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Arranque de motores asincrónicos (página 2)

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Los sistemas ideados para el arranque de los motores asíncronos monofásicos se basan por tanto en provocar un desequilibrio entre los pares antagonistas que generan ambos campos magnéticos. Las principales realizaciones se basan en cambiar, al menos durante el arranque, el motor monofásico por un bifásico (que "arranca sólo"). Un motor bifásico tiene dos devanados en el estator, desplazados p/(2·P). Las principales realizaciones de motores monofásicos utilizando esta técnica son: a) Motor de arranque por condensador b) Motor de fase partida

Motor monofásico de arranque por condensador

Se trata de motores asíncronos monofásicos que en el momento del arranque son bifásicos. Tienen por tanto dos devanados en el inductor (que siempre está en el estator) desplazados p/(2·P). Estos devanados son:

El devanado principal, así denominado porque es el que recibe energía durante todo el tiempo en el que el motor está funcionando.

El devanado auxiliar, de características idénticas al principal, pero al que se le ha añadido un condensador en serie, que es el que permite conseguir el desfasaje suficiente entre las dos corrientes. Se denomina devanado auxiliar porque sólo recibe energía eléctrica en el momento del arranque, ya que posteriormente, dicho devanado se desconecta por la acción de un interruptor centrífugo.

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Para conseguir el arranque es necesario que las corrientes de los dos devanados estén desfasadas como puede apreciarse en la figura adjunta:

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En la mayor parte de los motores monofásicos de arranque por condensador, el motor arranca como bifásico, pero cuando se alcanza una velocidad, de aproximadamente el 75% de la velocidad de sincronismo, se abre el interruptor centrífugo, funcionando a partir de ese momento como un motor monofásico propiamente dicho.

Curva par-velocidad típica de este tipo de motores.

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La potencia activa absorbida por un motor monofásico es pulsante a la frecuencia 2·w, razón por la cual, este tipo de máquinas eléctricas estarán siempre sujetas a vibraciones mecánicas.

Motor de fase partida

En este motor se sitúan en el estator dos devanados desfasados 90º eléctricos. En este se crea un campo magnético giratorio que mueva el inducido durante el período de arranque. El campo magnético se obtiene por capacidad o por inductancia.

El primer devanado, se denominado principal , cubre 2/3 de las ranuras y tiene gran reactancia y baja resistencia, mientras que el otro, denominado auxiliar, cubre el resto del estator y tiene alta resistencia y baja reactancia se realiza con hilo más delgado), de tal forma que está en serie con un interruptor centrifugo situado en el eje del motor.

Para obtener el campo giratorio por capacidad, se utilizan dos arrollamientos de bobinas en serie, llevando una de ellas condensador, que es la que realiza el desfase y por tanto el arranque del motor. El valor de la capacidad del condensador a conectar en el motor viene dado por la siguiente fórmula:

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Este tipo de motores se utiliza en ventiladores, bombas centrifugas, lavadoras, etc. Se construyen generalmente desde potencia 50W hasta 500W.

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Circuito eléctrico equivalente de un motor monofásico

A base de lo dicho, el circuito equivalente de un motor monofásico tiene la forma representada en la Figura, donde el circuito secundario con las resistencias x"2 y r"2/s corresponde al campo giratorio directo, y con las resistencias x y r corresponde al campo giratorio inverso.

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Después de esta unión, el circuito equivalente adquiere la forma representada en la Figura.

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Circuitos equivalentes precisados de un motor asincrónico monofásico

Saquemos en este circuito el circuito en paralelo con la resistencia Xm a los terminales primarios. Entonces obtendremos el circuito equivalente de la Fig. b) donde el coeficiente de corrección s1, si se desprecia su parte imaginaria, es igual a:

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En el circuito magnetizante (Fig. b) se puede hacer s = 0, puesto que en este circuito Xm es grande en comparación con las otras resistencias de este circuito. La corriente en vacío ideal (s = O), igual a la corriente del circuito magnetizante del circuito de la Fig. B, teniendo en cuenta la resistencia óhmica del circuito magnetizante rm será y la corriente del circuito principal del circuito de la Fig. B será igual a

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

 

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En el régimen de marcha en vacío ideal (s = 0) y en el régimen de cortocircuito (s =1.0) tendremos que PM = 0, puesto que en el primer caso I"2 = 0, y en el segundo caso (1-s)=0.

