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 Capitulo 7 MOTORES DE INDUCCIÓN

motores de induccion

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Capitulo 7MOTORES DE INDUCCIÓN

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7.6 Variaciones en las características par-velocidad del motor de inducción.

Esta figura muestra dos características de un motor con rotor

devanado, una con alta resistencia y otra con baja resistencia.Si los deslizamientos son altos, el motor deseado se deberíacomportar de acuerdo con la curva de un motor con rotor

devanado de alta resistencia; si los deslizamientos sonpequeños, se debería comportar de acuerdo con la curva de unmotor con rotor devanado de baja resistencia.

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Control de las características del motormediante el diseño de jaula de ardilla

• figura 7-25.

 

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En la figura 7-26 se muestra su característica de par-velocidad.

 

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Diseño de rotores de barra profunda yde doble jaula

¿Cómo se puede producir una resistencia de rotor variablepara combinar un par de arranque alto con una corriente de

arranque baja del diseño clase D con el bajo deslizamientoen operación normal y alta eficiencia del diseño clase A?Se puede producir una resistencia variable de rotor alutilizar barras profundas de rotor o rotores de doble jaula.

En la figura 7-27 se ilustra este concepto básico con unrotor de barra profunda. En la figura 7-27b se puede ver lacorriente que fluye en la parte más profunda de la barra.

Aquí es mayor la inductancia de dispersión. Puesto quetodas las partes de la barra del rotor están en paraleloeléctricamente, la barra representa esencialmente unaserie de circuitos eléctricos en paralelo, los superiores

tienen una inductancia menor y los inferiores tienen unainductancia más grande (figura 7-27c).

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Clase de diseño de los motores deinducción.

Se puede producir una gran variedad de curvas par-velocidad si se cambian las características del rotorde los motores de inducción. Para ayudar a laindustria a seleccionar los motores apropiados paralas diferentes aplicaciones en la gama completa decaballos de fuerza, la NEMA en Estados Unidos y la

Intemational Electrotechnical Commission (IEC) enEuropa han definido una serie de diseños estándarcon diferentes curvas de par-velocidad. A estosdiseños estándar se les llama clases de diseño y aun motor individual se le puede llamar motor dediseño clase X. Éstas son clases de diseño NEMA elEC a las que se hizo referencia anteriormente. La

figura 7-26 muestra las curvas par-velocidad típicaspara las cuatro clases estándar de diseño NEMA. 

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DISEÑO CLASE A.

Los motores de diseño clase A son de diseñoestándar, con un par de arranque normal, unacorriente de arranque normal y bajo deslizamiento.El deslizamiento a plena carga de los motores dediseño A debe ser menor a 5% y debe ser menor aeso en los motores de diseño B con valoresnominales equivalentes. El par máximo es 200 o

300% el par a plena carga y se presenta a un bajodeslizamiento (menos de 20%). El par de arranquede este diseño es por lo menos el par nominal enlos motores grandes y es 200% o más del parnominal de motores más pequeños. El problemaprincipal con esta clase de diseño es suextremadamente alta corriente de irrupción en el

arranque.

 

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Los flujos de corriente en el arranque son por loregular de 500 a 800% de la corriente nominal.

En tamaños mayores a 7.5 hp, se debe utilizaralguna forma de arranque de voltaje reducido enestos motores para prevenir problemas de caída

de voltaje en el arranque en el sistema depotencia al cual están conectados. En elpasado, los motores de diseño clase A eran el

diseño estándar para la mayoría de lasaplicaciones por debajo de 7.5 hp Y por arribade 200 hp, pero en su mayoría han sido

reemplazados por motores de diseño clase B enlos últimos años. Los motores de diseño clase Ase utilizan por lo regular en ventiladores,

sopladores, bombas, tornos y en otrasmáquinas herramientas. 

DISEÑO CLASE B

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DISEÑO CLASE B.

Los motores de diseño clase B tienen un par dearranque normal, una corriente de arranque más bajay un bajo deslizamiento. Este motor produce

alrededor del mismo par de arranque que un motorclase A con 25% menos de corriente. El par máximoes mayor o igual a 200% de su par de carga nominal,

pero menor al de diseño clase A por el incremento enla reactancia del rotor. El deslizamiento del rotor esaún relativamente bajo (menor a 5%) a plena carga.Las aplicaciones que tiene son muy parecidas a lasdel diseño A, pero se prefiere el diseño B porquerequiere menos corriente de arranque. Los motoresdiseño clase B han reemplazado ampliamente losmotores de diseño clase A en las instalacionesnuevas.

