motor Dahlander (también conocido como motor de cambio de polos , motor de doble o dos velocidades) es un tipo de motor de inducción de varias velocidades, en el que la velocidad del motor varía al alterar el número de polos; Esto se logra alterando las conexiones de cableado dentro del motor. El motor puede tener un par fijo o variable dependiendo del devanado del estator . Lleva el nombre de su inventor Robert Dahlander (1870–1935).
Invención [ editar ]
Robert Dahlander, un ingeniero sueco que trabaja para ASEA , [3] descubrió que cambiar los polos en un motor condujo a una reducción en la velocidad del motor. En 1897 inventó una configuración eléctrica para cambiar entre los polos de un motor por el cual se le otorgó una patente junto con su compañero de trabajo Karl Arvid Lindstroem. La nueva conexión se denominó "conexión Dahlander" y un motor que tiene dicha configuración se conoce comúnmente como "motor de cambio de polos" o "motor Dahlander". [4] [5]
Operación [ editar ]
El motor Dahlander se basa en una conexión de "polo consecuente". El factor principal para determinar la velocidad de un motor de inducción es el número de polos, dado por la fórmula
- (RPM),
dónde
- n s = Velocidad sincrónica, en revoluciones por minuto
- f = frecuencia de alimentación de CA
- p = Número de polos por devanado de fase [6]
Un motor de inducción regular tiene el mismo número de polos opuestos; es decir, en cualquier instante, hay un número igual de polos magnéticos norte y sur. Algunos motores de inducción más pequeños están conectados para que todos los polos sean idénticos, lo que hace que el motor actúe como si hubiera un número igual de polos opuestos en el medio.
Un motor Dahlander alcanza diferentes velocidades cambiando la configuración de los devanados eléctricos, agregando o quitando indirectamente polos y variando así la velocidad del rotor. Los polos se pueden variar en una proporción de 1: 2 y, por lo tanto, la velocidad se puede variar a 2: 1. [7] [8] [9] Normalmente, la configuración eléctrica de los devanados varía de una configuración de conexión delta (Δ) a una conexión de doble estrella (YY) para cambiar la velocidad del motor para aplicaciones de par constante , como los polipastos en grúas . [7] [8] Las conexiones en estrella ( Y ) variadas a las conexiones en estrella doble (YY) se utilizan para aplicaciones de par cuadrático, como bombas. [7]
Ventajas y desventajas [ editar ]
Los motores Dahlander tienen ventajas en comparación con otros sistemas de control de velocidad como los variadores de frecuencia , ya que hay menos pérdida de potencia. Esto se debe a que la mayor parte de la energía se usa para conducir el motor y no se realiza una conmutación de pulso eléctrico. El sistema es mucho más simple y fácil de usar en comparación con otros métodos de control de velocidad disponibles. Sin embargo, el motor Dahlander tiene la desventaja de un rápido desgaste mecánico debido al cambio de velocidad en una relación tan drástica; Este tipo de conexión también produce una alta distorsión armónica durante el desplazamiento de los polos, ya que la distancia angular entre la potencia generada aumenta a medida que los polos disminuyen en el motor. [9]
Solicitud [ editar ]
Los motores de cambio de polos se usan normalmente en aplicaciones donde se necesitan dos controles de velocidad. Algunas aplicaciones típicas son: [10] [11]
- Bombas , en las que se pueden usar dos velocidades para controlar el flujo de salida
- Ventiladores , para obtener una salida de flujo de aire variable
- Trituradoras
- Aplicaciones de fresado
- Grúas , donde se pueden usar dos velocidades en aplicaciones de elevación: una velocidad para el movimiento del material y la otra para colocar el material contenido en el polipasto
DC frenado por inyección es un método de frenar AC motores eléctricos . Se inyecta un voltaje de CC en el devanado del motor de CA después de que el voltaje de CA se desconecta, proporcionando fuerza de frenado al rotor.