En el caso de pequeños resbalamientos correspondientes a los regímenes de funcionamiento del motor, se puede aceptar que s2 = 0, por lo cual

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Consideraciones generales sobre el generador asincrónico

Un motor trifásico asíncrono que marcha conducido por una maquina motriz (turbina de vapor, motor diesel, etc.…) en la dirección del movimiento del motor y a una velocidad mayor que la del sincronismo, es capaz de producir energía eléctrica cuando su estator recibe una tensión determinada. A estas maquinas se las denomina generadores trifásicos asíncronos. La corriente necesaria para la excitación ha de ser totalmente reactiva y debe proceder de un generador síncrono o de la red. Es decir, que el generador asíncrono no tiene funcionamiento autónomo, ya que no puede producir por sí mismo, la corriente de excitación que necesita para su funcionamiento.

La velocidad de accionamiento es, en la práctica, aproximadamente 7% superior a la velocidad del sincronismo. Se dice entonces que el deslizamiento es negativo, también, que la maquina marcha en hipersincronismo.

Funcionamiento del generador asíncrono trifásico

El generador asíncrono trifásico puede ser una maquina de inducción con rotor en cortocircuito. Por lo tanto, resulta una maquina sencilla y barata que no necesita corriente continua para la excitación y carece de anillos colectores y de escobillas.

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En la figura 225 se representa el esquema de conexiones de un generador de esta clase, en donde puede apreciarse la sencillez de la instalación. Se prescinde totalmente de dispositivos para el arranque, sincronización y regulación; por lo tanto no es necesario personal de servicio especializado y el mantenimiento es casi nulo, exceptuando la limpieza, engrase de los cojinetes, etc.…

La corriente proporcionada por un generador asíncrono es totalmente activa. La constancia del deslizamiento está garantizada por la central con generador síncrono que suministra la tensión de forma que, aun cuando la maquina motriz que acciona el generador carezca de regulador de velocidad, las oscilaciones de carga y de tensión de la central principal quedan absorbidas y autorreguladas.

Dadas sus condiciones de funcionamiento, el generador asíncrono tiene la extraña propiedad de alimentar una red con una frecuencia determinada, sin que su velocidad corresponda a esa frecuencia.

Además de las ventajas indicadas, el generador asíncrono es más económico, tiene menor peso y las dimensiones, y tiene mejor rendimiento que el generador síncrono de la misma potencia.

Las desventajas del generador asíncrono con respecto al generador síncrono son:

a) Su funcionamiento no es autónomo, puesto que su corriente de excitación ha de tomarla de una red ya existente.

b) Como la corriente de excitación es totalmente reactiva y ha de proporcionarla el generador síncrono principal, disminuye el factor de potencia de este generador principal.

c) Cuando ocurre un busco descenso de la carga de la red, o se desconecte de la misma, el generador asíncrono, bajo carga, existe el peligro de que la maquina motriz se embale, a causa de que el generador está trabajando prácticamente en vacio. Debe evitarse este peligro mediante la instalación de interruptores automáticos de intensidad mínima.

Los generadores asíncronos se utilizan en centrales de reserva o en centrales de punta, para trabajar conjuntamente con grandes centrales; las puntas de carga quedan cubiertas con el generador asíncrono.

Particularidades sobre el uso del generador asincrónico en la generación eólica

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En un aerogenerador transforma energía cinética del viento en energía mecánica mediante el giro del rotor eólico. Esta energía mecánica que aparece en el eje de éste rotor en forma de par y vueltas por unidad de tiempo, se transforma en energía eléctrica mediante una máquina eléctrica, que opera en modo generador de energía eléctrica, gracias al giro del eje del rotor del aerogenerador, provocado por la acción del viento sobre las palas.

En las aplicaciones eólicas, la energía eléctrica habitualmente se genera en forma de corriente alterna (ca). Los generadores de corriente alterna (alternadores) pueden ser de dos tipos.

a) Síncronos

  • De polos formados por electroimanes alimentados con corriente continua.

  • De polos formados por imanes fijos o permanentes.

b) Asíncronos o de inducción

  • De jaula de ardilla.

  • De rotor devanado.

