METODOS DE FRENADO EN

MOTORES ASINCRONOS

INDICE

Introducción.................................................................................3

Frenado por recuperación de energía.........................................5

Frenado por contracorriente........................................................8

Frenado por inyección de corriente continua.............................12

Frenado monofásico...................................................................15

Bibliografía.................................................................................16

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Introducción

Entendemos que una máquina eléctrica funciona como freno cuando

ejerce un par de frenado; es decir, de sentido contrario a su velocidad.

Dependiendo de cómo sea el par de la carga, se tiene que el comportamiento

del sistema máquina eléctrica-carga cuando la primera actúa como freno es

así:

Si la carga deja de actuar como tal y pasa a ejercer un par motor, el

sistema buscará un punto de funcionamiento en el que se equilibre

este par con el de frenado de la máquina eléctrica y la velocidad

alcanzará un valor constante.

Ejemplo:

Esto es lo que sucede cuando un vehículo eléctrico desciende una

pendiente. Mientras subía la pendiente la máquina eléctrica ejercía un par

motor que tenía que vencer al par resistente debido al peso y a los

rozamientos. Cuando el vehículo desciende la pendiente el par debido al peso

pasa a ser un par motor y la máquina eléctrica se conecta de modo que ejerza

un par de frenado que impida que la velocidad aumente excesivamente.

Si la carga sigue actuando como tal, se suman los pares de frenado

de la carga y de la máquina eléctrica provocando la disminución de

la velocidad, que incluso puede llegar hasta la detención del

sistema máquina eléctrica-carga.

Ejemplo:

Esto es lo que sucede cuando un vehículo eléctrico circula en un

trayecto plano. La máquina actúa, en principio, como motor y los rozamientos

del vehículo constituyen la carga mecánica. Si ahora se desea frenar el

vehículo, se conecta la máquina eléctrica como freno para que el vehículo

disminuya su velocidad merced al efecto conjunto del par de frenado de la

máquina eléctrica más el par de carga de los rozamientos.

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Existen varios procedimientos para que una máquina asíncrona pase a

actuar como freno, y estos procedimientos son los siguientes:

1. Frenado por recuperación de energía (frenado regenerativo)

2. Frenado por contracorriente

3. Frenado por inyección de corriente continua

4. Frenado monofásico

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Frenado por recuperación de energía (frenado regenerativo)

Si la maquina accionada por el motor da un par mecánico al motor en

vez de recibirlo, el motor sobrepasa la velocidad de sincronismo y pasa a

funcionamiento en generador actuando como freno. Este proceso solo se da en

hipersincronismo, por lo que solo es posible para:

s<0

Al hacer funcionar la máquina de inducción como generador, se ejercerá

un par de sentido contrario a la velocidad, tal y como se puede observar en la

siguiente figura:

Figura1-Curva par-velocidad de un motor asíncrono

Para ello hay que conseguir que la velocidad de la máquina sea superior

a su velocidad de sincronismo, bien aumentando la primera o bien

disminuyendo la segunda.

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Un ejemplo de esto es el vehículo que sube y baja una pendiente.

Mientras sube, la máquina asíncrona actúa de motor y la velocidad es

ligeramente inferior a la de sincronismo. Cuando baja, el vehículo aumenta su

velocidad debido a la acción motora de la máquina de inducción y de su peso

hasta que supera la velocidad de sincronismo. A partir de este momento, la

máquina asíncrona comienza a girar con una velocidad superior a la de

sincronismo y empieza a actuar de freno (de generador) alcanzándose el

equilibrio cuando el par de frenado de la máquina iguale al debido al peso. De

esta manera la máquina asíncrona “retiene” el vehículo impidiendo que alcance

velocidades excesivas. La velocidad final será pues ligeramente superior a la

de sincronismo.

Como se aprecia en este ejemplo, una máquina de inducción pasa

automáticamente a funcionar como freno regenerativo si el sistema se acelera

y su velocidad sobrepasa a la de sincronismo.

