Motor de reluctancia conmutada

El motor de reluctancia conmutada ( SRM ) es un tipo de motor de reluctancia . A diferencia de los motores de corriente continua con escobillas , la potencia se entrega a los devanados del estator (carcasa) en lugar de al rotor . Esto simplifica el diseño mecánico porque no es necesario entregar potencia al rotor en movimiento, lo que elimina la necesidad de un conmutador . Sin embargo, complica el diseño eléctrico, porque un sistema de conmutación debe entregar potencia a los diferentes devanados y limitar la ondulación del par . ^{[1] [2]} Las fuentes no están de acuerdo sobre si es un tipo de motor paso a paso . ^[3]

El SRM más simple tiene el costo de construcción más bajo de todos los motores eléctricos. Los motores industriales pueden tener cierta reducción de costos debido a la falta de bobinados de rotor o imanes permanentes. Los usos comunes incluyen aplicaciones donde el rotor debe permanecer estacionario durante largos períodos y en entornos potencialmente explosivos como la minería, porque no hay conmutación involucrada.

Los devanados de un SRM están aislados eléctricamente entre sí, lo que produce una mayor tolerancia a fallas que los motores de inducción . La forma de onda de accionamiento óptima no es una sinusoide pura , debido al par no lineal en relación con el desplazamiento del rotor y a la inductancia de los devanados, que depende en gran medida de la posición.

La primera patente fue otorgada por WH Taylor en 1838 en Estados Unidos. ^[4]

Los principios de los accionamientos SR se describieron alrededor de 1970, ^[5] y fueron mejorados por Peter Lawrenson y otros a partir de 1980. ^[6] En ese momento, algunos expertos consideraron que la tecnología era inviable, ^[7] y la aplicación práctica ha sido limitada, en parte debido a problemas de control y aplicaciones inadecuadas, y porque los bajos números de producción resultan en mayores costos . ^{[8] [1] [9]}

El SRM tiene bobinas de campo enrolladas como en un motor de corriente continua para los devanados del estator. Sin embargo, el rotor no tiene imanes ni bobinas adheridas. Es un rotor de polos salientes sólidos (que tiene polos magnéticos salientes) hecho de material magnético blando, generalmente acero laminado. Cuando se aplica energía a un devanado del estator, la reluctancia magnética del rotor crea una fuerza que intenta alinear un polo del rotor con el polo del estator más cercano.

Para mantener la rotación, un sistema de control electrónico activa los devanados de los polos sucesivos del estator en secuencia, de modo que el campo magnético del estator "guíe" el polo del rotor, empujándolo hacia adelante. En lugar de utilizar un conmutador mecánico para conmutar la corriente del devanado como en los motores tradicionales, el motor de reluctancia conmutada utiliza un sensor de posición electrónico para determinar el ángulo del eje del rotor y electrónica de estado sólido para conmutar los devanados del estator, lo que permite un control dinámico de la temporización y la conformación de los pulsos. Esto difiere del motor de inducción, aparentemente similar , que también energiza los devanados en una secuencia de fases giratorias.

En un SRM, la magnetización del rotor es fija, lo que significa que los polos "norte" salientes permanecen así mientras el motor gira. Por el contrario, un motor de inducción tiene deslizamiento, lo que significa que gira a una velocidad más lenta que el campo magnético en el estator.

La ausencia de deslizamiento de SRM permite conocer con exactitud la posición del rotor, permitiendo pisar el motor lentamente, hasta el punto de pararse por completo.

Si los polos A0 y A1 están energizados, el rotor se alineará con ellos. Una vez que esto ha ocurrido, es posible que los polos del estator se desactiven antes de que se activen los polos del estator B0 y B1. El rotor ahora está posicionado en los polos del estator b. Esta secuencia continúa hasta c antes de llegar de nuevo al inicio. Esta secuencia también se puede invertir para lograr un movimiento en la dirección opuesta. Las cargas elevadas o una aceleración o desaceleración elevada pueden desestabilizar esta secuencia, lo que hace que se pierda un paso, de modo que el rotor salte a un ángulo incorrecto, tal vez retrocediendo un paso en lugar de avanzar tres.