Aplicaciones del frenado por inyección DC [ editar ]
Cuando se desconecta la energía del motor, el rotor gira libremente hasta que la fricción lo frena hasta detenerse. Los rotores grandes y las cargas con un alto momento de inercia pueden tomar una cantidad significativa de tiempo para detenerse solo a través de la fricción inherente. Para reducir el tiempo de inactividad, o posiblemente como una característica de seguridad de emergencia, se puede usar el frenado por inyección de CC para detener rápidamente el rotor.
Se puede usar un sistema de freno de inyección de CC como alternativa al sistema de freno de fricción. Los frenos de inyección de CC solo requieren un pequeño módulo ubicado con el otro interruptor y / o controladores del motor, montado en una ubicación remota y conveniente, mientras que un freno de fricción debe montarse en algún lugar del sistema giratorio. Los frenos de fricción eventualmente se desgastan con el uso y requieren el reemplazo de los componentes de frenado. Los módulos de freno de CC no tienen piezas consumibles y no deben requerir mantenimiento. Los frenos de fricción también requieren un método de actuación, que requiere un operador humano o un actuador controlado por el sistema, lo que aumenta la complejidad del sistema. Un freno de CC se integra fácilmente en el circuito de control del motor.
Operación [ editar ]
Se aplica un voltaje de CC a los devanados del estator del motor, creando un campo magnético estacionario que aplica un par estático al rotor. Esto ralentiza y finalmente detiene el rotor por completo. Mientras se aplique el voltaje de CC a los devanados, el rotor se mantendrá en posición y resistente a cualquier intento de girarlo. Cuanto mayor sea el voltaje que se aplica, mayor será la fuerza de frenado y la potencia de retención. La corriente CC solo debe aplicarse durante unos segundos o el motor se sobrecalentará. [2] .
En una unidad de frenado por inyección controlada por tiristores, el voltaje de CC a inyectar en el devanado del estator del motor se obtiene rectificando el voltaje de suministro. Dos tiristores están conectados como un rectificador controlado por fase (PCR). El par de frenado depende de la magnitud de la corriente, que puede variar según el control de fase de los tiristores. Cuando el motor está apagado, el relé del contactor del motor no solo desconecta el suministro de corriente alterna a los devanados del motor, sino que también hace que se cierre un contactor del relé de frenado. Esto inicia una secuencia que comienza con un retraso de aproximadamente 300 ms que permite que el voltaje aún esté presente en los devanados del motor, causado por el magnetismo residual ( remanencia).), para disminuir a un nivel seguro. Luego, los tiristores comienzan a disparar para producir la corriente de frenado de CC. Un temporizador establece la corriente de CC para que continúe durante unos segundos y luego se apaga. La corriente de frenado decae, y después de un retraso de aproximadamente 1,5 segundos, el contactor del relé de frenado se abre nuevamente. En este punto, el motor puede reiniciarse. En una unidad de este tipo, normalmente hay dos potenciómetros , uno para variar el par de frenado del circuito de disparo y el otro para variar el temporizador. Estos ajustes están equilibrados para que el par de frenado no supere el par nominal del motor, pero también el tiempo de frenado debe limitarse para evitar el sobrecalentamiento del motor.
convertidor de CC a CC es un circuito electrónico o dispositivo electromecánico que convierte una fuente de corriente continua (CC) de un nivel de voltaje a otro. Es un tipo de convertidor de energía eléctrica . Los niveles de potencia van desde muy bajos (baterías pequeñas) a muy altos (transmisión de potencia de alto voltaje).