Si la máquina de inducción está alimentada mediante un variador de

frecuencias se la puede hacer actuar como generador sin que aumente su

velocidad. Para ello hay que reducir la frecuencia f1 de forma que la velocidad

de sincronismo sea inferior a la de giro del rotor. De esta manera,

disminuyendo gradualmente el valor de la frecuencia hasta valores muy bajos

se puede ir reduciendo la velocidad hasta casi provocar la parada de la

máquina. En la siguiente figura se puede observar la característica del frenado

por recuperacion a frecuencia normal (50Hz), a frecuencias menores (45 y

40Hz) y con resistencias adicionales en el motor.

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Figura2-Característica del frenado por recuperación

La inserción de resistencias adicionales (Rad) en el circuito sirve para

regular el par de frenado al valor deseado.

En este frenado la máquina actúa como generador por lo que se puede

recuperar la energía de frenado (menos la disipada en las pérdidas de la

máquina) convirtiéndola en energía eléctrica que se devuelve a la red por el

estator de la máquina asíncrona.

Dada su naturaleza de recuperación energética, su empleo esta muy

indicado en los frenados largos (vehículos descendiendo una rampa,

descensos de carga de gran longitud…)

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Frenado por contracorriente

Para frenar por contracorriente se desconecta el motor de la red y

después de permutar dos terminales del estator y de disponer en el rotor la

resistencia adicional adecuada, se volverá a conectar el motor de nuevo. Con

esto conseguimos invertir el sentido de giro del campo magnético con respecto

al de giro del rotor, por lo que la máquina empieza a funcionar con un

deslizamiento superior a 1 y a ejercer un par de frenado.

De este modo el motor y su maquina accionada van decelerando hasta

que se llega a la velocidad nula, y el motor iniciara su arranque en sentido

contrario. Tendremos que disponer de los dispositivos adecuados para evitar

que esto último suceda.

Con la resistencia adicional del rotor, obtendremos la característica de

frenado adecuada y se limitaran las corrientes del motor, ya que en este tipo de

funcionamiento la máquina tiene unas corrientes muy elevadas (superiores a

las de arranque) y se calienta mucho, lo que puede provocar su deterioro. Por

este motivo, no se debe emplear más que en casos excepcionales o en

motores especialmente diseñados. A veces se utilizan sistemas similares a los

de arranque (disminuir la tensión del estator, añadir resistencias en serie con el

rotor) para reducir las corrientes durante este tipo de frenado.

En el caso de motores trifásicos la inversión del sentido de giro del

campo magnético se consigue permutando la conexión de dos de las fases del

estator.

En la siguiente figura se muestra un ejemplo de este tipo de frenado

cuando el par resistente Mr es debido a un rozamiento seco. Este es un par

resistente constante, pero siempre de sentido contrario a la velocidad.

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Figura3 –Frenado por contracorriente

Cuando la máquina asíncrona tiene su campo magnético girando en

sentido positivo (con velocidad n1) ejerce el par dado por la curva (1) de la

figura anterior. En estas condiciones, cuando la máquina gira con una

velocidad n el deslizamiento s viene dado por:

Si se invierte el sentido de giro del campo giratorio, la velocidad de

sincronismo pasa a ser -n1 con lo que a la velocidad n el deslizamiento s’ ahora

pasa a ser:

Teniendo esto en cuenta, y que ahora la máquina actuará como motor

(con el deslizamiento s’ tomando valores entre 0 y 1) cuando su par sea

negativo (del mismo sentido que la velocidad de sincronismo), se deduce que

la máquina asíncrona a pasado a funcionar con la curva (2).

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En el ejemplo de la figura anterior el sistema inicialmente se encontraba

en el punto A actuando la máquina asíncrona como motor venciendo el par

resistente. Ahora queremos frenar rápidamente el sistema, con lo que

invertiremos las conexiones de las fases del primario para conseguir el cambio

de sentido de giro del campo giratorio.

Esta inversión se puede realizar muy rápidamente, de forma que cuando

ya se ha producido la inversión, la velocidad del rotor aún no le ha dado tiempo

a cambiar debido a la inercia mecánica del conjunto máquina-carga.

Esto hace que la curva de la máquina pase de ser la (1) a ser la (2) y el

motor en el instante de la inversión pase a estar actuando como freno a

contracorriente en el punto B.

