DISPOSITIVO SINCRONIZADOR PARA MOTORES DE INDUCCIÓN ASÍNCRONOS, DE UN ÚNICO DEVANADO Y ROTOR DE JAULA DE ARDILLA.

1. Dispositivo sincronizador para motores de inducción asíncronos,

de un único devanado y rotor de jaula de ardilla, que estando destinado a permitir que un motor de inducción asíncrono estándar, de un solo devanado, con rotor de jaula de ardilla, genere electricidad a diferentes velocidades de rotación, se caracteriza porque el mismo se conecta en paralelo con el devanado del estator, sincronizándose la frecuencia del campo magnético del estator y el número de revoluciones del rotor, medidas en tiempo real mediante un sensor cuentarrevoluciones, y las diferencias de intensidad entre el devanado del estator, medidas mediante un sensor de intensidad, y la etapa de potencia del sincronizador, que formada por un banco de condensadores y un conjunto de seis IGBT's cuenta también con un diodo conectado al bus de corriente continua para permitir el inicio de la carga del banco de condensadores a partir de una pequeña descarga, contando con una unidad de control asistida por un software y hardware específicos para el cambio de frecuencia del campo magnético del estator, siendo el dispositivo retroalimentado eléctricamente, asistido únicamente por una batería de 24 Vcc para la alimentación de la unidad de control electrónica.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo electrónico que permite que un motor de inducción asíncrono estándar, de un único devanado y rotor de jaula de ardilla, se convierta en un generador eléctrico de velocidad variable, a partir de energía mecánica o cinética a diferentes velocidades de rotación, no precisando de ninguna fuente de energía externa para su funcionamiento.

El objeto de la invención es conseguir la sincronización entre la frecuencia del campo magnético del estator correspondiente al motor asíncrono y las revoluciones del rotor de dicho motor, utilizando para ello un dispositivo electrónico especial.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como es sabido, un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica o cinética en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos, del

mismo modo se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de su reversibilidad.

Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético.

El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el estator, el movimiento circular que se observa en el rotor del motor.

Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado flecha, que será de sentido contrario si el motor está siendo utilizado como generador.

Motor asíncrono o de Inducción.

Los motores asíncronos o de inducción son un tipo de motor de corriente alterna. El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estator, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 1200 en el espacio. Según el Teorema de F erraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120°, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday:

e= _NdiJ? dt

Entonces se da el efecto Laplace (ó efecto motor) : todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto generador) : en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión.

El campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estator, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción. La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor. La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnético se denomina deslizamiento.

Rotor de Jaula de ardilla.

Un rotor de jaula de ardilla es la parte que rota usada comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna. Un motor eléctrico con un rotor de jaula de ardilla también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de anillos y barras y la rueda de un hámster (ruedas probablemente similares existen para las ardillas domésticas) .

Regulación de velocidad.

En los motores asíncronos trifásicos existen actualmente dos formas de poder variar la velocidad, una es variando la polaridad gracias al diseño del motor y la otra variando la frecuencia mediante un equipo electrónico especial. La primera sólo es posible en los motores de devanado separado, o los motores de conexión Dahlander, y la segunda sólo es posible en motores de inducción de rotor devanado.

Por otro lado, existen generadores de velocidad variable, ya sean de corriente continua o de corriente alterna, en este segundo caso asíncronos y síncronos.

Pues bien, para generar electricidad con velocidades de giro inferiores a los valores nominales de los motores, y teniendo la velocidad de giro el rotor impuesta por la frecuencia de la red eléctrica, el par mecánico aprovechado en la conversión disminuye, con la consiguiente disminución del rendimiento de la máquina.

A partir de esta idea, se plantean diversas estrategias encaminadas a aumentar el rendimiento de la máquina cuando la velocidad de giro es inferior a la nominal. Para ello se realizará un análisis de las distintas soluciones posibles en función de la máquina eléctrica a utilizar.

El generador de corriente continua tiene pocas posibilidades debido a que la mayoría de las cargas eléctricas actuales consumen energía alterna,

con la aparición de la electrónica de estado sólido y más concretamente de los convertidores estáticos de corriente continua a corriente alterna (inversores) se hace posible la conexión de una máquina de éste tipo a la red eléctrica.

El sistema compuesto por un generador de corriente continua, a cuyo colector se conecta un inversor trifásico, es totalmente capaz de operar a la velocidad variable mediante el control de su corriente de excitación y del ángulo de disparo de los tiristores que componen el puente del inversor.

Una ventaja de éste sistema es que haciendo funcionar el inversor como rectificador (conversión de corriente alterna a continua) puede la máquina comportarse como motor facilitando el proceso de arranque del generador. El utilizar sistemas de conversión de potencia para la conexión de la máquina eléctrica a la red facilita la estabilidad del sistema incluso ante fallos de red pero como inconveniente toda la potencia generada tiene que pasar por el convertidor con la consiguiente pérdida de rendimiento. Además, si el convertidor es de una potencia razonable, se deberá realizar mediante tiristores (inversor conmutado por red) el cual es incapaz de funcionar aislado de la red, consume potencia reactiva y además genera armónicos de corriente que deben ser filtrados.

Los anteriores inconvenientes sumados a que el precIO de una máquina de continua es alto y sus costes de mantenimiento también hacen que este tipo de sistemas no sea casi utilizado.

Generador de corriente alterna síncrono funcionando a velocidad variable: En éste sistema, el acoplamiento entre el alternador síncrono y la red eléctrica de frecuencia fija se establece a través de un convertidor de frecuencia, situado directamente entre el estator de la máquina y la red.

La potencia total generada por la máquina eléctrica debe pasar a través de dicho convertidor y en consecuencia, sus elementos deben estar dimensionados para las mismas condiciones nominales que el generador.

En el lado del convertidor unido al generador, la frecuencia tiene una relación lineal con la velocidad de giro del eje, mientras que, en el lado unido a la red, la frecuencia es constante.

En éste tipo de sistemas se suele utilizar un convertidor de frecuencia que dispone de un circuito intermedio de corriente continua. La tensión del estator se rectifica mediante un puente de diodos o tiristores. Este rectificador está conectado a un circuito de corriente continua que contiene una bobina de alisado. Un segundo puente de tiristores, entre dicho circuito intermedio de corriente continua y la red, actúa como inversor de conmutación natural alimentado en fuente de corriente. Se suele emplear la disposición...

1. Dispositivo sincronizador para motores de inducción asíncronos, de un único devanado y rotor de jaula de ardilla, que estando destinado a 5 permitir que un motor de inducción asíncrono estándar, de un solo devanado, con rotor de jaula de ardilla, genere electricidad a diferentes velocidades de rotación, se caracteriza porque el mismo se conecta en paralelo con el devanado del estator, sincronizándose la frecuencia del campo magnético del estator y el número de revoluciones del rotor, medidas en tiempo real mediante 10 un sensor cuentarrevoluciones, y las diferencias de intensidad entre el devanado del estator, medidas mediante un sensor de intensidad, y la etapa de potencia del sincronizador, que formada por un banco de condensadores y un conjunto de seis IGBT's cuenta también con un diodo conectado al bus de corriente continua para permitir el inicio de la carga del banco de 15 condensadores a partir de una pequeña descarga, contando con una unidad de control asistida por un software y hardware específicos para el cambio de frecuencia del campo magnético del estator, siendo el dispositivo retroalimentado eléctricamente, asistido únicamente por una batería de 24 V cc para la alimentación de la unidad de control electrónica.

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