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Copyright © agosto de 2015 por TECSUP
Máquinas de Inducción (Clase 1)
Prof.: Carlos Cuba
INTRODUCCIÓN
• Los motores de corriente continua (CC) y síncronos
tienen algo en común ; ambos son del tipo doble
alimentación
• Estos motores tienen corriente continua en los
devanados del campo y corriente alterna (CA) en los
devanados de la armadura
• Ahora consideremos un motor en el que el rotor no recibe
energía por conducción sino por inducción y, por tanto se
le denomina motor de inducción.
• Un devanado que recibe la energía exclusivamente por
inducción constituye un transformador
• Un motor de inducción es un motor de una sola alimentación. Por lo tanto no requiere de un conmutador, anillos rozantes o escobillas. En realidad, no hay contactos móviles entre el estator y el rotor. Los aspectos mencionados dan como resultado un motor robusto, confiable.
• La ausencia de escobillas elimina la pérdida eléctrica debida a la caída de tensión en éstas y la pérdida mecánica debida a la fricción entre escobillas y el conmutador o los anillos rozantes. Por tanto un motor de inducción tiene una eficiencia relativamente alta.
• Un motor de inducción porta C.A en los devanados tanto del estator como del rotor.
• Un motor de inducción es un transformador rotatorio en el que el devanado secundario recibe energía por inducción mientras gira.
Motor de Inducción
• La máquina asíncrona o de inducción se caracteriza por que la corriente del devanado del inducido(normalmente rotor) se debe a la fem inducida en un circuito cerrado.
• La velocidad de la máquina asíncrona no esta impuesta por la tensión de la red.
• Su aplicación habitual es como motor aunque es posible como generador (generación eólica) aunque no puede regular la potencia reactiva.
• Opera a una sola velocidad, requiere dispositivos externos para obtener una velocidad variable.
Motor de Inducción
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Aspectos constructivos
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Construcción.
La máquina de inducción se compone
fundamentalmente de tres partes básicas,
ellas son:
• El rotor
• El estator.
• La carcasa
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Estator
• El estator y el rotor son circuitos electromagnéticos que funcionan como los electroimanes.
• El estator es la parte eléctrica estacionaria del motor.
• El núcleo estator de un motor está hecho de varios cientos de laminaciones delgadas aisladas entre si.
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Núcleo del estator
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Devanado del estator
• Se apilan las
laminaciones de
estator formando un
cilindro hueco. Se
insertan bobinas de
alambre aislado son
insertados en las
ranuras del núcleo
del estator.
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Devanado del estator
• Cada grupo de bobina, junto con el núcleo de acero que lo rodea, forman un electroimán.
• Los devanados del estator son conectados directamente a la fuente de alimentación.
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Estator (vista de corte
longitudinal)
El paquete de chapas puede ser una única
pieza o estar subdividido en varios
paquetes mas pequeños, montados
sobre el eje con pequeños espacios, entre ellos, a fin de
permitir el paso de aire de refrigeración.
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Rotor
Los tipos de rotores son dos:
• Rotor Jaula de Ardilla
• Rotor devanado.
Los motores cuando están en funcionamiento,
presentan características similares de
operación independientemente del tipo de rotor.
Pero si se diferencian en el arranque, en la
posibilidad de regular la velocidad, la eficiencia,
y el factor de potencia. También en el costo.
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Núcleo del rotor
• Está hecho de laminaciones de acero aisladas entre si y apiladas, obteniéndose un núcleo sólido.
• Previamente las chapas fueron preformadas para que al apilarse formen las ranuras.
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Rotor Jaula de ardilla
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Jaula de ardilla
Consiste en una serie de barras conductoras,
colocadas dentro de las ranuras del rotor con
sus extremos puestos en cortocircuito por medio
de dos anillos. A éste diseño se le conoce como
jaula de ardilla porque sus barras tienen la
apariencia de las jaulas donde juegan las ardillas
o marmotas
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Rotor jaula de ardilla
El núcleo del rotor es montado sobre un eje de acero para conformar el rotor.
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Rotor jaula de ardilla
• La construcción del rotor de jaula es sólida, en
cortocircuito, no permite su conexión al exterior.
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Rotor devanado
• Consta de un arrollamiento trifásico completo, que es una imagen reflejada del devanado del estator.
• Generalmente se conectan en estrella y sus extremos van a los anillos rozantes.
• Puede colocarse en cortocircuito a través de las escobillas.
• También se puede insertar resistencias para que en el momento del arranque se limite la corriente y se eleve el torque. Asimismo se puede regular la velocidad modificando la característica Par-Velocidad del motor.
