Principio de funcionamiento del motor asincrónico trifásico a inducción

(emiliano haro)


El motor asincrónico trifásico a inducción es un mecanismo al cual ingresa energía eléctrica bajo la forma de un conjunto trifásico, que se convierte en energía mecánica bajo la forma de un movimiento giratorio de velocidad ligeramente variable con la carga aplicada al eje. Es una máquina más simple que se ha inventado para este fin, habiendo alcanzado un alto grado de perfeccionamiento y normalización.

La velocidad del campo giratorio del estator, también denominada velocidad sincrónica se expresa:

Dibujo222.JPG
f: frecuencia;
p: pares de polos
Ns: velocidad sincrónica
P: cantidad de polos

Supongamos que en el espacio afectado por el campo rotante, colocamos un conductor rectangular cerrado sobre sí mismo, o sea, eléctricamente en cortocircuito y vinculado mecánicamente a un eje coincidente con el eje del estator. En la figura 1 hemos dibujado este conjunto y al campo rotante lo hemos representado por medio de algunas de sus líneas.


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Figura 1. Espira en cortocircuito
Figura 1. Espira en cortocircuito

Dentro del área encerrada por esta espira en corto circuito, el flujo magnético estará variando a causa de que el campo giratorio cambia constantemente de dirección. Esta variación de flujo ocasiona una fuerza electromotriz inducida, y como la espira constituye un circuito cerrado, se forma una corriente. El sentido de esa corriente inducida se determina fácilmente recordando la regla de la mano derecha, teniendo en cuenta los sentidos relativos del movimiento. Por ejemplo, si tomamos el tramo AB de la espira y consideramos por el momento a la espira quieta, el campo tiene líneas que van de izquierda a derecha en el dibujo. Esto equivale a que, si el campo estuviese quieto, el conductor se movería respecto a él, de derecha a izquierda. Considerándolo así, y acordándonos de los sentidos, como el campo va de arriba hacia abajo, y el conductor de derecha a izquierda, la fuerza electromotriz inducida se produce de atrás hacia delante, hacia el observador. En el tramo inferior CD de la espira, como el sentido de movimiento relativo es opuesto, las cosas ocurren al revés. En los tramos AC y DB no hay fuerza electromotriz inducida, porque esos trozaos no “cortan” líneas de campo, y se mueven en un plano concordante con las líneas. Como el circuito es cerrado, las fuerzas electromotrices producidas en los dos lados activos se suman, y producen una corriente cuyo sentido se ha indicado en el dibujo con “i”, concordante con “e”. Si ahora pensamos que esos dos conductores, los AB y CD están dentro de un campo magnético (el del campo rotante), debemos tener en cuenta la aparición de sendas fuerzas , cuyo sentido se determina fácilmente con la ayuda de la regla de la mano izquierda. En la figura 1 se puede apreciar la aparición de la cupla. Es importante mostrar que la cupla formada tiende a llevar la espira en la misma dirección de gira que el campo rotante. Vale decir, hay una tendencia de la espira a acompañar al campo, asunto que tiene perfecta explicación desde el punto de vista físico,. Al producirse una variación del flujo dentro de la bobina, por inercia, la espira tiende a conservar su estado, es decir, a girar para evitar la variación de flujo. Por el principio de acción y reacción, la espira a tender a girar, tiende a conservar su configuración de carácter electromagnética inicial. Este esquema, de la figura 1 sirve para comprender el principio de funcionamiento del motor asincrónico con rotor en corto circuito.

