I Motores de Induccion Trifasicos 2005

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    MOTOR DE INDUCCIN I: Fundamentos, circuitoelctrico equivalente y caractersticas ms relevantes

    I.1. INTRODUCCIN

    Las mquinas de induccin, muy ampliamente utilizadas en la industria, secaracterizan por su robustez y bajo mantenimiento debido a la ausencia en muchasde ellas de contactos elctricos mviles. Al igual que otras mquinas elctricasrotativas presentan dos circuitos elctricos alojados, en la parte esttica de lamquina el esttor y en la mvil el rotor, respectivamente. Ambos circuitos sonrecorridos por corrientes alternas a diferencia de lo que ocurre con las mquinas dec.c. y con las mquinas sncronas, de modo tal que slo el circuito del esttor sealimenta desde la red, ya que la corriente circulante por el rotor se crea en ste por

    induccin electromagntica, fenmeno del cual procede precisamente el nombre demquina de induccin.

    A pesar de que las mquinas de induccin podran funcionar como motor ocomo generador (incluso como freno segn se ver), su empleo ms extendido es elde motor y en lo sucesivo se har referencia a ste.

    De hecho, la gran mayora de los motores empleados en la industria modernason de induccin, ya que abarcan una gama de potencias muy amplia que va desdelos pequeos motores de potencia fraccionaria o pocos kW, normalmente

    monofsicos como los utilizados en electrodomsticos, hasta motores trifsicos decentenares de kW para accionamiento de bombas, elevadores, etc. Incluso existenmquinas de induccin lineales como las empleadas fundamentalmente en sistemasde transporte.

    En resumen, puede decirse que los motores de induccin, por su simplicidadde constitucin presentan una robustez, fiabilidad de funcionamiento, bajaincidencia de averas y precio, que los han llevado a ser la principal fuente motrizde la industria actual.

    I.2. CARACTERSTICAS CONSTRUCTIVAS

    Los motores de induccin son convertidores electromecnicos de energa quetransforman energa de tipo elctrico que llega a su esttor en energa mecnica quesale del rotor, estando constituidos bsicamente por:

    a) Un sistema elctrico compuesto por los circuitos inductor (en el esttor) einducido (en el rotor), de los cuales el primero tiene como misin lacreacin del flujo magntico variable necesario para la generacin de femen el inducido y la circulacin de la corriente consecuente que originar el

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    movimiento, y el segundo servir de soporte a la circulacin de la citadacorriente.

    El circuito elctrico del esttor est compuesto por bobinas alojadas

    en las ranuras correspondientes, practicadas en la parte interna del mismo,conformando un bobinado distribuido a lo largo de su periferia, con lo quese consigue un mayor aprovechamiento del cobre y del hierro de lamquina, as como una onda de F.m.m* ms senoidal, y un par ms suave.En el caso de que sea trifsico existir un bobinado independiente por cadafase que se colocar convenientemente, como posteriormente se ver, que

    podr ser conectado en estrella o en tringulo a la red de alimentacin.

    Por su parte el circuito elctrico del rotor estar constituido por los

    conductores introducidos en las ranuras de la parte exterior del rotor,conectados de forma tal, y esto es fundamental, que den lugar a un circuitocerrado. La forma en que se realiza el circuito del rotor caracteriza a los dostipos bsicos de motores de induccin trifsicos, a saber:

    1. De rotor bobinado y anillos rozantes.

    2. De rotor en cortocircuito o en jaula de ardilla.

    En la primera de las formas el circuito del rotor est formado por un bobinado distribuido, uno para cada fase, cuyos terminales se conectan atres anillos que giran solidariamente con el eje del motor y sobre los cualesdeslizan sendas escobillas estticas que sirven para conectar el bobinado delrotor a un circuito exterior.

    En la segunda de las formas, el circuito del rotor est compuesto porunas barras de cobre, aluminio u otros materiales conductores que seembeben en las ranuras del rotor y que se cortocircuitan mediante losanillos situados en los extremos, originando una estructura tpica de jaulade ardilla que es la que da nombre a este tipo de motor.

    b) Un sistema mecnico, formado por el esttor y el rotor, cuyos ncleosferromagnticos son laminados, para evitar prdidas de energa ya queambos estarn sometidos a la accin de campos magnticos variables.Evidentemente, entre el esttor y el rotor existe una separacin que esconocida como entrehierro y que debe ser lo menor posible con el fin deconseguir elevados niveles de flujo magntico con pequeas intensidades deexcitacin.

    * F.m.m. es la fuerza magnetomotriz

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    c) Un sistema magntico de acoplamiento, constituido por el campo magnticoexistente en el entrehierro, mediante el cual se transfiere la energa delesttor al rotor salvando al citado entrehierro.