Historia [ editar ]
Antes del desarrollo de semiconductores de potencia y tecnologías aliadas, una forma de convertir el voltaje de un suministro de CC a un voltaje más alto, para aplicaciones de baja potencia, era convertirlo a CA mediante un vibrador , seguido de un transformador elevador y rectificador . [1] [2]Para una mayor potencia, se usó un motor eléctrico para accionar un generador del voltaje deseado (a veces combinado en una sola unidad "dinamotora", un motor y un generador combinados en una unidad, con un devanado impulsando el motor y el otro generando el voltaje de salida) . Estos fueron procedimientos relativamente ineficientes y costosos utilizados solo cuando no había otra alternativa, como alimentar una radio de automóvil (que luego usaba válvulas / tubos termiónicos que requerían voltajes mucho más altos que los disponibles en una batería de automóvil de 6 o 12 V). [1]La introducción de semiconductores de potencia y circuitos integrados hizo económicamente viable el uso de técnicas como se describe a continuación, por ejemplo, para convertir la fuente de alimentación de CC en CA de alta frecuencia, usar un transformador pequeño, liviano y barato debido a la alta frecuencia. cambie el voltaje y rectifique de nuevo a CC. [3] Aunque en 1976 los receptores de radio de transistores para automóviles no requerían altos voltajes, algunos operadores de radio aficionados continuaron utilizando suministros de vibradores y dinamómetros para transceptores móviles que requieren altos voltajes, aunque se disponía de fuentes de alimentación transistorizadas. [4]
Si bien fue posible derivar un voltaje más bajo de un voltaje más alto con un circuito electrónico lineal o incluso una resistencia, estos métodos disiparon el exceso en forma de calor; La conversión de energía eficiente solo se hizo posible con circuitos de modo de interruptor de estado sólido.
Usos [ editar ]
Los convertidores de CC a CC se utilizan en dispositivos electrónicos portátiles, como teléfonos celulares y computadoras portátiles , que se alimentan principalmente con baterías . Tales dispositivos electrónicos a menudo contienen varios sub- circuitos , cada uno con su propio nivel de tensión diferente requisito de la suministrada por la batería o un suministro externo (a veces más alta o más baja que la tensión de alimentación). Además, el voltaje de la batería disminuye a medida que se agota su energía almacenada. Los convertidores de CC a CC conmutados ofrecen un método para aumentar el voltaje de un voltaje de batería parcialmente reducido, ahorrando así espacio en lugar de usar múltiples baterías para lograr lo mismo.
La mayoría de los circuitos convertidores CC a CC también regulan el voltaje de salida. Algunas excepciones incluyen fuentes de energía LED de alta eficiencia , que son un tipo de convertidor CC a CC que regula la corriente a través de los LED, y bombas de carga simples que duplican o triplican el voltaje de salida.
Los convertidores de CC a CC que se desarrollan para maximizar la cosecha de energía para sistemas fotovoltaicos y para turbinas eólicas se denominan optimizadores de potencia .
Los transformadores utilizados para la conversión de voltaje a frecuencias de red de 50–60 Hz deben ser grandes y pesados para potencias superiores a unos pocos vatios. Esto los hace caros, y están sujetos a pérdidas de energía en sus devanados y debido a las corrientes de Foucault en sus núcleos. Las técnicas de CC a CC que utilizan transformadores o inductores funcionan a frecuencias mucho más altas y requieren componentes de heridas mucho más pequeños, más livianos y más baratos. En consecuencia, estas técnicas se utilizan incluso donde se podría utilizar un transformador de red; por ejemplo, para aparatos electrónicos domésticos es preferible rectificar el voltaje de la red a CC, usar técnicas de modo de conmutación para convertirlo a CA de alta frecuencia al voltaje deseado, luego, generalmente, rectificar a CC. Todo el circuito complejo es más barato y más eficiente que un simple circuito transformador de red de la misma salida.