Generador de corriente alterna asíncrono o de inducción

La utilización de la máquina asíncrona o de inducción en generación de energía eléctrica mediante aerogeneradores es actualmente mayoritaria

En este tipo de máquina eléctrica, el campo magnético giratorio se crea a través del estator, cuyos devanados deberán estar conectados a una fuente exterior de tensión alterna. Esta es la razón básica por la que la máquina asíncrona es consumidora de energía reactiva, ya que al ser el bobinado una carga inductiva, para generar el campo magnético consumirá corriente desfasada de la tensión.

Si partimos de una máquina asíncrona con el rotor en reposo, la acción del campo magnético giratorio sobre las bobinas de rotor induce una fuerza electromotriz en las mismas. Esta fuerza electromotriz inducida motiva el paso de corrientes por las bobinas del rotor, las cuales normalmente están cerradas en cortocircuito (máquina de jaula de ardilla) presentando apenas resistencia. El campo giratorio ejerce fuerzas sobre los conductores recorridos por una corriente eléctrica, originándose un par de giro que pone en movimiento al rotor en el mismo sentido que el campo magnético giratorio. El rotor irá girando cada vez más rápido reduciéndose la diferencia de velocidades de giro entre el campo magnético y el rotor. Al disminuir la diferencia de velocidad, las tensiones inducidas, al igual que las corrientes en el rotor decrecen llegando a ser nulas cuando el rotor alcanza casi la velocidad de rotación del campo giratorio, denominada velocidad de sincronismo.

La velocidad de sincronismo vendrá definida al igual que en las máquinas síncronas por la frecuencia de la señal eléctrica externa y por el número de pares de polos alojados en este caso en el estator.

A la diferencia entre la velocidad de giro del campo magnético y del rotor se le denomina deslizamiento (S).

Hasta este punto se ha descrito el funcionamiento de la máquina asíncrona como motor, ya que se ha utilizado energía eléctrica para mover un rotor - energía mecánica.

Pero que ocurre si mediante una aeroturbina acoplada a esta máquina hacemos girar el rotor en el mismo sentido del campo giratorio, a una velocidad superior a la de sincronismo. El deslizamiento cambiará de signo, el sentido de la fuerza electromotriz inducida en la fase del rotor se invierte, al igual que la corriente que ésta determina, ambas tendrán una frecuencia correspondiente a la diferencia de velocidades y la máquina pasará a funcionar como generador, cediendo a la red a la que está conectada la potencia que desarrolla la aeroturbina.

Tal circunstancia, evidentemente, no se da si en la máquina no existe previamente un campo magnético giratorio, lo cual exige que la red suministre a la máquina de inducción la corriente magnetizante que excite el campo magnético. Por ello, el generador asíncrono se define como no autoexcitable.

A medida que aumenta la diferencia de velocidad de giro entre el rotor y el campo magnético producido por el estator, se produce una mayor tensión en el rotor y, consiguientemente crece la corriente que circula por él. Con mayor corriente, el campo magnético debido al rotor también crece y el flujo de potencia activa hacia la red eléctrica será mayor, al igual que el consumo de potencia reactiva por parte de la máquina. Esta tendencia se mantendrá hasta llegar al par resistente máximo del generador.

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Dentro de un rango limitado la potencia y el par son proporcionales al deslizamiento, obteniéndose una característica ligeramente inclinada. En este tramo la energía reactiva consumida es capaz de mantener el flujo magnético necesario para que el generador presente un par resistente creciente, pero a partir de un determinado deslizamiento (entre el 5 y el 10%, según la máquina) el incremento de la corriente en el rotor hace que las pérdidas debido a la resistencia del mismo (pérdidas Joule), disminuyan el par resistente y, por lo tanto, se puede producir el embalamiento del rotor. Además, el excesivo aumento de las pérdidas produce un sobrecalentamiento del rotor, que por radiación puede afectar también al estator.

Este último inconveniente puede reducirse en parte dependiendo del modo de ventilación utilizado y de su propia construcción, ya que si todos los detalles del diseño son conocidos se pueden aplicar límites más ajustados mediante el cálculo cuidadoso de los transitorios térmicos que puedan aparecer.

Por las anteriores razones, no es recomendable operar en el rango cercano al deslizamiento máximo, aunque también se puede incrementar el deslizamiento para un par dado, aumentando la resistencia de las barras del rotor, pero el producto del par y el deslizamiento creciente representa mayores pérdidas, disminuyendo el rendimiento del generador.

