3. MOTORES DE INDUCCION

Los motores de inducción son las máquinas más ampliamente utilizadas gracias a su estructura simple, junto con un uso seguro y un precio definitivamente bajo.

Su principio de operación es basado en el fenómeno de inducción que consiste en que la energía eléctrica es alimentada al devanado del estator y por lo tanto magnéticamente transferida al rotor a través de un campo magnético rotatorio que se da en el estator.

La velocidad del campo magnético rotatorio del estator depende de la frecuencia de alimentación f y del número p de pares de polos de acuerdo a la relación:

Si ahora remplazáramos el estator con un anillo de polos magnéticos ficticios girando con una velocidad síncrona ns , en el devanado del rotor un sistema de fuerza contra electromotriz trifásica es inducida y por lo tanto, si el circuito eléctrico del rotor es prendido, un sistema de corrientes trifásicas fluye a través de éste que, reaccionando con los polos inducidos, crean un torque que tiende a frenar el inductor si el rotor es bloqueado. Ya que el motor es libre para girar será dirigido por el campo inductivo y acelerará su rotación sin nunca alcanzar la velocidad síncrona n6 debido al que si ésta es alcanzada, cada movimiento relativo entre los campos inductivos e inducidos terminaría y el torque se nulificaría.

Denominada n, la velocidad del rotor, el deslizamiento relativo, o simplemente deslizamiento, resulta:

Los motores de inducción, o motores asíncronos, pueden tener tanto rotor de caja de ardilla (motor en corto-circuito) como rotor de anillo (motor con devanado trifásico).

3.1 ARRANQUE DEL MOTOR DE INDUCCIÓN

En esta sección algunos métodos son recordados para usarlos para el arranque de motores de inducción.

3.1.1 Motor de caja de ardilla trifásico

Los motores de baja potencia pueden ser conectados directamente a la alimentación debido a que presentan corrientes de arranque de tal valor que interactúan con la alimentación de una manera no significativa.

Recordamos que al arranque éstos motores absorben una corriente que es igual a alrededor de 5 veces la corriente promedio para decrementarse rápidamente cuando el motor acelera.

Para reducir la corriente de arranque es posible arrancar el motor con un voltaje reducido utilizando reóstatos o autotransformadores conectados en el circuito del estator: pero con éstos sistemas además de reducir la corriente de arranque, también reducen el torque de arranque debido a que éste último depende de la raíz del voltaje.

Por el contrario en máquinas textiles un arranque suave es generalmente necesario con el cual solo el torque de arranque es reducido: en éste caso en uno de los tres conductores de alimentación se conecta una resistencia R.

Al principio en éste conductor la corriente decrece pero se incrementa en los otros dos y como consecuencia el campo rotatorio es influenciado, haciéndose elíptico pero sin variar la velocidad: el torque de arranque decrece y el motor empieza gradualmente a acelerar. Una vez que la fase de arranque ha terminado, cuando el motor ha alcanzado la velocidad máxima, la resistencia es cortocircuitada.

3.1.2 Motor trifásico con rotor de anillo

El arranque de un motor trifásico con rotor de anillo es posible con un gran torque de arranque y baja corriente conectando un reóstato R en el circuito del rotor que es accesible a través de los anillos del colector.

Al principio el reóstato es conectado con la máxima resistencia y mientras el motor acelera es progresivamente apagada hasta cortocircuitar el devanado del rotor.

Después de que cada paro del motor, antes de que sea conectado a la alimentación otra vez es necesario conectar el reóstato de arranque otra vez.

3.1.3 Arranque estrella-delta

Los motores trifásicos de inducción, con rotor de caja de ardilla o rotor devanado pero cortocircuitado, son construidos para operar normalmente con las fases del estator conectados en delta para el voltaje de alimentación, pueden ser arrancados primero que nada conectando el devanado del estator en estrella (cada fase es alimentada con un voltaje igual a 1/3 veces el voltaje de alimentación mientras que la corriente de línea es reducida a 1/3 de el valor que tendríamos con arranque en delta: el torque de arranque es igual a 1/3 del de la conexión delta ) y por lo tanto conectándolos en delta cuando el motor a alcanzado una velocidad suficiente.

