Motores asíncrono o de inducción

Abstract

Una máquina que sólo tiene los devanados de amortiguación es llamada máquina de inducción porque el voltaje del rotor (que produce la corriente y el campo magnético del rotor) es inducido en los devanados del rotor en lugar de estar físicamente conectado a través de alambres. La característica distintiva de un motor de inducción es que no se requiere corriente de campo de para operar la máquina.

Aunque se puede utilizar una máquina de inducción como motor o como generador, tiene muchas desventajas como generador y, por tanto, pocas veces se utiliza como tal. Por esta razón, las máquinas de inducción se refieren a los motores de inducción.

Construcción del motor de inducción

Un motor de inducción tiene físicamente el mismo estator que una máquina sincrónica, pero la construcción del rotor es diferente. Un estator típico de dos polos se muestra en la figura 7-1. Parece (y es) igual al estator de una máquina sincrónica. Hay dos tipos diferentes de rotores que pueden disponerse dentro del estator del motor de inducción. Uno de ellos se llama rotor de jaula de ardilla o simplemente rotor de jaula, mientras que el otro es llamado rotor devanado.

El otro tipo de rotor es el rotor devanado. Un rotor devanado tiene un grupo completo de devanados trifásicos que son las imágenes especulares de los devanados del estator. Las fases de los devanados del rotor están conectadas usualmente en Y, y los extremos de los tres alambres del rotor están unidos a anillos rozantes dispuestos sobre el eje del rotor. Los devanados del rotor están cortocircuitados a través de escobillas montadas en los anillos rozantes. En los motores de inducción de rotor devanado, sus corrientes rotóricas son accesibles en las escobillas del estator, donde pueden ser examinadas y donde se puede insertar resistencia extra al circuito del rotor. Es posible obtener ventaja de este hecho para modificar la característica par-velocidad del motor.

Conceptos básicos sobre motores de inducción

En esencia, la operación de los motores de inducción es igual a la de los devanados de amortiguación en los motores sincrónicos. En seguida se repasará la operación básica y se definirán algunos términos importantes de los motores de inducción.

Desarrollo del par inducido en un motor de inducción

La figura 7-6 muestra un motor de inducción de jaula de ardilla. Al aplicar al estator un conjunto trifásico de voltajes, fluye un conjunto trifásico de corrientes estatóricas que producen un campo magnético que rota en dirección contraria a las manecillas del reloj. La velocidad de rotación del campo magnético está dada por

donde v = velocidad de la barra, relativa al campo magnético.

B = vector de densidad de flujo magnético

1 = longitud del conductor en el campo magnético

El movimiento relativo del rotor con respecto al campo magnético del estator produce voltaje inducido en una barra del rotor. La velocidad de las barras de la parte superior del rotor, con relación al campo magnético, es hacia la derecha de modo que el voltaje inducido en las toas superiores es hacia fuera de la página, mientras que el voltaje inducido en las barras inferiores es hacia dentro de la página.

Esto origina un flujo de corriente hacia fuera en las barras superiores, y hacia dentro en las inferiores. Sin embargo, puesto que el conjunto del rotor es inductivo, la corriente pico del rotor queda en atraso con relación al voltaje pico del rotor (véase figura 7-6b). El flujo de corriente del rotor produce un campo magnético del rotor

Finalmente, puesto que el par inducido en la máquina está dado por

la dirección del par resultante va en sentido contrario a las manecillas del reloj. Puesto que la dirección del par inducido en el rotor va en sentido contrario a las manecillas del reloj, el rotor se acelera en esa dirección.

Sin embargo, existe un límite superior finito para la velocidad del motor. Si el rotor del motor de inducción estuviera rotando a la velocidad sincrónica, las barras del rotor serían estacionarias con respecto al campo magnético y no habría voltaje inducido.

Concepto de deslizamiento del rotor

El voltaje inducido en una barra del rotor de un motor de inducción depende de la velocidad del rotor con respecto a los campos magnéticos. Puesto que el comportamiento de un motor de inducción depende del voltaje y la corriente del rotor, con frecuencia es más lógico hablar de su velocidad relativa. En general se utilizan dos términos para definir el movimiento relativo entre el rotor y los campos magnéticos. Uno de ellos es la velocidad de deslizamiento, definida como la diferencia entre la velocidad sincrónica y la velocidad del rotor:

El otro término utilizado para describir el movimiento relativo es el deslizamiento, el cual es la velocidad relativa expresada sobre una base en por unidad o en porcentaje. El deslizamiento está definido como

Estas ecuaciones son útiles en la deducción del par del motor de inducción y en las relaciones de potencia.