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Rotor devanado
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Carcasa
• La carcasa consiste en un armazón (o yugo) y
dos tapas en los extremos (o los alojamientos
de los cojinetes).
• El devanado del estator está montado dentro
de la carcasa.
• El rotor encaja dentro del estator con un ligero
entrehierro que lo separa del estator.
• No hay ninguna conexión física directa entre
el rotor y el estator.
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22
Carcasa
• La carcasa también protege las partes eléctricas y operativas del motor de los efectos dañinos del ambiente en que el motor opera.
• Los rodamientos, montados en el eje, sostienen al rotor y le permiten girar.
• El ventilador, también montado en el eje, se usa para refrigerar el motor.
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Partes motor de inducción
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Motor de inducción en la industria
• Es el de mayor uso
en la industria.
• Es robusto y de
poco
mantenimiento.
• El motor de
inducción es
económico debido a
su construcción
sencilla.
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Ventajas
Su comportamiento puede
ajustarse a un gran número
de diferentes condiciones
de operación por medio de
cambios sencillos en el
diseño.
Es ideal para velocidades
entre 900 y 1800 r.p.m. y
potencias inferiores a
algunos miles de kilovatios.
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Ventajas (continuación)
• Asociados a modernos
convertidores de
frecuencia (variadores
de velocidad), estos
tienden a asumir el
papel casi exclusivo de
los accionamientos
eléctricos.
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Campo giratorio
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Electromagnetismo
• Los principios de electromagnetismo explican la rotación del eje de un motor AC. Recordamos que el estator de un motor del CA es un cilindro hueco en la que se insertan las bobinas de alambre aislado.
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Arreglo del devanado del estator
• El siguiente esquema ilustra la relación de las
bobinas. En este ejemplo se usan seis bobinas,
dos bobinas para cada una de las tres fases. Las
bobinas operan en pares. Las bobinas son
devanadas alrededor del núcleo de acero del
estator.
• Estas bobinas son llamados los devanados del
motor. Cada devanado del motor se convierte en
un electroimán.
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Arreglo del devanado del estator
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Arreglo del devanado del estator
• Las bobinas se realizan de tal manera que cuando fluye la
corriente en ellos una bobina es un polo norte y su par es
un polo sur. Por ejemplo, si A1 fuera un polo norte
entonces A2 serían un polo sur. Cuando las corrientes
invierten su dirección la polaridad de los polos también se
invertirá.
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Fuente de alimentación
• El Estator se conecta a un suministro de potencia
trifásico. En la siguiente ilustración la fase A se
conecta a la fase A de la fuente de alimentación. La
fase B y C también se conectarían a las fases B y C
de la fuente de potencia respectivamente.
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Fuente de alimentación
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Número de polos
• Los devanados de las fases (A, B, y C) se
colocan a 120° entre si. En este ejemplo, un
segundo juego de bobinados trifásica se instala.
• El número de polos es determinado por las
veces que un bobinado de la fase aparece. En
este ejemplo, cada bobinado de la fase aparece
dos veces. Éste estator es bipolar. Si cada
bobinado de la fase apareciera cuatro veces él
estator sería de cuatro polos.
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Devanado del estator de 2 polos
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Polaridad
• Al aplicar el voltaje AC al estator, fluye la corriente por todos los bobinados.
• El campo magnético desarrollado por cada bobinado de fase depende de la dirección y magnitud de la corriente a través de este.
• El cuadro siguiente sólo se usa aquí para la explicación. Se usará en las próximas figuras para demostrar como el campo magnético desarrollado es giratorio. Se asume que el flujo corriente positivo en los bobinados A1, B1 y C1 produce un polo norte.
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Dirección de la corrienteDevanado
Positivo Negativo
A1 Norte Sur
A2 Sur Norte
B1 Norte Sur
B2 Sur Norte
C1 Norte Sur
C2 Sur Norte
Polaridad
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Inicialmente
• Es más fácil visualizar el campo magnético si se escoge el
inicio cuando la corriente que está atravesando una fase
es nula. En la ilustración siguiente, por ejemplo, el inicio se
ha seleccionado para cuando la corriente en la fase A sea
nula, la corriente en la fase B es negativa y la corriente en
la fase C es positiva. De acuerdo con la tabla anterior, B1
y el C2 son polos del sur mientras que B2 y C1 son Polos
Norte. Las líneas magnéticas del flujo salen del polo norte
B2 y entran en el polo del sur más cercano, C2. Las líneas
magnéticas del flujo también salen del polo norte C1 y
entran en el polo sur más cercano, B1. Resultando un
campo magnético, según lo indicado por la flecha.
