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Cap 7 Chapman - Motores de Induccion 2 - 2

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MQUINAS ELCTRICAS

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Ahora supngase que se invierte la direccin del flujo de corriente en el grupo de fase inferior en el estator (vase la figura 7406). Entonces, el campo magntico dejar el estator tanto en el grupo de fase superior como en el inferior; cada uno ser un polo norte magntico. El flujo magntico en esta mquina debe regresar al estator entre los dos grupos de fase, produciendo un par de polos magnticos sur consecuentes. Ntese ahora que el estator tiene cuatro polos magnticos; el doble de los que tena antes. El rotor en un motor como ste es de jaula, puesto que un rotor de jaula siempre tiene tantos polos inducidos como polos tiene el estator y por tanto se puede adaptar cuando cambia el nmero de polos en el estator. Cuando se conecta un motor de dos polos para operar con cuatro polos, el par mximo resultante del motor de induccin puede ser el mismo que antes (conexin de par constante), la mitad de su valor anterior (conexin de par de acuerdo con la ley de cuadrados, que se utiliza en ventiladores, etc.) o el doble de su valor anterior (conexin de potencia de salida constante), dependiendo de cmo se acomoden los devanados del estator. La figura 7-41 muestra las posibles conexiones del estator y su efecto en la curva par-velocidad. La principal desventaja del mtodo de polos consecuentes para cambiar la velocidad es que las velocidades deben tener una relacin 2:1. El mtodo tradicional para superar esta desventaja era utilizar estatores de devanados mltiples con diferentes cantidades de polos y energizar slo un grupo a la vez. Por ejemplo, un motor puede ser devanado con grupos de cuatro y seis polos de devanados del estator y su velocidad sncrona en un sistema de 60 Hz se puede cambiar de 1 800 a 1 200 r/min simplemente suministrando potencia al otro conjunto de devanados. Desafortunadamente, los estatores de devanados mltiples aumentan el costo del motor y slo se utilizan cuando es absolutamente necesario. Si se combina el mtodo de polos consecuentes con el de estatores de devanados mltiples, se puede construir un motor de induccin con cuatro velocidades. Por ejemplo, con devanados separados de cuatro y seis polos se puede producir un motor de 60 Hz capaz de operar a 600, 900, 1 200 y 1 800 r/min.

Control de velocidad mediante el cambio en la frecuencia de la lneaSi se cambia la frecuencia elctrica aplicada al estator de un motor de induccin, la tasa de rotacin de sus campos magnticos nsinc cambiar en proporcin directa con el cambio en la frecuencia elctrica y el punto de vaco sobre la curva de la caracterstica par-velocidad cambiar con ella (vase la figura 7^4-2). La velocidad sncrona del motor en condiciones nominales se conoce como velocidad base. Si se utiliza el control de frecuencia variable, se puede ajustar la velocidad del motor por arriba o por debajo de la velocidad base. El controlador de la frecuencia variable de un motor de induccin debidamente diseado puede ser muy flexible. Puede controlar la velocidad de un motor de induccin dentro de un intervalo que va desde tan poco como 5% de la velocidad base hasta el doble de la velocidad base. Sin embargo, es importante mantener ciertos lmites en el voltaje y par del motor conforme se vara la frecuencia para asegurarse de que la operacin es segura. Cuando se opera a velocidades menores a la velocidad base del motor es necesario reducir el voltaje en los terminales aplicado al estator para obtener una operacin adecuada. El voltaje en los terminales aplicado al estator debe disminuir linealrnente con el decremento en la frecuencia del es-

MOTORES DE INDUCCIN

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Velocidad Baja Alta

Lneas

j7

L2 T2

L~ TI

Velocidad

Lneas

i T, T,

2

'-3

i

?V 7-5. r6abiertos

Baja Alta

T, T2

fe

juntos

?4

T5

T(,

T:T2-T3juntos

T,

abiertos

Velocidad alta (todos)

Velocidad Baja Alta

Lneasi2 3

''\

T-L

T?.

T4, T5, T6 abiertos

7-4

T

nc)

r ]; r a -r 3juntos

FIGURA 7-41 Posibles conexiones de las bobinas del estator en un motor de polos cambiantes, junto con las caractersticas parvelocidad resultantes: a) Conexin de par constante: las capacidades de par del motor permanecen aproximadamente constantes tanto con la conexin a baja velocidad como con la conexin a alta velocidad, b) Conexin de potencia consta/He: las capacidades de potencia del motor permanecen aproximadamente constantes tanto con la conexin a baja velocidad como con la conexin a alta velocidad, c) Conexin de par upo ventilador: las capacidades de par del motor cambian con la velocidad de la misma manera que las cargas tipo ventilador.

