1. INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS ASÍNCRONA DE INDUCCIÓN
Dado que la mayoría de las máquinas utilizadas en la industria están movidas por motores asíncronos alimentados por corriente alterna trifásica, en este apartado daremos unas ideas muy generales y básicas de este tipo de motores.
Como toda maquina eléctrica, los motores asíncronos constan de dos partes fundamentales y distintas:
• El estator.- Es la parte fija del motor. Está constituido por una carcasa en la que está fijada una corona de chapas de acero al silicio provistas de unas ranuras. Los bobinados de sección apropiada están dispuestos en dichas ranuras formando las bobinas que se dispondrán en tantos circuitos como fases tenga la red a la que se conectará la máquina.
• El rotor.- Es la parte móvil del motor. Esta situado en el interior del estator y consiste en un núcleo de chapas de acero al silicio apiladas que forman un cilindro, en el interior del cual se dispone un bobinado eléctrico. Los tipos más utilizados son o Rotor de jaula de ardilla o Rotor bobinado.
A este tipo de motores se les denomina motores de
inducción debido a que su funcionamiento se basa en la interacción de campos
magnéticos producidos por corrientes eléctricas. En el caso de los motores a los que hace
referencia estas notas, las corrientes que circulan por el rotor son producidas
por el fenómeno de inducción electromagnética, conocido comúnmente como ley de
Faraday, que establece que si una espira es atravesada por un campo magnético
variable en el tiempo se establece entre sus extremos una diferencia de
potencial dado por la expresión:
d
e
dt
de donde:
e = Diferencia de potencial inducida en la espira
en voltios
= Flujo que corta a
la espira en Weber t=Tiempo en segundos
El signo
menos de la ecuación es una expresión de la ley de Lenz. Esta establece que la
polaridad del voltaje inducido en la
bobina es tal que si sus extremos se pusieran en cortocircuito, produciría una
corriente que causaría un flujo para oponerse al cambio de flujo original. Puesto que el
voltaje inducido se opone al cambio que lo causa, se incluye el signo menos en
la ecuación.
Si se distribuye espacialmente alrededor del estator de un motor los
bobinados de un sistema de tensiones trifásicos decaladas 120º se genera un
campo magnético giratorio (ya estudiado en el primer trimestre). La velocidad
de giro de este campo magnético, denominada
velocidad de sincronismo, viene dada por la expresión:
60* f
n
p
de donde:
n = Velocidad de giro
del campo magnético en r.p.m f = Frecuencia de la corriente eléctrica de
alimentación de la máquina
p = Número de pares
de polos magnéticos establecidos en el bobinado del estator
De este modo tendremos que las velocidades de
sincronismo normalizadas en nuestro país para las máquinas eléctricas serían:
En los
motores eléctricos, la velocidad de giro del rotor es ligeramente inferior a la
velocidad de giro del campo magnético del estator, debido a la fricción del rotor en los cojinetes, rozamiento con el
aire y a la carga acoplada al eje del rotor, por tal motivo se les conoce a
estos motores con el nombre de motores
asíncronos
Deslizamiento absoluto
sn1n2
|
Deslizamiento
relativo n1n2
s% *100
n1
|
de donde s
=deslizamiento, n1= velocidad de
sincronismo, n2= velocidad de giro del
rotor
La frecuencia a que están sometidos los conductores
del rotor es fr=s*f (f =frecuencia en Hz de la red eléctrica de
alimentación al motor)
2. MOTORES DE ROTOR DE JAULA DE ARDILLA
El motor de
rotor de jaula de ardilla, también llamado de rotor en cortocircuito, es el más
sencillo y el más utilizado actualmente. En núcleo del rotor esta construido de
chapas estampadas de acero al silicio en el interior de las cuales se disponen
unas barras, generalmente de aluminio
moldeado a presión.
Las barras del devanado van
conectadas a unos anillos conductores denominados anillos extremos. El bobinado
así dispuesto tiene forma de jaula de ardilla.
Un
inconveniente de los motores con rotor de jaula de ardilla es que en el
arranque absorbe una corriente muy intensa (de 4 a 7 veces la nominal o
asignada), y lo hace además con un bajo factor de potencia, y a pesar de ello,
el par de arranque suele ser bajo.
La baja
resistencia del rotor hace que los motores de jaula de ardilla tengan
excelentes características para marchas a velocidad constante.
