Máquinas asincrónicas

Introducción

Contrariamente a las máquinas síncronas
empleadas normalmente como generadores, las máquinas
asíncronas han encontrado su principal aplicación
como motores, debido a la sencillez de su construcción. El
motor asíncrono trifásico es hoy el motor usual de
accionamiento en todas las redes de
distribución.

Se llama máquina de inducción o
asincrónica a una máquina de corriente alterna, en
la cual la velocidad de rotación del rotor es menor que la
del campo magnético del estator y depende de la carga. La
máquina asincrónica tiene la propiedad de ser
reversible, es decir, puede funcionar como motor y como
generador.

El motor asincrónico tiene dos partes
principales: Estator y rotor. El estator es la parte fija de la
máquina en cuyo interior hay ranuras donde se coloca el
devanado trifásico que se alimenta con corriente alterna
trifásica. La parte giratoria de la máquina se
llama rotor y en sus ranuras también se coloca un
devanado. El estator y el rotor se arman de chapas estampadas de
acero electrotécnico de 0,35 a 0,5 [mm] de
espesor.

Según la construcción, los motores
asincrónicos pueden ser de rotor de jaula de ardilla o de
rotor bobinado.

Los motores asincrónicos se dividen en: sin
colector y con colector. Los motores sin colector se utilizan
donde se necesita una velocidad de rotación
aproximadamente constante y no se requiere su
regulación.

Los motores sin colector son simples en
construcción, funcionan sin fallas y son de alto
rendimiento.

Para alcanzar amplia gama de velocidades, se utilizan
motores asincrónicos con colector monofásico y
trifásico; sin embargo, debido al alto costo, a una
construcción complicada y condiciones difíciles de
trabajo, las máquinas asincrónicas con colector son
poco empleadas.

Consideraciones
generales de las máquinas
asincrónicas

Contrariamente a las máquinas síncronas,
empleadas normalmente como generadores, las máquinas
asíncronas han encontrado su principal aplicación
como motores, debido a la sencillez de su
construcción.

Las máquinas asíncronas tienen un circuito
magnético sin polos salientes estando ranurados tanto el
estator como el rotor, los cuáles van a estar sometidos a
la acción de campos magnéticos giratorios que
darán lugar a pérdidas magnéticas. En
consecuencia, ambos órganos de la máquina se
fabrican a base de apilar chapas delgadas de acero al silicio
para reducir estas pérdidas.

El devanado del estator normalmente es trifásico,
aunque en máquinas de pequeña potencia
también puede ser monofásico o bifásico. El
devanado del rotor siempre es polifásico. Ambos devanados
tienen el mismo número de polos (2p). El devanado del
rotor forma un circuito cerrado por el que circulan corrientes
inducidas por el campo magnético. El rotor puede ser de
dos tipos: de jaula de ardilla o en cortocircuito y de rotor
bobinado o con anillos.

Una jaula de ardilla es un devanado formado por unas
barras alojadas en las ranuras del rotor que quedan unidas entre
sí por sus dos extremos mediante sendos aros o anillos de
cortocircuito. El número de fases de este devanado depende
de su número de barras. Muchas veces estos anillos poseen
unas aletas que facilitan la evacuación del calor que se
genera en la jaula durante el funcionamiento de la
máquina.

El rotor bobinado tiene un devanado trifásico
normal cuyas fases se conectan al exterior a través de un
colector de tres anillos y sus correspondientes escobillas. En
funcionamiento normal estos tres anillos están
cortocircuitados (unidos entre sí).

En ambos tipos de rotor se suelen emplear ranuras
ligeramente inclinadas con respecto al eje de la máquina.
El bloque de chapas que forma el circuito magnético del
rotor tiene un agujero central donde se coloca el eje o
árbol de la máquina. En muchas ocasiones se coloca
un ventilador en este eje para facilitar la refrigeración
de la máquina.

La carcasa es la envoltura de la máquina y tiene
dos tapas laterales donde se colocan los cojinetes en los que se
apoya el árbol. Esta carcasa suele disponer de aletas para
mejorar la refrigeración de la máquina. Sujeta a la
carcasa está la placa de características donde
figuran las magnitudes más importantes de la
máquina. En la carcasa se encuentra también la caja
de bornes adonde van a parar los extremos de los bobinados. En
una máquina asíncrona trifásica de jaula de
ardilla la caja de bornes tiene seis terminales, correspondientes
a los extremos de las tres fases del estator (dos extremos,
principio y final, por cada fase), formando dos hileras de tres.
De esta forma resulta fácil el conectar el devanado del
estator en estrella o en triángulo.

