Contribución al estudio de las ondas de campo armónico y las pérdidas adicionales que se originan en los motores eléctricos de inducción asíncronos alimentados con convertidor de frecuencia en modulación del ancho de los impulsos

Abstract

En esta tesis se profundiza en el estudio del comportamiento del motor de inducción alimentado con convertidor de frecuencia y se aportan soluciones constructivas prácticas de su diseño que permiten una mejora de las características de funcionamiento.<br/>Mediante la aplicación de la transformada "Wavelets" al análisis de la señal que alimenta el motor de inducción se han podido obtener las frecuencias y la amplitudes de las tensión y de la corriente de la señal fundamental y también de los armónicos en el transcurso del tiempo, lo que ha permitido solventar los problemas que presenta la transformada rápida de Fourier (FFT) cuando varia la frecuencia de la portadora en el tiempo.<br/>Asimismo, se ha investigado sobre el origen de las pérdidas y su distribución en los motores alimentados con convertidor de frecuencia. A tal fin se emplea el método de los elementos finitos para evaluar las pérdidas armónicas (el desplazamiento de la corriente en los conductores del rotor y las pérdidas en el hierro) y un método experimental basado en el análisis armónico (MAA) que permite la determinación de las pérdidas dependientes de la carga en el hierro y en el cobre.<br/>La inclusión de las pérdidas armónicas en el cálculo de las pérdidas equivalentes, utilizadas en el modelo térmico del motor eléctrico, permite prever, partiendo de motores de referencia conocidos, los nuevos incrementos de temperatura de las partes más significativas del motor. <br/>Los resultados anteriores permiten la introducción de modificaciones en la máquina para disminuir las pérdidas donde se originan. Por ejemplo, nuevos diseños de ranura rotórica que disminuya el fenómeno del desplazamiento de la corriente, también la transformación de ranuras abiertas en ranuras cerradas o la utilización de chapa magnética de bajas pérdidas.<br/>Los buenos resultados obtenidos durante la validación experimental de los procedimientos de optimización sobre los prototipos construidos y la sistematización del proceso, hace posible una aplicación inmediata al desarrollo de toda la gama de motores normalizados IEC, lo que redundaría en una mejora del rendimiento de los mismos.

The aim of this thesis is to achieve further knowledge in the behaviour of the induction motor fed by frequency converter and to offer practical solutions in the motor design to improve its performance. <br/>By means of the introduction of the Wavelets Transform Analysis, it is possible to obtain the amplitude and frequency of fundamental and the harmonics of voltage and current of the induction motor. This solves the problem that introduces the analysis with the Fast Fourier Transform (FFT) when the carrier changes its frequency during operation.<br/>Meanwhile the causes that produce the losses and their distribution in the motors fed by frequency converters have been investigated. To get a better approach, a FEM application is used to calculate accurately each motor loss and especially those produced by skin effect in the rotor slots and the iron losses. An empirical method based on the harmonics analysis (MAA) has been developed to obtain easily the stray load losses. In this issue these losses are called "Summation of iron and copper losses load dependent".<br/>The harmonic losses are taken into account to calculate the new equivalent losses that are used in the thermal model of the electric machine. With the aid of the results of a reference motor, these losses offer the chance to estimate by calculation, the temperature rise of the main parts of a new motor design.<br/>Above results allow the introduction of design changes in the induction motor in order to reduce the cause that produces these losses. For instance, new rotor designs to reduce the current skin effect in the slots, to change from open slot to close slot design and to use low losses lamination.<br/>The good results obtained at the experimental validation of the optimisation proceedings with the production of the new prototypes and a systematisation allow an immediate application to the development to the hole range of IEC standard motors in order to improve their efficiency.