Máquinas Asincronicas

Partes: 1, 2

Consideraciones generales sobre la máquina asincrónica

En seminarios anteriores, se ha considerado la máquina de C.C que funciona con una tensión de C.C aplicada a su devanado de excitación y (como resultado de la rotación o conmutación) una tensión de C.A aplicada a su devanado del inducido. También se ha considerado la máquina síncrona de C.A que como la máquina de C.C, tiene una tensión de C.C aplicada a su devanado de excitación y una tensión de C.A aplicada directamente a su devanado de inducido. Ambas máquinas se consideraron como máquinas de excitación debido a que se requerían dos fuentes de excitación para su funcionamiento normal.

A primera vista, la máquina de inducción (asincrónica) podría considerarse como una máquina de excitación única, debido a que a su estator se le aplica tan sólo corriente alterna polifásica. Sin embargo, se observará que en su rotor se induce una tensión de C.A de frecuencia variable, de la misma forma que por el efecto de transformación se induce una tensión de C.A en el secundario de un transformador. La máquina de inducción es, en consecuencia, una máquina con excitación doble que tiene una tensión de A.C aplicada tanto a su devanado de estator (inducido) como a su devanado rotórico. La tensión aplicada al inducido estatórico es una tensión de excitación de (ordinariamente) frecuencia constante y (ordinariamente) tensión constante suministrada a partir de unas barras polifásicas o monofásicas idénticas a las de la máquina síncrona. La tensión aplicada al rotor es una tensión inducida de frecuencia variable y tensión originada como resultado de la velocidad del rotor respecto a la velocidad de sincronismo.

De todos los tipos de motores estudiados hasta ahora (de C.C, síncronos, polifásicos de C.A), el motor de inducción de jaula de ardilla (SCIM), iniciales correspondientes a la tecnología inglesa, es el de construcción más sencilla. No tiene colector, ni anillos rozantes, ni contactos móviles entre el rotor y el estátor. Esta construcción determina muchas ventajas entre las que pueden citarse el funcionamiento sin necesidad de mantenimiento, aplicación en lugares inaccesibles y funcionamiento en ambientes adversos en los que el polvo y otros materiales abrasivos constituyen un factor a considerar. Por esta razón, de ordinario es el motor polifásico de C.A, más ampliamente utilizado.

En tanto que el motor de inducción es, acaso, el más sencillo de todos los motores en su funcionamiento y accionamiento, su teoría es bastante complicada.

Consideraciones sobre diferentes formas de arranque de los motores asincrónicos

2.1 Características generales sobre la puesta en marcha de los motores asincrónicos trifásicos.

Las características fundamentales de arranque son la magnitud del par de arranque y la magnitud de la corriente de arranque.

Para que durante el arranque el rotor del motor pueda girar el par de arranque desarrollado por el motor debe ser mayor que el momento de resistencia en el árbol, creado por el mecanismo accionado. En toda una serie de casos (al poner en marcha un molino de bolas, una trituradora, un compresor, etc.) se requiere un par de arranque considerable, igual al nominal o mayor que éste.

Por otro lado, la magnitud de la corriente de arranque para la red dada no debe sobrepasar unos límites determinados, que dependen de la potencia de la red. En los motores de gran potencia, en el caso de red de poca potencia, es necesario disminuir la magnitud de la corriente de arranque.

En los motores asincrónicos en cortocircuito la disminución de la corriente de arranque se puede lograr disminuyendo la tensión en los bornes del motor durante el arranque, no obstante, en este caso, proporcionalmente al cuadrado de la tensión disminuye también el par de arranque. Por esta razón este procedimiento es aplicable sólo en condiciones fáciles de arranque. Si las condiciones de arranque son difíciles, el motor asincrónico en cortocircuito normal puede no desarrollar un par de arranque suficiente incluso en el caso de arranque directo con tensión nominal. En estos casos es posible la aplicación de motores de rotor bobinado o en cortocircuito con rotor de construcción especial: de doble jaula o de grande reactancia.