En la figura 2 se muestran los mismos efectos, con un rotor de construcción diferente.
La espira del caso anterior ahora abierta y sus terminales llegan a dos anillos rozantes como lo de un alternador. Desde las escobillas parten conductores que vinculan a la espira con un resistor variable. Con esta espira ocurre exactamente lo mismo que en el caso de la espira en cortocircuito, salvo que por medio del resistor exterior al motor, es posible regular adecuadamente la corriente inducida y con ello, la cupla, modificando su comportamiento. Este esquema nos sirve para demostrar el principio funcionamiento del motor asincrónico con rotor bobinado.
A los dos tipos de motor se los llama: motor con rotos Jaula de Ardilla al primero, y motor con anillos al otro..


rotor_bobinado.JPG
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Figura 2: Principio de funcionamiento del rotor bobinado

Resbalamiento (deslizamiento)

Para los dos ejemplos que terminamos de explicar- que corresponden a las dos formas constructivas de estos motores- es posible verificar que si el rotor llegase a girar con la misma velocidad que el campo rotante, es decir, si el rotor alcanzase la velocidad sincrónica NS, no habría variación de flujo en la espira, no habría fuerza electromotriz inducida, no habría corriente, no habría fuerza mecánica y consecuentemente no habría cupla y movimiento. En esas supuestas condiciones, el rotor tendería a detenerse, disminuyendo su velocidad. Pero al hacerlo así, se produciría una diferencia de velocidad entre el campo rotante y el rotor, lo que daría lugar a una fuerza electromotriz inducida y consecuentemente una cupla. Por lo tanto, la base de la existencia de la cupla motora es la diferencia de velocidad entre el campo rotante y el rotor, la que expresada en por ciento es:

S.JPG
NR: velocidad del rotor
S: resbalamiento
Ns: velocidad sincrónica


Ns>NR

En base a las anteriores se deducen las expresiones útiles:
Ns.JPG

Llamando velocidad relativa a la diferencia tenemos:

external image clip_image016.gif Ns-Nr.JPG

El resbalamiento puede tomar una gama de valores, conforme diversas exigencias de operación de los motores. En los motores con rotor en corto circuito puede oscilar entre 1% y el 15% y en los de rotor bobinado, es variable, pudiendo en algunos casos llegar al 50%.
Podemos observar que si el rotor alcanza la velocidad de sincronismo, el resbalamiento vale “cero”.
En el otro extremo de la situación, si el rotor está detenido, s=1

Concluimos afirmando que, para que exista cupla en estos motores, es menester que la velocidad del rotor sea inferior a la del sincronismo del campo rotante y por ello se los llama asincrónicos, en contraposición a los sincrónicos.

Frecuencia del rotor
Para cualquier valor de resbalamiento, la frecuencia del rotor es igual a la del estator, multiplicada por el resbalamiento, es decir:
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Fr.JPGexternal image clip_image020.gif
fR: frecuencia del rotor en Hz
S: resbalamiento expresado en forma decimal
fs :frecuencia del estator




Características constructivas
(emiliano haro)

El motor de jaula de ardilla consta de un rotor constituido por una serie de conductores metálicos (normalmente de aluminio) dispuestos paralelamente unos a otros, y cortocircuitados en sus extremos por unos anillos metálicos, esto es lo que forma la llamada jaula de ardilla por su similitud gráfica con una jaula de ardilla. Esta 'jaula' se rellena de material, normalmente chapa apilada. De esta manera, se consigue un sistema n-fásico de conductores (siendo n el número de conductores) situado en el interior del campo magnético giratorio creado por el estator, con lo cual se tiene un sistema físico muy eficaz, simple, y muy robusto (básicamente, no requiere mantenimiento).

El motor de rotor bobinado tiene un rotor constituido, en vez de por una jaula, por una serie de conductores bobinados sobre él en una serie de ranuras situadas sobre su superficie. De esta forma se tiene un bobinado en el interior del campo magnético del estátor, del mismo número de polos (ha de ser construido con mucho cuidado), y en movimiento. Este rotor es mucho más complicado de fabricar y mantener que el de jaula de ardilla, pero permite el acceso al mismo desde el exterior a través de unos anillos que son los que cortocircuitan los bobinados. Esto tiene ventajas, como la posibilidad de utilizar un reóstato de arranque que permite modificar la velocidad y el par de arranque, así como el reducir la corriente de arranque.
En cualquiera de los dos casos, el campo magnético giratorio producido por las bobinas inductoras del estator genera unas corrientes inducidas en el rotor, que son las que producen el movimiento.