    Fig. 1

    ESTTOR

    ENTREHIERRO

    ROTOR

    (a)

    Banda de fase a 60

    Ncleo laminado delesttor

    Ranuras para el bobinado delesttor (slo se muestra una fase)

    Rotor laminado

    Detalle del bobinadodel rotor

    (b)

    Ranuras para el bobinado del rotor

    Anillo decortocircuito

    (c)

    Conexin en estrella Conexin en tringulo

    (d)

    a

    c

    b

    a

    c

    b

    c a b

    a

    c

    b

    a c

    b c

    b a

    60

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    Para materializar las ideas recogidas con anterioridad, en la Fig.1 puedenobservarse:

    a- Una seccin simplificada de un motor trifsico

    b- Un esttor con las ranuras interiores.c- Un rotor bobinado y un rotor en jaula de ardilla.

    d- Posibles conexiones en estrella y en tringulo del bobinado del esttor de unmotor trifsico.

    I.3. CAMPOS MAGNTICOS GIRATORIOS: TEOREMAS DELEBLANC Y FERRARIS

    I.3.1. ONDAS DE FUERZA MAGNETOMOTRIZ E INDUCCIN EN EL

    ENTREHIERRO

    Supngase un motor de induccin trifsico en el que para simplificarinicialmente su anlisis puede considerarse que cada bobinado de una fase ocupaslo dos ranuras, como puede apreciarse en la Fig. 2, en la que se ha representadoslo una fase (las otras dos se encontraran situadas a 120 y 240 respectivamenteen la periferia interna del esttor).

    Ese bobinado produce un campo magntico cuyas lneas de induccin seobservan en la misma figura. Desde otro punto de vista, el citado bobinado crea un

    imn con dos polos; el norte se encontrara en la parte superior donde las lneas deflujo salen del esttor y el sur en la parte inferior donde las citadas lneas entran enel mismo.

    Fig. 2

    F ()

    0 , 2

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    Si se rectifican las circunferencias del rotor y del esttor la figura anterior setransformara en laFig. 3.a:

    Fig. 3

    Representacin de la F.m.m. a lo largo de la periferia rectificada del esttor.

    Y de la que puede deducirse que cualquier lnea de flujo magntico concatena

    una fuerza magnetomotriz, es decir una intensidad neta, igual a i (siendo i laintensidad circulante por el conductor). Adems puede comprobarse cmo latrayectoria de estas lneas queda dividida en dos partes, estando cada una de ellas

    bajo la zona de influencia de polos distintos. Si se aplica el teorema de Ampre acualquiera de estas lneas se tendra que:

    H dl H dl H dl H dl H dl ie el

    eh ehl

    r rl

    eh ehle eh r eh

    . . . . . = + + + =1 2

    (1)

    Suponiendo que la permeabilidad magntica de los materiales del rotor o delesttor es infinita* los sumandos primero y tercero de la expresin anterior se

    anularan quedando en consecuencia queH dl H dl ieh eh

    leh eh

    leh eh

    . .1 2

    + =

    Y considerando que Hel y dleh son vectores paralelos, que el entrehierro tiene

    un espesor constante ly queHel es constante, se llega a que:

    Heh . l + Heh . l = i

    * En la realidad no seran infinita pero s mucho mayor que la correspondiente al entrehierro, por lo que lastensiones magnticas en el esttor y rotor pueden despreciarse frente a las del entrehierro

    SUR NORTE SUR ROTOR

    ESTTOR

    i/2

    F.m.m.

    D

    2

    (a)

    (b)

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    Como se ha indicado anteriormente, la realidad constructiva de los motores en raznde diversas ventajas apuntadas hace que los devanados de las distintas fases delinductor se encuentren distribuidos a lo largo de la periferia del esttor, tal que el

    correspondiente a una de las fases (por ejemplo la a) quedara de la forma siguiente:

    Lneas de flujoo campo magntico

    120

    Rotor

    Esttor

    Ranuras para elbobinado del rotor

    Ranuras para elbobinado del esttorEntrehierro

    Fig. 4

    Manteniendo iguales consideraciones respecto a las reluctancias rotor y esttoras como del espesor del entrehierro, la aplicacin del teorema de Ampreconducira a que la distribucin de la F.m.m. a lo largo del entrehierro adoptar unaonda de forma escalonada (trazo continuo en la Fig.5), donde de nuevo, para mejorcomprensin, se han rectificado las circunferencias del rotor y esttor.

    Fig. 5.- Onda de fuerza magnetomotriz producida en el entrehierro por el devanado

    distribuido de la fase "a".

    ROTOR NORTE

    ESTTOR

    D/2

    X

    F.m.m

    i

    ii

    i

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    La onda escalonada citada puede aproximarse a la onda senoidal fundamentalde su descomposicin en armnicos ( tal descomposicin dar