Las ideas fundamentales sobre los motores de
inducción las desarrolló a finales de la
década de 1880 Nicola Tesla, quien recibió la
patente por sus ideas en 1888. En esa época
presentó un artículo ante el American Institute of
Electrical Engineers [ATEE, predecesor del Institute of
Electrical and Electronics Engineers (IEEE)] en el que
describía los principios básicos del motor de
inducción con rotor devanado, junto con ideas sobre otros
dos importantes motores de ca: el motor síncrono y el
motor de reluctancia.

A principios del siglo XX se impuso el sistema
trifásico europeo ante el bifásico americano, por
lo que las maquinas asincrónicas comenzaron a ser y son
trifásicas.

En las máquinas asincrónicas la corriente
que circula por uno de los devanados se debe a la f.e.m inducida
por la acción del flujo del otro, y por esta razón
se denominan máquinas de inducción.
También reciben el nombre de máquinas
asincrónicas debido a que la velocidad de giro del
rotor no es la de sincronismo impuesta por la frecuencia de la
red. La importancia de los motores asíncronos de debe a su
construcción simple y robusta, sobre todo en el caso del
rotor en forma de jaula de ardilla, que les hace trabajar en
circunstancias más adversas, dando un excelente servicio
con pequeño mantenimiento. Hoy en día se puede
decir que más del 80% de los motores eléctricos
industriales emplean este tipo de maquinas, trabajando con una
frecuencia de alimentación constante. Sin embargo,
históricamente su inconveniente más grave ha sido
la limitación para regular su velocidad, y de ahí
cuando esto era necesario, en diversas aplicaciones como la
tracción eléctrica, trenes de laminación,
etc., eran sustituidos por motores de c.c., que eran más
idóneos para este servicio. Desde finales del siglo XX y
con el desarrollo tan particular de la electrónica
industrial, con accionamientos electrónicos como
inversores u onduladores y cicloconvertidores, que permiten
obtener frecuencia variable a partir de la frecuencia de la red,
y con la introducción del microprocesador en la
electrónica de potencia, se han realizado grandes cambios,
y los motores asíncronos se están imponiendo poco a
poco en los accionamientos eléctricos de velocidad
variable.

Máquina
asíncrona

Eje (0), Cojinete (1), rotor de jaula
de ardilla (2), tapa lateral de la carcasa (3) y ventilador
(4)

Rotor bobinado o con
anillos

a) Colector de 3
anillos; b) Escobilla; c) Anillo con
escobilla

Corriente de arranque de los motores
asíncronos

Se pueden distinguir dos casos extremos:

a) Cuando a la red se conecta un motor con el
circuito del rotor abierto y b) cuando su rotor está
cortocircuitado.

En el primer caso el fenómeno tiene
cuantitativamente el mismo carácter que al conectar a la
red un transformador con devanado secundario abierto. El instante
de conexión más peligroso es el instante cuando la
tensión pasa por el cero.

En la máquina polifásica las componentes
periódicas de los flujos de algunas fases forman un flujo
resultante que gira en el espacio con la velocidad n1= f1*p1, y
las componentes aperiódicas de los flujos, forman un flujo
resultante fijo en el espacio.

Conexión de un motor
asincrónico con rotor abierto

El flujo resultante doble satura intensamente el acero
de la máquina. Por eso la amplitud de la corriente de
conexión de la marcha en vacío I"om del motor
asincrónico supera considerablemente la amplitud de la
corriente permanente en vacío Iom. En comparación
con los transformadores, en los motores asincrónicos la
relación I"om / Iom es menor, puesto que al existir
espacio la curva de imantación de estos últimos es
más chata, y el flujo remanente de magnetización es
menor. No obstante, la corriente de conexión en
vacío puede superar unas cuantas veces la corriente
nominal In.

Cuando a la red se conecta un motor con rotor
cortocircuitado. Como en el primer instante la velocidad de
rotación n = 0, los fenómenos que transcurren en
este caso cualitativamente son los mismos que en el caso de
cortocircuito instantáneo del transformador.

Si con el fin de simplificar se desprecia la corriente
magnetizante, entonces la corriente de cortocircuito
instantáneo del motor asincrónico se puede
determinar por la fórmula

Lo mismo que la corriente de conexión en
vacío, esta corriente tiene dos componentes, una de las
cuales, la componente periódica Ic.c.p,
corresponde a la corriente permanente de cortocircuito, y la
otra, la componente aperiódica Ic.c.a, se
amortigua por la ley exponencial.