 

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DISEÑO CLASE C.

Los motores de diseño clase C tienen un par dearranque alto con corrientes de arranque bajas y

deslizamiento bajo (menos de 5%) a plenacarga. El par máximo es un poco mayor al delos motores clase A, mientras que el par de

arranque es hasta 250% del par a plenacarga.Estos motores se construyen con rotoresde doble jaula, por lo que son más caros que los

motores de las clases anteriores. Se utilizanpara cargas con alto par de arranque, talescomo bombas, compresores y bandas

transportadoras. 

DISEÑO CLASE D

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DISEÑO CLASE D.

Los motores de diseño clase D tienen un par dearranque muy alto (275% o más del par nominal) yuna baja corriente de arranque, pero también tienenun alto deslizamiento a plena carga. Básicamente sonmotores de inducción clase A ordinarios, pero lasbarras del rotor son más pequeñas y están hechascon un material que tiene una resistencia más alta. Laalta resistencia del rotor desplaza el par pico a una

velocidad muy baja. Incluso es posible que el par másalto se presente a velocidad cero (100% dedeslizamiento). El deslizamiento a plena carga de

estos motores es bastante alto por la alta resistenciadel rotor. 

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Normalmente es de 7 a 11 %, pero puede llegar

hasta 17% o más Estos motores se utilizan enaplicaciones que requieren la aceleración decargas con inercias muy altas, en especial

grandes volantes utilizados en troqueladoras oen cortadoras. En dichas aplicaciones estosmotores aceleran un gran volante en forma

gradual hasta alcanzar su plena velocidad, queluego se transmite a la troqueladora. Despuésde la acción de troquelado, el motor vuelve aacelerar el volante por un tiempo bastante largohasta la próxima operación.

 

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Ejemplo 7-6Un motor de inducción de 460 V, 30 hp, 60 Hz, con

cuatro polos, conectado en Y, tiene, dos diseños de

rotor posibles, un rotor de jaula de ardilla y un rotorde doble jaula. (El estator es idéntico en ambos.) Elmotor con el rotor de jaula de ardilla sencilla se

puede modelar con las siguientes impedancias enohms por fase referidas al circuito del estator:

 

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El motor con el rotor de doble jaula se puede

considerar como una jaula exterior de fuerteacoplamiento y alta resistencia en paralelo y una  jaula interior de bajo acoplamiento y bajaresistencia (similar a la estructura de la figura 7-25c). El estator y la resistencia y reactancias de

magnetización son idénticos a las del diseño de jaula de ardilla. La resistencia y la reactancia de la jaula exterior del rotor son:

 

Nótese que la resistencia es alta porque la barra exterior

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Nótese que la resistencia es alta porque la barra exteriortiene una sección transversal muy pequeña, mientras

que la reactancia es igual que la reactancia del rotorde jaula de ardilla puesto que la jaula exterior estámuy cerca del estator y la reactancia de dispersión es

pequeña.La resistencia y la reactancia de la jaulainterior del rotor son:

En este caso la resistencia es baja porque las barras

tienen un área transversal grande, pero la reactanciade dispersión es bastante alta. Calcule lascaracterísticas par-velocidad asociadas con los dos

rotores distintos. ¿Cómo se desempeñan uno encomparación con el otro?

 

S l ió

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Solución.

La característica par-velocidad del motor con rotor de jaula sencilla se puede calcular exactamente de lamisma manera que en el ejemplo 7-5. La

característica par-velocidad del motor con rotor dedoble jaula también se puede calcular de la mismaforma, excepto que con cada deslizamiento laresistencia y reactancia del motor son la

combinación en paralelo de las impedancias de las jaulas interna y externa. A bajos deslizamientos, lareactancia del motor carecerá relativamente de

importancia, y la gran jaula interior desempeñaráun papel más importante en la operación de lamáquina. A altos deslizamientos, la alta reactanciade la jaula interior casi la remueve del circuito.

