Circuito Equivalente del Motor Asíncrono
Para obtener una red que explique el comportamiento de la máquina, hay que reducir las magnitudes de un devanado a otro (del rotor al estator). En el motor, esto tiene cierta dificultad, ya que la frecuencia del estator es diferente a la del rotor. La corriente que circula por el rotor es: I2 = E2 / (R2 + jX2 + R2 * (1/s – 1)). Se denomina resistencia de carga y representa el efecto equivalente de la carga mecánica que lleve el motor. La potencia disipada en Rc representa la potencia desarrollada por el motor en su movimiento. Es preciso reducir los parámetros al primario. E1 = 4,44 * K1 * f * N1 * flujo. E2’ = mv * E1 → relación de transformación de tensiones. Mi = m1 / m2 * mv = I2 / I2’ → relación de transformación de corrientes. Impedancias R2’ = mv * mi * R2.
Arranque del Motor Asíncrono
Se distinguen dos tipos principales:
Jaula de Ardilla
Para llevar a cabo el arranque, es necesario que el par de arranque sea superior al resistente. De esta forma, se obtiene un momento de aceleración. Como el deslizamiento es la unidad, la resistencia de carga es cero, lo que implica un consumo elevado de corriente.
- Arranque directo: Se emplea en motores de poca potencia.
- Arranque con autotransformador: Se intercala un autotransformador entre la red y el motor, de forma que la tensión aplicada en el arranque sea una fracción de la asignada. Una vez que el motor se acelera y obtiene una velocidad cercana a la asignada, el autotransformador se desconecta, quedando alimentado por la red.
- Arranque estrella-triángulo: Se utiliza en motores que estén preparados para trabajar en triángulo. La tensión en el arranque es √3 y la intensidad 3 veces menor, al igual que el par de arranque.
- Arrancador estático: Emplea elementos de electrónica de potencia (triacs) que reducen la tensión estatórica y la varían de forma continua.
Rotor Bobinado
- Inserción de impedancias: Se introduce una resistencia adicional en el rotor, teniendo en el momento del arranque el mayor valor de resistencia, lo que reduce la corriente inicial. Se van eliminando resistencias hasta que se cortocircuita el reóstato. Se produce un par elevado en el arranque.
Ensayos del Motor Asíncrono
Ensayo de Vacío
Consiste en hacer funcionar el motor sin ninguna carga mecánica en el eje. Se debe aplicar la tensión asignada al primario, midiendo la potencia absorbida y la Io. El motor en vacío girará a una velocidad muy próxima a la de sincronismo. Como no se ejerce ningún par de carga, la potencia que disipará la resistencia de carga representa las pérdidas por rozamiento y ventilación. Las pérdidas en el cobre del rotor se pueden despreciar debido al bajo valor de I2’. Po = Pfe + Pm + Pcu1. Las pérdidas en el cobre del estator se pueden calcular aplicando corriente continua para calcular la R1. Para determinar Pfe y Pm, es preciso alimentar el motor con una tensión variable desde Vn hasta el 30% de esta. Pfe + Pm = Po * m1 * R1 * Io^2. Representamos esta suma en función de la tensión al cuadrado y obtenemos el valor de Pm. Con Pfe se puede calcular la rama paralelo. Rfe = Vn / Ife; Xu = …
Ensayo de Cortocircuito
Se realiza impidiendo el giro del rotor, n = 0 y s = 1. Rc = 0, lo que indica que el motor se comporta como un transformador con el secundario en cortocircuito. Al estator se le aplica una tensión creciente desde 0 hasta que la corriente absorbida sea la asignada, Icc = In, midiendo a la vez la tensión aplicada y la potencia absorbida. La corriente de vacío es despreciable. cos φ = Pcc / (m1 * V1cc * I1n); Rcc = R1 + R2’; Xcc = … Si R1 se ha medido previamente, obtenemos R2’, necesario para Rc.
Motor Monofásico de Inducción: Principio de Funcionamiento
Está formado por un rotor en jaula de ardilla, análogo al de los motores trifásicos, y un devanado monofásico en el estator. Al alimentar el estator con corriente alterna monofásica, se crea un campo magnético en el entrehierro cuya distribución de fmm es senoidal, fija en el espacio y variable en el tiempo. Inducirá unas corrientes que inducirán un par de giro, pero en sentidos opuestos. El par resultante sobre el rotor en reposo es 0, por lo que la máquina no arranca por sí misma. Teorema de Leblanc: F(α,t) = 1/2 * F1m * (cos(ωt + α) + cos(ωt – α)). Cada campo giratorio dará lugar a una característica par-deslizamiento. Tomaremos un sentido de giro directo e inverso. Sd = (n1 – n) / n1; Si = (n1 + n) / n1. El campo directo produce un par positivo y el inverso, negativo. Si se desconecta una fase, la máquina trabaja como monofásica (no hay par de arranque y la potencia y el par máximo se reducen).
