MÁQUINA ASINCRÓNICAMÁQUINA ASINCRÓNICA

Ing. Víctor Zelechowski

DefiniciónDefinición

El Motor Asincrónico es una máquina rotante que convierte energía de un circuito eléctrico en energía mecánica.

Por tanto, es un Transductor o Conversor de Energía, que convierte energía eléctrica en energía mecánica.

Motor AsincrónicoCircuito Eléctrico Circuito Mecánico

EnergíaEléctrica

Absorbida

EnergíaMecánicaEntregada

Pérdidasdisipadas

Energía Absorbida = Energía Entregada + Pérdidas

PropiedadesPropiedades

•La velocidad de rotación del campo se denomina “Velocidad Sincrónica” : s = / p, donde “p” es el número de pares de polos.

•A la diferencia de velocidad entre la velocidad sincrónica y la velocidad del rotor se la llama “Resbalamiento” S = s – / s

•La frecuencia de las corrientes que se induzcan en el rotor será: fR = s p

•Sobre un conductor en el rotor, el campo magnético giratorio inducirá una tensión tanto mayor cuanto mayor sea la velocidad relativa del campo giratorio respecto al conductor en cuestión. Y al mismo tiempo, la frecuencia de la tensión inducida variará proporcionalmente a la velocidad relativa.

• Dado que el rotor se acelera mientras existe cupla, o sea, mientras se genera fem por variación del flujo concatenado del campo rotante, el rotor nunca llegará por cuenta propia a alcanzar la velocidad del campo rotante.

•Transcurrido un período transitorio desde el arranque, el equilibrio se producirá cuando la cupla generada iguale a la cupla mecánica resistente aplicada al eje, lo que determina la velocidad de giro del rotor. Durante el período transitorio, la cupla motora debe ser siempre mayor a la cupla resistente para que pueda alcanzarse el equilibrio.

•El sentido de giro se modifica al cambiar la secuencia de las fases (permutando las conexiones de 2 fases cualesquiera).

AplicacionesAplicacionesMotor:

La máquina asincrónica trifásica se utiliza por excelencia como motor para el accionamiento de bombas, ventiladores, compresores, mezcladoras, cintas transportadoras, elevadores, máquinas herramientas, etc.. Esta aplicación corresponde con el rango de variación del resbalamiento entre 1 y 0.

Es una máquina robusta, de larga vida útil, de construcción simple y que demanda bajo mantenimiento. Su principal desventaja es que la regulación de la velocidad de un motor asincrónico no es tan sencilla como la de los motores de corriente continua, los cuáles son preferidos en sistemas de tracción. La velocidad varía con la carga, en un pequeño margen.

Generador:

Si se aplica una cupla externa en el mismo sentido en que gira el motor, se consigue que la velocidad del rotor supere a la del campo rotante y el motor actúa como generador (resbalamiento negativo).

No es la máquina más apta para generación eléctrica por su rendimiento y por que requiere una fuente de excitación eléctrica externa. Se le da este uso, en generadores eólicos y pequeños generadores hidráulicos por su característica cupla- velocidad.

Freno:

Se puede conseguir una cupla de frenado si se hace girar el rotor en contra del campo giratorio (resbalamiento mayor a 1).

Campo Generado por un Devanado Trifásico en C.A.Campo Generado por un Devanado Trifásico en C.A.

ParámetrosParámetros

Son los que declara el fabricante y que suelen aparecer en la placa de identificación del Motor.

