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Motor Asìncrono con rotor de “Jaula de ardilla”Paul Santiago Saldaña Caldas

psaldana@est.ups.edu.ec

paul_ssc@hotmail.com

Abstract—Los motores asíncronos son máquinas eléctricas,las cuales han tenido mayor aplicación en la industria y arte-factos electrodomésticos. Estas máquinas son los principalesconvertidores de energía eléctrica en mecánica (actualmente losmotores asíncronos consumen casi la mitad de la energía eléctricagenerada). Su uso es, principalmente, en calidad de mandoeléctrico en la mayoría de los mecanismos, ello se justifica por lasencillez de su fabricación, su alta confiabilidad y un alto valorde eficiencia. Hay 2 tipos de MA; los de rotor de jaula de ardillay los de rotor de anillos

Index Terms—Asìncronico, coaxiales, estator, polifásico polos,devanado, torsión ,electromagnetismo ,devanados , histéresis.

I. INTRODUCCIÒN

Este documento contiene informaciòn sobre el fun-cionamiento del motor asìncrono , cabe destacar que la in-vestigacion se centra en la forma de construccion del rotor ,como lo es en este caso el diseño de “ jaula de ardilla ” .

Con el fin de saber como funciona este rotor se describe elproceso que ocurre al ser circulado por una corriente elèctrica, ademas se muestra la curava de funcionamieno, los tipos dearranque de la màquina , la contruccion del motor, tipos derotores,etc.

Para finalizar se describe brevemente los tipos de contro-ladores de frecuencia , los cuales sirven principalmente parala regulaciuon de velocidad.

II. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÌNCRONO

Los motores asíncronos o de inducción son aquellos motoreseléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la mismafrecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator.Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia defrecuencias.

Estos motores son prácticamente motores trifásicos. Estánbasados en el accionamiento de una masa metálica por laacción de un campo giratorio. Están formados por dos ar-maduras con campos giratorios coaxiales: una es fija, y laotra móvil. También se les llama, respectivamente, estator yrotor. El devandado del rotor, que conduce la corriente alternaque se produce por inducción desde el devanado del estatorconectado directamente, consiste de conductores de cobre oaluminio vaciados en un rotor de laminaciones de acero. Seinstalan anillos terminales de cortocircuito en ambos extremosde la “jaula de ardilla” o bien en uno de los extremos en elcaso del rotor devanado.

Figure 1. Figura de un motor asìncrono

A. Caracterìsticas principales de funcionamientoHay 2 tipos de MA; los de rotor de jaula de ardilla y los

de rotor de anillos rozantes.Una máquina de inducción ( asincrónica ) con rotor en

reposo tiene un funcionamiento similar a un transformador,diferenciándose de un transformador convencional sólo por eldiseño ( devanados distribuidos en el rotor y en el estator,presencia de entrehierro, etc. ) .

En cuanto a la naturaleza física de los fenómenos es lamisma en ambos casos. En el motor asíncrono se tiene 2devanados, uno se coloca en el estator y el otro en el rotor.Entre el estator y rotor se tiene un entrehierro, cuya longitudse trata de, en lo posible, hacerlo pequeño (s = 0.1 - 0.3 mm),con lo que se logra mejorar el acople magnético entre losdevanados.

El devanado del estator puede ser monofásico o trifásico (encaso general polifásico). En lo sucesivo se analiza el motortrifásico, cuyas bobinas se colocan en las ranuras interioresdel estator. Las fases del devanado del estator AX, BY, CZ seconectan en tipo estrella Y o triángulo 4, cuyos bornes sonconectados a la red.

Figure 2. Esquema de conexiòn

El devanado del rotor también es trifásico (o polifásico)y se coloca en la superficie del cilindro. En el caso simplese une en corto circuito. Cuando el devanado del estator esalimentado por una corriente trifásica, se induce un campomagnético giratorio, cuya velocidad (síncrona) es:

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nsinc = 60F/ρ

F=Frecuenciap=Pares de polosEste tipo de motor no se emplea industrialmente, por una

serie de problema que origina su puesta en marcha, procesode trabajo y desconexión.

Estos motores llevan siempre una velocidad inferior a la quele correspondía por formula. Si el rotor está en reposo o suvelocidad n < nsinc, entonces el campo magnético giratoriotraspasa los conductores del devanado rotórico e inducen enellos una f.e.m.

III. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÌNCRONO CONROTOR DE “JAULA DE ARDILLA”

En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje, queinternamente contiene barras conductoras longitudinales dealuminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambosextremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman lajaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula deanillos y barras y la rueda de un hámster.

