EXPLORANDO LOS MOTORES DEINDUCCIÓN
Autor: Oscar Vargas
BIENVENIDOS A NUESTRA PRIMERA EDICIÓN DE LA REVISTA DIGITAL "ELECTROCONECT"!
EN ESTE NÚMERO, NOS ADENTRAREMOS EN EL FASCINANTE MUNDO DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN, MÁQUINAS ELÉCTRICAS
FUNDAMENTALES QUE IMPULSAN GRAN
PARTE
LOSMOTORESDEINDUCCIÓNSON,SINDUDA, LOSCABALLOSDEBATALLADELAINDUSTRIA.
SUPOPULARIDADSEDEBEASUROBUSTEZ,BAJO MANTENIMIENTOYEFICIENCIA.PERO,¿CUÁLES LADIFERENCIAENTREUNMOTOR
MONOFÁSICOYUNOTRIFÁSICO?
LOS MOTORES DE INDUCCIÓN MONOFÁSICOS OPERAN
CON UNA ÚNICA FASE DE CORRIENTE ALTERNA Y SON COMUNES EN APLICACIONES DE BAJA POTENCIA, COMO ELECTRODOMÉSTICOS, HERRAMIENTAS ELÉCTRICAS Y PEQUEÑOS COMPRESORES.
LOS MOTORES DE INDUCCIÓN TRIFÁSICOS UTILIZAN UN SISTEMA DE TRES FASES DE CORRIENTE ALTERNA. ESTA CONFIGURACIÓN LES PERMITE GENERAR NATURALMENTE UN CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO EN EL ESTATOR, LO QUE LES PROPORCIONA UN PAR DE ARRANQUE ELEVADO Y UNA OPERACIÓN MÁS SUAVE Y EFICIENTE.
CONSTRUCCIÓNY
CARACTERÍSTICASDELMOTOR DEINDUCCIÓNTRIFÁSICO
UNMOTORDEINDUCCIÓNTRIFÁSICOSE COMPONEPRINCIPALMENTEDEDOS PARTES:ELESTATORYELROTOR.
ESTATOR:ESLAPARTEFIJADELMOTOR YCONTIENEUNNÚCLEOLAMINADO CONRANURASDONDESEALOJANLOS DEVANADOSTRIFÁSICOS.CUANDOUNA CORRIENTEALTERNATRIFÁSICAFLUYEA TRAVÉSDEESTOSDEVANADOS,SE GENERAUNCAMPOMAGNÉTICO GIRATORIO.
ROTOR:ESLAPARTEGIRATORIAY PUEDESERDEDOSTIPOS:
ROTORDEJAULADEARDILLA:ES ELMÁSCOMÚN.CONSISTEEN BARRASCONDUCTORAS INCRUSTADASENUNNÚCLEO LAMINADOYCORTOCIRCUITADAS ENAMBOSEXTREMOSPOR ANILLOS.SUNOMBRESEDEBEASU PARECIDOCONUNAJAULADE ARDILLA.
ROTORBOBINADO(ODEANILLOS ROZANTES):POSEEDEVANADOS SIMILARESALOSDELESTATORY LASTERMINALESDEESTOS DEVANADOSSECONECTANA ANILLOSROZANTESYESCOBILLAS, LOQUEPERMITEINSERTAR RESISTENCIAEXTERNAENEL CIRCUITODELROTORPARA CONTROLARELPARDEARRANQUE YLAVELOCIDAD.
LAS CARACTERÍSTICAS CLAVE DE LOS MOTORES TRIFÁSICOS INCLUYEN SU ALTA EFICIENCIA, ROBUSTEZ, BAJO COSTO EN RELACIÓN A SU POTENCIA, AUSENCIA DE ESCOBILLAS (EN LOS DE JAULA DE ARDILLA, LO QUE REDUCE EL MANTENIMIENTO) Y LA CAPACIDAD DE OPERAR EN AMBIENTES HOSTILES.