Frecuencia eléctrica en el rotor

Un motor de inducción trabaja induciendo tensiones y corrientes en el rotor de la máquina; por esa razón, a veces se le llama transformador rotante. Como transformador, el primario (estator) induce un voltaje en el secundario (rotor) pero, a diferencia del transformador, la frecuencia secundaria no es necesariamente la misma que la frecuencia primaria.

Si el rotor de un motor está bloqueado tal que no puede moverse, el rotor tendrá la misma frecuencia que el estator. Por el contrario, si el rotor gira a velocidad sincrónica, la frecuencia en el rotor será cero. ¿Cuál será la frecuencia del rotor a una velocidad arbitraria de rotación?

Control de velocidad en motores de inducción

Existen sólo dos técnicas para controlar la velocidad de un motor de inducción, una de las cuales consiste en variar la velocidad sincrónica (velocidad de los campos magnéticos del rotor y del estator) puesto que la velocidad del rotor siempre permanece cerca de

La otra técnica consiste en variar el deslizamiento del motor para una carga dada. Cada una de estas técnicas se explicará en detalle más adelante.

La velocidad sincrónica de un motor de inducción está dada por

Por lo tanto las únicas formas en que se puede variar la velocidad, sincrónica de la máquina son:

1) Cambiando la frecuencia eléctrica y 2) cambiando el número de polos de la máquina. El control del deslizamiento puede ser llevado a cabo bien sea variando la resistencia del rotor o variando el voltaje en los terminales del motor.

Control de velocidad del motor de inducción mediante el cambio de polos

Existen dos métodos importantes para cambiar el número de polos en un motor de inducción:

1. El método de polos consecuentes.

2. Devanados de estator múltiples.

Cuando el motor de dos polos se reconecta para operar con cuatro polos, el par máximo resultante del motor de inducción puede ser igual al de antes (conexión de par constante), la mitad de su valor anterior (conexión de par que sigue la ley de los cuadrados, utilizado para ventiladores, etc.) o dos veces su valor previo (conexión de salida de potencia constante), dependiendo de cómo se reordenen los devanados del estator. La figura 7-41 muestra las conexiones posibles del estator y su efecto en la curva par-velocidad.

La mayor desventaja del método de polos consecuentes para cambiar la velocidad es que las velocidades deben estar en relación de 2:1. Para superar esta limitación, se emplearon estatores de devanados múltiples con diferente número de polos, de los cuales sólo se energizaba uno en cada oportunidad. Por ejemplo, un motor podría ser devanado con grupos de cuatro y seis polos de devanados estatóricos y, en un sistema de 60 Hz, su velocidad sincrónica podría cambiarse de 1800 a 1200 r/min suministrando potencia al otro grupo de devanados. Por desgracia, los devanados estatóricos múltiples aumentan el costo del motor y por tanto se utilizan sólo cuando es absolutamente necesario.

Control de velocidad mediante el cambio de la frecuencia de la línea

Si se cambia la frecuencia eléctrica aplicada al estator de un motor de inducción, la velocidad de rotación de sus campos magnéticos cambiará en proporción directa al cambio de frecuencia eléctrica, y el punto de vacío sobre la curva característica par-velocidad cambiará con ella La velocidad sincrónica del motor en condiciones nominales se conoce como velocidad base. Utilizando control de frecuencia variable, es posible ajustar la velocidad del motor por encima o por debajo de la velocidad base. Un controlador de frecuencia variable para motor de inducción, diseñado adecuadamente, puede ser muy flexible y puede controlar la velocidad de un motor de inducción sobre un rango de velocidad que va desde el tan pequeño de 5% de la velocidad base hasta cerca del doble de ésta. Sin embargo, es importante mantener ciertos límites de voltaje y par sobre el motor cuando varía la frecuencia para asegurar una operación confiable.

Cuando se opera a velocidades inferiores a la velocidad base del motor, es necesario reducir el voltaje aplicado a los terminales del estator para obtener una operación adecuada. El voltaje aplicado a los terminales del estator deberá disminuir linealmente con la disminución de la frecuencia en él. Este proceso se llama degradación (derating). Si esto no se hace, se saturará el acero del núcleo del motor de inducción y fluirán corrientes de magnetización excesivas en la máquina.