Hasta hace
unos cuantos años (década de los 90), un inconveniente de los motores con rotor
de jaula de ardilla era que su velocidad no era regulable, pero actualmente con
los variadores de velocidad electrónicos se puede conseguir un control perfecto
de la práctica totalidad de parámetros del motor, entre los que destacan el
par, la corriente absorbida y la velocidad de giro.
3. MOTORES DE ROTOR DE ANILLOS ROZANTES
Son motores
asíncronos con un devanado trifásico de cobre dispuesto en las ranuras de
rotor, que va conectado a tres anillos metálicos por uno de sus extremos, en
tanto que, por el otro lado se conectan en estrella. De este modo se puede
controlar desde el exterior la resistencia total del circuito rotórico, facilitando
un control de la velocidad y corriente de arranque con un elevado par de
arranque y un mejor factor de potencia que con el rotor en jaula de ardilla.
CONEXIÓN DE LOS BOBINADOS DE UN MOTOR ELÉCTRICO TRIFÁSICO
Es estator
de un motor trifásico suele bobinarse con tres devanados distintos que se
corresponden con cada una de las fases a las que habrá de conectarse en la red
eléctrica.
Hasta hace
tan sólo unos años la designación de las bobinas era la que se indica en la
figura, por lo que es usual encontrar motores y textos escrito con esa denominación.
Según la forma de conectar las bobinas se pueden
obtener dos conexiones:
La placa de características de un motor trifásico
da el valor máximo de la tensión a que se puede conectar el motor a la red
eléctrica. Un motor conectado en estrella soporta la tensión más alta que
indica la placa, en tanto que en triángulo la tensión máxima a que se puede
conectar es la más baja indicada en dicha placa de características. Con las
corrientes absorbidas ocurre justo lo contrario, correspondiendo la corriente
más alta a la conexión triángulo.
Para cambiar
el sentido de giro de un motor basta con intercambiar dos de las fases de
alimentación.
5. PLACA DE CARACTERÍSITCAS DE UN MOTOR TRIFÁSICO
El dibujo de
la siguiente figura representa un ejemplo de una placa de características que
corresponde a un motor trifásico. Seguidamente se analiza en detalle los
distintos datos y su significado.
1. Se trata de un motor trifásico de corriente alterna
a 50 Hz
2. Potencia nominal o asignada en el eje del motor 15
kW. La potencia en CV de vapor será:
1000W 1CV
1 kW 736
W
3. Los bobinados se pueden conectar en estrella hasta
una tensión máxima de 380V, circulando
en ese caso una corriente por cada línea de alimentación de 29A
4. En conexión triángulo la tensión compuesta entre
las fases de alimentación podrá ser máximo de 220 V, en cuyo caso circulará por
cada una de las líneas de alimentación 50 A
5. Indica el grado de protección de la carcasa del
motor contra agentes externos, atendiendo a la clasificación establecida por la
IEC (Comisión Electrotécnica Internacional), para el caso que nos ocupa:
a. IP54:
Carcasa protegida a prueba de polvo y proyecciones de agua
b. IP55: Carcasa
protegida a prueba de polvo y chorros de agua
6. Cl F nos
indica la clase del motor en lo que se refiere a la máxima temperatura de
funcionamiento y tipo de aislamiento, en
este caso – clase F- nos indica que puede funcionar hasta una temperatura máxima
de 155ºC.
Por otro
lado, el cos =0,9 es el factor de potencia, lo que nos
permitirá hacer algunos cálculos básicos:
a. Potencia activa absorbida de la red:
Obtendremos los mismos datos operando con los datos
de conexión estrella o de triángulo. Supondremos que la tensión compuesta
(entre fases) de la línea de
alimentación es 380 V, por tanto:
b. Potencia reactiva de tipo inductivo absorbida: cos
0,9
25º 50' 30,96"
sen
0,436
c. Considerando el triángulo de potencias, podemos
averiguar la potencia aparente demandada:
S P2 Q2 cos
P sen
Q tag
Q
S S P
S
19087 VA
d. El rendimiento del
motor lo podremos obtener de la siguiente forma:
Potencia en el eje 15000
Potencia absorbida 17178
1. Velocidad del rotor con tensión, corrientes
nominales en carga 2910 r.p.m.
2. Dado que la frecuencia es 50 Hz, el motor será de 2
polos, siendo su velocidad de sincronismo 3000 r.p.m. Con estos datos podemos calcular el
deslizamiento s =3000-2910 = 90 r.p.m.