Conversión electrónica [ editar ]
Los convertidores electrónicos prácticos utilizan técnicas de conmutación. Los convertidores de CC a CC de modo conmutado convierten un nivel de voltaje de CC en otro, que puede ser mayor o menor, almacenando la energía de entrada temporalmente y luego liberando esa energía a la salida a un voltaje diferente. El almacenamiento puede estar en componentes de almacenamiento de campo magnético (inductores, transformadores) o componentes de almacenamiento de campo eléctrico (condensadores). Este método de conversión puede aumentar o disminuir el voltaje. La conversión de conmutación es a menudo más eficiente (la eficiencia típica es del 75% al 98%) que la regulación de voltaje lineal, que disipa la energía no deseada como calor. Se requieren tiempos de subida y bajada rápidos del dispositivo semiconductor para la eficiencia; sin embargo, estas transiciones rápidas se combinan con efectos parásitos de diseño para hacer que el diseño del circuito sea desafiante. [5]La mayor eficiencia de un convertidor de modo conmutado reduce el disipador térmico necesario y aumenta la resistencia de la batería de los equipos portátiles. La eficiencia ha mejorado desde fines de la década de 1980 debido al uso de FET de potencia , que pueden cambiar de manera más eficiente con pérdidas de conmutación más bajas a frecuencias más altas que los transistores bipolares de potencia , y utilizan circuitos de accionamiento menos complejos. Otra mejora importante en los convertidores DC-DC es reemplazar el diodo del volante por rectificación síncrona [6]utilizando un FET de potencia, cuyo "en resistencia" es mucho menor, lo que reduce las pérdidas de conmutación. Antes de la amplia disponibilidad de semiconductores de potencia, los convertidores síncronos de CC a CC de baja potencia consistían en un vibrador electromecánico seguido de un transformador elevador de voltaje que alimentaba un tubo de vacío o un rectificador semiconductor, o contactos rectificadores sincrónicos en el vibrador.
La mayoría de los convertidores de CC a CC están diseñados para mover la energía en una sola dirección, de entrada dedicada a salida. Sin embargo, todas las topologías de regulador de conmutación pueden hacerse bidireccionales y pueden mover la energía en cualquier dirección reemplazando todos los diodos con rectificación activa controlada independientemente . Un convertidor bidireccional es útil, por ejemplo, en aplicaciones que requieren el frenado regenerativo de vehículos, donde se suministra potencia a las ruedas durante la conducción, pero suministra por las ruedas al frenar.
Aunque requieren pocos componentes, los convertidores de conmutación son electrónicamente complejos. Al igual que todos los circuitos de alta frecuencia, sus componentes deben especificarse cuidadosamente y disponerse físicamente para lograr un funcionamiento estable y mantener el ruido de conmutación ( EMI / RFI ) a niveles aceptables [7] . Su costo es más alto que los reguladores lineales en aplicaciones de caída de voltaje, pero su costo ha disminuido con los avances en el diseño de chips.
Los convertidores de CC a CC están disponibles como circuitos integrados (CI) que requieren pocos componentes adicionales. Los convertidores también están disponibles como módulos de circuito híbrido completos , listos para usar dentro de un conjunto electrónico.
Los reguladores lineales que se utilizan para emitir una CC estable independiente de la tensión de entrada y la carga de salida de una entrada más alta pero menos estable disipando el exceso de voltios-amperios como calor , podrían describirse literalmente como convertidores de CC a CC, pero esto no es habitual uso. (Lo mismo podría decirse de una resistencia de caída de voltaje simple , estabilizada o no por un siguiente regulador de voltaje o diodo Zener ).
También hay circuitos de multiplicador de voltaje capacitivo simple y multiplicador de Dickson que usan diodos y condensadores para multiplicar un voltaje de CC por un valor entero, que generalmente entrega solo una pequeña corriente.
