MOTORES ASÍNCRONOS O MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓNDE INDUCCIÓN

Las máquinas asíncronas o de inducción tienen un circuito magnético sin polos salientes estando ranurados tanto el estator como el rotor, los cuáles van a estar sometidos a la acción de campos magnéticos giratorios que darán lugar a pérdidas magnéticas. En consecuencia, ambos órganos de la máquina se fabrican a base de apilar chapas delgadas de acero al silicio para reducir estas pérdidas.

GENERALIDADES

El motor de inducción debe su nombre al hecho de que el campo magnético giratorio del estator induce corrientes alternas en el circuito del rotor(como en un Transformador Eléctrico).

La denominación de motores asíncronos obedece a que la velocidad de giro del motor no es la de sincronismo, impuesta por la frecuencia de la red.

La diferencia del motor asíncrono con el resto de los motores eléctricos radica en el hecho de que no existe corriente conducida a uno de sus devanados (normalmente al rotor).

Fig. 1: Máquina asíncrona

CONSTRUCCIÓN DEL MOTOR DE INDUCCIÓN

Un motor de inducción tiene físicamente el mismo estator que una máquina síncrona, con diferente construcción del rotor.

ESTATOR

Fig. 2: Estator y carcasa

El rotor de un motor de inducción consta de un cilindro laminado con ranuras en su superficie. Los devanados que están en estas ranuras son de dos tipos:

El más común es el devanado en jaula de ardilla, el cuál se construye en barras de cobre gruesas colocadas en ranuras talladas en la cara del rotor y con sus extremos puestos en corto por medio de anillos metálico de cobre o latón.

El otro tipo de devanado contiene bobinas colocadas en las ranuras del rotor. Entonces el rotor se llama rotor devanado.El rotor devanado tiene un juego completo de embobinados trifásicos que son la imagen reflejada de los embobinados del estator. Las tres fases de los embobinados del rotor, están conectados generalmente en Y y los extremos de los tres conductores del rotor están conectados a los anillos de rozamiento sobre el eje del rotor

ROTOR

Fig. 3: Rotores de un motor asíncrono

Los conductores de este rotor están igualmente distribuidos por la periferia del rotor. Los extremos de estos conductores están cortocircuitados, por tanto no hay posibilidad de conexión del devanado del rotor con el exterior.El número de fases de este devanado depende de su número de barras.

Devanado en jaula de ardilla

Fig. 4: Distribución de las barras en el rotor

Jaula real. En ésta, las varillas están inclinadas en el sentido de giro.

Es evidente que si introducimos la jaula en un medio que genere campos magnéticos variables, ésta proporcionará caminos muy asequibles a la corriente.

Fig. 3: Eje (0), Cojinete (1), rotor de jaula de ardilla (2), tapa lateral de la carcasa (3) y ventilador (4)

Muchas veces los anillos del rotor de Jaula de ardilla poseen unas aletas que facilitan la evacuación del calor que se genera en la jaula durante el funcionamiento de la máquina.

Fig. 4: Aletas en un rotor de jaula de ardilla

Rotor devanado.Este tiene un devanado trifásico cuyas fases se conectan al exterior a través de un colector de tres anillos y sus correspondientes escobillas.

En funcionamiento normal estos tres anillos están cortocircuitados (unidos entre sí).

Fig. 6: a) Colector de 3 anillos; b) Escobilla; c) Anillo con escobilla

Fig. 5: Rotor bobinado o con anillos

OTROS ELEMENTOS DE LA CARCASA

La carcasa es la envoltura de la máquina y tiene dos tapas laterales donde se colocan los cojinetes en los que se apoya el árbol. Esta carcasa suele disponer de aletas para mejorar la refrigeración de la máquina .

Sujeta a la carcasa está la placa de características donde se indican las magnitudes más importantes de la máquina.

En la carcasa se encuentra también la caja de bornes a donde van a parar los extremos de los bobinados. En una máquina asíncrona trifásica de jaula de ardilla la caja de bornes tiene seis terminales, correspondientes a los extremos de las tres fases del estator (dos extremos, principio y final, por cada fase), formando dos hileras de tres. De esta forma resulta fácil el conectar el devanado del estator en estrella (Fig. 8a) o en triángulo (Figs. 2 y 8b).

Esta facilidad para conectar en estrella o en triángulo el devanado del estator permite que una máquina asíncrona pueda funcionar con dos tensiones asignadas de línea distintas, que guardan entre sí una relación .

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Así, por ejemplo, un motor de 400/231 V tiene una tensión asignada de fase de 231 V.Por esta razón, cuando se quiera utilizar en una red cuya tensión de línea sea 231 V se empleará la conexión triángulo, porque en ella las tensiones de fase y de línea son iguales. Si se quiere utilizar esta máquina en una red cuya tensión de línea sea 400 V deberá emplearse la conexión estrella, porque en ella la tensión de fase es igual a la tensión fase-neutro, la cual es menor que la tensión de línea.