Figure 3. Rotor jaula de ardilla

La base del rotor se construye láminas de hierro apiladas endonde los devanados inductores en el estátor de un motor de in-ducción insitan al campo magnético a rotar alrededor del rotor.El movimiento relativo entre este campo y la rotación del rotorinduce corriente eléctrica, un flujo en las barras conductoras.Alternadamente estas corrientes que fluyen longitudinalmenteen los conductores reaccionan con el campo magnético delmotor produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor,dando por resultado un esfuerzo de torsión para dar vuelta aleje. En efecto el rotor se lleva alrededor el campo magnéticopero en un índice levemente más lento de la rotación. Estecampo magnético variable va a inducir una tensión en el rotorsegún la Ley de inducción de Faraday:

eind = −N dφ

dt

La diferencia en velocidad se llama "deslizamiento" yaumenta con la carga.

Figure 4.

A menudo, los conductores se inclinan levemente a lo largode la longitud del rotor para reducir ruido y para reducir lasfluctuaciones del esfuerzo de torsión que pudieron resultar, aalgunas velocidades, y debido a las interacciones con las barrasdel estátor.

Sobre los conductores con corriente, empleados en el campomagnético, actúan fuerzas electromagnéticas cuya direcciónse determina por la regla de la mano izquierda; estas fuerzascrean un Melmagn que arrastra al rotor tras el campo mag-nético. Si este Melmagn es lo suficientemente grande entoncesel rotor va a girar y su velocidad n2 va a corresponder a laigualdad.

Melmagenest =Mfrenorot.

Este es el funcionamiento de la máquina en régimen demotor y es evidente en este caso.

0 ≤ n2 < n1

A la diferencia de velocidades entre el campo magnéticoy el rotor se le llama deslizamiento y se representa por elsímbolo s.

s =n1− n2n1

De donde se deduce que en el régimen de motor:

0 ≤ s < 1

El número de barras en la jaula de la ardilla se determinasegún las corrientes inducidas en las bobinas del estátor ypor lo tanto según la corriente a través de ellas. Las construc-ciones que ofrecen menos problemas de regeneración empleannúmeros primos de barras.

La principal característica de los motores asíncronos esla presencia del deslizamiento s, ósea la desigualdad develocidades entre el campo del estator y la velocidad del rotorn2 6= n1.

Obsérvese que este motor no puede iniciar, o sea, acelerardesde una velocidad cero hasta la nominal. Las fuerzas queactúan en las barras en cortocircuito se oponen unas a otras,impidiendo el giro. Por lo tanto para el arranque, se utiliza unabobina de campo auxiliar (bobinado de arranque) , desfasada90° de las bobinas del campo principal, que crea un campomagnético auxiliar para el arranque. Así, el flujo resultanteinicial estará desfasado en relación al eje de abscisas, y seproduce un torque de giro .Si el rotor está en reposo o su

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velocidad n < nsinc, entonces el campo magnético giratoriotraspasa los conductores del devanado rotórico e inducen enellos una f.e.m.

A. Curva Caracteristica

Se muestra la relación entre los pares de arranque, máximoy nominal a plena carga que desarrolla un motor de inducción,como función de la velocidad de éste y del deslizamiento.

Figure 5. Curva de funcionamiento

Esta figura es presentación gráfica de la corriente y elpar desarrollados en el rotor del motor como funciones deldeslizamiento desde el instante del arranque (punto a) hastala condición de funcionamiento en estado estable (en generalentre marcha en vacío y marcha a plena carga - puntos c y d)cuando los pares desarrollado y aplicado son iguales.

B. Tipos de Arranque

1) Arranque Directo: Bueno cuando se dispone de un mo-tor pequeño de inducción de jaula de ardilla de unos cuantoscaballos de fuerza se pueden poner en marcha directamentedesde la línea o también llamada red eléctrica, con una caídade voltaje que es de poca importancia en la fuente de voltaje,y con un retardo pequeño o sin retardo para acelerarse a suvelocidad nominal.

Figure 6. Esquema de conexiòn

De igual manera en los motores grandes de inducción dejaula de ardilla hasta de varios miles de HP, se pueden arrancarconectándolos directamente a la línea sin daños ni cambiosindeseados de voltaje, siempre que las tomas de voltaje tenganuna capacidad bastante alta.