(típicamente en la práctica estos datos suelen variar un ± 10% del valor dado
por el fabricante). Si deseamos obtener
el dato de deslizamiento relativo sería:
ndeslizamiento 90
s%
*100
*100
3% nsincronismo
3000
Otros datos interesantes que podemos obtener son el
par de salida y su relación con la velocidad y potencia del eje.
Sabemos por conceptos físicos que:
T
• La potencia es igual al trabajo entre el tiempo: P
t
• El trabajo es el producto de la fuerza por el
espacio: TF*e
e
• La velocidad lineal es: v
t
Si operamos
con las expresiones anteriores, obtenemos que la potencia se puede obtener como
el producto de la fuerza por la velocidad lineal:
Por otro lado, sabemos que:
• El momento o par ejercido por una fuerza es el
producto de la fuerza por la distancia ( longitud –l-)perpendicular al eje de
giro: M
F*l
6. SISTEMAS DE DE ARRANQUE DE LOS
MOTORES TRIFÁSICOS
6.1. MOTOR TRIFÁSICO EN ARRANQUE DIRECTO
Como se ha
comentado anteriormente, los motores de cortocircuito suelen consumir en el
arranque corriente muy elevadas, que
para el caso de potencias elevadas (P>10 kW) pueden provocar fluctuaciones
en la redes eléctricas de distribución, de ahí que para el arranque de motores
se utilizan distintos procedimientos para limitar la corriente absorbida en su
puesta en marcha.
A título de ejemplo se incluye la siguiente figura
donde se pueden distinguir los esquemas de fuerza y maniobra del arranque de un
motor trifásico, así como sus elementos de mando y protección.
6.2. ARRANQUE ESTRELLA-TRIÁNGULO DE UN MOTOR TRIFÁSICO
Con independencia del arranque directo, el
arrancador estrella-triángulo es el sistema de arranque más utilizado en los
motores asíncronos de inducción.
Explicación técnica.
Esta explicación se puede demostrar
matemáticamente del siguiente modo:
En la siguiente gráfica se pueden apreciar las
relaciones entre las corriente de arranque y los momentos en un sistema
estrella-triángulo, donde Mi es el momento resistente de la carga en unas
condiciones particulares y Mi’ en otras
más favorables
Los esquemas de la automatización del arranque
mediante contactores de un arrancador estrella-triángulo son los que se indican
en la siguiente figura.
Aunque las características nominales de los
contactores y relé térmico se pueden calcular fácilmente, por lo general, se
utilizan tablas suministradas por los fabricantes a efectos de elección de este
tipo de materiales.
6.3. ARRANQUE DE UN MOTOR TRIFÁSICO DE ROTOR BOBINADO
Este tipo de arranque es aplicable a los motores de
rotor bobinado con anillos rozantes. Gracias a estos anillos rotóricos es
posible conectar resistencias en serie con las bobinas del rotor de forma que
al elevarse su impedancia se disminuya la corriente absorbida en el arranque. A
medida que el rotor va adquiriendo velocidad se va disminuyendo la resistencia
mediante cortocircuito de las mismas.
Curvas de corriente y par de arranque de un
motor de anillos rozantes
Se muestra seguidamente los esquemas de fuerza y
maniobra de un arrancador de un motor de rotor bobinado, donde F2 representa a
un relé térmico temporizado de protección de las resistencias contra ciclos de
arranque rápidos
Con este tipo de arranque se mejora el factor de
potencia e incluso es posible la
velocidad de arranque 25 % si el
motor está en carga. La regulación de velocidad se debe a la variación del
deslizamiento puesto que al aplicar menos tensión a los bobinados del rotor
(parte de la tensión inducida queda aplicada a las resistencias exteriores)
aumenta el deslizamiento disminuyendo la velocidad del rotor.
No obstante, este tipo de motor, no se emplea mucho
debido a la posibilidad de avería y producción de arcos voltaicos y chispas en
los anillos rozantes.
6.4. ARRANQUE DE UN MOTOR TRIFÁSICO POR
AUTOTRANSFORMADOR.
Es un tipo
de arranque poco frecuente puesto que suele emplearse en motores muy grandes
P>100 kW. Consiste en alimentar a tensión reducida al motor durante el
proceso de arranque a través de un autotransformador hasta adquirir la
velocidad nominal en que se desconecta el autotransformador del circuito.
Se indican seguidamente los esquemas de fuerza y
maniobra del arranque de un motor trifásico por autotransformador, donde F3/F2
representan un relé térmico temporizado de protección del autotransformador.