Tensión nominales U (para conexión Y/)

Frecuencia Nominal (fn)

Corriente nominal I (para conexión Y/)

Corriente de Arranque (Iarr)

Factor de Potencia nominal

Potencia Nominal Pn (en KW, HP o CV: es la potencia mecánica útil en el eje del motor)

Rendimiento nominal

Cupla Nominal (Tn)

Cupla de Arranque (Tarr)

Resbalamiento Nominal (Sn)

Resbalamiento de Vacío (S0)

Parámetros ReferidosParámetros Referidos

Cuando el rotor está en movimiento, la tensión que se genera en el bobinado del rotor depende del deslizamiento, al igual que la frecuencia de las corrientes que aparezcan allí. Por tanto:

E2 = s E20 (E0 corresponde a la tensión generada con el rotor cuando detenido)

X2 = s X20 (X0 corresponde a la tensión generada con el rotor cuando detenido)

y la corriente y tensión del rotor tendrán la frecuencia fr = s f1

La corriente del rotor será: I2 = E2 / Z2 = s E20 / (R2 + j s X20) = E20 / (R2 / s + j X20) =

E20 / {R2 * [ 1 + (1-s) / s] + j X20]}

La potencia que consume el rotor será I22 * R2 / s (R2 / s= parte real de la Z secundaria)

Por tanto, el término R2 * (1 – s) / s representa pérdidas que se asocian a la velocidad de rotación de la máquina, por lo que representan a la Potencia Mecánica entregada en el eje, mientras que R2 representa pérdidas en el cobre secundario (rotor).

Ello implica que la potencia entregada en el eje se refleja, eléctricamente, como una Resistencia Variable con la Velocidad de Giro del rotor.

Divido m.a.m. por s Reescribiendo

Circuito EquivalenteCircuito EquivalenteUn Circuito Equivalente es aquel que reproduce los parámetros de funcionamiento del motor asincrónico en un estado de carga dado. El mismo se representa para cada fase, teniendo en cuenta que el mismo se repite en cada una.

Para representarlo se deben contemplar las pérdidas que se producen en el mismo:

Pérdidas en el Cobre: Debidas a las resistencias de las bobinas (proporcionales a I2).

Pérdidas en el Hierro: Debidas a Corrientes Parásitas y al ciclo de Histéresis (proporcionales a 2).

Pérdidas Reactivas: Debidas a los Flujos de Dispersión, por las autoinductancias de las bobinas (proporcionales a I2) y a la Magnetización del hierro (proporcionales a 2).

Pérdidas Mecánicas: Debidas a la carga en el eje del motor. Se representan eléctricamente mediante una resistencia en el secundario de la máquina que varía con el resbalamiento.

R1 X1

Rp Xm

R2X2

a, s

Ideal

R2 (1- s) / s

Valores TípicosValores Típicos

70-95 %

I0 20 - 70 % In

Caída en Xcc: 15 – 25 % de Un

Iarr 4 - 7 In Tarr 1 – 2,5 Tn

Sn ~ 5 % S0 ~ 0,5 %

CuplaCupla

La cupla entregada por el eje vale:

T = P /

donde:

P = 3 I21 R21 (1 – s) / s y = s (1 – s)

Despreciando la rama paralelo del circuito equivalente (I21=I1) y dividiendo m.a.m. por (1–s), queda:

T = [ 3 (U / Zeq) ² R21 / s ] / [ p ] , donde: Zeq = [( R1 + R21 / s )² + Xcc²] ½

Por tanto: T = ( 3 p U² R21 / ) / [ s [( R1 + R21 / s )² + Xcc²]

La Cupla máxima se da cuando: S = R21 / ( Req1² + Xcc² ) ½

y vale: Tmax = ( 3 p U² R21 / ) / ( Req1² + Xcc² ) ½

A Carga Nominal, la reactancia rotórica es muy pequeña, dado que es muy pequeño el resbalamiento, y por tanto, también la frecuencia en el rotor. El Factor de Potencia es alto.

En el Arranque, la frecuencia es mayor, predominando la reactancia sobre la resistencia, por lo que la Corriente es muy alta y el Factor de Potencia es muy bajo.

I1 s

SelecciónSelección

Se parte de los requisitos del sistema mecánico al que se va a conectar la máquina eléctrica. En muchas aplicaciones, quizás no se conozca la forma exacta de las características mecánicas, pero sí se sabrá al menos el punto de funcionamiento nominal y la forma aproximada

Luego se debe verificar los grados de protección mecánica que requiere el motor (protección contra accidentes, entrada de objetos, polvo, agua, etc.) y el tipo de ambiente en el que es instalado (ambiente húmedo, explosivo, etc.).