2) Arranque delta – estrella: : Bueno este método esuno de los métodos más conocidos con el que se puedenarrancar motores de hasta bajas potencias. Consiste en conectarprimero el motor en estrella para, una vez arrancado, realizarla conmutar a la conexión en triángulo. Para que este tipode arranque tenga un buen funcionamiento el motor tiene queestar preparado para funcionar a la tensión inferior conectadoen estrella.

Figure 7. Esquema de conexion

Si a un motor de las características indicadas se le conectaprimero en estrella, cada una de las bobinas del mismo quedarásometida a una tensión, SQRT (3) inferior que si hubieseconectado en triángulo. Con ello se consigue que la intensidaden el arranque quede disminuida a la tercera parte respectoal arranque directo en conexión en triángulo. El par tambiénqueda reducido a la tercera parte, lo que conviene tenerlo encuenta si el motor arranca con toda la carga. Por esta razón,conviene que el motor arranque en vacío o con poca carga.

3) Arranque con parte del devanado:: Generalmente losdiseños de los motores de inducción de jaula de ardilla son condevanados parciales, es decir, dos devanados de fase idénticos,cada uno de los cuales produce el mismo número de polosy el mismo campo magnético giratorio. La ventaja de esosdevanados es que se pueden conectar en serie para sistemasde alto voltaje o en paralelo con sistemas de menor voltaje, lacorriente de arranque que resulta es un 65% de la normal dearranque, con los devanados en paralelo, y el par de arranquees aproximadamente el 45 % del par normal de arranque. Porlo tanto, el motor se pone en marcha con la mitad de susdevanados y conectando en estrella; cuando el motor llegaa determinada velocidad, el segundo devanado se conecta enparalelo.

4) Arranque con resistencias estatóricas.: Este sistema dearranque consiste en reducir la tensión que producen unas re-sistencias conectadas en serie con el estator. Este sistema tieneel inconveniente de que consigue disminuir la corriente enfunción lineal de la caída de tensión producida. Sin embargo,el par queda disminuido con el cuadrado de la caída de tensión,por lo que su aplicación, se ve 1imitada a motores en 1os queel momento de arranque resistente, sea baja.

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Figure 8. Esquema de conexiòn

El núcleo de hierro sirve para llevar el campo magnéticoa través del motor. En estructura y material se diseña parareducir al mínimo las pérdidas. Las laminas finas, separadaspor el aislamiento de barniz, reducen las corrientes parásitasque circulan resultantes de las corrientes de Foucault (eninglés, ’eddy current’). El material, un acero bajo en carbonopero alto en silicio (llamado por ello acero al silicio), convarias veces la resistencia del hierro puro, en la reductoraadicional. El contenido bajo de carbono le hace un materialmagnético suave con pérdida bajas por histéresis.

Figure 9. Rotor de jaula de ardilla armado en el motor para su uso

El mismo diseño básico se utiliza para los motoresmonofásicos y trifásicos sobre una amplia gama de tamaños.Los rotores para trifásica tienen variaciones en la profundidady la forma de barras para satisfacer los requerimientos deldiseño. Este motor es de gran utilidad en variadores develocidad.

IV. CONSTRUCCION DEL MOTOR ASÌNCRONO

En los motores asíncronos de rotor bobinado, el devanadorotórico, al igual que el estatórico, está constituido por hilo decobre.

Figure 10. Partes constitutivas

En las ranuras de la corona rotórica se alojan, por logeneral, tres devanados conectados por un punto común. Losextremos libres pueden estar conectados a tres anillos decobre (anillos rozantes) que giran solidariamente con el eje.Haciendo contacto con los anillos rozantes, se encuentran unasescobillas, generalmente de grafito, que están fijas respectoal estator y que permiten realizar la conexión de los tresdevanados rotóricos con el exterior.

Figure 11. Rotor jaula de ardilla

Aunque desde el punto de vista constructivo el motor derotor bobinado es más complejo y menos robusto que el dejaula de ardilla, se puede lograr un par de arranque aproxi-madamente 2,5 veces superior al nominal y una corriente dearranque menor que en el caso de rotor en jaula de ardilla.También, mediante el uso de las resistencias, se puede regularla velocidad de giro del motor.

V. TIPOS DE ROTOR

Existen varios tipos de estos elementos, pero aquí solamentevamos a tratar los que son más usados en la industria; es decir,los rotores para motores asíncronos de corriente alterna.

A. Rotor de jaula de ardilla simple.

En el dibujo se puede observar unos círculos negros, éstosrepresentan las ranuras del rotor donde va introducido elbobinado. Existen varios tipos de ranuras, de ahí que existanvarios tipos de rotores.