A la hora de seleccionar un determinado generador asíncrono se deberá tener en cuenta el par máximo en tanto por ciento, ya que el coste del generador guarda cierta relación con la raíz cuadrada del par máximo del mismo.

Como recomendación en el proceso de selección, una vez conocida la potencia de la turbina a utilizar, el rango de velocidades de viento en el emplazamiento determinado y la característica par - velocidad del generador, solo queda valorar la garantía y el precio. Normalmente, se dan pocos casos en los cuales una velocidad de viento excesiva haga que el par de la turbina pueda exceder del par máximo del generador, no obstante se debe programar en el control la desconexión de la línea, si la potencia máxima se supera durante 10 segundos. Posteriormente, el generador podrá volverse a conectar a la línea en el momento en que la velocidad de la turbina esté por debajo de la velocidad máxima del generador. Por el contrario, con velocidades de viento muy bajas, la velocidad de la turbina puede llevar a funcionar al generador a velocidades por debajo de la velocidad de sincronismo, invirtiéndose el par generador y poniéndose la máquina a funcionar como motor. Si esta situación se da durante un intervalo de tiempo determinado, la máquina deberá ser desconectada de la línea.

El aerogenerador con generador asíncrono o de inducción sólo tiene, al igual que el basado en generador síncrono una velocidad de viento óptima, para la cual da la potencia nominal. Por debajo de esa velocidad su rendimiento baja mucho, aunque se ajusta mejor al par ofrecido por el rotor eólico gracias a la capacidad de disminuir un poco su velocidad (deslizamiento).

Otra característica del generador de inducción es su factor de potencia, el cual varía con la carga. Una excesiva demanda de potencia reactiva es peligrosa, ya que causa caídas de tensión en la línea y en los transformadores. Recordemos que parte de esa corriente reactiva demandada se utiliza como corriente magnetizante para obtener un flujo magnético. La corriente de magnetización para carga máxima varía desde el 20% para generadores de 4 y 6 polos y el 40% para los generadores de 10 polos o más. Respecto al porcentaje que representa la potencia reactiva demandada por el generador sobre su potencia máxima, éste suele suponer entre el 15 y el 20%.

Para pequeños generadores, el consumo de potencia reactiva no es muy importante, pero para grandes máquinas hay que tenerlo en cuenta sobre todo para efectuar la compensación de corriente reactiva en vacío. Esta compensación se realiza mediante baterías de condensadores en paralelo con la línea de salida del generador. La regulación de estas baterías se hace por tensión mediante un relé, el cual desconectará los condensadores si la tensión supera el valor de 1.15 p.u. de la tensión nominal. Esta protección suele estar ajustada para que abra a los 15 ciclos de detectar que la corriente del condensador supera a la de magnetización, o la tensión sube demasiado.

El alto par motor que presentan las máquinas asíncronas en el momento de su conecxión a una red eléctrica hace que absorban corrientes muy superiores a la nominal (hasta 6 veces). Para evitar estas corrientes habitualmente se instalan los denominados sistemas de arranque suave (soft-start) compuestos por dos dispositivos semiconductores en anti paralelo, por fase que limitan la corriente de conexión, evitando variaciones de tensión en la red que afecten a la calidad de suministro. Este hecho se hace más palpable en sistemas eólico-diesel o aerogeneradores conectados a redes débiles.

Ya se ha dicho que la solución del generador asíncrono para aerogeneradores conectados a red bien sean redes de gran potencia o débiles (sistemas eólicos - diesel o redes en antena) es la más extendida por su fiabilidad, sencillez de operación y mantenimiento y coste. Con respecto a la eficiencia del aerogenerador de velocidad fija, cuando el aerogenerador opera bajo vientos con velocidades inferiores a la nominal o de diseño (la velocidad de viento a la que el aerogenerador alcanza su potencia nominal suele encontrarse entre 10 y 14 m/s normalmente) su eficiencia baja bastante por no poder acoplar las velocidad de rotación a las variaciones de la velocidad del viento.

Para mejorar el rendimiento del aerogenerador con generador de inducción (velocidad constante), la mayoría de los fabricantes diseñan el sistema de generación con dos velocidades de sincronismo, de forma que el sistema opere a una velocidad de rotación menor para bajas velocidades de viento y mayor para altas velocidades de viento.