Constitución del motor asíncrono:

Circuito magnético
La parte fija del circuito magnético (estator) 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 estator van dispuestos unas ranuras donde se coloca el bobinado correspondiente.
En el interior del estator 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 estator (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.

Jaula de Ardilla:

Es sin duda el más común de todos los motores eléctricos, por su sencillez y forma constructiva. Elimina el devanado en el rotor o inducido. Las planchas magnéticas forman el núcleo del rotor, una vez ensambladas dejan unos espacios cilíndricos que sustituyen a las ranuras de los rotores bobinados, por estas ranuras pasan unas barras de cobre (o aluminio) que sobresalen ligeramente del núcleo, estas barras o conductores están unidos en ambos lados por unos anillos de cobre. Se denomina Jaula de Ardilla por la similitud que tiene con una jaula.
En los motores de jaula de pequeña potencia, las barras son reemplazadas por aluminio inyectado igual que los anillos de cierre, a los que se les agregan unas aletas que actúan a su vez en forma de ventilador.
Las ranuras o barras pueden tener diferentes formas y lo que se pretende con ello es mejorar el rendimiento del motor, especialmente reducir las corrientes elevada que producen los motores de jaula en el momento de arranque.
Cuando el inducido está parado y conectamos el estator tienen la misma frecuencia que la que podemos medir en la línea, por lo tanto, la autoinducción en el rotor será muy elevada, lo que motiva una reactancia inductiva que es mayor donde mayor es el campo. De la manipulación de las ranuras y en consecuencia las barras dependerán que las corrientes sean más o menos elevadas, lo que en definitiva es el mayor problema de los motores de jaula.
Si analizamos el siguiente cuadro, se podría pensar en un motor que abarca las dos alternativas. Este motor existe, es el motor asincrónico sincronizado, su construcción es muy parecida a la del motor asincrónico con el rotor bobinado con anillos rozantes, con la diferencia de que una de la tres fase está dividida en dos partes conectadas en paralelo.
¿Cuál es el inconveniente que presenta este motor por lo que sólo es utilizado en grandes instalaciones?, Que para pasar de asíncrono a síncrono, necesita una serie de equipos tales como: Resistencia para el arranque como motor asíncrono, conmutador que desconecta esta resistencia y conecta la C.C. a los anillos rozantes cuando trabaja como síncrono.
Aplicaciones generales
(emiliano haro)