Balance de Potencias en Motores Asíncronos
En un motor asíncrono existe una transformación de energía eléctrica en mecánica, que se transmite del estator al rotor a través del entrehierro. La potencia absorbida de la red es: P1 = m1 * V1 * I1 * cos φ. Esta potencia llega al estator y parte se transforma en calor por efecto Joule. Pcu1 = m1 * R1 * I1^2. Otra parte se pierde en el entrehierro. Pfe = m1 * E1 * Ife. Pérdidas en el estator Pp1 = Pcu1 + Pfe. Potencia electromagnética Pa = P1 – Pp1. En el rotor aparecen pérdidas adicionales debido al efecto Joule, siendo despreciables las pérdidas en el hierro debido al bajo valor de f2. Pcu2 = … La potencia que llegará al eje será Pmi = m1 * Rc’ * I2’^2. La potencia útil será menor debido a las pérdidas por rozamiento y ventilación Pu = Pmi – Pm. El rendimiento será: η = Pu / P1
Tipos de Motores Monofásicos de Inducción
La diferencia entre los distintos tipos se encuentra en la forma de producir el par de arranque. Para producir un campo magnético, es necesaria la presencia de un devanado polifásico.
- Motor de fase partida: Posee un devanado principal que ocupa 2/3 de las ranuras, con baja reactancia, y un devanado auxiliar que ocupa el tercio restante, con alta resistencia y baja reactancia de dispersión. Este último se conecta en serie con un interruptor centrífugo acoplado al eje del motor. Una vez producido el arranque, se desconecta el devanado auxiliar.
- Motor con arranque por condensador: Similar al anterior, pero se conecta un condensador en el devanado auxiliar, cuya función es que la corriente en ese devanado adelante a la tensión. Se consigue un desfase de intensidades de 90º, lo que provoca un par de arranque más elevado.
- Motor con condensador permanente: Tiene un bajo factor de potencia y, como el campo magnético no es de amplitud constante, la fmm describe una elipse. Esto desemboca en una marcha más irregular de la máquina y un motor más ruidoso. Se evita conectando un condensador en serie en el devanado auxiliar. El motor funciona a plena carga como un motor bifásico equilibrado.
- Motor con doble condensador: Se utiliza para conseguir un elevado par de arranque y un funcionamiento suave a plena carga.
- Motor con espira de sombra: Se emplea para potencias muy pequeñas y par muy bajo. Consta de un estator de polos salientes partido en el que se arrolla una espira, que es atravesada por el flujo principal, induciendo una fem que, a su vez, produce una corriente en retraso que da lugar a un campo giratorio, provocando un par en el eje.
Regulación de Velocidad en Motores Asíncronos
La expresión n = N1 * (s – 1) indica que la velocidad depende del deslizamiento, la frecuencia y el número de polos.
Regulación por Variación de Polos (p)
Variando p, varía la velocidad de rotación del motor. Tiene que ser de jaula de ardilla, ya que adapta automáticamente por inducción su número de polos al existente en el estator. Se trabaja con dos escalones de velocidad en relación 2:1. Esto se denomina conexión Dahlander. Cada fase del devanado consta de dos fases iguales que pueden ponerse en serie o paralelo, lo que reduce p a la mitad y aumenta n al doble. Existen dos tipos de conexión Dahlander: a par constante y a potencia constante. La regulación de velocidad no es suave, sino escalonada, pero el método resulta muy económico.
Regulación por Variación del Deslizamiento (s)
Puede realizarse controlando la tensión aplicada al motor, pero se ve afectado el par, ya que varía con V^2. Otro método es variando la R2, aunque tiene pérdidas por efecto Joule. También se emplea el método de recuperación de la energía del circuito del rotor, que inyecta en la red la energía disipada en el rotor. Tiene como problema la diferencia de frecuencias, que se soluciona con un convertidor de frecuencia.
Regulación por Variación de la Frecuencia (f)
Es el método más utilizado. Tiene como ventaja la regulación continua y permite mantener las características asignadas dentro de un gran margen de regulación, siendo la velocidad base la de sincronismo a la frecuencia asignada.