Arranque de motores asincrónicos

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.

Los motores asíncronos o de inducción son
un tipo de motores eléctricos de corriente alterna. El
primer prototipo de motor eléctrico capaz de funcionar con
corriente alterna fue desarrollado y construido por el ingeniero
Nikola Tesla y presentado en el American Institute of Electrical
Engineers (en español, Instituto Americano de Ingenieros
Eléctricos, actualmente IEEE) en 1888.

El motor asíncrono trifásico está
formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de
ardilla; b) bobinado, y un estator, 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.

En este trabajo trataremos todos los temas relacionados
con el estudio y los diversos temas relacionados con la maquina
asincrónica o motor de inducción en el caso de que
siempre que hablemos de maquinas asincrónicas el 98% de
los casos este trabaja como motor.

Consideraciones
generales de las máquinas
asincrónicas

El principio de funcionamiento de las maquinas
asincrónicas se basa en el concepto de campo
magnético giratorio, al igual que cualquier otro
dispositivo de conversión electromecánica de la
energía de tipo rotativo, está formada por un
estator y un rotor. En el estator se coloca normalmente el
inductor, alimentado por una red monofásica o
trifásica. El rotor es el inducido, y las corrientes que
circulan por él aparecen por consecuencia de la
interacción con el flujo del estator. Dependiendo del tipo
de rotor, estas maquinas se clasifican en: a) rotor en jaula de
ardilla o en cortocircuito, y b) rotor bobinado o con
anillos.

El descubrimiento original fue publicado en 1888 por el
profesor Galileo Ferraris en Italia y por Nikola Tesla en los
EE.UU. Ambos diseños de motores asíncronos se
basaban en la producción de campos magnéticos
giratorios con sistemas bifásicos, es decir, utilizando
una bobina a 90º. 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.

La diferencia de la maquina asincrónica con los
demás tipos de maquinas se debe a que no existe corriente
conducida a uno de los arrollamientos. La corriente que circula
por uno de los devanados generalmente situado en el rotor, se
debe a la f.e.m inducida por la acción del flujo del otro,
y por esta razón se denomina maquinas de inducción.
También reciben el nombre de maquinas 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 se 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.

Corrientes de
arranque de los motores asíncronos

Los motores de inducción no tienen los mismos
problemas de arranque que presentan los motores síncronos.
En muchos casos los motores de inducción se pueden poner
en marcha simplemente conectándolos a la línea de
potencia. Sin embargo en algunos casos hay muy buenas razones
para no hacerlo de esta manera. Por ejemplo, la corriente de
arranque requerida puede causar una caida en el voltaje del
sistema de potencia por lo cual no es aceptable el arranque a
través de la línea.

Los motores de inducción con rotor devanado se
pueden poner en marcha con corrientes relativamente bajas por
medio de la inserción de una resistencia extra en el
circuito del rotor en el momento del arranque. Esta resistencia
extra no solo incrementa el par de arranque sino que
también reduce la corriente de arranque.

Para los motores de inducción de jaula, la
corriente de arranque puede variar en forma amplia, depende
principalmente de la potencia nominal del motor y de la
efectividad de la resistencia del rotor en condiciones de
arranque. Para estimar la corriente del rotor en condiciones de
arranque, todos los motores de jaula tienen una letra
código de arranque (no se debe confundir con la letra
clase de diseño) en su placa de características.
Esta letra código establece los límites de la
cantidad de corriente que el motor puede aceptar en condiciones
de arranque.

Estos límites se expresan en términos de
potencia aparente de arranque del motor en función de los
caballos de fuerza nominales. La tabla al final de este tema
contiene los kilovoltamperes de arranque por caballo de fuerza
para cada letra código.