La amortiguación sucede muy rápidamente,
puesto que la constante del tiempo de amortiguación
Xc.c/wRc.c es pequeña. Por esta
razón, con frecuencia la segunda componente de la
corriente no se tiene en cuenta, comprendiendo por corriente de
arranque del motor Iarr la corriente
periódica de cortocircuito.

Habitualmente

Iarr/In = (4–7)

diferentes formas de arranque de los
motores asincrónicos

El arranque es el proceso de puesta en marcha de un
motor que lo lleva desde una velocidad nula a la del punto de
funcionamiento estable que corresponda al par resistente de la
carga que tiene que mover.

Para que pueda realizarse esta maniobra debe cumplirse
la condición de arranque: durante el arranque el par del
motor debe ser superior al par resistente o de frenado. De no
cumplirse esta condición, el par motor es insuficiente
para mover la carga mecánica que tiene acoplada y no se
puede producir el arranque.

Los dispositivos de arranque pueden ser de
operación manual o por contactores. Estos últimos
permiten efectuar el mando a distancia del motor con cables de
secciones pequeñas (sólo se requiere la corriente
necesaria para la bobina del contactor), lo que facilita el
accionamiento y diseño del dispositivo de control por
trabajar con intensidades reducidas.

Es necesario limitar la corriente de arranque de los
motores asíncronos trifásicos, ya que éstos
están conectados a la red de distribución de
energía eléctrica en paralelo con otros abonados,
que podrían sufrir bajadas momentáneas de
tensión de suministro durante el arranque de los
mencionados motores debido a la caída de tensión
provocada por la impedancia de las líneas de transporte.
La máxima caída de tensión en la red no debe
superar el 15% durante el arranque.

Durante la puesta en tensión de un motor, la
corriente solicitada es considerable y puede provocar una
caída de tensión que afecte al funcionamiento de
los receptores, especialmente en caso de insuficiencia de la
sección de la línea de alimentación. En
ocasiones, la caída puede llegar a ser perceptible en los
aparatos de alumbrado.

Los motores de jaula son los únicos que pueden
acoplarse directamente a la red por medio de un equipo simple.
Tan sólo las extremidades de los devanados del estator
sobresalen de la placa de bornes. Dado que el fabricante
determina de manera definitiva las características del
rotor, los distintos procesos de arranque consisten
principalmente en hacer variar la tensión en los bornes
del estator. En este tipo de motores, cuya frecuencia es
constante, la reducción de la punta de corriente conlleva
de manera automática una fuerte reducción del par
de arranque.

Para reducir las corrientes en el momento de la puesta
en marcha de un motor asíncrono se emplean métodos
especiales de arranque, según que la maquina tenga su
rotor en forma de jaula de ardilla o bobinado (con
anillos).

Arranque de motores asincrónicos con
rotor en jaula de ardilla

Los motores de corriente alterna con rotor en jaula de
ardilla se pueden poner en marcha mediante los métodos
de arranque directo o a tensión
reducida.

En ambos casos, la corriente de arranque generalmente
resulta mayor que la nominal, produciendo las perturbaciones
comentadas en la red de distribución. Estos inconvenientes
no son tan importantes en motores pequeños, que
habitualmente pueden arrancar a tensión nominal. La
máxima caída de tensión en la red no debe
superar el 15% durante el arranque.

 Los circuitos con motores deben contar con
interruptores que corten todas las fases o polos
simultáneamente y con protecciones que corten
automáticamente cuando la corriente adquiera valores
peligrosos.

En los motores trifásicos debe colocarse una
protección automática adicional que corte el
circuito cuando falte una fase o la tensión baje de un
valor determinado.

Arranque directo

Este método de arranque es el más sencillo
y se emplea en motores de pequeña potencia (o en motores
grandes si están conectados a una red eléctrica
independiente de tal manera que su corriente de arranque no
afecte a otros consumidores). Consiste en arrancar el motor
conectándolo a su tensión asignada. Este
método se emplea únicamente en maquinas de una
potencia inferior a 5Kw.

Un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se
aplica directamente la tensión nominal a la que debe
trabajar.

Si el motor arranca a plena carga, el bobinado tiende a
absorber una cantidad de corriente muy superior a la nominal, lo
que hace que las líneas de alimentación incrementen
considerablemente su carga y como consecuencia directa se reduzca
la caída de tensión. La intensidad de corriente
durante la fase de arranque puede tomar valores entre 6 a 8 veces
mayores que la corriente nominal del motor. Su ventaja principal
es el elevado par de arranque, que es 1.5 veces el
nominal.

