Motor trifásico de
inducción para vehículos eléctricos
(Motor + inversor
electrónico)
El motor de
tracción de los vehículos eléctricos es responsable de convertir la energía
eléctrica en energía mecánica de tal manera que el vehículo se propulsa para superar
la resistencia aerodinámica, la resistencia a la rodadura y la resistencia
cinética.
Algunos
ingenieros e incluso investigadores pueden considerar los motores de tracción
afines o similares a los motores industriales. Sin embargo, los motores de tracción
generalmente requieren un arranque / parada frecuente, una alta tasa de
aceleración / desaceleración, un alto par de torsión y baja velocidad para
subir pendientes, un bajo par de torsión y una alta velocidad de crucero y un
rango de velocidad de operación muy amplio, mientras que los motores de uso
industrial generalmente se optimizan en condiciones nominales. Por lo tanto, los motores de tracción son tan únicos que
merecen formar una clase individual. Los requisitos generales del motor de
tracción son significativamente diferentes de los motores trifásicos para aplicaciones
industriales corrientes.
Se amplía el
concepto: dos motores de igual características (U, I, P, n) pero uno de los
destinado a accionar un ascensor y otro un ventilador, por ejemplo, no tienen
porqué ser iguales.
-En el
primer caso el motor estará sometido frecuentemente a períodos de arranque,
marcha y frenado.
-En el
segundo caso lo habitual es que, en funcionamiento, permanezca durante
largo tiempo en servicio en el mismo régimen.
En
consecuencia los calentamientos que se producen en ambos motores no son iguales
y eso puede afectar a su tamaño, sistema de ventilación, tipos de materiales,
etc.
El
incremento de temperatura sobre la del ambiente, que experimenta una máquina en
servicio está provocado por el aporte de calor producida por las pérdidas:
efecto joule, pérdidas en el hierro, etc.
La
temperatura final dependerá de la capacidad de evacuar calor, tal capacidad
aumenta con la superficie exterior. Se puede aumentar la evacuación forzándola
por medio de refrigeración adicionales como ventiladores o mediante la
circulación interna de fluidos refrigerantes.
También observamos que algunas de sus principales
diferencias se encuentran en los requisitos de carga mecánica, las
especificaciones de rendimiento y el entorno operativo, como por ejemplo:
- Operación
en un amplio rango de par y velocidad. Ello obliga a analizar el comportamiento
del motor en todo el rango posible de funcionamiento, teniendo especial
cuidado en el cálculo correcto del par, corriente, frecuencia de alimentación,
etc., así como los efectos que ello produce: temperatura en las
distintas
partes de la máquina, par máximo en caso de motores de inducción, efecto
pelicular y de proximidad en el devanado, corrientes de Foucault en imanes…
- Reducido
volumen disponible para el motor. Esto, sumado a la exigencia de los puntos de
operación de la aplicación, conlleva a que las saturaciones magnéticas del diseño
del motor sean elevadas, provocando que, para calcular correctamente el
funcionamiento del motor, se necesitan modelos más complejos que los empleados
tradicionalmente. Junto con las saturaciones magnéticas, la alta frecuencia
fundamental de alimentación hace que se deba tener especial cuidado en el
cálculo de las pérdidas en el hierro de la máquina.
En una máquina eléctrica el flujo magnético de cada polo tiene su
camino a través de la culata del estator (yugo), de la masa polar, del
entrehierro entre la masa polar y el inducido, de los dientes del inducido, del
núcleo del inducido y luego se cierra a través de los dientes del inducido.
Este circuito magnético cerrado pasa dos veces
a través del entrehierro, de los dientes y de la masa polar. En un motor
trifásico de inducción el grado de saturación entre rotor y estator son
diferentes ya que el diente y yugo de rotor se encuentran más saturados que el
diente y yugo de estator, dado su diámetro menor.
El principio básico del método de control
vectorial se encarga de independizar la
magnetización de la máquina y el torque desarrollado. Si se analiza en el diagrama fasorial, V (tensión aplicada al estator
del motor) vs ∅ (campo
magnético resultante en el motor), observamos el fasor de corriente en el
estator Ie, cuyas componentes son descompuestas en dos: I∅
como corriente magnetizante e Im
corriente motriz, que es la que genera el par motor real.
El sistema de control electrónico corrige en
todo momento el ángulo φ en función de la velocidad
rotor del motor, manteniendo así el flujo, y consecuentemente el
par aplicado al mismo.
Este ángulo
es calculado por el inversor funcionando
en un lazo cerrado junto con un sensor de velocidad (encoder) que determina el
desplazamiento entre rotor y estator. El encoder también es utilizado por el
controlador para el sistema de frenado regenerativo.
Por otro
lado, hay que tener en cuenta que en
técnicas de control vectorial por parte del inversor electrónico, el uso del
modelo convencional del motor de inducción únicamente se justifica con flujo
constante e igual al nominal. Cuando se requieren cambios en el nivel de flujo,
el modelo lineal no proporciona resultados satisfactorios. El trabajo en la
zona de debilitamiento de campo, o la optimización de determinadas magnitudes
como el factor de potencia o el rendimiento, implican cambios en el nivel de
flujo y demandan de una adecuada caracterización del comportamiento magnético
de la máquina. El debilitamiento de campo no deseado demostrado por estos
motores no especialmente diseñados para tracción, disminuye el par disponible
para los requerimientos de la conducción.
En la
literatura especializada se señala la
conveniencia de modelar adecuadamente este fenómeno de la saturación magnética para el correcto
diseño del inversor, en lo referente a la impedancia que presenta el motor
saturado a los distintos armónicos presentes en la alimentación.
En referencia a las temperaturas, las bobinas de cobre son aisladas
con polímeros especiales (como mínimo Clase H 180º) que facilitan la transferencia de calor y
garantizan la fiabilidad en las exigencias de la conducción de alto rendimiento
en condiciones extremas. Las altas corrientes de estator significan altas
corrientes de rotor, a diferencia de los motores de inducción típicos que
emplean aluminio para sus conductores, los conductores del rotor (barras) son
de cobre.
El cobre, aunque más difícil de trabajar, tiene una resistencia mucho
menor y por lo tanto puede manejar corrientes más altas en un volumen menor. Se
tiene especial cuidado en el diseño del motor para manejar altas r.p.m. (por
ejemplo: 14.000 rpm).
A modo de
ejemplo se adjunta datos del motor que
diseñó Tesla Motor para sus vehículos: Inducción trifásico refrigerado por
aire. 185 kwpico, 4 polos, máx rpm: 14
000, Par máximo 270 Nm que se obtiene en
el rango 0-6000 rpm. Eficiencia:
90% promedio, el 80% en potencia pico. Aleacion de aluminio y rodamientos de
cerámica.
Como
conclusión podemos decir que todos los puntos enunciados brevemente más arriba pone en evidencia algo que se manifiesta en la
práctica. Hermanar un motor trifásico con un inversor electrónico que no
fueron diseñados para tracción eléctrica da como resultado una prestación mucho más pobre en lo
referente a potencia, par y eficiencia motriz. Lo cual converge en un
rendimiento mucho menor de la energía disponible, que redunda en la atenuación de la autonomía del vehículo.
Ing. Ricardo
Berizzo
Cátedra: Movilidad
Eléctrica
U.T.N. – Regional
Rosario