6.5. ARRANQUE DE UN MOTOR TRIFÁSICO POR
RESISTENCIAS ESTATÓRICAS.
El principio consiste en arrancar el motor a una
tensión reducida mediante la inserción en serie con las bobinas del estator
unas resistencias. Una vez estabilizada la velocidad, se eliminan las
resistencias y el motor se acopla directamente a la red de alimentación.
Dado que el
par desarrollado por el motor es proporcional al cuadrado de la tensión, como
la corriente durante el proceso de arranque disminuye el par se eleva también
se eleva muy rápidamente y más deprisa de cómo lo hace en el sistema
estrellatriángulo (donde la tensión permanece constante en el proceso de
arranque). Este tipo de arranque es
apropiado para las máquinas cuyo par crece con la velocidad, como por ejemplo
los ventiladores.
. CONTROL DE VELOCIDAD EN LOS MOTORES ASÍNCRONOS.
Uno de los
grandes problemas de los motores de inducción, frente a los de corriente
continua, es su mala regulación de velocidad, aunque en la actualidad este
problema ha sido resuelto gracias a los variadores electrónicos de velocidad.
Como sabemos la velocidad de rotor de
un motor asíncrono se puede expresar:
n1 nr 60* f
s%
; nr (1s%)*n1 (1s%)*
n1 p n1=Velocidad de sincronismo
r.p.m. ; nr==velocidad de rotor r.p.m ; s% deslizamiento en % p =Nº de pares de polos de la máquina; f
=frecuencia de la red eléctrica en Hz
Lo que significa que se puede regular la velocidad
de un motor asíncrono de inducción variando:
• El numero de polos de la máquina
• La frecuencia de la red eléctrica de alimentación
• El deslizamiento
7.1. CONTROL DE VELOCIDAD MEDIANTE EL CAMBIO
DEL NÚMERO DE POLOS DE LA MÁQUINA.
Observando
la fórmula anterior se puede apreciar que variando en número de pares de polos
del motor es posible variar la velocidad de sincronismo. En la práctica para
variar el número de polos del motor se suele
disponer distintos bobinados en el estator del motor y conectando uno u otro
conseguiremos variar la velocidad. Existe, no obstante, un tipo de conexión
especial denominada conexión Dahlander que mediante un único bobinado se
consiguen dos velocidades de relación 1:2 mediante el cambio de conexiones del
bobinado.
Este tipo de control sólo se suele emplear en los
motores de rotor de jaula de ardilla dado que el cambio de polos del estator ha
de llevar unido el cambio de polos del rotor, por lo que en los motores de
rotor bobinado complicaría llevarlo a la práctica en condiciones económicamente
rentables.
CONTROL DE VELOCIDAD POR CAMBIO DE FRECUENCIA
En la
actualidad el empleo de sistemas de arranque mediante el control por
contactores está quedando en desuso a favor de los arrancadores-variadores de
velocidad electrónicos (convertidores de frecuencia).
Este tipo de
dispositivos suministran una tensión alterna cuyo valor es regulable, al tiempo
que también es posible regular la frecuencia de alimentación al motor, de este
modo es posible conseguir un control de
velocidad muy efectivo, que permite incluso llevar un motor a una velocidad de
sincronismo superior a la nominal o asignada (practica no recomendable). La razón de variar a la vez frecuencia y
tensión radica en el hecho de conseguir un par constante en todo el régimen de
velocidades del motor.
7.3. CONTROL DE VELOCIDAD POR MODIFICACIÓN DEL DESLIZAMIENTO
EL deslizamiento
de un motor se puede variar modificando la tensión de alimentación. Si la
tensión disminuye, la velocidad de giro del rotor disminuye, y por tanto
aumenta el deslizamiento.
En la figura
de la derecha, se puede apreciar la característica mecánica M=f(n) de un motor
asíncrono cuando se alimenta a tensión nomina Vn o al 70% de su valor 0,7Vn,
donde Mr representa el par resistente.
Como ya se
comentó en aparatados anteriores, es posible controlar en parte la
velocidad (25) de un motor con rotor bobinado de anillos
rozantes intercalando resistencias en el rotor. En la gráfica se puede apreciar
como varia el par en función de la velocidad para este tipo de motores en
función de la resistencia conectada.
8.BALANCE DE POTENCIAS EN UN MOTOR ASÍNCRONO
La potencia de una carga polifásica es la suma de
las potencias de cada una de sus fases.