Siempre que sea posible conviene arrancar los motores a
plena tensión por el gran par de arranque que se obtiene,
pero si se tuvieran muchos motores de media y gran potencia que
paran y arrancan en forma intermitente, se tendrá un gran
problema de perturbaciones en la red eléctrica.

Por lo tanto, de existir algún inconveniente, se
debe recurrir a alguno de los métodos de arranque por
tensión reducida.

Arranque a tensión
reducida

Existen varios procedimientos de arranque que consisten
en alimentar al motor con una tensión inferior a la
asignada en el momento del arranque para después, cuando
el rotor ya está girando, irla aumentando hasta alcanzar
su valor asignado. De esta manera, al tener en el arranque una
tensión inferior a la asignada la corriente de arranque
disminuye, pero también el par de arranque. Esto hay que
tenerlo en cuenta y comprobar que el par de arranque del motor a
tensión reducida es suficientemente grande como para que
se cumpla la condición de arranque. Por esta razón,
estos procedimientos de arranque sólo se pueden utilizar
si el motor se arranca sin carga o con cargas mecánicas
que no ejerzan un par resistente elevado a bajas
velocidades.

Para conseguir reducir la tensión durante el
arranque se pueden emplear varios métodos: un
autotransformador, un arrancador electrónico, conectar
impedancias en serie con el estator. En los motores
trifásicos uno de los más empleados es el arranque
estrella-triángulo.

Curvas par-velocidad a
tensión

asignada y a tensión
reducida

(arranque estrella-triángulo) Curvas
par-velocidad a tensión

asignada y a tensión
reducida

(arranque estrella-triángulo)

Arranque por autotransformador

Consiste en intercalar un autotransformador entre la red
y el motor, de tal forma que la tensión aplicada en el
arranque sea solo una fracción de la asignada. El proceso
puede realizarse en dos o tres escalones y con tensiones no
inferiores al 40, 60 y 75% de la tensión de la
línea.

Se aplica a motores cuya potencia nominal es mayor que
5Kw. El autotransformador de arranque es un dispositivo similar
al estrella-triangulo, salvo por el hecho de que la
tensión reducida en el arranque se logra mediante bobinas
auxiliares que permiten aumentar la tensión en forma
escalonada, permitiendo un arranque suave.

Su único inconveniente es que las conmutaciones
de las etapas se realizan bruscamente, produciendo en algunas
ocasiones daños perjudiciales al sistema mecánico o
a la maquina accionada. Por ejemplo, desgaste prematuro en los
acoplamientos (correas, cadenas, engranajes o embragues de
acoplamiento) o en casos extremos roturas por fatiga del eje o
rodamientos del motor, producido por los grandes esfuerzos
realizados en el momento de arranque.

Este método de arranque es posible solo en los
casos cuando el par de frenado durante el arranque no es grande.
De lo contrario el motor no podrá iniciar la
marcha.

Una variante menos usada es la conexión
Kusa, en la que durante el proceso de arranque se
intercala una resistencia en uno de los conductores de
línea.

Es decir, que la corriente de arranque depende de la
tensión de alimentación del motor. Si disminuimos
la tensión de alimentación en el momento del
arranque, reduciremos la corriente de arranque. Una vez que el
motor alcance una determinada velocidad, con s<1, procederemos
a restablecer la tensión nominal de
alimentación.

En la fig. 4.30 se muestra un arranque por
autotransformador, con dos etapas de tensión. En la
posición 1 del conmutador se alimenta el autotransformador
con tensión de la red, aplicando al motor solamente una
fracción de esta tensión de la red etapa de
arranque). Cuando la maquina ha aumentado su velocidad hasta un
valor adecuado, cercano al asignado, el conmutador se pasa a la
posición 2, lo que eleva la tensión que llega al
motor y este sigue aumentando de velocidad. Finalmente se pasa el
conmutador a la posición 3, de tal forma que la
tensión de la red queda aplicada directamente al estator
de la red.

Conmutación
estrella-triangulo

Este método de arranque se puede aplicar tanto a
motores de rotor devanado como a motores de rotor jaula de
ardilla, la única condición que debe cumplir el
motor para que pueda aplicarse este método de arranque es
que tenga acceso completo a los devanados del estator (6 bornes
de conexión).