En los motores de rotor bobinado las condiciones favorables de arranque (gran par de arranque siendo la corriente de arranque de pequeña intensidad) se logran fácilmente con ayuda del reóstato de arranque en el circuito del rotor. No obstante, estos motores son más caros que los motores en cortocircuito, y el empleo del reóstato de arranque complica la instalación y su servicio.

También tienen gran importancia tales cuestiones como a) el tiempo de arranque, b) las pérdidas de energía en los devanados y el calentamiento de estos, c) los procesos transitorios durante el arranque.

2.2. ARRANQUE DE LOS MOTORES EN CORTOCIRCUITO

2.2.1. Conexión directa a la red.

En la actualidad este método de conexión tiene un significado predominante debido a que los sistemas eléctricos poseen la suficiente potencia. Este método se distingue por su sencillez, pero al mismo tiempo está relacionado con incrementos bruscos más o menos considerables de la corriente, que pueden reflejarse negativamente en el trabajo de la red de alimentación. Para tener una orientación, en la tabla 3.1 se exponen los datos de las corrientes y los momentos de arranque para los motores de 5 hasta 100 kW de potencia con n = 1500, 1000 y 750 r.p.m.

Tabla 3.1

Estos datos se refieren a los motores de construcción normal. En los motores de construcción especial, para los mismos o mayores momentos de arranque se pueden tener corrientes de arranque de menor intensidad.

2.2.2. Arranque con ayuda de una reactancia intercalada en el circuito del estator.

Con otras palabras, este método de arranque es posible sólo en los casos cuando importancia la magnitud del par de arranque no tiene importancia.

Fig. 3.1 Arranque con ayuda de una reactancia.

Fig. 3.2 Relación Marr/Mn = f (karr.red) en el caso de arranque con ayuda de un autotransformador (1) y una reactancia (2).

Fig. 3.3 Arranque con ayuda de un autotransformador.

2.2.3. Arranque con ayuda de un autotransformador.

El circuito de arranque se representa en la Fig. 3.3. Aquí Est es el estator, Rot, el rotor, At, el autotransformador.

De aquí se desprende que este método de arranque, lo mismo que el anterior, es posible sólo en los casos cuando el par de frenado durante el arranque no es grande. De lo contrario el motor no podrá iniciar la marcha.

En comparación con el anterior, el método de arranque en cuestión tiene una ventaja considerable en lo que concierne al par de arranque. En efecto,

2.2.4. Arranque con ayuda de la conmutación estrella-triángulo

El circuito de arranque viene dado en la Fig. 3.4. Si el conmutador 2 se encuentra en la posición "arranque", entonces el devanado del estator está conectado en estrella, si se encuentra en la posición "funcionamiento", entonces está conectado en triángulo.

El arranque se realiza de la manera siguiente. Colocamos el conmutador 2 en la posición "arranque" y enchufamos el interruptor 1. Cuando el motor alcanza la velocidad estable, pasamos rápidamente el conmutador 2 a la posición "funcionamiento". Con esto se finaliza la operación de arranque.

Fig. 3.4 Circuito de arranque de un motor en cortocircuito con conmutación estrella-triangulo.

Fig. 3.5 Diagramas circulares combinados en el caso de funcionamiento con el devanado del estator conectado en triangulo (circunferencia a) y en estrella (circunferencia b).

Fig. 3.6 Características de funcionamiento de un motor con el devanado del estator conectado en triangulo y en estrella.

En este caso se observa un salto brusco de la corriente de conexión de la marcha en vacío. Este defecto se puede eliminar con ayuda de conmutadores especiales (sin interrupción de la corriente) de construcción un poco complicada.

Diferentes metodos de regulación de la velocidad de rotación de los motores asincrónicos trifásicos

3.1. Procedimientos de regulación de la velocidad

El problema de regulación de la velocidad de los motores eléctricos en general, y en particular de los motores asincrónicos, tiene un gran significado en la explotación. En toda una serie de ramas de la industria ante las características de regulación se plantean altas exigencias tanto en lo que se refiere a los límites y suavidad de regulación, como a su economía. En lo que concierne a las características de regulación, los motores asincrónicos ceden ante los motores de corriente continua y, en tanto mayor grado, cuanto más amplios son los límites de regulación. Para mejorar las características de regulación de los motores asincrónicos se ha realizado un gran trabajo, pero, no obstante, el motor asincrónico no consiguió suplantar al motor de corriente continua de las instalaciones con altas exigencias ante las cualidades de regulación de los motores eléctricos.