Magnético [ editar ]
En estos convertidores de CC a CC, la energía se almacena periódicamente y se libera desde un campo magnético en un inductor o transformador , generalmente dentro de un rango de frecuencia de 300 kHz a 10 MHz. Al ajustar el ciclo de trabajo del voltaje de carga (es decir, la relación de los tiempos de encendido / apagado), la cantidad de energía transferida a una carga se puede controlar más fácilmente, aunque este control también se puede aplicar a la corriente de entrada, la corriente de salida, o para mantener una potencia constante. Los convertidores basados en transformadores pueden proporcionar aislamiento entre entrada y salida. En general, el término convertidor CC a CC se refiere a uno de estos convertidores de conmutación. Estos circuitos son el corazón de una fuente de alimentación conmutada. Existen muchas topologías. Esta tabla muestra los más comunes.
| Adelante (transferencias de energía a través del campo magnético) | Flyback (la energía se almacena en el campo magnético) | |
|---|---|---|
| Sin transformador (no aislado) |
|
|
| ||
| ||
| Con transformador (aislable) |
|
|
Además, cada topología puede ser:
- Duro cambio
- Los transistores cambian rápidamente mientras están expuestos tanto al voltaje completo como a la corriente completa
- Resonante
- Un circuito LC da forma al voltaje a través del transistor y a la corriente a través de él, de modo que el transistor cambia cuando el voltaje o la corriente son cero
Los convertidores de CC a CC magnéticos pueden funcionar en dos modos, de acuerdo con la corriente en su componente magnético principal (inductor o transformador):
- Continuo
- La corriente fluctúa pero nunca baja a cero
- Discontinuo
- La corriente fluctúa durante el ciclo, bajando a cero al final de cada ciclo o antes.
Un convertidor puede estar diseñado para funcionar en modo continuo a alta potencia y en modo discontinuo a baja potencia.
Las topologías de medio puente y flyback son similares en que la energía almacenada en el núcleo magnético debe ser disipada para que el núcleo no se sature. La transmisión de potencia en un circuito de retorno está limitada por la cantidad de energía que puede almacenarse en el núcleo, mientras que los circuitos directos generalmente están limitados por las características de I / V de los interruptores.
Aunque los interruptores MOSFET pueden tolerar la corriente y el voltaje simultáneos (aunque el estrés térmico y la electromigración pueden acortar el MTBF ), los interruptores bipolares generalmente no pueden requerir el uso de un amortiguador (o dos).
Los sistemas de alta corriente a menudo usan convertidores multifásicos, también llamados convertidores intercalados. [8] [9] [10] Los reguladores multifásicos pueden tener una mejor ondulación y mejores tiempos de respuesta que los reguladores monofásicos. [11]
Muchas placas base para computadoras portátiles y de escritorio incluyen reguladores de inversión entrelazados, a veces como un módulo regulador de voltaje . [12]
Capacitiva [ editar ]
Los convertidores de condensadores conmutados se basan en la conexión alternativa de condensadores a la entrada y salida en diferentes topologías. Por ejemplo, un convertidor reductor de condensador conmutado podría cargar dos condensadores en serie y luego descargarlos en paralelo. Esto produciría la misma potencia de salida (menos la pérdida de eficiencia por debajo del 100%) a, idealmente, la mitad del voltaje de entrada y el doble de la corriente. Debido a que operan con cantidades discretas de carga, a veces también se denominan convertidores de bomba de carga . Por lo general, se usan en aplicaciones que requieren corrientes relativamente pequeñas, ya que a corrientes más altas la mayor eficiencia y el tamaño más pequeño de los convertidores de modo de conmutación los convierten en una mejor opción. [13] También se usan a voltajes extremadamente altos, ya que los magnéticos se romperían a tales voltajes.
Conversión electromecánica [ editar ]
Un grupo motor-generador, principalmente de interés histórico, consiste en un motor eléctrico y un generador acoplados entre sí. Un motor dinámico combina ambas funciones en una sola unidad con bobinas para las funciones del motor y del generador enrolladas alrededor de un solo rotor; ambas bobinas comparten las mismas bobinas de campo externo o imanes. [4] Típicamente, las bobinas del motor son accionadas desde un conmutador en un extremo del eje, cuando las bobinas del generador salen a otro conmutador en el otro extremo del eje. El conjunto completo del rotor y el eje es más pequeño que un par de máquinas, y puede que no tenga ejes de transmisión expuestos.