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Figure 12. Jaula de ardilla simple

Este tipo de rotor es el usado para motores pequeños, encuyo arranque la intensidad nominal supera 6 ó 8 veces a laintensidad nominal del motor. Soporta mal los picos de cargas.Esta siendo sustituido por los rotores de jaula de ardilla dobleen motores de potencia media. Su par de arranque no superael 140 % del normal.

B. Rotor de jaula de ardilla doble.

En este otro dibujo, observáis que la ranura es doble, poreste motivo tiene el nombre de jaula de ardilla doble. Las dosranuras están separadas físicamente, aunque en el dibujo nose observe.

Figure 13. Jaula de ardilla doble

Este tipo de rotor tiene una intensidad de arranque de 3 ó5 veces la intensidad nominal, y su par de arranque puede serde 230 % la normal. Éstas características hacen que este tipode rotor sea muy interesante frente al rotor de jaula de ardillasimple. Es el más empleado en la actualidad, soporta bien lassobrecargas sin necesidad de disminuir la velocidad, lo cualle otorga mejor estabilidad.

C. Rotor con ranura profunda.

El tipo de rotor que se ve en el dibujo es una variante delrotor de jaula de ardilla simple, pero se le denomina rotor deranura profunda.

Figure 14.

Sus características vienen a ser iguales a la del rotor de jaulasimple. Es usado para motores de baja potencia que necesitanrealizan continuos arranques y paradas.

D. Rotor de Devanados

El rotor devanado o bobinado, como su nombre lo indica,lleva unas bobinas que se conectan a unos anillos deslizantescolocados en el eje; por medio de unas escobillas se conectael rotor a unas resistencias que se pueden variar hasta ponerel rotor en corto circuito al igual que el eje de jaula de ardilla.

Figure 15. Esquema del rotor

Conectando unas resistencias externas a las escobillas seconsigue aumentar la resistencia rotórica, de esta forma, selogra variar el par de arranque, que puede ser, dependiendode dichas resistencias externas, del 150 % y el 250 % delpar normal. La intensidad nominal no supera las 2 veces laintensidad nominal del motor.

VI. CONTROLADORES DE FRECUENCIA

A. Variadores de velocidad

Los controladores de frecuencia variable son dispositivoscomplejos y hasta hace poco eran costosos. Sin embargo,trabajan con motores estándar lo cual permiten su fácil adicióna unidades motrices existentes. Varios tipos de ventiladores(enfriadores de aire, torres de enfriamiento, ventilación y aireacondicionado, etc.) operan a velocidad variable mediante sis-temas de variación de velocidad. Los sistemas de variación develocidad alteran la velocidad del motor cambiando el voltaje y

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la frecuencia de la electricidad suministrada al motor en basea los requerimientos del sistema. Esto se logra convirtiendocorriente alterna en continua, y luego de múltiples mecanismosde cambio, invirtiendo la corriente continua a corriente alternasintética con voltaje y frecuencia controlados. Si este procesoes realizado en forma apropiada, la velocidad del motor puedeser controlada en un rango amplio (desde cero RPM hasta eldoble de la velocidad nominal) con las características de torqueapropiadas para la aplicación. Para mantener un factor depotencia apropiado y reducir calentamiento excesivo del motor,debe mantenerse el ratio de voltaje/frecuencia original. Estaes la función principal del variador de velocidad. Los cuatrocomponentes principales que hacen posible la operación delos variadores de velocidad son: convertidor, inversor, circuitode corriente continua (que sirve de enlace entre ambos), y launidad de control, tal como se muestra en la siguiente Figura.

Figure 16. Sistema avariador de frecuencia

El convertidor contiene un rectificador y varios circuitos queconvierten la frecuencia fija de corriente alterna en continua.El inversor convierte la corriente continua en corriente alternade voltaje y frecuencia regulables (ambos deben ser regulablespara poder mantener ratios de voltaje/frecuencia constante).Los circuitos de corriente continua filtran la corriente y laconducen al inversor. La unidad de control regula el voltaje y lafrecuencia de salida en base a la señal proveniente del proceso(ej. sensor de presión). Los tipos principales de inversor soninversores de voltaje, inversores de corriente e inversores demodulación de pulsos.

B. Rectificador controlado motor de corriente continua

Proporciona, a partir de una red de corriente alternamonofásica o trifásica, una corriente continua con control delvalor medio de la tensión.

Los semiconductores de potencia constituyen un puente deGraëtz, monofásico o trifásico (figura 17). El puente puedeser mixto (diodos/tiristores) o completo (sólo tiristores). Estaúltima solución es la más frecuente porque permite un mejorfactor de forma de la corriente suministrada.