Se distinguen los procedimientos de regulación con los cuales el efecto fundamental sobre el motor se ejerce: a) por parte del estator y b) por parte del rotor.

Entre los primeros procedimientos de regulación de la velocidad de un motor asincrónico trifásico se encuentran:

1) mediante la variación de la tensión aplicada al motor;

2) mediante la variación del número de pares de polos;

3) mediante la variación de la frecuencia de la red.

Por parte del rotor la velocidad se puede regular:

1) variando la resistencia óhmica en el circuito del rotor;

2) introduciendo en el circuito del rotor una f.e.m. adicional de la misma frecuencia que la f.e.m. fundamental del rotor.

La realización del último procedimiento de regulación de la velocidad requiere una máquina eléctrica auxiliar o varias de estas máquinas. El grupo compuesto por el motor asincrónico a regular y una o varias máquinas auxiliares acopladas con él eléctrica o mecánicamente se llama cascada. En calidad de máquinas auxiliares habitualmente se emplean las máquinas de colector.

La regulación de la velocidad de rotación de los motores asincrónicos mediante la variación de la tensión primaria tiene una importancia de segundo orden, puesto que no permite variar la velocidad en amplios límites y además no es económica. Por eso este procedimiento de regulación de la velocidad se emplea sólo para los motores asincrónicos de una potencia bastante pequeña en dispositivos especiales donde el problema de economía no tiene mucha importancia.

Para la regulación de la velocidad fueron propuestas distintas construcciones especiales de los motores, por ejemplo, con doble rotor. etc.

3.2. Regulación de la velocidad de rotación de los motores variando el número de polos

La velocidad sincrónica de rotación se determina de la relación

Si la frecuencia f1 está dada, entonces al variar p varía la velocidad sincrónica n1 y, por consiguiente, también la velocidad de rotación del motor n. Pero en este caso la regulación de la velocidad se efectúa no suavemente, sino en escalones. Con frecuencia se efectúa en dos escalones con la relación de las velocidades de 2:1. Estos motores se llaman de dos velocidades.

La conmutación del número de pares de polos en el estator se puede realizar de la manera siguiente:

1) Colocar en el estator un devanado y variar el número de pares de polos mediante la conmutación correspondiente de sus piezas;

2) Colocar en el estator dos devanados independientes uno del otro;

3) Colocar en el estator dos devanados independientes, ambos con conmutación de los polos.

Los motores de dos velocidades se hacen habitualmente con un devanado en el estator, con conmutación del número de polos en la relación 1:2. Los motores de tres y cuatro velocidades se fabrican con dos devanados en el estator, además, uno o ambos devanados se hacen con conmutación del número de polos. Por ejemplo, si se desea obtener un motor con cuatro velocidades sincrónicas de rotación: 1500, 1000, 750 y 500 r.p.m., en el estator se pueden colocar dos devanados uno de los cuales proporciona el número de pares de polos p = 2 y p = 4, y el otro p = 3 y p = 6.

Fig. 4.1 Circuitos principales de conmutación del número de pares de polos.

Fig. 4.2 Circuito de conmutación del número de pares de polos.

Si el motor es de rotor bobinado, entonces la conmutación del número de pares de polos debe hacerse simultáneamente en el estator y en el rotor. Esto complica la construcción del rotor del motor. Por esta razón, los motores con conmutación del número de pares de polos tienen habitualmente rotor en cortocircuito con devanado en forma de jaula de ardilla. Este rotor puede trabajar sin cambio alguno del acoplamiento en el caso de distintos números de polos en el estator. A continuación examinaremos solamente los motores de este tipo.