Para determinar la corriente de arranque de un motor de
inducción, léase el voltaje nominal, los caballos
de fuerza y la letra código de su placa de
características. Entonces, la potencia aparente de
arranque del motor será:

Sarranque = (caballaje nominal) (factor de la letra de
código)

Y la corriente de arranque se puede calcular con la
ecuación

IL = Sarranque/ v3VT

Si se requiere, la corriente de arranque de un motor de
inducción se puede reducir con un circuito de arranque.
Sin embargo, esto también reducirá el par de
arranque del motor. Una forma de reducir la corriente de arranque
es insertar un inductor o resistor extra en la línea de
potencia durante el arranque. Aun cuando en el pasado esta era
una práctica común, este enfoque casi no se utiliza
hoy en día. Una manera alternativa consiste en reducir el
voltaje en los terminales del motor durante el arranque por medio
de la utilización de autotransformadores. Es importante
tomar en cuenta que aun cuando se reduce la corriente de arranque
en proporción directa a la disminución del voltaje
en los terminales, el par de arranque disminuye con el cuadrado
del voltaje aplicado. Por lo tanto, solo se puede lograr una
cierta reducción de la cantidad de corriente si el motor
debe arrancar con una carga en su eje.

Diferentes
sistemas de arranque de los motores
asíncronos

Arranque de motores asincrónicos con rotor en
jaula:

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 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 de motores
asíncronos con rotor en jaula de ardilla

Este método se utiliza para motores que no
necesitan un gran par de arranque. Este método consiste en
producir en el momento de arranque una tensión menor que
la nominal en los arrollamientos del motor. Al reducir la
tensión se reduce proporcionalmente la corriente, la
intensidad del campo magnético y el par motriz.

Entre los métodos de arranque por tensión
reducida más utilizados podemos citar; el arranque por
autotransformador, conmutación
estrella-triangulo y el de arrancador
electrónico

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-Delta

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).

Este método solamente se puede utilizar en
aquellos motores que estén preparados para funcionar en
delta con la tensión de la red, si no es así no se
le puede conectar. La maquina se conecta en estrella en el
momento del arranque y se pasa después a delta cuando
está en funcionamiento.

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

El arranque estrella-delta 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 el caso más simple tres contactos realizan la
tarea de maniobrar el motor, disponiendo de enclavamientos
adecuados. La protección del motor se hace por medio de un
relé térmico. El térmico debe estar colocado
en las fases del motor.

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 delta) 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 con rotor en jaula 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,
como se indica en la figura, donde se ha supuesto que los
devanados de la maquina están conectados en
estrella.

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, en la última parte queda cortocircuitado
el rotor y finaliza la operación de arranque.

En esta situación, para reducir las
pérdidas 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
asincrónicos

Regulación por variación de
número de polos

Variando el numero de polos del estator de la maquina,
cambia la velocidad del campo giratorio y en consecuencia varia
la velocidad de rotación del rotor. El procedimiento
utiliza diversos devanados en el estator dependiendo de las
velocidades que se quiera obtener; generalmente, por
limitación de espacio de las ranuras suelen emplearse dos
combinaciones diferentes, dando lugar a dos r.pm.,
asíncronas cercanas a 3.000, 1.500, 750, 500, etc., (a
50Hz). Para que el funcionamiento sea posible es preciso que
el rotor sea jaula de ardilla, ya que este tipo de rotor
adapta automáticamente por inducción su
número de polos al existente en el estator. Con frecuencia
se emplean dos escalones de velocidad en la relación 2:1,
y con un solo devanado que se conmuta adecuadamente, lo que se
denomina conexión Dahlander.

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. 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 c-d ha
sufrido una inversión.

Regulación por variación de
frecuencia

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.

Si se prolonga la característica al cuadrante
generador se puede obtener un frenado muy eficiente por
reducción de frecuencia, con una recuperación de
energía hacia la red de alimentación. Si bien
pueden utilizarse distintos tipos de convertidores de frecuencia
rotativos (semejantes al sistema Ward-Leonard), en la actualidad
la modificación de la frecuencia se realiza
fundamentalmente por medio de variadores estáticos
electrónicos que ofrecen una regulación suave,
permitiendo un aumento en la vida útil de todas las partes
involucradas y originando un ahorro en el mantenimiento por
ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes.