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El principio de funcionamiento del motor de inducción es básicamente el mismo de los embobinados amortiguadores en los motores síncronos.

CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE EL MOTOR DE INDUCCIÓN

Cuando se aplica la CA a los devanados del estator se genera un campo magnético giratorio. En este campo magnético giratorio cruzan las barras cortocircuitadas del rotor e induce una corriente en ellas, ésta corriente inducida generará un campo magnético alrededor de los conductores del rotor, el cual tratará de alinearse con el campo del estator. Sin embargo como el campo del estator está girando en forma continua, el rotor siempre debe seguirlo.

En la siguiente animación podemos observar como el campo magnético giratorio del estator, creado por el sistema de corrientes trifásicas R S T, y que gira a la velocidad NS corta los conductores del rotor, que gira a una velocidad NR < NS  (NS flecha rosa, NR punto verde)

Desarrollo del momento de torsión inducido en un motor de inducción

La figura 10-6 muestra un motor de inducción de jaula de ardilla.

Figura 10.6

Un sistema de voltajes trifásicos se ha aplicado al estator y un conjunto de corrientes trifásicas del estator circula en sus embobinados. Estas corrientes producen un campo magnético Bs, el cual está girando en sentido contrario al de las manecillas del reloj.

La velocidad de rotación del campo magnético se expresa por

El voltaje inducido en una barra de rotor dada se obtiene por medio de la ecuación:

El concepto de deslizamiento del rotor

La velocidad de deslizamiento del motor se define por:

Un motor de inducción normal trabaja siempre a una velocidad un poco inferior a su velocidad de sincronismo, esa diferencia de porcentaje es lo que se conoce como deslizamiento y es una característica fundamental de los motores de inducción ya que sin esto no habría movimiento.

El deslizamiento se expresa por porcentaje (%s) y está definido por:

Es posible expresar la velocidad mecánica del eje del rotor, en términos de la velocidad síncrona y de deslizamiento.

Obsérvese que si el rotor gira a velocidad síncrona, s=0, mientras que si el rotor está fijo, s=1. Todas las velocidades normales del motor, están en algún lugar entre estos dos límites.

Frecuencia eléctrica en el rotor

Un motor de inducción trabaja induciendo voltajes y corrientes en el rotor de la máquina y por esta razón algunas veces se ha llamado transformador giratorio.

A la manera de un transformador, el primario (estator) induce un voltaje en el secundario (rotor) pero a diferencia del transformador, la frecuencia secundaria no es necesariamente la misma que la frecuencia primaria.Si el rotor de un motor está bloqueado, de tal manera que no se puede mover, entonces éste y el estator tendrán la misma frecuencia. En cambio si el rotor gira a velocidad síncrona, la frecuencia del rotor será cero.

La frecuencia del rotor puede expresarse como:

.

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN

Modelo de un motor de inducción como transformador

Modelo del circuito del rotor

Circuito equivalente definitivo

POTENCIA Y MOMENTO DE TORSIÓN EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN

Perdidas y diagrama de flujo de potencia

Un motor de inducción puede describirse, básicamente como un transformador giratorio.

Potencia y momento de torsión en un motor de inducción

La corriente de entrada a una fase del motor puede hallarse dividiendo el voltaje de entrada por la impedancia equivalente total:

Por tanto, las pérdidas en el cobre del estator, las pérdidas del núcleo y las pérdidas en el cobre del rotor pueden calcularse.

Las pérdidas en el cobre del estator se obtienen por:

Las pérdidas en el núcleo se obtienen por:

De donde la potencia del entrehierro puede encontrarse por medio de

o

Separación de las pérdidas en el cobre del rotor y de la potencia transformada en el circuito

equivalente de un motor de inducción

Solución:

Características de lo motores de inducción:

*Trabaja con corriente alterna tanto en el estator como en el rotor.*Su mayor aplicación es como motor en el cual se le aplica la corriente alterna  directamente al estator y por efecto de inducción, se produce corriente en el rotor.*Su utilización como generador es muy restringida debido a que su funcionamiento es muy ineficiente.*Puede estudiarse como un transformador en el cual el secundario es móvil (rotor) y se transforma potencia eléctrica a mecánica. *Se puede utilizar como convertidor de frecuencia y como decalador de fase.

La gran utilización de los motores asíncronos se debe a las siguientes causas: construcción simple, bajo peso, mínimo volumen, bajo costo y mantenimiento inferior al de cualquier otro tipo de motor eléctrico.