Existen varios procedimientos de conmutación de los pares de polos del devanado. Con más frecuencia se emplea el procedimiento de conmutación mediante la variación de la dirección de la corriente en las mitades de cada devanado de fase o, abreviadamente, en los semidevanados. En la Fig. 4.1 vienen dados los circuitos principales de conmutación de los semidevanados para variar el número de pares de polos en la relación de 2:1. Las conmutaciones de la Fig. 4.1, a y b se llaman en serie, la conmutación de la Fig. 24-1, c, en paralelo. Además, los devanados de fase se pueden conmutar de la estrella al triángulo y viceversa. Así pues, al conmutar los polos varían en el caso general todas las características del devanado y correspondientemente las inducciones en el entrehierro.

Corno se sabe,

Convengamos en designar con el índice 1 las magnitudes correspondientes al menor número de polos, y con el índice 11, las magnitudes correspondientes a un número doble de polos. Entonces, omitiendo el índice m de la inducción, obtenemos:

En la Fig. 4.2 se dan los cinco circuitos más usados de conmutación del devanado del estator. Al pasar del mayor número de pares de polos al menor es necesario conmutar los terminales de salida de los devanados de fase de tal modo que se conserve el sentido de rotación del motor. Los valores de las relaciones B11/B1 que se obtienen con las conexiones de la Fig. 4.2 se exponen en la tabla 4.1. Para simplificar consideramos que

En efecto, el momento de rotación se puede expresar por la fórmula

De este modo, para las cargas máximas admisibles en el sentido del calentamiento, tenemos que

Por el contrario, el circuito 1 corresponde al valor mínimo de la relación de los momentos y puede ser utilizado en los accionamientos del tipo de ventilador.

Al diseñar los motores con conmutación de los polos se debe prestar atención a que las curvas de f.m. para ambos números de polos sean lo más próximas a sinusoidales.

Para ello es necesario elegir adecuadamente el tipo de devanado y el carácter de su arrollamiento, en particular, la reducción del paso.

Tabla 4.1

Los datos técnicos principales de los motores asincrónicos trifásicos de dos velocidades con rotor en cortocircuito de la serie MA-200 para 1500/750 r.p.m. y una tensión de 380 V se dan en la tabla 4.2.

Tabla 4.2

Las demás características se diferencian poco unas de otras.

Los motores con conmutación de los polos se fabrican fundamentalmente de dos velocidades, más raramente de tres y cuatro velocidades de poca potencia. Pero en ciertos casos los motores con conmutación de los polos se fabrican de potencias considerables para instalaciones de bastante importancia.

Así, por ejemplo, existen instalaciones equipadas de un motor con conmutación de los polos de 2p = 22 a 2x2p = 44 de una potencia de 1655/4050 kW cada uno con U1 = 5 kV y n = 317/162 r.p.m.

Los rotores de los motores tienen dos devanados cada uno: uno en cortocircuito y el otro de fase con los terminales conectados a los anillos.

La tentativa de fabricar motores con más de cuatro velocidades no ha tenido éxito debido a la complejidad constructiva tanto del propio motor, como del dispositivo de conmutación.

3.3. Regulación de la velocidad de rotación de los motores mediante la variación de la frecuencia primaria

Este procedimiento de regulación de la velocidad es posible sólo cuando el motor se alimenta desde instalaciones especiales. La variación de la frecuencia en amplios límites se puede realizar empleando generadores sincrónicos con velocidad de rotación variable o instalaciones por el esquema Yapolski—Kostenko a base de alternadores de colector, así como instalaciones con convertidores iónicos, por ejemplo, por el esquema de D.A. Zavalishin.

Son posibles los siguientes casos principales de regulación de la velocidad:

La investigación de este problema realizada por M. P. Kostenko demuestra que si se desea que el motor trabaje con distintas frecuencias con los valores del rendimiento, del factor de potencia, de la capacidad de sobrecarga y del resbalamiento absoluto prácticamente constantes, entonces cuando el acero no está saturado simultáneamente con la variación de la frecuencia se debe regular también la tensión U1 en dependencia de la frecuencia y el momento por la ley siguiente:

Cuando la potencia es constante, el momento del motor varía inversamente proporcional a la velocidad y, por lo tanto, también a la frecuencia, es decir,

En la práctica hay que apartarse algo de estas deducciones, en primer lugar, porque el acero de la máquina siempre está en cierto grado saturado y, en segundo lugar, porque las condiciones de refrigeración de la máquina varían con la variación de la velocidad.