En una red con tres fases (R,S,T) la potencia de una carga trifásica
será
PT PR PsPT
QT QR QsQT
En una carga equilibrada, como es el caso de un motor trifásico, podemos
poner:
QT
3*U*I*sen
donde:
U = Tensión de línea
en [V]
I= Intensidad de
línea en [A]
= Angulo de desfase [u-i]
De la parte de la potencia activa
absorbida por la red parte se pierde en la resistencia del bobinado estatórico, es lo que se conoce como
pérdidas en el cobre en el estator:
PCu1 3Rf * I2
Donde Rf es la parte de la resistencia
de cada fase en ohmios, I es la corriente de fase en amperios y PCu1
son las pérdidas totales en el cobre en el estator de un motor trifásico.
La diferencia entre la potencia
absorbida por la red y las pérdidas en el cobre del estator, es la potencia que
queda para crear el campo magnético:
PC PT PCu1
No toda la potencia entregada para
crear el campo magnético se convierte en líneas de inducción, puesto que en el
circuito magnético se producen las denominadas pérdidas en el hierro PFe
que no es otra cosa que la suma de las pérdidas por histéresis magnética y
corrientes parásitas de Faucoult. Si llamamos Pa a la potencia que realmente atraviesa el entrehierro del motor,
tendremos:
PaPcPFe
Como es sabido el rotor está constituido por un
bobinado cerrado sobre si mismo que al cortar el flujo se induce una f.e.m. en
él y por el que circula una corriente. Para el caso de un motor trifásico la
pérdidas en el cobre del rotor vienen dadas por la expresión:
PCu2 3* I22 * R2
Donde I2 representa la
corriente que circula por cada una de las fases y R2 la resistencia
de cada una de las fases del bobinado
rotórico
De este modo la potencia mecánica entregada al
rotor es:
Pm 3PaPCu2
Finalmente existirán una pérdidas
mecánicas por rozamientos, de modo que la potencia realmente útil en el eje del
rotor es:
PuPmPmec
El rendimiento de un motor asíncrono
viene dado por la expresión ya conocida:
9.CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN MOTOR ASÍNCRONO.
Aunque ya se han visto a lo largo del
tema varias de las curvas
características que determinan el funcionamiento de un motor asíncrono, a
continuación se relacionan las más comúnmente utilizadas:
10.MOTOR MONOFÁSICO DE FASE PARTIDA
Un motor monofásico de
fase partida es un motor monofásico de corriente alterna, cuya potencia
generalmente no excede de 1CV. Se emplea para accionar pequeños
electrodomésticos como lavadoras, pequeñas bombas de presión, quemadores de
aceites pesados, etc..
En este tipo de motor se distinguen 4
partes principales:
1. La parte giratoria: el rotor
2. La parte fija que crea el campo magnético inductor:
el estator
3. Dos placas o escudos terminales, sujetos a la
carcasa del estator mediante tornillos o pernos.
4. Un interruptor centrífugo
Este tipo de motores
se define como:”Motor de inducción monofásico provisto de un arrollamiento
auxiliar o de arranque desplazado magnéticamente respecto al arrollamiento
principal o de trabajo y conectados en paralelo entre sí”.
El objeto del arrollamiento auxiliar es
conseguir el arranque del motor, para ello, es preciso que los flujos magnéticos
engendrados por los dos arrollamientos del motor estén desplazados en el
espacio y en el tiempo. La primera condición se cumple disponiendo
geométricamente cada arrollamiento en posición adecuada respecto al otro.
La segunda se logra variando la
resistencia y la reactancia del arrollamiento auxiliar.
De las cuatro partes principales que constituyen este tipo de motor,
podemos indicar que el rotor, es un rotor de jaula de ardilla como los que se
han descrito en los apartados anteriores. En cuanto al estator, se compone, al
igual que los trifásicos, de una carcasa dentro de la cual se dispone el núcleo
magnético a base de chapas de acero al silicio para reducir las pérdidas
magnéticas. En el núcleo magnético del estator se disponen los bobinados de
arranque y trabajo indicados anteriormente. El interruptor centrífugo, es un
interruptor especial que se monta en el interior del motor cuya función es
desconectar el bobinado de arranque cuando el motor ha alcanzado una velocidad
cercana a la nominal (0,8*n). Este interruptor está cerrado a motor parado y
cuando el rotor alcanza la velocidad predeterminada se desplaza, por la acción
de la fuerza centrífuga, desconectando el bobinado de arranque. Cuando el motor
se para o disminuye su velocidad por debajo de la preestablecida el interruptor
se vuelve a cerrar.
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