Los generadores de motor pueden convertir entre cualquier combinación de estándares de voltaje y fase de CC y CA. Los grandes conjuntos de motor-generador se usaron ampliamente para convertir cantidades industriales de energía, mientras que las unidades más pequeñas se usaron para convertir la energía de la batería (6, 12 o 24 V CC) a un alto voltaje de CC, que era necesario para operar equipos de tubo de vacío (válvula termoiónica) .
Para requisitos de menor potencia a voltajes superiores a los suministrados por la batería de un vehículo, se utilizaron fuentes de alimentación de vibrador o "zumbador". El vibrador oscilaba mecánicamente, con contactos que cambiaban la polaridad de la batería muchas veces por segundo, convirtiendo efectivamente CC a CA de onda cuadrada , que luego podría alimentarse a un transformador de los voltajes de salida requeridos. [1] Hizo un zumbido característico.
Conversión electroquímica [ editar ]
Un medio adicional de conversión de CC a CC en el rango de kilovatios a megavatios se presenta mediante el uso de baterías de flujo redox , como la batería redox de vanadio .
Comportamiento caótico [ editar ]
Los convertidores de CC a CC están sujetos a diferentes tipos de dinámicas caóticas como la bifurcación , [14] crisis e intermitencia . [15] [16]
Terminología [ editar ]
- Descender
- Un convertidor donde el voltaje de salida es más bajo que el voltaje de entrada (como un convertidor reductor ).
- Aumentar
- Un convertidor que genera un voltaje más alto que el voltaje de entrada (como un convertidor de refuerzo ).
- Modo de corriente continua
- La corriente y, por lo tanto, el campo magnético en el almacenamiento de energía inductiva nunca llega a cero.
- Modo de corriente discontinua
- La corriente y, por lo tanto, el campo magnético en el almacenamiento de energía inductiva pueden alcanzar o cruzar cero.
- ruido
- Ruido de señales eléctricas y electromagnéticas no deseadas , típicamente artefactos de conmutación.
- Ruido de RF
- Los convertidores de conmutación emiten inherentemente ondas de radio a la frecuencia de conmutación y sus armónicos. Los convertidores de conmutación que producen corriente de conmutación triangular, como el Split-Pi , el convertidor directo o el convertidor Ćuk en modo de corriente continua, producen menos ruido armónico que otros convertidores de conmutación. [17] El ruido de RF causa interferencia electromagnética (EMI). Los niveles aceptables dependen de los requisitos, por ejemplo, la proximidad a los circuitos de RF necesita más supresión que simplemente cumplir con las regulaciones.
- Ruido de entrada
- El voltaje de entrada puede tener un ruido no despreciable. Además, si el convertidor carga la entrada con bordes de carga afilados, puede emitir ruido de RF desde las líneas de alimentación. Esto debe evitarse con un filtrado adecuado en la etapa de entrada del convertidor.
- Ruido de salida
- La salida de un convertidor CC a CC ideal es un voltaje de salida plano y constante. Sin embargo, los convertidores reales producen una salida de CC sobre la cual se superpone cierto nivel de ruido eléctrico. Los convertidores de conmutación producen ruido de conmutación a la frecuencia de conmutación y sus armónicos. Además, todos los circuitos electrónicos tienen algo de ruido térmico . Algunos circuitos analógicos y de radiofrecuencia sensibles requieren una fuente de alimentación con tan poco ruido que solo puede ser proporcionada por un regulador lineal. [ cita requerida ] Algunos circuitos analógicos que requieren una fuente de alimentación con ruido relativamente bajo pueden tolerar algunos de los convertidores de conmutación menos ruidosos, por ejemplo, utilizando formas de onda triangulares continuas en lugar de ondas cuadradas.
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