Se puede encontrar un sistema mucho más estable utilizando una secuencia de "cuadratura" en la que se energizan hasta dos bobinas en cualquier momento. Primero, se energizan los polos del estator A0 y A1. Luego se energizan los polos del estator B0 y B1, lo que tira del rotor para que quede alineado entre A y B. A continuación, se desenergizan los polos del estator de A y el rotor continúa para alinearse con B. La secuencia continúa a través de BC, C y CA para completar una rotación completa. Esta secuencia se puede invertir para lograr un movimiento en la dirección opuesta. Más pasos entre posiciones con magnetización idéntica, por lo que el inicio de los pasos perdidos se produce a velocidades o cargas más altas.

Además de un funcionamiento más estable, este enfoque permite lograr un ciclo de trabajo de cada fase de 1/2, en lugar de 1/3 como en la secuencia más simple.

El sistema de control es el encargado de dar los pulsos secuenciales requeridos a los circuitos de potencia. Esto se puede hacer mediante medios electromecánicos como conmutadores o circuitos temporizadores analógicos o digitales.

Muchos controladores incorporan controladores lógicos programables (PLC) en lugar de componentes electromecánicos. Un microcontrolador puede permitir una sincronización precisa de la activación de la fase. También permite una función de arranque suave en forma de software, con el fin de reducir la cantidad de hardware necesario. Un bucle de retroalimentación mejora el sistema de control. ^[1]

El método más común para alimentar un SRM es utilizar un convertidor de puente asimétrico. La frecuencia de conmutación puede ser diez veces menor que la de los motores de CA. ^[3]

Las fases de un convertidor de puente asimétrico corresponden a las fases del motor. Si ambos interruptores de potencia de cada lado de la fase están activados, se activa la fase correspondiente. Una vez que la corriente ha aumentado por encima del valor establecido, el interruptor se desactiva. La energía almacenada en el devanado mantiene la corriente en la misma dirección, la llamada fuerza contraelectromotriz (BEMF). Esta BEMF se devuelve a través de los diodos al condensador para su reutilización, mejorando así la eficiencia. ^[10]

Este circuito básico se puede modificar para que se necesiten menos componentes aunque el circuito realice la misma acción. Este circuito eficiente se conoce como configuración de diodo e interruptor (n+1).

Se utiliza un condensador , en cualquier configuración, para almacenar BEMF para su reutilización y para suprimir el ruido eléctrico y acústico al limitar las fluctuaciones en el voltaje de suministro.

Si se desconecta una fase, un motor SR puede continuar funcionando con un par menor, a diferencia de un motor de inducción de CA que se apaga. ^{[5] [11]}

Los SRM se utilizan en algunos electrodomésticos, ^[12] en forma lineal para la conversión de energía de las olas , ^[13] en trenes de levitación magnética, ^[14] o en máquinas de coser industriales. ^[15]

El mismo diseño electromecánico se puede utilizar en un generador. La carga se conmuta a las bobinas en secuencia para sincronizar el flujo de corriente con la rotación. Estos generadores pueden funcionar a velocidades mucho más altas que los tipos convencionales, ya que la armadura puede estar hecha de una sola pieza de material magnetizable, como un cilindro ranurado. ^[16] En este caso, la abreviatura SRM se extiende para significar máquina de reluctancia conmutada (junto con SRG, generador de reluctancia conmutada). Una topología que es a la vez motor y generador es útil para arrancar el motor primario, ya que ahorra un motor de arranque dedicado.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Máquinas de reluctancia conmutada .

• Accionamientos de motores de reluctancia conmutada
• Simulación y control en tiempo real de accionamientos de motores de reluctancia para operación a alta velocidad con ondulación de par reducida
• Torrey – Generadores de reluctancia conmutada y su control DOI: 10.1109/41.982243
• Asadi – Desarrollo y aplicación de un avanzado accionamiento de generador de reluctancia conmutada
• Archivo de base de datos SR
• Adam Biernat: Máquinas eléctricas en la ingeniería energética y la automática (Politécnico de Varsovia) Archivado el 13 de junio de 2021 en Wayback Machine.
• Conceptos básicos de introducción al motor de reluctancia síncrona