¿Por qué los motores de inducción se controlan con una V/f constante?

Para una máquina de CA, el flujo del entrehierro es proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la frecuencia. (Tenga en cuenta que$\frac{V}{Hz}$se puede convertir a$\frac{V}{rad/sec}$que es equivalente a$V\cdot s$, o voltios-segundos.$1 V\cdot s$es equivalente a 1 Weber, que es la unidad de flujo magnético).

Entonces, si mantiene una relación constante de voltaje a velocidad, mantiene un flujo de entrehierro constante. Debido a que el par es proporcional al flujo del entrehierro, al mantener una constante$\frac{V}{Hz}$relación, esencialmente puede hacer que el par sea independiente de la velocidad en un motor de CA. Por lo tanto, puede mantener un par constante hasta velocidades muy bajas. Como dijo Andy, si solo reduce la frecuencia para cambiar la velocidad, su flujo aumenta y termina saturando el acero y no puede mantener un par constante.

Los núcleos magnéticos se saturan cuando la densidad de flujo alcanza cierto límite, determinado por el material, el tamaño y la geometría del núcleo. Cuando el núcleo se satura, los devanados dejan de parecerse a un inductor y comienzan a parecerse a un cable. Esto generalmente hace que la corriente a través de los devanados se dispare dramáticamente, lo que resulta en mayores pérdidas y posibles daños en el hardware. Y dado que no se almacena más flujo magnético en el núcleo, no se realiza ningún trabajo útil real con esa corriente adicional. Saturar el núcleo, en general, es algo malo.

Una bobina dada alrededor de un núcleo tendrá un producto máximo de voltios por segundo; esto le indica el punto en el que se saturará el núcleo. Si el producto de voltios por segundo para un devanado fuera 10 V, podría aplicar 1 V durante 10 segundos, o 10 V durante 1 segundo, o 100 V durante 0,1 segundos, y la densidad de flujo sería la misma. (V=L di/dt, por lo que si L es constante y el producto de V y dt es constante, di también es constante). Dado que un motor es un devanado alrededor de un núcleo, el motor también tiene un límite de producto de voltios por segundo . Una vez que alcanza ese límite, debe invertir el voltaje y fluir hacia arriba en el núcleo en la dirección opuesta para seguir haciendo cualquier trabajo útil.

Dado que estamos aplicando una onda sinusoidal al devanado del motor, el semiperíodo de esa onda sinusoidal son los segundos en nuestro producto de voltios por segundo. Si la frecuencia disminuye, el período aumenta, por lo que los voltios deben disminuir para mantener igual el producto volt-segundo. Si la frecuencia aumenta, el voltaje también puede aumentar, porque el período disminuyó. Dado que la frecuencia y el voltaje varían en la misma dirección, podemos decir que los voltios por hercio permanecen constantes.

Por supuesto, eso es solo un límite superior. Podríamos ejecutar menos voltios sin riesgo de saturación, y es posible que lo deseemos en algunas circunstancias.

Si la frecuencia disminuye, para una tensión de alimentación dada, la corriente de magnetización aumenta y esto puede paralizar el motor si los núcleos de hierro comienzan a saturarse magnéticamente.

La misma historia para un transformador de potencia.

El devanado del estator del motor de inducción está enrollado en el núcleo magnético. El flujo se produce cuando se aplica el voltaje sinusoidal en la terminal del estator; el flujo magnético producido en el núcleo que viaja a través del espacio de aire entre el estator y el rotor se vincula al devanado del rotor. La FEM generada en el devanado del estator es;

Eb=4.44∗Flujo ∗Frecuencia ∗Número de vueltas

Flujo= K* (Eb/ f)

Donde, K- Constante, Eb- FEM inducida de la bobina del estator, f- frecuencia

El flujo en el entrehierro del motor se rige por el voltaje y la frecuencia del estator. La variación en un solo parámetro conducirá a un aumento/disminución del flujo del estator que deteriora el rendimiento de un motor de inducción en términos de entrega de par nominal ya que el par del motor es directamente proporcional al flujo. Para mantener el flujo magnético constante, el voltaje y la frecuencia aumentan/disminuyen a la misma velocidad para mantener la relación constante y así mantener el flujo constante. Si la relación V/f no se mantiene en un valor fijo, el flujo en el núcleo aumentaría/disminuiría por encima de la densidad de flujo nominal diseñada del motor. El fundente excesivo y el fundente insuficiente tienen los siguientes efectos adversos en el rendimiento del motor.

Con una mayor densidad de flujo, el núcleo del motor puede saturarse, lo que provoca un aumento de la temperatura y, finalmente, fallas en el aislamiento del devanado del motor. Por otro lado, con una densidad de flujo reducida, la capacidad de entrega de par del motor disminuiría y, a plena carga, el motor podría dispararse por sobrecarga.

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