El control de la velocidad de los motores de CA se logra mediante un variador de frecuencia (VFD) en la mayoría de los casos. Si bien muchos escenarios implican el uso de VFD con motores de inducción con devanados de estator para generar un campo magnético giratorio, también pueden lograr un control de velocidad preciso utilizando sensores de retroalimentación de velocidad o posición como referencia al VFD.

En algunas situaciones, es posible obtener un control de velocidad comparablemente preciso sin necesidad de sensores de retroalimentación. Esto es posible utilizando un motor de imán permanente (PM) y un proceso llamado "método de inyección de señal de alta frecuencia".

1. motores PM

A motor PM Es un motor de CA que utiliza imanes incrustados o unidos a la superficie del rotor del motor. Los imanes se utilizan para generar un flujo de motor constante en lugar de requerir que el campo del estator genere uno mediante la vinculación al rotor, como es el caso de un motor de inducción. Un cuarto motor conocido como motor PM de arranque en línea (LSPM) incorpora características de ambos motores. Un motor LSPM incorpora los imanes de un motor PM dentro del rotor y las barras del rotor de un motor de jaula de ardilla para maximizar el torque y la eficiencia.

2. Forma de onda back-emf

Back emf es la abreviatura de fuerza contraelectromotriz, pero también se conoce como fuerza contraelectromotriz. La fuerza contraelectromotriz es el voltaje que se produce en los motores eléctricos cuando hay un movimiento relativo entre los devanados del estator y el campo magnético del rotor. Las propiedades geométricas del rotor determinarán la forma de la onda de contrafem. Estas formas de onda pueden ser sinusoidales, trapezoidales, triangulares o algo intermedio.

Tanto las máquinas de inducción como las de PM generan formas de onda de backemf. En una máquina de inducción, la forma de onda de la fuerza contraelectromotriz decaerá a medida que el campo residual del rotor decaiga lentamente debido a la falta de un campo del estator. Sin embargo, en una máquina PM, el rotor genera su propio campo magnético. Por lo tanto, se puede inducir un voltaje en los devanados del estator siempre que el rotor esté en movimiento. El voltaje back-emf aumentará linealmente con la velocidad y es un factor crucial para determinar la velocidad máxima de funcionamiento.

3. Comprender el par de la máquina PM

El par de una máquina eléctrica se puede dividir en dos componentes: par magnético y par de reluctancia. El par de reluctancia es la "fuerza que actúa sobre el material magnético y que tiende a alinearse con el flujo principal para minimizar la reluctancia". En otras palabras, el par de reluctancia es el par generado por la alineación del eje del rotor con el campo de flujo del estator. El par magnético es el "par generado por la interacción entre el campo de flujo del imán y la corriente en el devanado del estator".

Par de reluctancia: El par de reluctancia se refiere al par generado a través de la alineación del rotor que se produce cuando el campo magnético fuerza un flujo directo deseado desde el polo norte del estator al polo sur del estator.

Par magnético: los imanes permanentes generan un campo de flujo en el rotor. El estator genera un campo que interactúa con el campo magnético del rotor. Cambiar la posición del campo del estator con respecto al campo del rotor hace que el rotor se desplace. El cambio debido a esta interacción es el par magnético.

4. GDS versus MIP

Un motor PM se puede dividir en dos categorías principales: motores de imanes permanentes de superficie (SPM) y motores de imanes permanentes interiores (IPM). Ninguno de los tipos de diseño de motor contiene barras de rotor. Ambos tipos generan flujo magnético mediante los imanes permanentes fijados al rotor o dentro del mismo.

Los motores SPM tienen imanes fijados al exterior de la superficie del rotor. Debido a este montaje mecánico, su resistencia mecánica es más débil que la de los motores IPM. La resistencia mecánica debilitada limita la velocidad mecánica máxima segura del motor. Además, estos motores exhiben una prominencia magnética muy limitada (Ld ≈ Lq). Los valores de inductancia medidos en los terminales del rotor son consistentes independientemente de la posición del rotor. Debido a la relación de prominencia casi unitaria, los diseños de motores SPM dependen significativamente, si no completamente, del componente de par magnético para producir par.

Los motores IPM tienen un imán permanente integrado en el propio rotor. A diferencia de sus homólogos SPM, la ubicación de los imanes permanentes hace que los motores IPM sean muy sólidos mecánicamente y adecuados para funcionar a velocidades muy altas. Estos motores también se definen por su relación de prominencia magnética relativamente alta (Lq > Ld). Debido a su prominencia magnética, un motor IPM tiene la capacidad de generar torque aprovechando los componentes de torque magnético y de reluctancia del motor.

5. Estructuras motoras PM

Las estructuras de motores PM se pueden dividir en dos categorías: interiores y de superficie. Cada categoría tiene su subconjunto de categorías. Un motor PM de superficie puede tener sus imanes colocados o insertados en la superficie del rotor, para aumentar la robustez del diseño. El posicionamiento y el diseño de un motor de imán permanente interior pueden variar ampliamente. Los imanes del motor IPM pueden insertarse como un bloque grande o escalonarse a medida que se acercan al núcleo. Otro método es incrustarlos en un patrón de radios.

6. Variación de la inductancia del motor PM con carga

Solo se puede vincular una cantidad limitada de flujo a una pieza de hierro para generar torque. Con el tiempo, el hierro se saturará y ya no permitirá que el fundente se una. El resultado es una reducción de la inductancia del camino recorrido por un campo de flujo. En una máquina PM, los valores de inductancia del eje d y del eje q se reducirán con los aumentos en la corriente de carga.

Las inductancias de los ejes d y q de un motor SPM son casi idénticas. Debido a que el imán está fuera del rotor, la inductancia del eje q caerá a la misma velocidad que la inductancia del eje d. Sin embargo, la inductancia de un motor IPM se reducirá de manera diferente. Nuevamente, la inductancia del eje d es naturalmente menor porque el imán está en la trayectoria del flujo y no genera una propiedad inductiva. Por lo tanto, hay menos hierro para saturar en el eje d, lo que resulta en una reducción significativamente menor del flujo con respecto al eje q.

7. Debilitamiento/intensificación del flujo en motores PM

El flujo en un motor de imán permanente es generado por los imanes. El campo de flujo sigue un camino determinado, que puede ser impulsado u opuesto. Impulsar o intensificar el campo de flujo permitirá que el motor aumente temporalmente la producción de torque. Oponerse al campo de flujo anulará el campo magnético existente del motor. El campo magnético reducido limitará la producción de par, pero reducirá el voltaje de contrafem. El voltaje de contraelectromotriz reducido libera voltaje para hacer que el motor funcione a velocidades de salida más altas. Ambos tipos de operación requieren corriente adicional del motor. La dirección de la corriente del motor a través del eje d, proporcionada por el controlador del motor, determina el efecto deseado.

8. Operación con detección automática versus operación de circuito cerrado

Los avances recientes en la tecnología de variadores permiten que los variadores de CA estándar "autodetecten" y realicen un seguimiento de la posición del imán del motor. Un sistema de circuito cerrado normalmente utiliza el canal de pulso z para optimizar el rendimiento. A través de ciertas rutinas, el variador conoce la posición exacta del imán del motor rastreando los canales A/B y corrigiendo errores con el canal z. Conocer la posición exacta del imán permite una producción de par óptima, lo que da como resultado una eficiencia óptima.