Para entender la necesidad de reducción, recuérdese que un motor de inducción es básicamente un transformador rotante. Como con cualquier transformador, el flujo en el núcleo de un motor de inducción se puede encontrar aplicando la ley de Faraday:

Para evitar corrientes de magnetización excesivas, es costumbre disminuir el voltaje aplica do al estator en proporción directa a la disminución de la frecuencia siempre que la frecuencia esté por debajo de la nominal del motor.

Cuando el voltaje aplicado a un motor de inducción varía linealmente con la frecuencia por debajo de la velocidad base, el flujo en el motor permanece aproximadamente constante. Entonces, el máximo par que puede suministrar el motor permanece alto. Sin embargo, la potencia máxima nominal del motor debe ser disminuida linealmente con la reducción de frecuencia para evitar el sobrecalentamiento del circuito del estator. La potencia suministrada al motor de inducción trifásico está dada por

Cuando la frecuencia eléctrica aplicada al motor excede la frecuencia nominal del motor, el voltaje del estator es mantenido constante en el valor nominal. Aunque consideraciones de saturación permitirían elevar el voltaje por encima del valor nominal bajo estas circunstancias, aquél está limitado al voltaje nominal para proteger el aislamiento del devanado del motor.

Si el voltaje del estator varía linealmente con la frecuencia por debajo de la velocidad base y su valor nominal se mantiene constante a velocidades por encima de la velocidad base, la familia resultante de características par-velocidad se muestra en la figura 7-42c. La velocidad nominal del motor que aparece en la figura 7-42 es 1800 r/min.

En el pasado, la principal desventaja del control de frecuencia eléctrica como método de cambio de velocidad era que se requería un generador o un cambiador mecánico de frecuencia exclusivos para hacerlo operativo. Este problema desapareció con el desarrollo de los modernos controladores de frecuencia variable y estado sólido, para motor de inducción. En efecto, el cambio de la frecuencia de la línea con estos controladores ha llegado a ser el método preferido para el control de velocidad de los motores de inducción. Nótese que este método puede ser utilizado con cualquier motor de inducción, a diferencia de la técnica de cambio de polos que requiere un motor con devanados estatóricos especiales.

Control de velocidad mediante cambio del voltaje de línea

El par desarrollado por un motor de inducción es proporcional al cuadrado del voltaje aplicado. Si una carga tiene una característica par-velocidad como la mostrada en la figura 7-43, la velocidad del motor puede ser controlada en un rango limitado, variando el voltaje de la línea. Este método de control de velocidad se utiliza a veces para manejar pequeños motores de ventilación.

Control de velocidad mediante cambio de la resistencia del rotor

En los motores de inducción de rotor devanado es posible cambiar la forma de la curva par-velocidad insertando resistencias extras en el circuito del rotor de la máquina. Tal método de control de la velocidad se utiliza sólo durante periodos cortos debido a los problemas de eficiencia que conlleva.

Prueba DC para Determinar la resistencia del estator

La resistencia del rotor R juega un papel crítico en la operación de un motor de inducción.

Para determinar la resistencia total del circuito del motor, se puede aplicar al motor una prueba estándar, llamada prueba de rotor bloqueado (esta prueba se detalla en la próxima sección). Sin embargo, esta prueba determina sólo la resistencia total. Para encontrar la resistencia aproximada del rotor R, es necesario conocer R de modo que ésta se pueda restar de la total.

Puesto que la corriente es de, no hay voltaje inducido en el circuito del rotor y en éste no fluye comente resultante. Así mismo, la reactancia a corriente directa del motor es cero. Entonces, la única cantidad que limita el flujo de corriente en el motor es la resistencia del estator, y por tanto, ésta puede ser determinada.

El circuito básico para la prueba de aparece en la figura 7-53. Esta figura muestra una fuente de potencia de conectada a dos de los tres terminales de un motor de inducción conectado en Y. Para realizar la prueba, se ajusta la corriente del estator al valor nominal y se mide el voltaje en los terminales. La corriente en los devanados del estator se ajusta al valor nominal para que los devanados se calienten a la misma temperatura que tendrían durante la operación normal (recuérdese que la resistencia del devanado es función de la temperatura).

Conociendo este valor de Rl se pueden determinar las pérdidas en el cobre del estator en vacío; las pérdidas rotacionales se pueden deducir de la diferencia entre la potencia de entrada en vacío y las pérdidas en el cobre del estator.