440

MQUINAS ELCTRICAS

200

400

600 800 1 000 1 200 Velocidad mecnica, r/mino)

1 400

1 600

I

800

O

500

1 000

1 500 2 000 2 500 Velocidad mecnica, r/minb)

3 000

3 500

FIGURA 7-42 Control de velocidad de frecuencia variable en un motor de induccin: a) familia de curvas caractersticas parvelocidad para velocidades menores a la velocidad base, suponiendo que el voltaje de lnea se reduce linealmente con la frecuencia, b) Familia de curvas caractersticas de par-velocidad para velocidades mayores a la velocidad base, suponiendo que el voltaje de lnea se mantiene constante.

MOTORES DE INDUCCIN

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1 000

1 500 2 000 2 500 Velocidad mecnica, r/min

3 000

3 500

FIGURA 7^2 (continuacin) c) Familia de curvas caractersticas par-velocidad para todas las frecuencias.

tator. A este proceso se le llama degradacin. Si no se lleva a cabo, se saturar el acero en el ncleo del motor de induccin y fluirn corrientes de magnetizacin excesivas en la mquina. Para entender la necesidad de la degradacin, recurdese que un motor de induccin es bsicamente un transformador que gira. Como en cualquier transformador, el flujo en el ncleo de un motor de induccin se puede calcular con la ley de Faraday: (1-36) Si se aplica un voltaje v() = VM sen tai al ncleo, el flujo resultante es

= fV M sen ojt dti*P J

VMOjNp

(7-57)

Ntese que la frecuencia elctrica aparece en el denominador de la expresin. Por lo tanto, si se disminuye en 10% la frecuencia elctrica aplicada al estator mientras que la magnitud del voltaje aplicada al estator permanece constante, el flujo en el ncleo del motor se incrementar en 10% y aumentar la corriente de magnetizacin del motor. En la regin no saturada de la curva de magne-

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tizacin del motor, el incremento en la corriente de magnetizacin tambin ser de 10%. Sin embargo, en la regin saturada de la curva de magnetizacin del motor, un incremento de 10% en el flujo requiere un incremento mucho ms grande en la comente de magnetizacin. Normalmente, los motores de induccin estn diseados para operar cerca del punto de saturacin de las curvas de magnetizacin, por lo que un incremento en el flujo debido a un decremento en la frecuencia provocar que fluyan comentes de magnetizacin excesivas en el motor. (Este mismo problema se presenta en los transformadores; vase la seccin 2.12.) Para evitar las corrientes de magnetizacin excesivas, se acostumbra disminuir el voltaje aplicado al estator en proporcin directa con la disminucin en la frecuencia siempre que sta caiga por debajo del valor de la frecuencia nominal del motor. Puesto que el voltaje aplicado v aparece en el numerador de la ecuacin (7-57) y la frecuencia to aparece en el denominador de la ecuacin (7-57), los dos efectos se contrarrestan entre s y la corriente de magnetizacin no se ve afectada. Cuando se vara en forma lineal el voltaje aplicado a un motor de induccin con una frecuencia menor a la velocidad base, el flujo en ei motor permanecer aproximadamente constante. Por lo tanto, el par mximo que el motor puede suministrar permanece relativamente alto. Sin embargo, la potencia mxima nominal del motor debe decaer en forma lineal con las disminuciones de la frecuencia para proteger el circuito del estator de un sobrecalentamiento. La potencia suministrada a un motor de induccin trifsico est dada por P = V3V/ eos 9 Si se disminuye el voltaje VL, entonces la potencia mxima P tambin se debe disminuir, de otro modo la corriente que fluye en el motor ser excesiva y el motor se sobrecalentar. La figura 1-^la muestra una familia de curvas caractersticas par-velocidad de un motor de induccin para velocidades por debajo de la velocidad base, suponiendo que la magnitud del voltaje del estator vara en forma lineal con la frecuencia. Cuando la frecuencia elctrica aplicada al motor excede la frecuencia nominal del motor, el voltaje del estator se mantiene constante en su valor nominal. Aunque ciertas consideraciones de saturacin permiten que el voltaje se eleve por arriba de su valor nominal en estas circunstancias, est limitado al voltaje nominal para proteger el aislamiento del devanado del motor. Mientras ms alta sea la frecuencia elctrica por arriba de la velocidad base, mayor ser el denominador de la ecuacin (7-57). Puesto que el numerador se mantiene constante por arriba de la frecuencia nominal, el flujo resultante en la mquina disminuye y el par mximo se incrementa. La figura l-42b muestra una familia de curvas caractersticas par-velocidad de un motor de induccin para velocidades por arriba de la velocidad mxima, suponiendo que el voltaje en el estator se mantiene constante. Si el voltaje en el estator vara linealmente con la frecuencia por debajo de la velocidad base y se mantiene constante en un valor nominal superior a la velocidad base, entonces la familia resultante caracterstica par-ve