Los mismos se construyen generalmente con tiristores
gobernados por un microprocesador que utiliza un algoritmo de
control vectorial del flujo, y consisten básicamente en un
convertidor estático alterna-alterna (cicloconvertidor)
ó alterna-continua-alterna (convertidor de enlace), que
permiten la modificación progresiva de la frecuencia
aplicada, con la consiguiente modificación de la corriente
y el par motor. En algunos casos se agregan filtros de
armónicas. En el cicloconvertidor se sintetiza una onda de
menor frecuencia a partir de una alimentación
polifásica de mayor frecuencia, conectando sucesivamente
los terminales del motor a las distintas fases de la
alimentación.

La onda sintetizada generada es rica en armónicos
y en algunos casos el circuito puede generar subarmónicos
que podrían llegar a producir problemas si existiera
alguna resonancia mecánica del sistema. 

Por otro lado, el cicloconvertidor ofrece una
transformación simple de energía de buen
rendimiento, permite la inversión del flujo de potencia
para la regeneración y la transmisión de la
corriente reactiva; proporcionando una gama de frecuencias de
trabajo que va desde valores cercanos a cero hasta casi la mitad
de la frecuencia de alimentación, con fácil
inversión de fase para invertir el sentido de
rotación. En ciertos casos este tipo de convertidor se
emplea en motores asincrónicos de rotor bobinado con
alimentación doble, estando el estator conectado a la red
y el rotor al convertidor.

En el convertidor de enlace la alimentación de la
red de corriente alterna se rectifica en forma controlada y luego
alternativamente se conmutan las fases del motor al positivo y al
negativo de la onda rectificada, de manera de crear una onda de
alterna de otra frecuencia.

La tensión y frecuencia de salida se controlan
por la duración relativa de las conexiones con las
distintas polaridades (modulación del ancho de pulso) de
manera de conservar constante el cociente tensión /
frecuencia para mantener el valor del flujo magnético en
el motor. 

Aunque la onda de tensión obtenida no es
sinusoidal, la onda de corriente tiende a serlo por efecto de las
inductancias presentes. Además, de este modo se obtiene
una amplia gama de frecuencias por encima y por debajo de la
correspondiente al suministro, pero exige dispositivos
adicionales c.c. /c.a. para asegurar el flujo de potencia
recuperada.

Hay que considerar que las corrientes
poliarmónicas generan un calentamiento adicional que
disminuye el rendimiento y puede llegar a reducir el par (por
ejemplo, el 5º armónico produce un campo giratorio
inverso).

También cabe acotar que la
vibración de los motores aumenta cuando se les alimentan
con conversores electrónicos de frecuencia y que la
componente de alta frecuencia de la tensión de modo
común de los conversores de frecuencia puede causar un
acoplamiento con la tierra a través de la capacidad que se
forma en los rodamientos, donde las pistas actúan como
armaduras y la capa de grasa como dieléctrico. Asimismo
digamos que los variadores de velocidad generalmente
también sirven para arrancar o detener progresivamente el
motor, evitando por ejemplo, los dañinos golpes de ariete
que pueden aparecer en las cañerías durante la
parada de las bombas.

Ventajas de la utilización del Variador de
Velocidad en el arranque de motores
asíncronos.

• El variador de velocidad no tiene elementos
  móviles, ni contactos.

• La conexión del cableado es muy
  sencilla.

• Permite arranques suaves, progresivos y sin
  saltos.

• Controla la aceleración y el frenado
  progresivo.

• Limita la corriente de arranque.

• Permite el control de rampas de aceleración y
  deceleración regulables en el tiempo.