El arranque estrella-triángulo sólo se
puede utilizar si el motor está conectado a una red
eléctrica cuya tensión de línea sea igual a
la tensión asignada de fase del motor. Esto obliga a que
para que el motor funcione a su tensión asignada deba
conectarse en triángulo:

V1L = V1N Conexión
triángulo para que: V1 = V1N

La conmutación de estrella-triangulo generalmente
se hace de forma automática luego de transcurrido un lapso
(que puede regularse) en que el motor alcanza determinada
velocidad.

El arranque estrella-triángulo es el
procedimiento más empleado para el arranque a
tensión reducida debido a que su construcción es
simple, su precio es reducido y tiene una buena
confiabilidad.

En este caso el arranque se realiza con el motor
conectado en estrella. Cuando el motor ha adquirido cierta
velocidad se conmutan las conexiones y se lo conecta en
triángulo para que pase a funcionar con su tensión
asignada.

La regulación del mismo debe hacerse a un valor
que resulta de multiplicar la corriente de línea por 0,58.
La protección del circuito más adecuada
también es el fusible.

Algunas indicaciones que se deben tener en cuenta sobre
el punto de conmutación son: el pico de corriente que toma
el motor al conectar a plena tensión (etapa de
triángulo) debe ser el menor posible; por ello, la
conmutación debe efectuarse cuando el motor esté
cercano a su velocidad nominal (95% de la misma), es decir
cuando la corriente de arranque baje prácticamente a su
valor normal en la etapa de estrella.

Asimismo, el relé de tiempo debe ajustarse para
conmutar en este momento, no antes ni mucho después.
Habitualmente, un arranque normal puede durar hasta 10 segundos,
si supera los 12 segundos se debe consultar al proveedor del
equipo. Si no se cumple con lo anterior, el pico de corriente que
se produce al pasar a la etapa de triángulo es muy alto,
perjudicando a los contactos, al motor y a la máquina
accionada. El efecto es similar al de un arranque
directo.

La operación se realiza en la actualidad con
automatismos de contactores, con un circuito de fuerza y otro con
mando o control; se requiere tres contactores, uno denominado
principal, para la alimentación de los principios de la
bobina de los devanados del motor; otro un contactor que se
encarga de realizar la conexión al devanado en estrella, y
el tercero ejecuta la conexión triangulo; además se
necesita de un relé de tiempo para ajustar el momento en
que se pasa de la conexión estrella a la conexión
triangulo.

Arranque de
motores asincrónicos por dispositivos
electrónicos

Los arrancadores electrónicos son una mejor
solución que los autotransformadores gracias a la
posibilidad de su arranque suave, permitiendo un aumento en la
vida útil de todas las partes involucradas.

Los mismos consisten básicamente en un
convertidor estático alterna-continua-alterna ó
alterna-alterna, generalmente de tiristores, que permiten el
arranque de motores de corriente alterna con aplicación
progresiva de tensión, con la consiguiente
limitación de corriente y par de arranque. En algunos
modelos también se varía la frecuencia aplicada. Al
iniciar el arranque, los tiristores dejan pasar la corriente que
alimenta el motor según la programación realizada
en el circuito de maniobra, que irá aumentando hasta
alcanzar los valores nominales de la tensión de
servicio.

La posibilidad de arranque progresivo, también se
puede utilizar para detener el motor, de manera que vaya
reduciendo la tensión hasta el momento de la
detención.

Estos arrancadores ofrecen selección de parada
suave, evitando por ejemplo, los dañinos golpes de ariete
en las cañerías durante la parada de las bombas; y
detención por inyección de corriente
continúa para la parada más rápida de las
masas en movimiento.

Además poseen protecciones por asimetría,
contra sobre temperatura y sobrecarga, contra falla de
tiristores, vigilancia del tiempo de arranque con
limitación de la corriente, control de servicio con
inversión de marcha, optimización del factor de
potencia a carga parcial, maximizando el ahorro de energía
durante el proceso y permiten un ahorro en el mantenimiento por
ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes.

Arranque de los motores asíncronos
con rotor bobinado

En los motores de rotor devanado o con anillos se puede
reducir la corriente de arranque introduciendo una resistencia
adicional en cada una de las fases del rotor. La operación
se realiza con la ayuda de un reóstato
trifásico.

En el arranque se introduce toda la resistencia
adicional (posición 1), de esta forma aumenta la
impedancia de la maquina y se reduce la corriente inicial;
conforme al motor inicia su marcha, se va eliminando la
resistencia del reóstato pasando el mando móvil a
las posiciones 2,3 y 4, que conforman una serie de contactos o
plots, en la última parte queda cortocircuitado el
rotor y finaliza la operación de arranque.