3.1.4 Motor de una sola fase

El motor de una sola fase con rotor de jaula de ardilla difiere de el motor trifásico similar solo en el devanado del estator, que está ahora compuesto de un devanado de alimentación y de un devanado auxiliar.

Como ya hemos visto en la sección 2.4.1 el campo producido por un devanado de una sola fase es de tipo pulsante y no de tipo rotatorio, de manera que si solo el devanado principal es alimentado, el campo pulsante, que puede ser representado por dos campos rotatorios girando en sentido opuesto, ejerce en el rotor dos torques iguales pero opuestos, uno es sentido de las manecillas del reloj Md y uno al contrario Ms, cuya suma algebraica provee el torque resultante Mr que actúa en el rotor.

Cuando el rotor se para tenemos claramente que Mr = 0 de manera que un motor de una sola fase no puede arrancar por sí mismo: en cualquier caso, si el rotor es dirigido en un sentido de rotación predeterminado, uno de los torques prevalece en el otro y el rotor continúa girando.

Para hacer que un motor de una sola fase arranque por sí mismo se tiene que crear un campo rotatorio: esto se obtiene utilizando el devanado auxiliar también en serie al cual una resistencia R o capacitor C se conecta de manera que la corriente en el devanado auxiliar esté fuera de fase con respecto al devanado principal.

Los dos devanados crean por lo tanto un campo rotatorio, aún si no es de amplitud constante, permitiendo al motor arrancar.

Cuando el motor ha arrancado el devanado auxiliar con la resistencia en serie es apagado (motor de una sola fase) mientras que el devanado con el capacitor puede ser apagado (motor de una sola fase) o conectado a la izquierda con una capacidad reducida obteniendo en éste caso un motor de una sola fase con capacitor (motor defasado).

3.2 CONTROL DE LA VELOCIDAD DEL MOTOR TRIFÁSICO

El motor trifásico de inducción es esencialmente una máquina que tiene una velocidad casi constante. La velocidad del motor está dada por la relación:

de manera que el control de la velocidad del motor con carga puede hacerse variando:

a) la frecuencia de alimentación f. El motor tiene que ser alimentado por medio de un convertidor de frecuencia.

b) la transmisión s. La variación de la transmisión es posible solo en el motor teniendo el devanado del rotor por medio del reóstato del rotor, pero donde la energía se disipa.

c) el numero p de pares de polos. La variación del número de polos es posible solo en el motor con rotor de jaula de ardilla haciendo el devanado del estator con seis bobinas que, correctamente combinadas entre éstas, permiten dos posibles números de polos diferentes en la razón 1:2 (conexión de Dahlander).

Las bobinas están conectadas en serie y por lo tanto conectadas en delta y éstas son reportadas las terminales de un tablero, donde el código numérico más alto (bajo) muestra las terminales de alimentación para velocidad más alta (baja).

c.1) Baja velocidad, conexión D, 4 polos. Las terminales 2U, 2V, 2W permanecen libres mientras que las terminales 1V, 1U, 1W se conectan a la alimentación.

c.2) Alta velocidad, conexión YY, 2 polos. Las terminales 1U, 1V, 1W se conectan entre éstas para formar el centro de estrella mientras que las terminales 2U, 2V, 2W se conectan a la alimentación.

3.3 SENTIDO DE ROTACIÓN

El sentido de rotación de manecillas de reloj (o derecho) corresponde a una rotación de la flecha de la máquina en sentido del reloj de mano, cuando el observador mira la máquina parado enfrente de la flecha más grande o en frente de la terminación opuesta a los anillos.

El sentido de rotación del motor trifásico puede ser invertido intercambiando dos fases de alimentación entre éstas.

La velocidad de rotación de un motor de una sola fase puede ser invertido intercambiando la conexión entre el devanado auxiliar y el principal.