EL DIAGRAMA FASORIAL ES UNA HERRAMIENTA GRÁFICA INDISPENSABLE PARA VISUALIZAR LAS RELACIONES DE FASE Y MAGNITUD DE LAS CORRIENTES, VOLTAJES Y FLUJOS MAGNÉTICOS DENTRO DEL MOTOR DE INDUCCIÓN. NOS PERMITE ENTENDER CÓMO INTERACTÚAN LOS DIFERENTES COMPONENTES ELÉCTRICOS (RESISTENCIA, REACTANCIA DE DISPERSIÓN, REACTANCIA DE MAGNETIZACIÓN) Y CÓMO SE DISTRIBUYE LA POTENCIA EN EL CIRCUITOEQUIVALENTE
RELACIÓNDETRANSFORMACIÓN DELMOTORDEINDUCCIÓN
AUNQUE NO ES UN TRANSFORMADOR EN EL SENTIDO TRADICIONAL, EL MOTOR DE INDUCCIÓN PUEDE ANALIZARSE COMO UNO. LA RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN EN UN MOTOR DE INDUCCIÓN SE REFIERE A LA RELACIÓN ENTRE LOS VOLTAJES O CORRIENTES DEL ESTATOR Y DEL ROTOR, AJUSTADA POR EL NÚMERO DE ESPIRAS EFECTIVAS DE CADA UNO. EN EL CIRCUITO EQUIVALENTE, SE UTILIZAN RELACIONES PARA REFERIR IMPEDANCIAS DEL ROTORALESTATOROVICEVERSA,LOQUESIMPLIFICAELANÁLISIS.
CIRCUITOEQUIVALENTEDEL MOTORDEINDUCCIÓN
ESTE MODELO SIMPLIFICADO REPRESENTA TODAS LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL MOTOR MEDIANTE
COMPONENTES ELÉCTRICOS PASIVOS COMO RESISTENCIAS Y REACTANCIAS.
EL CIRCUITO EQUIVALENTE BÁSICO INCLUYE:
RESISTENCIA DEL DEVANADO DEL ESTATOR (R1) Y REACTANCIA DE FUGA DEL ESTATOR (X1).
REACTANCIA DE MAGNETIZACIÓN (XM) Y RESISTENCIA DEL NÚCLEO (RC). ESTAS REPRESENTAN LA CORRIENTE DE MAGNETIZACIÓN Y LAS PÉRDIDAS EN EL NÚCLEO.
RESISTENCIA DEL DEVANADO DEL ROTOR REFERIDO AL ESTATOR (R2′) Y REACTANCIA DE FUGA DEL ROTOR REFERIDO AL ESTATOR (X2′).
UNA RESISTENCIA VARIABLE EN EL ROTOR QUE REPRESENTA LA POTENCIA MECÁNICA DESARROLLADAESTA, ESTA RESISTENCIA ES CLAVE PARA MODELAR EL CAMBIO DE CARGA EN EL MOTOR.
ESTE CIRCUITO PERMITE CALCULAR CORRIENTES, POTENCIAS, PAR Y EFICIENCIA BAJO DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACIÓN.
PRUEBASENVACÍOYCONROTOR
BLOQUEADO
LA PRUEBA EN VACÍO SE REALIZA
CON EL MOTOR SIN CARGA
MECÁNICA EN EL EJE. EN ESTA CONDICIÓN, EL DESLIZAMIENTO ES CERCANO A CERO (S≈0). LOS DATOS OBTENIDOS DE ESTA
PRUEBA (VOLTAJE, CORRIENTE Y POTENCIA) SE UTILIZAN PARA CALCULAR LA REACTANCIA DE MAGNETIZACIÓN (XM) Y LA RESISTENCIA QUE REPRESENTA LAS PÉRDIDAS EN EL NÚCLEO (RC). LA CORRIENTE DE VACÍO ES PRINCIPALMENTE MAGNETIZANTE Y LAS PÉRDIDAS REGISTRADAS SON MAYORMENTE LAS PÉRDIDAS EN EL NÚCLEO Y LAS PÉRDIDAS MECÁNICAS.