3.4. Regulación de la velocidad de rotación de los motores mediante la variación de la resistencia óhmica del rotor

La regulación de la velocidad de rotación con ayuda de un reóstato intercalado en el circuito del rotor es posible en los motores con anillos de contacto.

El circuito de regulación no se diferencia del circuito habitual de regulación de un motor asincrónico de rotor bobinado. Los reóstatos de regulación de la velocidad, metálicos o de agua, son semejantes a los de arranque, pero están destinados para un funcionamiento duradero.

El aspecto físico del proceso que tiene lugar durante la regulación de la velocidad es el mismo que en los motores de corriente continua. En efecto, en el primer instante después de introducir el reóstato de regulación, cuando la velocidad de rotación del motor no ha cambiado todavía, la corriente en el rotor disminuye. A consecuencia de esto disminuye el momento de rotación del motor y en el árbol surge un momento dinámico negativo. La velocidad de rotación del motor comienza a disminuir, mientras que la f.e.m. y la corriente en el rotor aumentan. Este proceso dura hasta que la corriente en el rotor alcance un valor tal, con la cual los momentos de carga de rotación y estático se equilibran mutuamente.

Fig. 4.3 Diagrama circular para distintos valores de la resistencia adicional del circuito del rotor.

Para responder a la pregunta de cómo variarán las características del motor al insertar en el circuito del rotor una resistencia óhmica adicional, se puede trazar el diagrama circular (Fig. 4.3).

Como la tensión aplicada al motor y la frecuencia de la red permanecen constantes, la corriente I0 no varia, y el punto de marcha en vacío O sigue ocupando la misma posición en el diagrama circular. Asimismo no varía el diámetro del diagrama circular, pero la posición del punto de cortocircuito K en la circunferencia de las corrientes depende de la magnitud de la resistencia óhmica adicional insertada en el circuito del rotor (Fig. 4.3).

Por consiguiente, en el diagrama circular (Fig. 4.3), el final del vector de corriente secundaria y, por lo tanto, también el final del vector de corriente primaria siguen ocupando la misma posición.

A pesar de que no es económica, la regulación de la velocidad con ayuda de un reóstato en el circuito del rotor se usa bastante ampliamente en la práctica, principalmente para los motores de poca potencia, así como en las instalaciones para las grúas de puente. Pero a veces este procedimiento se emplea para la regulación de la velocidad de los laminadores, sobre todo en los casos cuando éstos van dotados de volante para disminuir las crestas de carga en la red. En este caso el reóstato, que se llama regulador del resbalamiento, se conecta automáticamente al aumentar la carga, debido a lo cual aumenta el resbalamiento y parte de la carga se cubre a cuenta de la energía cinética del volante. Al disminuir la carga, por el contrario, disminuye la resistencia en el circuito del rotor, aumenta la velocidad y el volante almacena energía cinética.

Generalidades sobre el motor asincrónico monofásico

4.1. Principio de funcionamiento de un motor asincrónico monofásico.

Los motores monofásicos se alimentan por la red monofásica de corriente alterna. En concordancia con esto estos motores tienen en el estator un devanado de trabajo conectado a la red. El devanado del rotor de un motor monofásico se hace en jaula de ardilla. En el estator se coloca también el devanado auxiliar

Fig. 5.1 Principio de funcionamiento de un motor monofásico

de arranque que corrientemente se conecta a la red sólo en período de arranque del motor. El destino de este devanado se aclarará a continuación.

Examinemos el funcionamiento de un motor monofásico al principio en el régimen cuando el devanado de arranque está desconectado.

El devanado de trabajo de un motor monofásico, situado en el estator (Fig. 5.1, a), se alimenta por la red monofásica de corriente alterna. La corriente de este devanado crea un campo magnético pulsante que puede ser descompuesto en dos campos de igual amplitud, igual a la mitad de la amplitud del campo pulsante, y que giran en sentidos contrarios a una misma velocidad.

