La velocidad de un motor de inducción se rige por dos atributos: la frecuencia eléctrica y el número de polos. En México, un motor que está conectado directamente a la Compañía de Energía Eléctrica tendrá una frecuencia de excitación de 60 hercios (Hz). Con un motor de cuatro polos estándar, las revoluciones por minuto (rpm) son 1800, calculado con la siguiente fórmula:
El uso de un motor a su velocidad nominal resulta en un índice de eficiencia cerca a las especificaciones del fabricante. Sin embargo, se presentan situaciones en que un operador le gustaría cambiar la velocidad del motor. Por ejemplo, un operador de una bomba hidráulica instala una válvula de limitación de flujo para ser capaz de controlar el flujo de agua de la bomba. En este caso, el uso de la válvula es análoga a la conducción de un coche variando la velocidad del vehículo con el freno. En ambos casos - la conducción usando el freno para ajustar la velocidad y usando una válvula de limitación para limitar el flujo - resulta en un uso de energía ineficiente.
La eficiencia de un motor puede mantenerse a un máximo permitiéndolo girar a su velocidad nominal, la cual se determina con la ecuación anterior. Mediante el ajuste de la frecuencia de excitación suministrada al motor, la velocidad del motor puede ser controlada y cambiada, evitando al mismo tiempo el uso de una válvula o freno mecánico. Esto es precisamente lo que hace un variador de frecuencia.
Los motores operan mediante la utilización de campos magnéticos. Los detalles de cómo funciona esto no es tan importante como darse cuenta de loque produce implica un campo magnético. Hay dos tipos de corriente que utiliza el motor: corriente del rotor y la intensidad de magnetización. El motorutiliza la corriente del rotor para producir par (torque). La corriente de magnetización es utilizada por el motor para crear los campos magnéticos. La relación entre la corriente magnetizante y la corriente total - que es la suma del rotor y las corrientes de magnetización - determina el factor de potenciadel motor. La figura 2 muestra el circuito del motor. Las ecuaciones ponen de relieve la corriente a través del circuito (I1 es la corriente del estator, IM esla corriente de magnetización, e I2 es la corriente del rotor).
Figura 2. Circuito equivalente para un motor de inducción de CA
La Figura 3 representa la intensidad de los campos magnéticos dentro de un motor. Estos campos están cambiando constantemente, y cada motorutiliza corriente de magnetización para crearlos. Los caballos de fuerza (HP) del motor, su geometría, el material del que está hecho, y un número deotros factores determinan la cantidad de corriente de magnetización que se requiere para crear estos campos magnéticos.
Figura 3. Campos magnéticos en un motor
La Compañía de Energía Eléctrica tiene límites en la cantidad de corriente de magnetización que puede consumir un cliente. Si un cliente excede estelímite, entonces la Compañía de Energía Eléctrica lo penalizará para que corrija el factor de potencia. Condensadores u otros sistemas de corrección defactor de potencia más avanzados pueden ser utilizados para mitigar la corriente de magnetización que se extrae de la Compañía de Energía Eléctrica.
Los variadores de frecuencia ayudan a eliminar la necesidad de condensadores. Cuando se utiliza una combinación de un variador de frecuencia y motor, el variador se instala entre el motor y la Compañía de Energía Eléctrica. Debido a que el factor de potencia del variador es típicamente no inferior al 98 por ciento, éste actúa como un amortiguador. Por lo tanto, la Compañía de Energía Eléctrica no será capaz de "ver" el bajo factor de potencia delmotor, y no necesitarán ser instalados bancos de capacitores adicionales.