MQUINAS ELECTRICAS

INTRODUCCINUna mquina de induccin puede trabajar bien como motor o como generador. Pero generalmente las mquinas de induccin trabajan como motores de induccin

En las mquinas de induccin, el voltaje del rotor es inducido por induccin electromagntica, por lo cual el motor de induccin no necesita corriente de campo de c.c. para poder funcionar.

INTRODUCCINEl principio de funcionamiento de las mquinas asncronas se basa en el concepto de campo magntico giratorio, ya explicado en el Captulo 1. El descubrimiento original fue publicado en 1888 por el profesor Galileo Ferraris en Italia y por Nikola Tesla en los Estados Unidos. Ambos diseos de motores asncronos se basaban en la produccin de campos magnticos giratorios con sistemas bifsicos, es decir, utilizando dos bobinas a 90 alimentadas con corrientes en cuadratura. Desgraciadamente, el motor bifsico de Ferraris tena un circuito magntico abierto y un rotor en forma de disco de cobre, por lo que desarrollaba una potencia muy baja y no tena inters comercial.

INTRODUCCINSin embargo, Tesla, que dio a conocer su motor dos meses ms tarde que Ferraris, utiliz devanados concentrados tanto en el estator como en el rotor, logrando con ello un motor ms prctico, y de ah que se considere a Tesla el inventor de este tipo de mquinas.Las patentes de Tesla fueron adquiridas por G. Westinghouse, quien construy en sus fbricas motores bifsicos que puso en el mercado alrededor de 1890.

INTRODUCCINEn este mismo ao el ingeniero de la AEG Dolivo Dobrowolsky invent el motor asncrono trifsico, empleando un rotor en forma de jaula de ardilla y utilizando un devanado distribuido en el estator. En el ao 1891 Dobrowolsky present en la Exposicin de Electricidad de Frankfurt un motor asncrono con rotor devanado que dispona de un restato de arranque a base de resistencias lquidas. En el ao 1893 Dobrowolsky haba desarrollado tambin motores asncronos con doble jaula de ardilla, que posean mejores cualidades de arranque que el motor en cortocircuito convencional (sin embargo, fue el francs P. Boucherot quien ms investig con este tipo de rotor).

INTRODUCCINA principios del siglo XX se impuso el sistema trifsico europeo frente al bifsico americano, por lo que las mquinas asncronas empezaron a ser (y son) trifsicas.La diferencia de la mquina asncrona con los dems tipos de mquinas se debe a que no existe corriente conducida a uno de los arrollamientos. La corriente que circula por uno de los devanados (generalmente el situado en el rotor) se debe a la f.e.m. inducida por la accin del flujo del otro, y por esta razn se denominan mquinas de induccin. Tambin reciben el nombre de mquinas asncronas debido a que la velocidad de giro del rotor no es la de sincronismo impuesta por la frecuencia de la red.

INTRODUCCINLa importancia de los motores asncronos se debe a su construccin simple y robusta, sobre todo en el caso del rotor en forma de jaula, que les hace trabajar en las circunstancias ms adversas, dando un excelente servicio con pequeo mantenimiento. Hoy en da se puede decir que ms del 80 por 100 de los motores elctricos industriales emplean este tipo de mquina, trabajando con una frecuencia de alimentacin constante. Sin embargo, histricamente su inconveniente ms grave ha sido la limitacin para regular su velocidad, y de ah que cuando esto era necesario, en diversas aplicaciones como la traccin elctrica, trenes de laminacin, etc., eran sustituidos por motores de c.c., que eran ms idneos para este servicio.

INTRODUCCINDesde finales del siglo XX y con el desarrollo tan espectacular de la electrnica industrial, con accionamientos electrnicos como inversores u onduladores y cicloconvertidores, que permiten obtener una frecuencia variable a partir de la frecuencia constante de la red, y con la introduccin del microprocesador en la electrnica de potencia, se han realizado grandes cambios, y los motores asncronos se estn imponiendo poco a poco en los accionamientos elctricos de velocidad variable [2].

[2]. Jess Frayle Mora, Mquinas elctricas, 5ta edicin

ASPECTOS CONSTRUCTIVOS [2]. La mquina asncrona o de induccin al igual que cualquier otro dispositivo de conversin electromecnica de la energa de tipo rotativo, est formada por un estator y un rotor.En el estator se coloca normalmente el inductor, alimentado por una red mono o trifsica. El rotor es el inducido, y las corrientes que circulan por l aparecen como consecuencia de la interaccin con el flujo del estator. Dependiendo del tipo de rotor, estas mquinas se clasifican en:

rotor en jaula de ardilla o en cortocircuito.rotor devanado o con anillos.

