Motor asíncrono

Abstract:

Los problemas generados por el motor de arranque
eléctrico de CA, se resumen en tres aspectos: el consumo
de gran potencia, par y el sobrecalentamiento del motor. Hay
muchos sistemas eléctricos mediante el cual podemos
reducir estos problemas, y en el siguiente artículo, una
breve descripción de estos, así como sus horarios y
algunas características básicas para la
instalación.

I.
Introduccion.

Los motores asíncronos o de inducción son
un tipo de motores
eléctricos de corriente
alterna. El motor asíncrono trifásico
está formado por un
rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b)
bobinado, y
un estátor, en el que se encuentran las bobinas inductoras.
Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas
entre sí 120º. Según el Teorema de Ferraris,
cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes
trifásicas, se induce un campo
magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo
magnético variable va a inducir
una tensión en el rotor según la Ley
de inducción de Faraday:

Entonces se da el efecto Laplace (ó efecto
motor): todo conductor por el que circula una corriente
eléctrica, inmerso en un campo magnético
experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento.
Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto
generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo
magnético se induce una tensión.

El campo magnético giratorio, a velocidad de
sincronismo, creado por el bobinado del estator, corta los
conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza
electromotriz de inducción.

La acción mutua del campo giratorio y las
corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una
fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor,
las cuales hacen girar el rotor del motor. La diferencia entre
las velocidades del rotor y el campo magnético se denomina
deslizamiento.

? Circuito equivalente del motor y
magnitudes características.

Fig. 1 Circuito Equivalente.

Fig. 2 Diagrama Fasorial.

II. Constitucion
de un motor asincrono.

? Circuito magnético.

La parte fija del circuito magnético
(estátor) es un anillo cilíndrico de chapa
magnética ajustado a la carcasa que lo envuelve. La
carcasa tiene una función puramente protectora. En la
parte interior del estátor van dispuestos unas ranuras
donde se coloca el bobinado correspondiente.

En el interior del estátor va colocado el rotor,
que es un cilindro de chapa magnética fijado al eje. En su
periferia van dispuestas unas ranuras en las que se coloca el
bobinado correspondiente. El entrehierro de estos motores es
constante en toda su circunferencia y su valor debe ser el
mínimo posible.

? Circuitos
eléctricos.

Los dos circuitos eléctricos van situados uno en
las ranuras del estátor (primario) y otro en las del rotor
(secundario), que esta cortocircuitado. El rotor en cortocircuito
puede estar formado por bobinas que se cortocircuitan en el
exterior de la maquina directamente o mediante reóstatos;
o bien, puede estar formado por barras de cobre colocadas en las
ranuras, que han de ser cuidadosamente soldadas a dos anillos del
mismo material, llamados anillos de cortocircuito. Este conjunto
de barras y anillos forma el motor jaula de ardilla.

También existen motores asíncronos
monofásicos, en los cuales el estátor tiene un
devanado monofásico y el rotor es de jaula de ardilla. Son
motores de pequeña potencia y en ellos, en virtud
delTeorema de Leblanc, el campo magnético es igual a la
suma de dos campos giratorios iguales que rotan en sentidos
opuestos. Estos motores monofásicos no arrancan por si
solos, por lo cual se debe disponer algún medio auxiliar
para él.

? Partes del motor
Asincrónico.

Fig 16. Constitución del motor
asincrónico

Estator: devanado
trifásico distribuido en ranuras de 120°

Tiene tres devanados en el estator. Estos
devanados están desfasados siendo p el número de pares de polos de
la maquina

Fig 17. Estator.

Rotor: en este encontraremos dos tipos
bobinado y Jaula de ardilla

Bobinado: los devanado del rotor son
similares al estator con el que esta asociado. El numero de fases
del rotor no tiene porque ser el mismo que el del estator, lo que
si tiene que ser igual es el numero de polos. Los devanados del
rotor están conectados a anillos colectores montados sobre
el mismo eje.

Fig 18. Bobinado

Jaula de ardilla: los conductores del
rotor están igualmente distribuido por la periferia del
rotor. Los extremos de estos conductores están
cortocircuitados, por tanto no hay posibilidad de conexión
del devanado del motor con el exterior. La posición
inclinada de las ranuras mejora las propiedades de arranque y
disminuyen el ruido.

Fig 19. Jaula de Ardilla.

III. Principios
de funcionamiento de las máquinas
asíncronas.

Las máquinas asíncronas, de las que
sólo existen motores puesto que los generadores son
siempre sincrónicos, son aquellas en las cuales la
velocidad de rotación n puede ser diferente que la
síncrona ns, siendo ésta última la velocidad
con la que gira el campo magnético dentro de la cavidad en
la que se aloja el rotor.