LA PRUEBA CON ROTOR
BLOQUEADO (O DE CORTOCIRCUITO) SE REALIZA BLOQUEANDO FÍSICAMENTE EL ROTOR PARA QUE NO GIRE (NR=0), LO QUE IMPLICA UN DESLIZAMIENTO S=1. ESTA PRUEBA PERMITE DETERMINAR LA RESISTENCIA Y REACTANCIA DE FUGA DEL ESTATOR Y DEL ROTOR COMBINADAS. LA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO ES ALTA, Y LAS PÉRDIDAS DOMINANTES SON LAS PÉRDIDAS EN EL COBRE DE LOS DEVANADOS DEL ESTATOR Y DEL ROTOR.
PÉRDIDASENELCOBREY PORELDESLIZAMIENTO
LAS PÉRDIDAS POR EL
DESLIZAMIENTO SON INHERENTES
AL PRINCIPIO DE
FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE INDUCCIÓN. LA ENERGÍA ELÉCTRICA
TRANSFERIDA DEL ESTATOR AL ROTOR SE CONVIERTE EN PARTE EN POTENCIA MECÁNICA Y EN PARTE
SE DISIPA COMO CALOR DEBIDO A
LA DIFERENCIA DE VELOCIDAD
ENTRE EL CAMPO GIRATORIO Y EL ROTOR (EL DESLIZAMIENTO). LA POTENCIA QUE SE TRANSFIERE AL ROTOR SE CONOCE COMO
POTENCIA DE ENTREHIERRO . DE ESTA, UNA FRACCIÓN SE PIERDE EN EL COBRE DEL ROTOR, Y EL RESTO
SE CONVIERTE EN POTENCIA MECÁNICADESARROLLADA.
LAS PÉRDIDAS EN EL COBRE SON LAS PÉRDIDAS DE ENERGÍA QUE OCURREN
DEBIDO A LA RESISTENCIA ELÉCTRICA DE LOS DEVANADOS DEL ESTATOR Y DEL ROTOR. A MEDIDA QUE LA CORRIENTE FLUYE A TRAVÉS DE LOS CONDUCTORES, PARTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA SE DISIPA EN FORMA DE CALOR. ESTAS PÉRDIDAS SON PROPORCIONALES AL CUADRADO DE LA CORRIENTE QUE CIRCULA POR CADA DEVANADO.
GENERADORASINCRÓNICO
LOS GENERADORES ASINCRÓNICOS SON COMÚNMENTE
UTILIZADOS EN APLICACIONES DONDE HAY UNA FUENTE DE ENERGÍA MECÁNICA VARIABLE, COMO EN TURBINAS EÓLICAS O EN PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS. NO
REQUIEREN DE EXCITACIÓN DC SEPARADA, COMO LOS GENERADORES SÍNCRONOS, YA QUE LA POTENCIA REACTIVA NECESARIA PARA ESTABLECER EL CAMPO MAGNÉTICO LA TOMAN DE LA RED O DE UN BANCO DE CONDENSADORES. SU CONSTRUCCIÓN ES SIMILAR A LA DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN, LO QUE LOS HACE ROBUSTOS Y DE BAJO MANTENIMIENTO.
MÉTODOSDEARRANQUEDEL MOTORDEINDUCCIÓN
DEBIDOAQUELOSMOTORESDE INDUCCIÓN,ESPECIALMENTELOSDEGRAN POTENCIA,PUEDENDEMANDARUNA CORRIENTEDEARRANQUEMUYELEVADA, PARAELLOSEUTILIZANDIVERSOS MÉTODOSDEARRANQUEPARALIMITAR ESTACORRIENTEYPROTEGERTANTOEL MOTORCOMOLAREDELÉCTRICA. ALGUNOSDELOSMÉTODOSMÁS
COMUNESSON:
1.ARRANQUEDIRECTO(DOL-DIRECT ONLINE):ESELMÉTODOMÁSSIMPLE, CONECTANDOELMOTOR DIRECTAMENTEALATENSIÓN NOMINAL.
2.ARRANQUEESTRELLA-DELTA(Y-Δ): PARAMOTORESTRIFÁSICOSCON DEVANADOSDISEÑADOSPARAELLO.
3.ARRANQUECON AUTOTRANSFORMADOR:UN AUTOTRANSFORMADORSEUTILIZA PARAREDUCIRLATENSIÓNAPLICADA ALMOTORDURANTEELARRANQUE. UNAVEZQUEELMOTORACELERA,EL AUTOTRANSFORMADORSE
DESCONECTAYELMOTORSECONECTA DIRECTAMENTEALARED.