En esta situación, para reducir las perdidas
mecánicas del motor y también el desgaste de
anillos y escobillas, estas maquinas llevan a menudo dispositivos
para levantar las escobillas y poner en cortocircuito los
anillos. Hoy día esta operación de arranque se
realiza automáticamente por mediación de
contactores y relés de tiempo que van eliminando
secuencialmente las resistencias adicionales.

Este método de arranque sólo se
puede aplicar a motores de rotor devanado. Como se
comprueba fácilmente, al introducir una resistencia
adicional en el devanado del rotor, se disminuye la corriente de
arranque con relación a la corriente absorbida por el
método de arranque directo.

Diferentes métodos de
regulación de velocidad de los motores
asíncronos

De las fórmulas de la velocidad de sincronismo y
del deslizamiento se deduce que:

Esto indica que se puede regular la velocidad de un
motor asíncrono modificando su número de polos, la
frecuencia del estator o el deslizamiento.

Regulación por variación de
número de polos

La regulación por variación del
número de polos únicamente permite alcanzar unos
pocos valores de velocidad diferentes, ya que el número de
pares de polos p sólo puede adoptar valores enteros y, en
consecuencia, no se puede variar de forma continua. Se utiliza en
máquinas de jaula de ardilla que en el estator disponen,
bien de dos devanados independientes, cada uno de ellos con un
número de polos diferente; o bien de un devanado especial
que admite diferentes formas de conexión para modificar su
número de polos.

En este caso, cada fase del devanado consta de dos
partes iguales, que pueden ponerse en serie o en paralelo, dando
lugar a una reducción de pares de polos a la mitad del
original, aumentando en consecuencia la velocidad del rotor a
prácticamente el doble.

En la fig. 4.38 se muestra el procedimiento adecuado
utilizado. En a) se muestra el devanado formado por 4 polos,
estando las bobinas conectadas en serie. En b) se muestra el
devanado formado por 2 polos, con bobinas conectadas en paralelo;
se observa en este caso que la corriente en la bobina cd
ha sufrido una inversión.

Regulación por variación de
frecuencia

La regulación por variación de la
frecuencia consiste en variar la frecuencia f1 de las corrientes
del estator con lo que se modifica la velocidad de sincronismo n1
de la máquina. Para ello se alimenta el estator a
través de un variador de frecuencias.

La preferencia actual por la regulación a
frecuencia variable se debe a la posibilidad de utilizar el
sencillo y robusto motor de jaula de ardilla; cuyo mantenimiento
es mucho más fácil que el de un motor de contactos
deslizantes, lo que resulta muy importante en máquinas que
operan bajo condiciones ambientales difíciles.

Además este tipo de motor eléctrico
resulta más económico y compacto que los restantes.
Asimismo, este método permite transformar
fácilmente un equipo de velocidad fija en un accionamiento
de velocidad variable, sin realizar grandes
modificaciones.

Con este tipo de regulación se puede obtener un
amplio control de velocidades, con el máximo par
disponible en todas las frecuencias con un elevado
rendimiento.

Este sistema permite variar la velocidad de forma
continua entre un amplio margen de velocidades. Para frecuencias
f1 por debajo de la asignada interesa variar la tensión V1
del estator en función de la frecuencia de forma que el
flujo por polo sea el mismo para todas las frecuencias. De esta
manera se consigue que para todas las frecuencias el par que
suministra la máquina a la corriente asignada sea el mismo
(el par asignado) y que también a todas las frecuencias el
par máximo sea el mismo.

Para frecuencias f1 por encima de la asignada no se
puede mantener el flujo por poloconstante porque entonces la
f.e.m. E1 sería mayor que en condiciones asignadas lo que
conllevaría que la tensión en el estator fuera
superior a la asignada. Por lo tanto, para frecuencias por encima
de la asignada se mantiene el valor eficaz de las tensiones del
estator igual al asignado.

Regulación de la
velocidad

por variación de
la

frecuencia f1 manteniendo
el

flujo por polo ?M
constante

Regulación por variación del
deslizamiento

El deslizamiento S varía con la carga,
pero la variación de la carga no proporciona un
método práctico de control de la velocidad. Sin
embargo, es posible cambiar la característica
par/velocidad de varias maneras, de modo que para cada par de
carga se necesita un valor de s distinto. 

Estos métodos proporcionan una mala
utilización de la potencia y capacidad del motor, pero el
control suele ser sencillo y justificable en algunas
aplicaciones. En el caso de variación de la tensión
se pueden utilizar tiristores conectados en serie con el estator
para interrumpir el paso de la corriente durante una
fracción del período (control de fase) o en algunos
períodos completos (encendido alternado),
reduciéndose así la tensión media
aplicada. 