El siguiente paso consiste en buscar el motor. La velocidad de giro nominal aproximada, servirá para fijar el número de pares de polos

Una vez determinada la velocidad, hay que determinar la potencia. Esto, muchas veces se puede hacer simplemente comparando la potencia mecánica necesaria de la aplicación, con la potencia mecánica nominal que entrega cada motor.

Una vez elegido, es necesario comprobar la capacidad de arranque (y de realizar el resto de maniobras que se le pidan). Para ver si el motor arranca, basta con ver si el par de arranque es mayor que el par resistente a lo largo de todo el proceso de arranque, de modo que no sólo se arranque, sino que además, el tiempo de arranque sea razonable. Un tiempo de arranque muy alto, hará que los calentamientos en la máquina sean excesivos y peligrosos para la integridad del equipo.

Por último, se debe buscar, el ahorro energético (rendimiento).

Anexo a la selección, puede surgir la necesidad de acoplar una tren de engranajes, la compensación del factor de potencia, el método de arranque y los equipos auxiliares de maniobra, protección y señalización.

Variación de VelocidadVariación de Velocidad

•Variación de la resistencia del Rotor (en motores de Rotor bobinado)

•Variación de la Tensión de Alimentación

•Variación del Número de Polos del Estator

•Variación de la Frecuencia (mediante dispositivos electrónicos reconvertidores)

•Con Cajas de Engranajes

ArranqueArranque

Tipos de arranques

Tipo de Arranque

U (%) Iarr (%) Tarr (%) Usos Ventajas Inconvenientes

Directo 100 100 100Necesidad de altas cuplas de arranque, motores de media

tensión

Cupla de arranque alta. Sencillez. Menor solicitación

térmica

Iarr alta. Caída de tensión alta

Estrella / triángulo

58 58 33Para arranques en vacío o con

pequeñas cuplas resistentesIarr baja La Tarr baja más que Iarr.

Transición abierta

Impedancia estatórica

50 a 80 50 a 80 25 a 64Motores medianos y

ventiladoresSe puede fijar Tarr

No hay picos de corrienteLa Tarr baja más que la Iarr

Autotransformador

50 a 80 25 a 64 25 a 64Grandes motores (>100 kW)

Cuando se deben obtener Tarr altas con Iarr bajas

Tarr e Iarr se reducen en proporción

Costo elevado. Posibles sobreintensidades.

Arrancador Suave

Programable Programable ProgramableMotores grandes, compresores

alternativos, etcPermite adecuar a-rranque a

nece-sidad del usuarioElevado costo.

Introducción de armónicas.

ArranqueArranque

Motores de Inducción MonofásicosMotores de Inducción Monofásicos

Para que se produzca el autoarranque de estos motores es necesario un campo alterno

giratorio, con por lo menos dos bobinas desfasadas entre sí 90º y desfasadas en el tiempo.

Los motores de inducción monofásicos llevan en el estator 2 bobinados. El bobinado principal

va colocado en 2/3 de las ranuras del estator y el arrollamiento auxiliar va alojado en el tercio

restante de ranuras, desfasado en el espacio 90º. En el rotor se utilizan rotores de jaula.

El desfase se consigue mediante el efecto de una capacidad, de una resistencia activa o por

la mayor inductividad del arrollamiento auxiliar.

La velocidad del campo giratorio viene dada, igual que en los mototes trifásicos, por el número

de polos y por la frecuencia de la red.

Son de mucho menor rendimiento que los trifásicos y se utilizan para bajas potencias.

Tipos de Motores Monofásicos Asincrónicos (de Inducción):

Con Rama Auxiliar de Resistencia

•Con Capacitor

•Con Ranura en Cortocircuito

•Motor universal