• Consigue un ahorro de energía cuando el motor
  funcione parcialmente cargado, con acción directa
  sobre el factor de potencia

• Puede detectar y controlar la falta de fase a la
  entrada y salida de un equipo. Protege al motor.

• Puede controlarse directamente a través de un
  autómata o microprocesador.

• Se obtiene un mayor rendimiento del
  motor.

• Nos permite ver las variables (tensión,
  frecuencia, r.p.m, etc…).

Inconvenientes de la utilización del Variador
de Velocidad en el arranque de motores
asíncronos.

• Es un sistema caro, pero rentable a largo
  plazo.

• Requiere estudio de las especificaciones del
  fabricante.

• Requiere un tiempo para realizar la
  programación.

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 Schrage).
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 desaceleració

n. 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.

Consideraciones
generales, 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

Básicamente, esta teoría sostiene que un
campo magnético pulsante y estacionario puede
descomponerse en dos campos magnéticos giratorios de igual
magnitud pero que giran en direcciones opuestas. El motor
responde separadamente a cada campo magnético, y el
momento neto de la maquina será la suma de los momentos
correspondientes a cada uno de los dos campos
magnéticos.

Que a la velocidad cero no tendrá momento neto, y
lo cual explica el par que este tipo de motor no tiene momento de
arranque.

Por otra parte, en un motor monofásico los campos
magnéticos tanto de avance como de inversión
están presentes y ambos son producidos por la misma
corriente.

Teoria del campo cruzado

Esta teoría considera el motor de
inducción desde un punto de vista totalmente diferente, y
se ocupa de las tensiones y corrientes que el campo
magnético estacionario del estator puede inducir en las
barras del rotor cuando esta se halla en movimiento.

Las tensiones del rotor producen un flujo de corriente
en el mismo, pero debido a la alta reactancia del rotor la
corriente atrasa a la tensión en cerca de 90°. Como el
rotor está girando casi a la velocidad sincrónica,
este retardo de tiempo de 90° en la corriente produce una
desviación angular de casi 90° entré el plano
de la tensión máxima del rotor y el plano de la
corriente máxima.

El campo magnético del rotor es, por tanto, un
poco menor que el campo magnético del estator debido a las
perdidas del rotor, pero difieren en casi 90° tanto en
espacio como en tiempo.

En estos motores la corriente en el devanado auxiliar se
encuentra retrazada aproximadamente en 15° respecto de la
tensión de alimentación. En tanto que la corriente
del devanado principal, que es mayor, esta retrazada en unos
40° respecto de la tensión monofásica. A pesar
del hecho que la corriente en los dos devanados en cuadratura en
el espacio no es igual, aún cuando las componentes en
cuadratura son prácticamente iguales.

Si los devanados están desplazados en 90° en
el espacio y si las componentes en cuadratura de la corriente,
que están desfasadas en 90°, son prácticamente
iguales, se produce entonces un campo giratorio bifásico
equivalente en el arranque que desarrolla el par suficiente para
acelerar el rotor en el sentido del campo giratorio producido por
las corrientes. Cuando el rotor acelera genera su propia F.e.m.
De rotación (teoría del campo transversal) y tiende
a producir un par resultante en virtud de su propia
rotación en un sentido particular (teoría del campo
giratorio). El par desarrollado por el campo principal pulsatorio
(producido por el devanado principal) supera al desarrollo por
ambos devanados a un valor del deslizamiento de alrededor del
15%. Asimismo, es evidente, que la corriente sola
produciría menos perdida ya que se eliminarían las
perdidas del devanado auxiliar. Por estas dos razones se utiliza
un interruptor centrífugo (normalmente cerrado en reposo)
que se accione a un deslizamiento de alrededor de un 25% (par
máximo como motor monofásico), con lo que el motor
alcanza su deslizamiento nominal (aproximadamente el 5% o menos
según la carga aplicada) como motor monofásico en
virtud de su propio campo transversal.