A base de lo dicho el motor monofásico es equivalente a dos motores trifásicos iguales, cuyos rotores están situados en un mismo árbol, y los devanados de los estatores están conectados en serie de tal modo que los campos magnéticos creados por ellos giran en el espacio en sentidos contrarios (Fig. 5.1, b). Estos dos motores son, a su vez, equivalentes a un motor trifásico con dos devanados trifásicos iguales conectados en serie, que crean campos que giran en sentidos contrarios (Fig. 5.1, c).

Tanto en el motor monofásico real, como en sus dos modelos indicados las corrientes inducidas en los devanados del rotor por los campos giratorios del estator, que entran en acción recíproca con estos campos, crean, estando el motor inmóvil, momentos electromagnéticos iguales y recíprocamente opuestos, como resultado de lo cual el momento de rotación resultante resulta igual a cero, y el motor no puede arrancar incluso si no existe par de frenado en el árbol.

Con respecto al campo del devanado B, que gira en sentido contrario, el rotor tendrá una velocidad relativa igual a la suma de las velocidades del campo y del rotor, y por eso la frecuencia de la corriente inducida en el devanado del rotor será

Fig. 5.2 Momento de rotación de un motor monofásico

Como se desprende de los razonamientos generales y de la Fig. 5.2, cuando s = 1 tenemos que M = 0 y el motor no puede ponerse independientemente en movimiento si en el estator existe sólo un devanado monofásico, y las condiciones de su funcionamiento al girar el rotor en uno u otro sentido con igual velocidad n son iguales.

4.2. Circuito equivalente de un motor monofásico

Fig. 5.3 Circuito equivalente de un motor asincrónico monofásico

Examinaremos el funcionamiento del motor cuando gira en el sentido del campo giratorio directo (-oo < s < 1) y uniremos el par izquierdo de circuitos en paralelo de la Fig. 5.3 en un circuito común.

La resistencia de este circuito será

Después de esta unión, el circuito equivalente adquiere la forma representada en la Fig. 5.4, a. Saquemos en este circuito

Fig. 5.4 circuitos equivalentes precisados de un motor asincrónico monofásico

A base del circuito equivalente de la Fig. 5.4, b se puede escribir las expresiones para las potencias, los momentos y las pérdidas en los devanados.

Las pérdidas en el régimen de marcha en vacío ideal (s = 0) son

La potencia electromagnética transmitida del circuito primario al secundario es

Generalidades sobre el generador asíncrono

Las curvas par-deslizamiento de la figura 9-16 indican (hasta el punto de par máximo) que el par es proporcional al deslizamiento, con lo que al disminuir el deslizamiento disminuye el par. Cuando el deslizamiento es cero a la velocidad de sincronismo, el par es cero. Esto podría significar que, si la máquina de inducción de AC se accionase a una velocidad superior a la de sincronismo, o sea, a un deslizamiento negativo, el par sería negativo(el motor recibe en vez de suministrar potencia mecánica) y se produce el funcionamiento como generador. La transición entre el funcionamiento como motor y funcionamiento como generador es función del deslizamiento.

Figura 9-16. Características par-deslizamiento de motores de inducción jaula de ardilla prácticos (normas NEMA)

A diferencia del alternador síncrono de AC que es accionado a una velocidad síncrona con relación a la de otros alternadores que alimentan las barras, el generador de inducción debe accionarse a una velocidad mayor que la de sincronismo a fin de suministrar potencia a las barras. La potencia de salida del generador de inducción depende por consiguiente, de la magnitud del deslizamiento negativo o en qué valor supera la velocidad del rotor a la de sincronismo girando en el mismo sentido que el que tenía cuando funcionaba como motor de inducción.

Cualquier motor de inducción, independientemente del tipo, funcionará como generador de inducción si bien los tipos de rotores de resistencia reducida producen corrientes más elevadas para la misma tensión inducida.*

Figura 9-17. Relaciones vectoriales aproximadas del motor de inducción y del generador de inducción.

El generador de inducción no es un generador autoexcitado. Por tanto, es necesario excitar el estator con una fuente exterior polifásica a su tensión y frecuencias nominales. Sólo actuará como generador cuando esté conectado a una fuente de tensión y frecuencia fijas y si se acciona a una velocidad superior a la de sincronismo establecida por la frecuencia de la alimentación.

