ajustar el par y el factor de potencia cambiando la corriente de excitación, ofreciendo un control más flexible. Métodos de control avanzados, como el control vectorial o el control directo de par (DTC), también se pueden utilizar para lograr un control preciso de la velocidad y el par.
4. Capacidad de Sobrecarga y Protección
Motor de Inducción:
Los motores de inducción tienen cierta capacidad de sobrecarga y pueden soportar 1.5 a 2 veces la carga nominal durante un corto período. Sin embargo, una sobrecarga prolongada puede causar sobrecalentamiento, dañando el material aislante. Por lo tanto, los motores de inducción generalmente están equipados con dispositivos de protección contra sobrecargas, como relés térmicos o sensores de temperatura, para prevenir el sobrecalentamiento.
La capacidad de sobrecarga de los motores de inducción depende de su diseño. Por ejemplo, los motores de inducción con rotor bobinado generalmente tienen un mejor rendimiento de sobrecarga que los motores de jaula de ardilla, ya que la corriente del rotor se puede regular utilizando resistencias externas.
Motor Síncrono:
Los motores síncronos tienen una fuerte capacidad de sobrecarga, especialmente aquellos con sistemas de excitación, que pueden manejar 2 a 3 veces la carga nominal durante un corto período. Sin embargo, una sobrecarga prolongada también puede llevar a sobrecalentamiento.
Los motores síncronos están protegidos por diversos medios, incluyendo protección contra sobrecorriente, protección contra pérdida de paso y protección contra fallos de excitación. La protección contra pérdida de paso evita que el motor pierda la sincronía bajo carga excesiva, mientras que la protección contra fallos de excitación asegura el correcto funcionamiento del sistema de excitación.
5. Escenarios de Aplicación
Motor de Inducción:
Los motores de inducción se utilizan ampliamente en industria, agricultura y electrodomésticos, especialmente en aplicaciones donde no se requiere un control de velocidad de alta precisión. Ejemplos incluyen ventiladores, bombas y compresores.
Debido a su estructura simple, bajo costo y fácil mantenimiento, los motores de inducción son a menudo la opción preferida para muchas aplicaciones.
Motor Síncrono:
Los motores síncronos son adecuados para aplicaciones que requieren un control de velocidad de alta precisión, como herramientas de máquina de precisión, generadores y compresores grandes. Su capacidad para mantener una velocidad constante y proporcionar un alto factor de potencia los hace valiosos en sistemas de potencia para mejorar la eficiencia de la red.
Los motores síncronos también se utilizan ampliamente en aplicaciones que requieren un control de velocidad preciso y una respuesta dinámica rápida, como sistemas servo y robótica.
Resumen
Motor de Inducción: Corriente de arranque alta, par de arranque bajo, velocidad ligeramente inferior a la velocidad sincrónica, respuesta dinámica lenta, adecuado para aplicaciones industriales y domésticas generales.
Motor Síncrono: Las características de arranque dependen del tipo, velocidad sincrónica estricta, respuesta dinámica rápida, adecuado para aplicaciones que requieren un control de velocidad de alta precisión y mejora del factor de potencia.