 

A continuación se muestra un archivo M de MATLAB que calcula y hace la

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A continuación se muestra un archivo M de MATLAB que calcula y hace lagráfica de las dos características par-velocidad:

% Archivo M: torque_speed_2.m

% Archivo M para calcular y hacer la gráfica de la curva par-% velocidad de un motor de inducción con rotor de jaula doble.% Primero, inicial izar los valores que requiere el programa.r1 = 0.641; % Resistencia del estatorxl = 0.750; % Reactancia del estatorr2 = 0.300; % Resistencia del rotor con jaula sencillar2i = 0.400; % Resistencia de la jaula interna del rotor

% con doble jaular2o = 3.200; % Resistencia de la jaula externa del rotor

% con doble jaula

x2 = 0.500; % Reactancia del rotor de jaula sencillax2i = 3.300; % Reactancia de la jaula interna del rotor% con doble jaula

x2o = 0.500; % Reactancia de la jaula externa del rotor% con doble jaula

 

xm = 26 3; % Reactancia de la rama de magnetización

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xm 26.3; % Reactancia de la rama de magnetizaciónv-phase = 460 / sqrt(3); % Voltaje de fasen_sync = 1800; % Velocidad sincrona (r/min)

w_sync = 188.5; % Velocidad sincrona (rad/s)% Calcular el voltaje y la impedancia de Thevenin con lasecuaciones 7-41a y 7-43.

v_th = v-phase * ( xrn / sqrt(r1A2 + (xl + xrn)A2) );z_th = ((j*xrn) * (r1 + j*x1» / (r1 + j*(x1 + xm));r_th = real(z_th);x_th = imag(z_th);

% Ahora, calcular la velocidad del motor para varios% deslizamientos entre O y l. Nótese que el primer valor% de deslizamiento es 0.001 en lugar de O exactamente para

% evitar la división entre cero.s = (0:1:50) / 50; % Deslizamientos(l) = 0.001; % Evitar división entre ceronm ~ (1 - s.) * n_sync; % Velocidad mecánica

% Calcular el par del rotor de jaula sencilla.for ii ~ 1:51

 

t indl(ii) ~ (3 v th^2 * r2 / s(ii) /

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t_indl(ii) (3. v_th 2 r2 / s(ii) / ...(w_sync. (r_th + r2/s(ii»^2 + (x_th + X2)^2) );end% Calcular la resistencia y reactancia del rotor de doble% jaula con este deslizamiento y luego utilizar estos valores% para calcular el par inducido.for ii = 1:51y_r = 1/(r2i + j*s(ii)*x2i) + 1/(r20 + j*s(ii)*x2o);z_r ~ l/y_r; % Impedancia efectiva del rotorr2eff ~ real (z_r) ; % Resistencia efectiva del rotor ; ".;i~fx2eff = imag(z_r); % Reactancia efectiva del rotor ,c% Calcular el par inducido del rotor de doble jaula.t_ind2(ii) = (3 . v_thA2 * r2eff / s(ii» / ...(w_sync * «r_th + r2eff/s(ii»^2 + (x_th + x2eff)"2) );end

 

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% Hacer la gráfica de las curvas par-velocidad

plot (nm, t_ind1, 'Color', 'k', 'LineWidth', 2. O) ;hold on;plot (nm, t_ind2 , 'Color', 'k', 'LineWidth', 2. O, 'LineStyle', '-. ') ;

xlabel('\itn_{m}','Fontweight','Bold') ;ylabel('\tau_{ind}','Fontweight','Bold') ;Title ('Caracteristicas par-velocidad de un motor de

inducción','Fontweight','Bold');legend ('Diseño de jaula sencilla', 'Diseño de doble jaula');grid on;

hold off;

 

En la figura 7-29 se muestran las características par-

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En la figura 7 29 se muestran las características parvelocidad resultantes.

 

7 7 TENDENCIAS EN EL DISEÑO DE

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7.7 TENDENCIAS EN EL DISEÑO DEMOTORES DE INDUCCIÓN

Las ideas fundamentales sobre los motores deinducción las desarrolló a finales de la década de

1880 Nicola Tesla, quien recibió la patente por susideas en 1888.

 

En la figura 7-32 se muestra un típico motor de

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En la figura 7 32 se muestra un típico motor deinducción de alta eficiencia.

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Tarea 3