A un deslizamiento de aproximadamente -5 %, el generador de inducción está a plena carga (por las barras del rotor y los devanados del estator circula la corriente nominal). Debido a que el generador de inducción siempre suministra una corriente adelantada a la red, una aplicación posible es en la corrección del factor de potencia. Sin embargo, no se utilizan para ello ya que precisan una máquina motriz, mientras que un condensador síncrono sobreexcitado, no.

El principio del generador de inducción es importante, no obstante, en el frenado dinámico de los motores de inducción; la máquina funciona como un dispositivo de sobrevelocidad y produce un efecto de frenado cuando la velocidad del motor supera a la de sincronismo ya que un motor de inducción se convertirá automáticamente en un generador de inducción en este caso. (Esto es también importante al proyectar las protecciones de cortocircuito de una red en la que se utilizan motor es de inducción.)

* Por encima de la velocidad de sincronismo, el efecto de generador de inducción sirve automáticamente como medio de frenado dinámico, Por debajo de la velocidad de sincronismo, un SCIM polifásico es frenado dinámicamente por (I) eliminando la potencia de AC del estator, y (2) sustituyéndola con CC. El motor se convierte en un generador de CC con un inducido cortocircuitado que produce grandes corrientes en el rotor y para el motor rápidamente. Véase Kosow, "Control of Electric Machines", Prentice-Hall, 1973, capítulo7.

Regímenes especiales de las máquinas asincrónicas

6.1. Frenado eléctrico de los motores asincrónicos

El cumplimiento correcto del proceso de producción requiere en toda una serie de instalaciones un frenado rápido y suave del motor, que sucede en concordancia exacta con el diagrama dado de velocidades. El frenado se puede realizar por vía mecánica o eléctrica, pero el frenado eléctrico posee una serie de ventajas ante el frenado mecánico, en particular en aquellos casos cuando se exige una regulación precisa del momento de parada y suavidad de la operación.

Existen tres métodos principales de frenado eléctrico de los motores asincrónicos: a) régimen de contracorriente o régimen de freno electromagnético, b) régimen de frenado por generador y c) régimen de frenado dinámico.

• A. Frenado del motor por el método de contracorriente.

Al frenar el motor por este método se cambia el sentido de rotación del campo conmutando dos conductores de línea cualesquiera de los que están conectados al estator.

En la Fig. 6.1 se muestra el circuito que ha obtenido mayor divulgación. Su particularidad característica consiste en que, en primer lugar, durante el frenado el estator del motor se conecta a la red como monofásico y, en segundo lugar, en que dos devanados de fase están cortocircuitados. Es sobre todo de gran importancia esta última circunstancia, puesto que sin el circuito cortocircuitado tendríamos un motor monofásico corriente sin régimen de frenado.

El análisis de este circuito demuestra que todo sucede como si tuviéramos en un mismo árbol dos motores trifásicos que desarrollan momentos dirigidos en sentidos opuestos. Las características de frenado de este circuito son favorables. A los defectos de este circuito se refieren: peor utilización de la máquina monofásica en comparación con la trifásica, la influencia desfavorable de la carga monofásica en la simetría de la tensión de la red trifásica y un factor de potencia reducido de la máquina. No obstante, en la mayoría de los casos estos defectos no tienen gran importancia.

Fig. 6.1 Circuito de frenado de un motor asincrónico

• B. Régimen de frenado por generador.

Este régimen se emplea principalmente en los motores con conmutación de los polos.

El régimen de frenado por generador se emplea también en los mecanismos de elevación y transporte al bajar cargas pesadas. En este caso la máquina devuelve a la red la energía recibida debido a la carga que desciende.

• C. Régimen de frenado dinámico.

En este caso el estator se desconecta de la red y se excita por la corriente continua de una fuente cualquiera de corriente continua: un excitador o un rectificador. En la Fig. 6.2 se representa uno de los circuitos posibles. Aquí, Est es el estator, dos devanados de fase del cual se alimentan durante el frenado por el rectificador seco RS; Rot es el rotor en cortocircuito; Int 1 e Int 2 son los interruptores que conectan el rectificador durante el frenado. Son posibles también otros circuitos de conexión de los devanados del estator, por ejemplo: los tres devanados de fase conectan en serie por el esquema (A—X) — (Y—B) — (Z—C), dos devanados paralelos se conectan en serie con el tercero, etc.