El control de fase produce armónicos de orden
elevado, mientras que el encendido intermitente puede generar
subarmónicos que podrían entrar en resonancia con
el sistema mecánico. La regulación permite
disminuir la velocidad nominal y la utilización
óptima del motor se produce en caso de regulación a
par constante.

La gama de regulación no es constante y resulta
muy sensible a las variaciones de la carga. Asimismo, el
inconveniente de este sistema de variación está en
las grandes pérdidas de energía. La
modificación de la resistencia rotórica puede verse
como un caso especial de inyección de una tensión
al rotor, pues se crea una caída de tensión en la
resistencia agregada externamente. 

Si se sustituye la resistencia por un elemento activo,
la energía no se desperdicia y se puede alcanzar
velocidades supersincrónicas y corregir el factor de
potencia. De esta manera, inyectando una tensión
secundaria de frecuencia de resbalamiento y con un ángulo
de fase determinado se puede variar el deslizamiento resultante e
introducir una componente reactiva adecuada.

Un método para lograr esto consiste en acoplar
mecánicamente un segundo motor asincrónico y
alimentarlo de los anillos rozantes del primero (control en
cascada), otro es utilizar un convertidor de frecuencia de
colector y un tercero es emplear un motor polifásico de
inducción a colector con rotor alimentado (motor
Schräge). Dado que estos métodos en la actualidad
sólo tienen un interés meramente académico
no serán desarrollados.

Regulación por impulsos

La regulación por impulsos de la velocidad
generalmente se aplica en motores de pequeña potencia, y
básicamente consiste en provocar variaciones
periódicas y de corta duración de los
parámetros del motor, de tal manera y a una frecuencia
tal, que la velocidad requerida se obtiene como una velocidad
promedio de las aceleraciones y desaceleraciones producidas
durante el ciclo completo de variación de los
parámetros. Estas variaciones pueden realizarse mediante
contactores o tiristores que conectan y desconectan la
alimentación de los distintos arrollamientos,
cortocircuitan alternativamente ciertas impedancias o invierten
periódicamente la polaridad del suministro.

Variadores de
velocidad electrónicos

Las principales funciones de los variadores de velocidad
electrónicos son los siguientes:

• Aceleración
  controlada

La aceleración del motor se controla mediante una
rampa de aceleración lineal o en «S».
Generalmente, esta rampa es controlable y permite por tanto
elegir el tiempo de aceleración adecuado para la
aplicación.

• Variación de
  velocidad

Un variador de velocidad no puede ser al mismo tiempo un
regulador. En este caso, es un sistema, rudimentario, que posee
un mando controlado mediante las magnitudes eléctricas del
motor con amplificación de potencia, pero sin bucle de
realimentación: es lo que se llama «en bucle
abierto».

La velocidad del motor se define mediante un valor de
entrada (tensión o corriente) llamado consigna o
referencia.

Para un valor dado de la consigna, esta velocidad puede
variar en función de las perturbaciones (variaciones de la
tensión de alimentación, de la carga, de la
temperatura). El margen de velocidad se expresa en función
de la velocidad nominal.

• Regulación de la
  velocidad

Un regulador de velocidad es un dispositivo controlado.
Posee un sistema de mando con amplificación de potencia y
un bucle de alimentación: se denomina, «bucle
abierto».

La velocidad del motor se define mediante una consigna o
referencia. El valor de la consigna se compara permanentemente
con la señal de alimentación, imagen de la
velocidad del motor. Esta señal la suministra un generador
tacométrico o un generador de impulsos colocado en un
extremo del eje del motor.

Si se detecta una desviación como consecuencia de
una variación de velocidad, las magnitudes aplicadas al
motor (tensión y/o frecuencia) se corrigen
automáticamente para volver a llevar la velocidad a su
valor inicial.

Gracias a la regulación, la velocidad es
prácticamente insensible a las perturbaciones.

La precisión de un regulador se expresa
generalmente en % del valor nominal de la magnitud a
regular.

• Deceleración
  controlada

Cuando se desconecta un motor, su deceleración se
debe únicamente al par resistente de la máquina
(deceleración natural). Los arrancadores y variadores
electrónicos permiten controlar la deceleración
mediante una rampa lineal o en «S», generalmente
independiente de la rampa de aceleración.