El motor de inducción, en particular el de tipo de jaula de ardilla, es preferible al motor de corriente continua para trabajo con velocidad constante, porque el costo inicial es menor y la ausencia de conmutador reduce el mantenimiento. También hay menos peligro de incendio en muchas industrias, como aserraderos, molinos de granos, fabricas textiles y fabricas de pólvoras. El uso del motor de inducción en lugares como fábricas de cementos es ventajoso, pues, debido al polvo fino, es difícil el mantenimiento de los motores de corriente continua.
Para trabajo de velocidad variable, como es grúas, malacates, elevadores y para velocidades ajustables, las características del motor de corriente continua son superiores a las del motor de inducción. Incluso en este caso, puede convenir y ser deseable utilizar motores de inducción ya que sus características menos deseables quedan más que compensadas por su sencillez y por el hecho de que la corriente alterna es más accesible y para obtener corriente continua, suelen ser necesarios los convertidores. Cuando haya que alimentar alumbrados y motores con el mismo sistema de corriente alterna, se utiliza el sistema trifásico, de cuatro conductores de 208/120 V. Esto permite tener 208 V trifásico para los motores y 120 V de fase a neutro para las lámparas.
La velocidad a plena carga, el aumento de temperatura, la eficiencia y el factor de potencia, así como el aumento máximo de torsión y la torsión al arranque, han sido desde hace mucho tiempo los parámetros de interés en la aplicación y compra de motores. Otras consideraciones es el factor de servicio. El factor de servicio de un motor de corriente alterna es un multiplicador aplicable a la potencia nominal en caballos. Cuando se aplica en esa forma, el resultado es una carga permisible en caballos en las condiciones especificadas para el factor de servicio. Cuando se opera a la carga del factor de servicio, con un factor de servicio de 1,15 o mayor, el aumento permisible en la temperatura ocasionado por resistencia es el siguiente: aislamiento clase A, 70 °C; clase B, 90 °C; clase F, 115 °C.
También se utilizan motores de jaula de ardilla con anillos extremos de alta resistencia, para producir un elevado momento de torsión al arranque (Motores clase D).
Aplicaciones de los momentos de torsión constante. Las bombas de pistón, molinos, extrusores y batidoras pueden requerir un momento de torsión constante en toda su variedad de velocidad. Estas requieren un motor de inducción jaula de ardilla, diseño clase C o D que tienen un alto momento de torsión de arranque, para alcanzar su velocidad nominal. Cuando debe variarse la velocidad estando ya en movimiento el motor, puede usarse un motor de C.C de voltaje de armadura variable o un motor de inducción jaula de ardilla de frecuencia variable.
Bombas centrífugas. El bajo WK2 y el bajo momento de torsión de arranque hacen que los motores jaula de ardilla diseño B de propósito general sean los preferidos para esta aplicación. Cuando se requieren un flujo variable, el uso de una fuente de potencia de frecuencia variable para variar la velocidad del motor, será favorable desde el punto de vista de la energía respecto al cambio de flujo por cierre de la válvula de control con el fin de incrementar la carga.
Ventiladores centrífugos. Un WK2 alto requiere un motor de caja de ardilla diseño C o D de alto momento de torsión de arranque para que el ventilador adquiera su velocidad de trabajo en un periodo razonable de tiempo.

Aplicaciones en barcos (Lucas Authier)


En los barcos, sobre todo los buques grandes como cargueros, gaseros, tanqueros, RoRo, y cruceros se utiliza el sistema de Azipod, o empujador azimutal para la propulsio y direccion de la embarcacion. Este sistema tiene varias variantes, pero la que mas nos interesa es aquella donde el motor esta dentro del Azipod.
En este tipo de Azipod, el motor es asincronico trifasico, muchas veces conectado a un VVVF para poder variar su velocidad de giro, y por lo tanto variar la velocidad de la helice. Se utilizan motores asincronicos trifasicos conectados a un generador de turbina de gas o diesel por la capacidad de variar su velocidad y mantener una potencia constante. Ademas, los generadores al poder utilizarse dentro de su rango optimo, hacen que el conjunto sea mas eficiente.
Otra ventaja que tienen los Azipods, es que situan al motor fuera del barco, y ademas evitan las complicaciones de grandes ejes, por lo tanto reducen las vibraciones que puedan haber dentro del barco. Y por estar ubicados en un flujo de agua mas limpio, son mas eficientes que los convencionales motores de linea de eje.


Conclusion: (emiliano haro)
Los motores eléctricos son de suma importancia en la actualidad, debido a las diferentes aplicaciones industriales a los que son sometidos, es por ellos, que se deben tomar en cuenta todas las fallas que se presentan para el correcto funcionamiento de los mismos.
Un motor cuando comienza a sobre trabajar, es decir, que trabaja por encima de sus valores nominales, va disminuyendo su periodo de vida; esto nos lleva a concluir que si no se realiza un buen plan de mantenimiento el motor no durará mucho. Un plan de mantenimiento debe realizarse tomando en cuentas las fallas que están ocurriendo en los motores.


Links
(emiliano haro)


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http://www.tuveras.com/maquinaasincrona/animacionasincrono/motorasincrono.html
http://www.tuveras.com/maquinaasincrona/motorasincrono1.htm#consti