El sistema se ve sometido a un par de frenado total que es la suma de la

máquina asíncrona y el par resistente Mr de la carga, esto provoca que la

velocidad vaya disminuyendo rápidamente hasta que la máquina se sitúa en el

punto C cuando la velocidad se ha anulado, en este mismo instante se debe

desconectar la alimentación del estator de la máquina asíncrona. De no

hacerse así, la máquina volvería a actuar como motor, pero girando en sentido

negativo, y acabaría por funcionar en el punto estable D.

En el momento de la inversión, cuando la máquina aún no ha modificado

su velocidad y pasa del punto A al B en la figura anterior, se produce un

aumento muy grande de la corriente.

En este tipo de frenado aparecerán perdidas energéticas importantes, y

la energía cinética del motor junto con su maquina accionada se disipa en

forma de calor en los devanados y no es recuperable. En la siguiente figura se

puede observar que hay par de frenado para velocidad nula y que coincide con

el par de arranque del motor a rotor parado.

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Figura4 .-Curvas de par motor en el frenado a contracorriente

Sin inversión de campo magnético y únicamente con inserción de

resistencias rotóricas, se puede usar el motor como freno a contracorriente

para el trabajo de descenso. Esto lo podemos ver en la figura anterior.

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Frenado por inyección de corriente continua

En este procedimiento de frenado se desconecta el estator de la red

alterna y se alimenta con corriente continua. De esta manera en el entrehierro

de la máquina aparece un campo magnético fijo que induce f.e.m.s en los

conductores del rotor si éste se está moviendo. Las corrientes rotóricas debidas

a estas f.e.m.s se combinan con el campo magnético para producir un par que

trata de evitar las variaciones de flujo sobre el devanado del rotor. Por lo tanto,

este par intenta que el rotor no se mueva (para que los conductores rotóricos

no “vean” un campo variable). Aparece, pues, un par de frenado.

Para desconectar el estator de la red de alterna y alimentarlo con

corriente continua dispondremos de un rectificador adecuado que se alimenta

en bornas de corriente alterna a través de un pequeño transformador, tal y

como podemos ver en el siguiente esquema.

Figura5-Esquema para la realización del frenado por corriente continua

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Este método de frenado admite además una regulación muy cómoda del

par de frenado. Hay cinco posibilidades de conexión del devanado trifásico del

estator del motor para que se pueda alimentar con corriente continua.

La intensidad no se reparte regularmente por las tres fases del motor,

pero esto no es muy relevante desde el punto de vista práctico. Ya que en

función del tipo de conexión elegido podremos obtener diferentes repartos de la

capa de corriente en la periferia del entrehierro. Haremos para cada una de las

disposiciones señalada el cálculo de la capa de corriente eficaz de la conexión

elegida considerando una distribución senoidal aproximada.

1. Relacionaremos la intensidad continua de frenado Iccf con la

intensidad eficaz de corriente alterna Icaf a través de un coeficiente

definido a continuación:

K i=I cafI ccf

2. También definiremos el siguiente coeficiente:

Ku=U ccfI ccf⋅R1

Siendo:

Uccf: Tensión para frenado en corriente continua

Iccf: Intensidad total de corriente continua

R1: Resistencia óhmica por fase del bobinado

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Figura6-Disposiciones de conexión del bobinado del estator para alimentación por corriente continua de frenado

Para finalizar con este método de frenado, decir que la tensión continua

con que se alimenta el estator debe tener un valor pequeño para que no origine

corrientes peligrosas.

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Frenado monofásico

Para realizar este frenado se desconecta una fase de la red y se inserta

en el circuito rotorico una resistencia muy elevada.

El comportamiento de la maquina trifásica con alimentación monofásica

se explica por la superposición de deslizamientos trifásicos de rotación inversa

entre si. Será necesario acudir al método de las componentes simétricas.

La tensión por fase toma un valor 1/√3 respecto al servicio normal. Por

lo tanto, los pares quedan multiplicados por 1/3.

Este método tiene un par nulo a velocidad cero y además los pares que

da son bajos.

Figura7-Curvas de par de frenado componentes y curva resultante

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BIBLIOGRAFIA

Manual de Accionamientos Eléctricos – TOMO 1

www.wikipedia.org

www.unican.es (Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética)

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