Esta rampa puede ajustarse de manera que se consiga un
tiempo para pasar de la velocidad de régimen fijada a una
velocidad intermediaria o nula:

– Si la deceleración deseada es más
rápida que la natural, el motor debe de desarrollar un par
resistente que se debe de sumar al par resistente de la
máquina; se habla entonces de frenado eléctrico,
que puede efectuarse reenviando energía a la red de
alimentación, o disipándola en una resistencia de
frenado.

– Si la deceleración deseada es más lenta
que la natural, el motor debe desarrollar un par motor superior
al par resistente de la máquina y continuar arrastrando la
carga hasta su parada.

• Inversión del sentido de
  marcha

La mayoría de los variadores actuales tienen
implementada esta función. La inversión de la
secuencia de fases de alimentación del motor se realiza
automáticamente o por inversión de la consigna de
entrada, o por una orden lógica en un borne, o por la
información transmitida a mediante una red.

• Frenado

Este frenado consiste en parar un motor pero sin
controlar la rampa de desaceleración. Con los arrancadores
y variadores de velocidad para motores asíncronos, esta
función se realiza de forma económica inyectando
una corriente continua en el motor, haciendo funcionar de forma
especial la etapa de potencia. Toda la energía
mecánica se disipa en el rotor de la máquina y, por
tanto, este frenado sólo puede ser
intermitente.

En el caso de un variador para motor de corriente
continua, esta función se realiza conectando una
resistencia en bornes del inducido.

funcionamiento y circuito ELÉCTRICO
equivalente del motor ASINCRÓNICO
monofásico

El motor asíncrono
monofásico

Los motores monofásicos, como su propio nombre
indica son motores con un solo devanado en el estator, que es el
devanado inductor, tampoco en estos existe conexión
física entre el rotor y el estator, ya que se encuentran
separadas uniformemente (entrehierro).

Prácticamente todas las realizaciones de este
tipo de motores son con el rotor en jaula de ardilla. Suelen
tener potencias menores de 1KW, aunque hay notables excepciones
como los motores de los aires acondicionados con potencias
superiores a 10KW.

Se pueden alimentar entre una fase y el neutro o entre
dos fases. No presentan los problemas de excesiva corriente de
arranque como en el caso de los motores trifásicos de gran
potencia, debido a su pequeña potencia, por tanto todos
ellos utilizan el arranque directo. La denominación "motor
pequeño" se aplica a motores de potencia inferior a un
caballo de fuerza, es decir, menor a un HP. También es
llamado motor de potencia fraccional y casi la totalidad de los
motores monofásicos son de potencia fraccional.

Aun cuando, se fabrican en potencias enteras
normalizadas: 1.5, 2.5, 5, 7.5 y 10 HP tanto para tensiones de
115, 230 e incluso 440 volt para las potencias de 7.5 y 10
HP.

El motor monofásico de inducción es
netamente inferior al motor de inducción trifásico.
Para iguales pesos, su potencia bordea solo el 60% de la del
motor de inducción trifásico; tiene un factor de
potencia más bajo y menor rendimiento.

Comparado con el
trifásico:

• Más ruidoso

• Menor rendimiento

• Menor cos f

• No tiene par de arranque

Consta de:

• Una sola bobina

• Rotor tipo jaula de ardilla

El motor asincrónico monofásico
presenta los siguientes inconvenientes:

Se caracterizan por sufrir vibraciones debido a que la
potencia instantánea absorbida por cargas
monofásicas es pulsante de frecuencia doble que la de la
red de alimentación.

No arrancan solos, debido a que el par de
arranque es cero. Para explicar esta última
afirmación recordemos la expresión general del
campo magnético en el entrehierro generado por una
corriente monofásica.

Algunas
aplicaciones del motor asíncrono
monofásico

• Se utilizan fundamentalmente en
  electrodomésticos, bombas y ventiladores de
  pequeña potencia, pequeñas
  máquinas-herramientas, en los mencionados equipos de
  aire acondicionado, etc.

• Este también se utiliza en aplicaciones de
  baja potencia ( de hasta 1CV).

Principio de funcionamiento del motor
asíncrono monofásico.

Este tipo de motor una vez conectado no gira, necesita
un movimiento inicial para salir del punto de
inestabilidad.

El motor monofásico de inducción una vez
que comienza a girar el rotor se producirá en este un
momento inducido. Existen dos teorías básicas que
explican por qué se produce momento en el rotor cuando
este comienza a girar. La teoría del doble campo giratorio
de los motores de inducción monofásicos y la
teoría de campo cruzado de dicho motores. Ambas explicadas
a continuación.

Teoría del doble campo
giratorio