Hay varias formas para obtener la operación a doble velocidad:

1. Caja multiplicadora dos doble eje de salida con distinta relación Par/vueltas.

2. Dos generadores de distinta potencia y número de polos instalados sobre el mismo eje y sistema de conmutación de las conexiones.

3. Generador de doble bobinado, la más utilizada. (ABB, SIEMENS etc.)

Figura. Representación de las características de un generador de inducción de doble bobinado.

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Las principales características que deben tener los generadores de inducción para aplicaciones en aerogeneradores son:

- Capacidad de operar a dos velocidades de sincronísmo.

- Buen rendimiento a carga parcial.

- Buena relación potencia/peso.

- Gran capacidad de sobrecarga instantánea.

- Bajo consumo de potencia reactiva.

- Alta calidad de bobinado de los devanados especialmente en unidades de gran Potencia.

Describa los regímenes especiales de la maquina asincrónica

Las máquinas asincrónicas pueden estar divididas en:

Trifásica:

Para medias y grandes potencias, hasta la orden de grandeza de los megavatios

Monofásica:

Ampliamente utilizadas para pequeñas potencias (desde pocos vatios hasta algún centenar de vatios).

Máquinas de rotor bobinado (o de anillos):

En este tipo de máquina el rotor tiene bobinados análogos a aquellos de estator, con igual número de fases y de polos.

En el caso trifásico ellos están conectados en estrella y los tres terminales libres están enlazados a tres anillos metálicos, engargolados sobre el eje a una extremidad del rotor que, a través de tres escobillas, realizan contactos rastreros, con los cuales los bobinados del rotor están conectados al reóstato de arranque.

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Máquinas de jaula de ardilla (o de cortocircuito)

En el empleo como motores de pequeña y media potencia, las máquinas de jaula de ardilla están frecuentemente preferidas al motor de rotor bobinado para su simplicidad constructiva y robustez, acompañadas además por una menor flexibilidad de funcionamiento.

Máquinas de jaula individual

En este tipo de máquina cada ranura de rotor aloja un solo conductor o barra, en cobre o en bronce o en aluminio. Todas las barras están conectadas entre ellas en correspondencia de cada cabeza a través de dos anillos soldados, que las ponen permanentemente en cortocircuito.

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Rotor de jaula individual

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Máquinas asincrónicas para dispositivos automáticos

A. Maquinas Bifásicas Con rotor Hueco

Estas maquinas encuentran amplia aplicación en calidad de motores accionados (servomotores). En los esquemas de la automática estos motores deben reaccionar a la variación de una magnitud eléctrica determinada (señal) y de acuerdo con la intensidad y la duración de la acción de esta magnitud ejercer una influencia determinada e los otros elementos del dispositivo automático.

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La construcción del motor con rotor hueco se muestra en la fig. 26-5. El estator (2) de este motor es de construcción análoga, al estator de una maquina asincrónica normal y tiene un devanado (5) compuesto por dos fases desplazadas en el espacio una de la otra a 90 grados eléctricos. El motor tiene también un estator interior (4), es decir, un paquete fijo de hojas de acero para transformadores. El fin de este estator consiste en disminuir la resistencia del circuito magnético del motor. El rotor (3) del motor esta hecho en forma de cilindro hueco de paredes delgadas (menos de un milímetro) de metal o de aleación amagnética (por lo general aluminio). El rotor está sujeto al casquillo (1) por intermedio del cual el movimiento se transmite al árbol.

Con esta construcción el rotor posee una inercia insignificante, cosa de extraordinaria importancia desde el punto de vista de la rapidez de respuesta del motor a la aparición o desaparición de la señal.

Una de las fases del devanado del estator es el devanado de excitación y durante el trabajo del dispositivo automático está conectado a una tensión de corriente continua de magnitud constante. L a otra fase es el devanado de control al cual se transmite la así llamada señal en forma de tensión de corriente alterna desfasada 90º de la tensión de excitación y puede variar desde cero hasta una magnitud determinada.

Las maquinas con rotor hueco se emplean ampliamente también en calidad de generador tacométrico. En los dispositivos automáticos el generador tacométrico es un elemento de medida de velocidad de rotación y actúa sobre un elemento determinado del circuito por medio de la f.e.m. inducida en el devanado de control.