El motor asíncrono, o de inducción,
funciona precisamente gracias a las corrientes inducidas sobre el
rotor por ese campo magnético giratorio.

Para ver esto, imaginemos que en el centro de la cavidad
del motor tenemos una espira en cortocircuito y que en ese
instante el campo magnético tiene la dirección y el
sentido que se muestra en la Figura 3. Dado que, a los efectos
del flujo, el campo magnético está dirigido hacia
abajo y aumentando según transcurre el tiempo, las leyes
de la inducción de Faraday y Lenz, nos dicen que sobre la
espira se inducirá una f.e.m., que a su vez dará
origen a una corriente eléctrica con un sentido igual al
que se indica en la figura.

Fig. 3 Dirección del Campo
Magnético.

En estas condiciones, si aplicamos la regla de mano
izquierda podemos deducir que sobre la espira aparecerá un
par de fuerzas que provocará que ésta gire en el
mismo sentido que el campo magnético. Obviamente, cuando
la bobina adquiera una cierta velocidad de rotación, la
f.e.m. y por lo tanto la corriente inducida disminuirá.
Esto es así porque la velocidad con la que varía el
flujo magnético con respecto a la bobina habrá
disminuido en la misma proporción. Por otra parte, esto
significa que la velocidad de rotación del rotor se
podrá acercarse a ns pero siempre será menor que
ella.

En cualquier caso, podemos perfectamente imaginar un
motor eléctrico construido a partir de un rotor que
contiene espiras en cortocircuito que giran atraídas por
el campo giratorio de las bobinas estatóricas. De hecho,
basado en este principio se construye el motor llamado de jaula
de ardillas, en donde las espiras en cortocircuito están
formadas por un conjunto de varillas de cobre unidas en sus
extremos a dos anillos también de cobre.

Abajo en la misma figura se muestra cómo la jaula
de ardilla finalmente se aloja dentro de un núcleo de
hierro para aumentar la intensidad del campo magnético
alrededor de la jaula y aumentar el rendimiento del
motor.

Fig. 4 Campo giratorio del
bobinado.

IV.
Pérdida de potencia en motores asíncronos y
Analisis de Placa.

? Pérdidas de
Potencia.

El motor asíncrono, como cualquier motor
eléctrico, convierte energía eléctrica en
mecánica. La energía eléctrica consumida por
el motor es la energía absorbida Pabs, mientras que la
entregada es la potencia útil Pu.

La eficiencia o rendimiento del motor (h) se define como
la relación entre la potencia útil y la absorbida,
n = Pu/Pabs. La energía útil es normalmente un dato
del motor y en general se expresa en CV o HP. Mientras que la
absorbida se puede obtener a partir de n, o de la tensión,
la corriente y el desfase usando cualquiera de las dos
fórmulas:

La potencia que no se convierte en útil, se
pierde por distintas causas. En la Figura 5 se muestran
cómo y cuáles son estas pérdidas. Partiendo
de la potencia de entrada o absorbida, una parte se pierde en la
resistencia del bobinado estatórico y se la representa por
PCu1. Lo que queda: Pem= Pabs – PCu1 recibe el nombre de
potencia electromagnética.

La siguiente pérdida se produce en los
conductores de la jaula de ardilla o el bobinado rotórico
PCu2. La potencia resultante Pme = Pem – PCu2 se denomina
potencia mecánica. A diferencia de PCu1, PCu2 puede ser
calculada usando la fórmula PCu2= dPem donde d es el
deslizamiento del motor.

Queda por último una forma de pérdida de
potencia más, la llamada potencia de rotación Prot,
que se relaciona con el rozamiento de los cojinetes y el
ventilador que normalmente está unido al eje para su
propia refrigeración.

De modo que finalmente nos queda Pu = Pme – Prot.
Cuando un motor funciona sin carga, es decir en vacío, la
potencia que consume en esta circunstancia es aproximadamente
igual a la de rotación:

Pabs(vac) = Pvac = Prot.

Fig. 5 Pérdidas de
Potencia.

? Análisis de Placa.

Todos los motores deben llevar una placa sobre la cual
se describen sus características más importantes.
Entre otras, allí aparecen:

? La potencia útil del motor, en W,
CV o HP.

? La velocidad de rotación nominal
(n),

? Las tensiones a las que puede trabajar el motor, y las
corrientes de líneas correspondientes.

? El factor de potencia.

Fig. 6 Placa de un motor
asíncrono.

V. Arranque de un
motor asincrono.

? Arranque Directo

Se aplica a aquellos motores de una potencia nominal
menor de 5KW (6.8 C.V.), aunque en la práctica sólo
se aplica para motores de potencia nominal menor de
5C.V.

Fig. 7 Arranque directo.

? Arranque Estrella –
Triangulo.