4.ARRANQUECONRESISTENCIASO REACTANCIASENSERIE:SEINSERTAN RESISTENCIASOREACTANCIASENSERIE CONLOSDEVANADOSDELESTATOR PARALIMITARLACORRIENTEDE ARRANQUE.UNAVEZQUEELMOTOR ACELERA,SECORTOCIRCUITANESTAS IMPEDANCIAS.
5.ARRANCADORES SUAVES (SOFT STARTERS): DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS QUE CONTROLAN EL VOLTAJE APLICADO AL MOTOR MEDIANTE TIRISTORES, AUMENTANDO GRADUALMENTE LA TENSIÓN DESDE CERO HASTA LA NOMINAL. PERMITEN UN ARRANQUE MUY SUAVE, REDUCIENDO EL ESTRÉS MECÁNICO Y ELÉCTRICO.
6.VARIADORES DE FRECUENCIA (VFDVARIABLE FREQUENCY DRIVES): SON LOS MÉTODOS DE ARRANQUE MÁS AVANZADOS. ADEMÁS DE CONTROLAR LA CORRIENTE DE ARRANQUE, PERMITEN VARIAR LA VELOCIDAD DEL MOTOR UNA VEZ EN OPERACIÓN AL MODIFICAR LA FRECUENCIA Y EL VOLTAJE DE ALIMENTACIÓN. OFRECEN UN CONTROL PRECISO DE LA VELOCIDAD Y EL PAR, Y SON MUY EFICIENTES ENERGÉTICAMENTE.
LA TEORÍA DE LOS CAMPOS ROTATIVOS ES EL PRINCIPIO FUNDAMENTAL QUE EXPLICA EL FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN TRIFÁSICOS. ESTA TEORÍA ESTABLECE QUE CUANDO UN SISTEMA DE CORRIENTES ALTERNAS TRIFÁSICAS SE APLICA A UN DEVANADO TRIFÁSICO EN EL ESTATOR, SE GENERA UN CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO DE MAGNITUD CONSTANTE Y QUE ROTA A UNA VELOCIDAD SÍNCRONA (NS).
CADA FASE DE CORRIENTE ALTERNA PRODUCE UN CAMPO MAGNÉTICO PULSANTE. SIN EMBARGO, LA COMBINACIÓN DE LOS TRES CAMPOS MAGNÉTICOS PULSANTES, DESFASADOS 120 GRADOS ELÉCTRICOS EN EL ESPACIO Y EN EL TIEMPO, RESULTA EN UN CAMPO MAGNÉTICO RESULTANTE QUE NO SOLO PULSA, SINO QUE TAMBIÉN ROTA.
ESTE CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO "ARRASTRA" A LOS CONDUCTORES DEL ROTOR. POR LA LEY DE FARADAY, EL CAMBIO DE FLUJO MAGNÉTICO A TRAVÉS DE LOS CONDUCTORES DEL ROTOR INDUCE UNA FUERZA ELECTROMOTRIZ (FEM) EN ELLOS. COMO EL ROTOR ESTÁ EN CORTOCIRCUITO (O CERRADO SOBRE UNA IMPEDANCIA), ESTA FEM INDUCE UNA CORRIENTE EN EL ROTOR. LA INTERACCIÓN ENTRE LA CORRIENTE INDUCIDA EN EL ROTOR Y EL CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO DEL ESTATOR PRODUCE UN PAR ELECTROMAGNÉTICO QUE HACE QUE EL ROTOR GIRE, SIGUIENDO EL SENTIDO DE ROTACIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO DEL ESTATOR, PERO SIEMPRE A UNA VELOCIDAD LIGERAMENTE MENOR (DEBIDO AL DESLIZAMIENTO). SIN ESTE DESLIZAMIENTO, NO HABRÍA INDUCCIÓN DE CORRIENTE EN EL ROTOR Y, POR LO TANTO, NO SE GENERARÍA PAR. TEORÍADELOSCAMPOS ROTATIVOS