B. transformadores giratorios

En los dispositivos automáticos surge la necesidad de obtener tensiones que son funciones del ángulo de giro ? de un mecanismo determinado. Estas tensiones actúan, a su vez, sobre otros elementos del sistema realizando la regulación en función del ángulo de giro.

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Para semejantes fines se emplean transformadores giratorios (fig. 26-8), análogos por su construcción a las maquinas asincrónicas normales con dos devanados (S, K) en el estator y dos devanados semejantes (A, B) en el rotor. En estos transformadores se toman medidas para que la distribución de la inducción magnética a lo largo del entrehierro sea en lo posible a la sinusoidal.

Este transformador se llama de senos y cosenos y las tensiones de los devanados A y B serán también proporcionales a sen a y cos a, si estos devanados y sus cargas externas son iguales. En caso contrario surgen distorsiones provocadas por el flujo de la reacción transversal dirigido perpendicularmente al eje del devanado S. Estas distorsiones se pueden reducir al mínimo cortocircuitando el devanado K a una resistencia pequeña exterior. Esta medida se llama sincronización o equilibraje.

Máquina de doble jaula 

En este tipo de máquina cada ranura de rotor aloja dos barras, una externa de pequeña sección y una interna de sección mucho mayor, realizando así dos jaulas coaxiales, cada una análoga a la máquina de jaula individual. También en este caso todas las barras están conectadas entre ellas en correspondencia de cada cabeza a través de anillos soldados que las ponen permanentemente en cortocircuito.

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Rotor de doble jaula

Esta solución está utilizada en los motores que deben arrancar cargados, porque aumenta el par de arranque disminuyendo la corriente de arranque. 

La dificultad se encuentra en el planeamiento de los entrehierros que limitan su mejor funcionamiento. La ventaja es también de poder estar arrancado con tensión reducida al vació. En este caso no es necesario aislar los conductores rotóricos desde el hierro.

Regímenes especiales de trabajo de las máquinas asincrónicas

El resbalamiento por unidad resulta:

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- Con resbalamiento negativo (velocidad mayor que la sincrónica) la máquina asincrónica es un generador.

- Con resbalamiento positivo entre 0 y 1 (velocidad menor que la sincrónica) la máquina asincrónica es un motor.

- Con resbalamiento positivo mayor que 1 (velocidad negativa) la máquina asincrónica es un freno.

Régimen de 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.

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 líneas cualesquiera de los que están conectados al estator.

En este caso el rotor gira en sentido contrario al campo con el resbalamiento s >1. Si el motor tiene rotor con anillos de contacto, entonces para limitar la contracorriente, en el circuito del rotor se intercala una resistencia óhmica rad. Sabemos que con el aumento de rad conlleva el máximo del momento, permaneciendo constante de magnitud, se desplaza hacia el lado de cada vez mayores resbalamientos positivos.

Por consiguiente, se puede tomar tal resistencia rad, con la cual el motor asincrónico, pasando al régimen de freno electromagnético, desarrolle el par de frenado necesario.

En la Figura 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.

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Circuito de frenado de un motor asincrónico

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.

  • A. Régimen de frenado por generador.

Este régimen se emplea principalmente en los motores con conmutación de los polos. Si el motor funciona con el menor número de polos 2p, es decir, con la mayor velocidad n1 = f/p, entonces, conmutándolo al mayor número de polos 2.2p, realizaremos el frenado por generador en los límites desde n1 = f/p hasta n"1 = f/2p. Para continuar frenado hasta una velocidad inferior a n1 hay que hacer pasar la máquina al régimen de contracorriente.

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.

  • B. 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. 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.

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En el circuito de la Fig. 26-2 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.

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, y aclaremos las condiciones necesarias para el funcionamiento de un motor de alimentación bilateral.

La corriente I1 suministrada de la red al estator, crea una f.m., el primer armónico de la cual gira con respecto del estator con la velocidad n1 = f/p.

La corriente I2 suministrada de la red al rotor, crea una f.m. que gira con respecto del rotor con la velocidad n2 = n1 = f/p. El sentido de rotación de esta f.m. puede coincidir con el sentido de rotación del rotor y puede ser contrario a este último. Si n es la velocidad de rotación del rotor, entonces, en el primer caso, la velocidad de rotación de la f.m. del rotor en el espacio es igual a n + n2 y, en el segundo caso, a n – n2.

