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Motores asíncrono o de inducción



  1. Abstract
  2. Construcción del motor de
    inducción
  3. Conceptos básicos sobre motores de
    inducción
  4. Control de velocidad en motores de
    inducción
  5. Conclusiones
  6. Bibliografía

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 Monografias.comque rota en dirección contraria a las
manecillas del reloj. La velocidad de rotación del campo
magnético está dada por

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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 Monografias.com

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

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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.

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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:

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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

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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?

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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 Monografias.com

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

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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.

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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 Monografias.comcambiará 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:

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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

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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.

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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.

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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.

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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).

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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.

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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

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La resistencia de rotor bloqueado R es igual
a

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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 Monografias.compuesto que la reactancia es la suma de
Monografias.comen todas las
ecuaciones del par.

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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.

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MAQUINAS ELECTRICAS 2

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