3.4 FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE INDUCCIÓN

El funcionamiento del motor de inducción puede ser determinado con el método directo registrando las características electromecánicas (curvas de factor de potencia, de eficiencia, de corriente absorbida y de velocidad como función de la potencia de salida) y de la característica mecánica (torque como función de la velocidad) cargando la flecha del motor por medio de un freno.

3.5 DISPOSITIVOS DE INDUCCIÓN

La máquina de inducción puede ser utilizada, además del motor, para muchas otras aplicaciones de las cuales recordamos las principales.

Obvia es la operación del motor de anillo trifásico como un transformador ordinario cuando el rotor se mantiene bloqueado: pero este uso no ofrece ninguna ventaja debido a la presencia de vacío de aire entre el primario y el secundario.

3.5.1 Conmutador de fase

El conmutador de fase le permite obtener una f.e.m. en cualquier desplazamiento de fase con respecto al voltaje de alimentación.

El conmutador de fase de inducción se compone de un motor de anillo asíncrono trifásico donde el rotor puede hacerse girar con la mano mediante un cambio correcto de velocidad dirigido por una pequeña manija de manera que el cambio de fase entre el voltaje primario de la fuente (normalmente el estator) y el voltaje secundario inducido, de valor constante, depende de la posición angular de el rotor con respecto al estator.

Para una máquina de dos polos el rotor tiene que hacer una vuelta completa para obtener todos los valores posibles de fase.

El conmutador de fase es ampliamente utilizado en la calibración de wáttmetros o watthorímetros para llevar a cabo diferentes factores de potencia a los cuáles deseamos hacer las pruebas.

3.5.2 Regulador de voltaje

El regulador de inducción permite variar el voltaje de una fuente alterna de manera continua dentro de ciertos límites.

El regulador de inducción trifásico se compone de un motor de anillo asíncrono trifásico donde el motor puede hacerse girar manualmente por medio de un cambio apto de velocidad dirigido por una manija. Las tres fases del rotor están conectadas en estrella y éstas son alimentadas mediante la línea trifásica para ser ajustadas mientras que las tres fases del estator están ordenadamente conectadas en serie a la carga en los tres cables de la línea misma.

El rotor opera como el primario de un transformador e induce en el estator, que opera como secundario, una f.e.m. Es cuyo valor depende de la razón de espiras entre los dos devanados mientras que su fase, dependiendo de la posición del rotor, puede ser variada por 180º por medio de una flecha angular de un polo ajustable.

El voltaje en la carga resulta por lo tanto:V = Vr + Es

y por lo tanto puede ser variado con continuidad desde un mínimo Vr - Es a un máximo Vr + Es.

3.6 INDUCCIÓN DE MOTOR SÍNCRONO

El sistema de baja frecuencia de corrientes trifásicas fluyendo en el rotor, conectadas en estrella, de un motor asíncrono trifásico induce algunos polos girando con velocidad (ns-n) alrededor del rotor mismo.

Si ahora consideramos el instante aa) donde la corriente en la fase 1 es máxima mientras que en las otras dos es la mitad negativa de el máximo, será posible estabilizar, por decir, este instante si los anillos del rotor son conectados a una fuente E de corriente directa. De esta manera, los polos inducidos en el rotor permanecerán fijos a éste en la posición que tenían en el instante aa) y el rotor se hará un inductor de valor fijo y continuará girando con la velocidad de sincronismo ns.

Los motores síncronos sincronizados tienen la estructura fundamental de un motor asíncrono con rotor de anillo y son arrancados normalmente por medio del reóstato de rotor R.

Después de que el motor ha sido arrancado el reóstato R es apagado y por medio de un interruptor S los anillos del rotor son alimentados con una fuente E de corriente directa de manera tal que la corriente entra a la fase y sale por las otras dos conectadas en paralelo.

El motor asíncrono pasa entonces al movimiento síncrono y bajo condiciones de carga su velocidad no varía hasta cuando en presencia de sobrecarga cae fuera de la etapa y se detiene.