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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

n1 = n ± n2 o bien n = n1 – (± n2)

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. Dado que n1 = n2, el motor funciona en el régimen de alimentación bilateral siendo a) n = 0 y b) n = 2n1. En el Segundo caso tenemos una máquina que gira con doble velocidad sincrónica y que posee una serie de propiedades de la máquina sincrónica. En particular, para realizar el régimen de doble velocidad el motor debe ser acelerado hasta esta velocidad por medios ajenos. También es un defecto de esta máquina su mayor tendencia a las oscilaciones.

Si U = const., prácticamente permanece también constante el flujo ? de la máquina de la alimentación bilateral y, por consiguiente, la f.m. resultante Fm de los devanados del rotor y el estator. En el régimen de marcha en vacío los ejes de las f.m. de los devanados del estator F1 y del rotor F2 coinciden, por lo cual, considerando F1 y F2 como vectores espaciales, se puede escribir que

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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.

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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.

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 continúa. 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%.

Regulando la corriente de excitación tenemos la posibilidad de embragar y desembragar simple y muy suavemente las partes conductora y conducida. Al mismo tiempo, correspondientemente a cada valor dado de la corriente de excitación el embrague desarrolla un momento de vuelco determinado y, por consiguiente, es una especie de seguro que protege al motor primario contra las sobrecargas excesivas y los saltos de la carga.

Haciendo la parte conducida con dos jaulas de ardilla se puede obtener un embrague que desarrolla pares de arranque bastante considerables. La rama principal de aplicación de los embragues electromagnéticos son las instalaciones de hélice en los barcos. En la actualidad estos embragues se emplean en las instalaciones aerodinámicas. La potencia de una de estas instalaciones es de 8800 Kw.

Conclusiones Generales

El motor asincrónico o de inducción es el tipo de motor de corriente alterna más popular debido a la simplicidad y facilidad de operación. Un motor de inducción no tiene circuito separado de campo; en su lugar, depende de la acción de un transformador para inducir voltajes y corrientes en su circuito de campo. En efecto un motor, de inducción es básicamente un transformador rotante y su circuito equivalente es similar al de un transformador, excepto en lo que respecta a la variación de la velocidad.

También cabe destacar, que el motor asincrónico opera normalmente a una velocidad cercana a la sincrónica, pero nunca puede operar a esa velocidad. Siempre debe haber algún movimiento relativo para inducir voltaje en el circuito de campo del motor asincrónico.

Por otro lado, en un motor de inducción, el deslizamiento o velocidad al cual ocurre el par máximo puede ser controlado variando la resistencia del rotor. El valor del par máximo es independiente de la resistencia del rotor. Si la resistencia del rotor es alta, disminuye el valor de la velocidad a la cual ocurre el par máximo e incrementa el par de arranque del motor.

Las maquinas de inducción se pueden utilizar como generador si hay una fuente de potencia reactiva (capacitores estáticos o una maquina sincrónica) disponible en el sistema de potencia. Un generador de inducción aislado presenta graves problemas problemas de regulación de voltaje, pero cuando opera en paralelo con un gran sistema de potencia, este puede controlar el voltaje de la maquina. Los generadores de inducción son maquinas pequeñas que se utilizan en fuentes de energía alternativas como molinos de viento o en sistemas de recuperación de energía. Casi todos los generadores grandes en uso son generadores sincrónicos.

Bibliografía

  • Máquinas Eléctricas 5ta ed. - Jesús Fraile Mora

  • Maquinas Eléctricas 2da ed. – Irving L. Kosow

  • Maquinas Eléctricas 4ta ed. – Stephen J. Chapman

  • Máquinas Eléctricas II - M. Kostenko - L. Piotrovski

  • Máquinas de corriente alterna - Juan María Ortega Plana

  • Energía Eólica - Miguel Villarrubia

  • http://www.ute.com.uy/empresa/entorno/Energias_Renovables/eolica/Actividad_2002/Eolica_Generadores.pdf

  • http://www.monografias.com/trabajos61/motor-induccion-monofasico/motor-induccion-monofasico.shtml

 

 

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