El motor de corriente continua más utilizado tiene la ex-citación separada, salvo para pequeñas potencias, en las quesuelen usarse frecuentemente motores de imán permanente.

La utilización de este tipo de variadores de velocidad seadapta bien a todas las aplicaciones. Los únicos límites vienenimpuestos por el propio motor de corriente continua, en

especial por la dificultad de conseguir velocidades elevadas yla necesidad de mantenimiento (sustitución de las escobillas).

Figure 17. Esquema de un rectificador controlado para motor de C.C

Los motores de corriente continua y sus variadores asoci-ados han sido las primeras soluciones industriales. Despuésde más de una década, su uso va en constante disminuciónen beneficio de los convertidores de frecuencia. En efecto, elmotor asíncrono es a la vez más robusto y más económico queun motor de corriente continua. Contrariamente a los motoresde corriente continua, los asíncronos se han estandarizado conenvolvente IP55, siendo por tanto prácticamente insensibles alentorno (goteo, polvo y ambientes peligrosos)

C. Convertidor de frecuencia para motor asíncrono

Suministra, a partir de una red de corriente alterna defrecuencia fija, una tensión alterna trifásica, de valor eficaz yfrecuencia variables (figura 18). La alimentación del variadorpuede ser monofásica para pequeñas potencias (orden demagnitud de algunos kW) y trifásica para los mayores. Cier-tos variadores de pequeña potencia aceptan indistintamentetensiones de alimentaciones mono y trifásicas. La tensiónde salida del variador es siempre trifásica. De hecho, losmotores asíncronos monofásicos no son adecuados para seralimentados mediante convertidores de frecuencia.

Figure 18. Esquema de principio de un convertidor de frecuencia

Los convertidores de frecuencia alimentan los motoresde jaula estándar con todas las ventajas de estos motores:estandarización, bajo coste, robustez, estanqueidad, ningúnmantenimiento. Puesto que estos motores son auto-ventilados,el único límite para su empleo es el funcionamiento a bajavelocidad porque se reduce esta ventilación. Si se requiereeste funcionamiento hay que prever un motor especial conuna ventilación forzada independiente.

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D. Regulador de tensión para el arranque de motores asín-cronos

Suministra, a partir de una red de corriente alterna, unacorriente alterna de frecuencia fija igual a la de la red,mediante el control del valor eficaz de la tensión, modificandoel ángulo de retardo de disparo de los semiconductores depotencia (dos tiristores montados en antiparalelo en cada fasedel motor) (figura 19).

Figure 19. Arrancador para motor asincrono y forma de onda de la corrientede alimentacion

VII. CONCLUSIONES

Gracias a este trabajo aprendimos mas sobre el fun-cionamiento de los motores de inducción, aspectos comosus características, sus tipos, fueron estudiados para la com-prension de esta màquina. Ademàs se pudo aprender que ladiferencia entre el motor a inducción y el motor síncronoes que en el motor a inducción el rotor no es un imánpermanente sino que es un electroimán , consta de barrasde conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras adistancias uniformes alrededor de la periferia, Estas barrasestán internamente conectadas con anillos a cada extremidaddel rotor.

Este ensamblado tiene un gran parecido a las pequeñasjaulas rotativas para ejercer a mascotas como hamsters o lasardillas y por eso a veces se llama "jaula de ardillas".

Hablando magnèticamente cada par de barras es una revolu-ción en cortocircuito. El rotor se magnetiza por las corrientesinducidas en sus barras, debido a la acción del campo mag-nético, girando en el estator. Mientras que el campo del estatorpasa a lo largo de las barras del rotor, el campo magnéticoque cambia induce altas corrientes en ellas y genera su propiocampo magnético. La polaridad del campo magnético inducidodel rotor es tal que repela al campo del esta torque lo creó, yesta repulsión resulta en un torque sobre el rotor que le causade girar.

Por ultimo se puede decir que un motor de inducción tienefísicamente el mismo estator que una máquina sincrónica, perola construcción del rotor es diferente. Hay dos tipos diferentesde rotores que pueden disponerse dentro del estator del motorde inducción. Uno de ellos se llama rotor de jaula de ardillao simplemente rotor de jaula, mientras que el otro es llamadorotor devanado.

VIII. BIBLIOGRAFÌA

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• www.photomobiware.com• www.sonidosparati.com• www.sapienstrade.com• J. Chapman. “Máquinas Eléctricas”. Cuarta Edición.

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• Máquinas Eléctrica, A. E. Fitzgerald, Quinta Edición