El valor de Rl calculado de esta forma no es muy preciso puesto que se desprecia el efecto pelicular que ocurre cuando se aplica voltaje ac a los devanados. En la norma 112 de la IEEE se encuentran más detalles relacionados con la corrección por temperatura y efecto pelicular.

Prueba de rotor bloqueado

La tercera prueba que se puede realizar en un motor de inducción para determinar los parámetros de circuito se llama prueba de rotor bloqueado o algunas veces prueba de rotor enclavado.

Durante esta prueba que corresponde a la de cortocircuito del transformador, se bloquea o enclava el rotor de tal forma que no se pueda mover, se aplica voltaje al motor y se miden el voltaje, la corriente y la potencia resultantes.

La figura 7-54a muestra las conexiones para realizar la prueba de rotor bloqueado. Para llevar a cabo la prueba de rotor bloqueado, se aplica un voltaje ac al estator y se ajusta el flujo de corriente al valor aproximado de plena carga. Cuando la corriente está en su valor de plena carga, se miden el voltaje, la corriente y la potencia resultante que fluyen hacia el motor.

Sin embargo, esta prueba presenta un problema. En operación normal, la frecuencia del estator es la frecuencia de la línea del sistema de potencia (50 ó 60 Hz). En condiciones de arranque, el rotor también está a la frecuencia de la línea. Sin embargo, en condiciones de operación normal, el deslizamiento de la mayoría de los motores es tan sólo de 2 ó 4% y la frecuencia resultante en el rotor está en un rango de 1 a 3 Hz, lo cual crea un problema en cuanto que la frecuencia de la línea no representa las condiciones de operación normal del rotor. Puesto que la resistencia efectiva del rotor es una función de la frecuencia para motores de diseño clases B y C, la frecuencia incorrecta del rotor puede llevar a obtener resultados falsos en la prueba. En una situación típica se utiliza una frecuencia de 25% o menos de la frecuencia nominal. Aunque esta aproximación es aceptable para rotores de resistencia constante (diseños clases A y D), no es aplicable cuando se trata de encontrar la resistencia normal de rotor en un rotor de resistencia variable. Debido a estos y otros problemas similares, se debe tener mucho cuidado al realizar las mediciones durante estas pruebas.

Después que se han fijado el voltaje y la frecuencia para las pruebas, el flujo de corriente en el motor se ajusta con rapidez cerca del valor nominal y se miden la potencia, el voltaje y la corriente de entrada, antes que el rotor se caliente demasiado. La potencia de entrada al motor está dada por

La resistencia de rotor bloqueado R es igual a

Por desgracia, no hay una forma sencilla de separar las contribuciones de las reactancias recíprocas del rotor y estator. Durante años, la experiencia ha demostrado que las reactancias del rotor y del estator son proporcionales en motores de ciertos tipos de diseño. La figura 7-55 resume esta experiencia. En la práctica corriente, no hay problema real al analizar puesto que la reactancia es la suma de en todas las ecuaciones del par.

Figura 7-55

"Reglas prácticas" para dividir las reactancias del circuito del rotor y del estator.

Conclusiones

Con la finalización del siguiente ensayo podemos decir que Un motor de inducción tiene físicamente el mismo estator que una máquina sincrónica, pero la construcción del rotor es diferente. Un estator típico de dos polos se muestra en la figura 7-1. Parece (y es) igual al estator de una máquina sincrónica. Hay dos tipos diferentes de rotores que pueden disponerse dentro del estator del motor de inducción. Uno de ellos se llama rotor de jaula de ardilla o simplemente rotor de jaula, mientras que el otro es llamado rotor devanado.

En definitiva este ensayo a sido de gran ayuda ya que aumento mis conocimientos y despejo mis dudas en cuanto a un motor asíncrono.

Bibliografía

• 1) J. Chapman. "Máquinas Eléctricas". Cuarta Edición. McGraw-Hill. México D.F.

• 2) http://www.monografias.com/trabajos82/operacion-paralelo-generadores-sincronos/operacion-paralelo-generadores-sincronos2

• 3) Máquinas Eléctrica, A. E. Fitzgerald, Quinta Edición.

• 4) Máquinas Eléctricas de Chapman.

Autor:

Israel Sánchez P.

MAQUINAS ELECTRICAS 2