El arranque estrella/triángulo (U/D) es la forma
más económica de arranque, pero sus prestaciones
son limitadas. Las limitaciones más significativas
son:

1. No hay control sobre el nivel de
reducción de la corriente ni del par.

2. Se producen importantes cambios de la corriente y del
par debido a la transición estrella/triángulo. Esto
aumenta el stress mecánico y eléctrico y puede
producir averías. Los cambios se producen debido a que el
motor está en movimiento y al desconectarse la
alimentación hace que el motor actúe como un
generador con tensión de salida, que puede ser de la misma
amplitud que la de red. Esta tensión está
aún presente cuando se reconecta el motor en delta (D). El
resultado es una corriente de hasta dos veces la corriente LRC y
hasta cuatro veces el par LRT.

Fig. 8 Circuito de Potencia y
Mando.

Fig. 9 Esquema de
conexión.

Fig. 10 Comportamiento en esta
conexión.

? Arranque por
Autotransformador

El autotransformador de arranque es un dispositivo
similar al estrella-triángulo, 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 máquina 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, producidos por los grandes esfuerzos
realizados en el momento del arranque.

Fig. 11 Circuito de Potencia y
Mando.

? Arranque por Resistencia
Estatórica.

Consiste en reducir la tensión que producen unas
resistencias conectadas en serie con el estator. Este sistema
tiene el inconveniente de que consigue disminuir la corriente en
función lineal de la caída de tensión
producida. Sin embargo, el par queda disminuido con el cuadrado
de la caída de tensión, por lo que su
aplicación, se ve 1imitada a motores en 1os que el momento
de arranque resistente, sea baja. Tienen una serie de
características que reducen su efectividad. Algunas de
éstas son:

1. Dificultad de optimizar el rendimiento del arranque
cuando está en servicio porque el valor de resistencia se
tiene que calcular cuando se realiza el arranque y es
difícil cambiarlo después.

2. Bajo rendimiento en situaciones de arranque frecuente
debido a que el valor de las resistencias cambia a medida que se
va generando calor en ellas durante un arranque. Necesita largos
períodos de refrigeración entre
arranques.

3. Bajo rendimiento en arranques con cargas pesadas o en
arranques de larga duración debido a la temperatura en las
resistencias.

4. No realiza un arranque con reducción de
tensión efectivo cuando se trata de cargas en las que las
necesidades de arranque varían.

Fig. 12 Circuito de Potencia y
Mando.

Fig. 13 Comportamiento en esta
conexión.

? Arranque por Resistencia
Rotórica.

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.

PROCEDIMIENTO: inicialmente introducir una
resistencia adicional que haga que el par de arranque sea el
máximo. Posteriormente, ir reduciendo la resistencia
adicional hasta cero.

Este método presenta los siguientes
inconvenientes:

? El motor se deja de alimentar durante el cambio de una
tensión a otra.

? Aumenta el tiempo de arranque

? Es un método caro puesto que los motores de
rotor devanado son más caros que los de jaula de
ardilla.

? Aumentan las pérdidas debido a la potencia
disipada en la resistencia adicional.

En las figuras que se adjuntan a continuación
puede analizarse este método de arranque de los motores
asíncronos trifásicos. Las diferentes
implementaciones que se proponen están realizadas con
automatismos eléctricos (relés, pulsadores,
temporizadores, contactores y sus contactos
auxiliares).

Fig. 14 Conexión de este
arranque.

Fig. 15 Conexión de este
arranque.

VI.
Conclusiones.

Por lo tanto se denomina arranque de un motor al
régimen transitorio en el que se eleva la velocidad del
mismo desde el estado de motor detenido hasta el de motor girando
a la velocidad de régimen permanente.

El estudio del arranque de los motores tiene una gran
importancia práctica, ya que la elección correcta
de las características de los motores eléctricos y
arrancadores a instalar están basados en el conocimiento
de las particularidades de éste régimen
transitorioAdemás ahora se conocen diversas formas de
conexión y no la misma de siempre que era la de
estrella-triangulo, ya que como se ha visto esta conexión
si bien es muy barata pero no dispone de cualidades tales como
para caracterizarla como la mejor.

VII.
Referencias

[1]http://www.mty.itesm.mx//deptosie/profes
ores/hnunez/cursos/me/Mate ialApoyo/MaqElec4/home.htm

[2]http://webpages.ull.es/users/mmateo/electr
otecnia/2010-11/TEMA9A.pdf

[3]http://electroraggio.com/fs_files/user_img/trif1.pdf

[4]Maquinas Electricas, Pau Casals Torrens, Richard Bosh
Tous

[5]Curso Modemo de arrancadores para Maquinas Electricas
asincronas, Manuel Cortes

Autor:

Boris Carpio Becerra

Universidad Politécnica Salesiana,
Ingeniería Eléctrica.

Cuenca-Ecuador