40
41
42
43
44
Campo magnético giratorio.
R
S
T
ns
La corriente trifásica
que circula por el
devanado del estator
crea un campo
magnético giratorio,
de magnitud y
velocidad contante.
La velocidad de giro
es la velocidad
síncrona.
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Similitud
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Velocidad síncrona ( ns )
• Es la velocidad con que rota el campo creado por el
devanado del estator; que depende del número de polos de
la máquina y de la frecuencia de la red.
Donde : ns = velocidad síncrona (r.p.m.)
f = frecuencia de la red ( Hz. )
p = número de polos.
p
f 120 sn
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Principio de funcionamiento
Principio de funcionamiento
Principio de funcionamiento
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Máquina de inducción
Se le llama máquina de inducción porque
las tensiones y corrientes que
aparecen en el rotor son producto de la
inducción magnética creada por el campo giratorio creado por
el estator.
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Corrientes inducidas
• Cuando un conductor, tal como una barra del rotor, pasa a través de un campo magnético un voltaje (fem) se induce en el conductor.
• El voltaje inducido causa un flujo de corriente en el conductor. La corriente atraviesa las barras del rotor y se cierra a través de los anillos extremos. El flujo de corriente en las barras del conductor produce campos magnéticos alrededor de cada barra del rotor.
• Recuerde que en circuito de la CA una corriente cambia continuamente la dirección y la amplitud.
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Corrientes inducidas
• El campo magnético resultante del estator y el rotor cambian continuamente.
• El rotor de la jaula de la ardilla se convierte en un electroimán con polos alternados norte y del sur.
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Principio de funcionamiento
• El gráfico siguiente ilustra un instante en el tiempo durante el cual la corriente que atraviesa la bobina A1 produce un Polo Norte. El campo que se expande corta a la barra adyacente del rotor, induciendole un voltaje. El campo magnético resultante en el diente del rotor produce un polo sur.
• Mientras que el campo magnético del estator gira el rotor lo sigue.
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Principio de funcionamiento
55
Corrientes inducidas en el rotor
56
Corrientes inducidas en el rotor
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Condición de operación.
• Para que el estator induzca tensiones y
corrientes en rotor, el rotor deberá girar a una
velocidad diferente de la velocidad síncrona.
• En el caso del motor, el rotor gira a una
velocidad inferior a la síncrona.
• Si el motor llegase tener la velocidad síncrona,
no existirá corriente en el rotor y por lo tanto
tampoco se desarrolla torque. Entonces el motor
se detiene.
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Deslizamiento
• Se le denomina velocidad de deslizamiento a la diferencia
entre la velocidad síncrona (ns) y la velocidad del rotor (n).
Velocidad de deslizamiento = ns - n
• Generalmente esta velocidad de deslizamiento se expresa
como porcentaje de la velocidad de sincronismo, tomando el
nombre de deslizamiento (s)
n
n - n
s
ss
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Formas de operar
• La máquina de inducción puede operar:
• Como motor ( 0 < s < 1 ).
• Como freno ( s > 1 )
• Como generador ( s < 0 )
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Característica Par - Velocidad
61
Característica como motor
• Su velocidad varía con la
carga conectada al eje,
aunque en una
proporción generalmente
pequeña.
• Para desarrollar torque la
velocidad del motor debe
ser menor que la
velocidad síncrona.
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Tensión inducida (E2)
• En el arranque, la velocidad del rotor es cero
(n=0 ), por lo tanto el deslizamiento es la
unidad (s = 1).
En los terminales del rotor se induce una
tensión alterna sinusoidal a manera de
transformador, cuya tensión es función de la
relación entre el número de espiras del estator
y del rotor, con la frecuencia idéntica a la
fuente.
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Tensión de rotor bloqueado (ELR)
Estator Rotor
R
S
T
V2
V1
N1 N2
N1
N1
N2
N2U
U
1
2
= N
N
1
2
A esta tensión del rotor se le conoce como
tensión a rotor bloqueado ELR.
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Tensión inducida (E2)
• En el caso que la velocidad del rotor fuera igual
a la velocidad síncrona (n = ns ), el deslizamiento
sería nulo ( s = 0 ).
Entonces la tensión y frecuencia en los
terminales del rotor serán cero.
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Conclusión
• La tensión y frecuencia inducida en el rotor son
directamente proporcionales al deslizamiento.
• De la misma manera puede demostrarse que la
reactancia del circuito del rotor es función del
deslizamiento.
RED
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¡GRACIAS!