Fig. 6.2 Circuito de frenado dinámico de un motor con rotor en cortocircuito

En el circuito de la Fig. 6.2 se ve que en el régimen de frenado dinámico la máquina asincrónica representa un generador sincrónico inverso en el que el estator crea un campo magnético inmóvil en el espacio, y el rotor es el inducido del generador. La energía de frenado se absorbe en el rotor. En los motores con anillos de contacto, durante el frenado se puede insertar la resistencia rad y con esto influir sobre la curva del momento de frenado de la máquina, que como muestra el análisis es casi igual que la curva del momento de una máquina asincrónica.

En los motores de jaula de ardilla la variación del par de frenado se alcanza regulando la tensión de la corriente continua. En este caso se deben considerar las fuerzas de tracción unilateral entre el estator y el rotor.

6.2. Funcionamiento de un motor asincrónico en el régimen de alimentación doble (bilateral)

Habitualmente al motor asincrónico se suministra energía eléctrica sólo por el lado del estator. Pero en los motores con anillos de contacto se puede suministrar la energía a ambas partes de la máquina, es decir, al estator y al rotor, conectando para ello sus devanados en serie o en derivación.

Este motor se llama motor de alimentación doble o. bilateral.

Supongamos que el estator y el rotor están conectados en paralelo (Fig. 6.3), y aclaremos las condiciones necesarias para el funcionamiento de un motor de alimentación bilateral.

Fig. 6.3 Máquina de alimentación doble

Para crear el momento de rotación es necesario que las f.m. del estator y del rotor (los primeros armónicos) sean inmóviles una respecto a otra, o sea, que

En la última expresión del signo superior se refiere al caso cuando la f.m. del rotor gira en el mismo sentido que el rotor, y el inferior, al caso cuando gira en sentido contrario al rotor.

Fig. 6.4 Diagrama de f.m. de un motor de alimentación doble

Durante la carga del motor su rotor se desplaza cierto ángulo ? con respecto al estator y entonces a lo que corresponde el diagrama vectorial de la Fig. 6.4.

En este caso aumentan correspondientemente las magnitudes de las f.m. F1 y F2 y simultáneamente aumentarán las corrientes en el estator y en el rotor.

El motor de alimentación bilateral puede también funcionar en el régimen de velocidad asincrónica, pero, en este caso, la máquina entrega a la red corrientes con frecuencia de resbalamiento, cosa que se refleja negativamente tanto en el funcionamiento de la red, como de los generadores sincrónicos que la alimentan. Por esta razón, el significado práctico de la máquina asincrónica de alimentación bilateral en los regímenes de velocidades sincrónica y asincrónica no es muy grande. En el caso general la máquina de alimentación bilateral puede funcionar alimentada por la red con distintas tensiones y frecuencias y tener un estator y un rotor con distintos parámetros.

Este caso fue investigado por V. T. Kasyanov, que dio las expresiones generales para las corrientes y f.e.m. de esta máquina, y que mostró que se puede considerar como un caso general de las máquinas de corriente alterna. Las máquinas de alimentación bilateral, tanto las trifásicas, como sobre todo las monofásicas, tienen gran aplicación en los sistemas de enlace por aparatos sincrónicos.

6.3. Embrague electromagnético deslizante

El embrague electromagnético deslizante se emplea para el enlace elástico entre el motor primario y el mecanismo accionado. Este embrague está compuesto por a) la parte conducida, generalmente la interior, que prácticamente representa el rotor de una máquina asincrónica con devanado de fase o, con más frecuencia, en jaula, y b) la parte conductora, la exterior, con polos salientes excitados por corriente continua. La parte conducida del embrague está acoplada mecánicamente con el mecanismo accionado; la parte conductora, con el motor primario.

Durante la rotación la parte conductora excitada entra en interacción electromagnética con la parte conducida y la arrastra con cierto resbalamiento s, así como el campo giratorio de un motor asincrónico arrastra el rotor. En el régimen de funcionamiento estable s = 1-2%.