ASPECTOS CONSTRUCTIVOS [2]. El estator est formado por un apilamiento de chapas de acero al silicio que disponen de unas ranuras en su periferia interior en las que se sita un devanado trifsico distribuido.

ASPECTOS CONSTRUCTIVOS [2].Fig.1 Partes constitutivas de una mquina de induccin

MOTOR ASINCRNICO TIPO JAULA DE ARDILLA

MOTOR ASINCRNICO TIPO JAULA DE ARDILLAFig.2 Partes constitutivas de un motor de induccin con rotor tipo jaula de ardilla

MOTOR ASINCRNICO DE ROTOR BOBINADO

MOTOR ASINCRNICO DE ROTOR BOBINADOFig.3 Partes constitutivas de un motor de induccin de rotor bobinado

CONCEPTOS BASICOS DE MOTORESEl funcionamiento de una mquina de induccin se basa en el principio de la interaccin electromagntica entre el campo giratorio creado por el sistema trifsico de corrientes alimentada a las bobinas del estator y las corrientes inducidas en el arrollamiento del rotor cuando sus conductores son cortados por el campo giratorio.El funcionamiento de mquina de induccin es esencialmente el mismo que el de un transformador, el primario es el estator y el secundario es el rotor.

CONCEPTOS BASICOS DE MOTORESPara que el motor funcione de manera adecuada la velocidad del rotor no debe ser igual a la velocidad del campo giratorio. Si el rotor girara a la misma velocidad que el campo rotatorio, entonces no habra un movimiento relativo entre ellos, y por lo tanto no habra un voltaje inducido en los conductores del rotor.Por tanto, la velocidad del rotor nrotor siempre es menor que la velocidad sincrnica nsinc para funcionamiento como motor.

CONCEPTOS BASICOS DE MOTORESLa velocidad del campo rotatorio esta dada por: (velocidad sincrnica)Donde: fe = frecuencia elctrica en Hz.p = # de par de polosnsinc = velocidad sincrnica

CONCEPTOS BASICOS DE MOTORESSe define la velocidad de deslizamiento, como la diferencia de la velocidad sincrnica y la velocidad del rotor.

ndesliz= Velocidad de deslizamiento (velocidad relativa)nsinc= Velocidad sincrnica del campo rotatorionrotor= Velocidad mecnica del rotor

Otro trmino muy usado para describir el movimiento relativo de la mquina es el deslizamiento

s = deslizamiento en %

Expresando en funcin de las velocidades angulares en rad/seg.

Si el rotor gira a la velocidad sincrnica , entonces

Si el rotor esta parado

, entonces

Todas las velocidades del motor, estn entre los limites de: 0 < s < 1

Se puede expresar la velocidad del rotor en funcin de la velocidad sincrnica y del deslizamiento.

Como:

Se llega a:

O en su caso:

Frecuencia elctrica en el rotor (fr):Fig.3 Ilustracin de la velocidad de deslizamientoLa velocidad del rotor respecto del estator, es como si el rotor se alejara del estator, puesto que (el rotor aparentemente gira en sentido de las agujas del reloj respecto del estator)

Campo del estator

Rotor

Frecuencia elctrica en el rotor (fr):La velocidad a la que se mueve el rotor con respecto al estator, esta dado por:

Por otro lado:

De donde:

Frecuencia elctrica en el rotor (fr):

Luego:

fr = frecuencia elctrica del voltaje y de la corriente inducidos en el rotor

Para el anlisis realizado, se considera que el punto de referencia esta sobre el campo magntico giratorio

Si s = 1 fr = fe (rotor parado), idem a trafo Si s = 0 fr = 0 (rotor a velocidad sincrnica)

La frecuencia elctrica puede representarse tambin en la forma:

Ejemplo 1Un motor de induccin de 208 [v], 10 Hp, cuatro polos, 50 Hz conectado en tiene un deslizamiento a plena carga del 5% Cul es la velocidad sincrnica?Cul es la velocidad del rotor del motor con carga nominal?Cul es la frecuencia del rotor de este motor con carga nominal?Cul es el momento de torsin sobre el eje del motor con carga nominal?

Ejemplo 2Un motor de induccin de 208[v], trifsico, 8 polos y 60 Hz esta funcionando con un deslizamiento de 4.5%. Halle:La velocidad del campo magnetico en revoluciones por minuto [r.p.m.]La velocidad del rotor en revoluciones por minuto [r.p.m.]La velocidad de deslizamiento del rotorLa frecuencia del rotor en Hz

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR DE INDUCCIN El principio de funcionamiento de un motor de induccin es el mismo que el de un transformador; por tanto, sus circuitos equivalentes son muy similares.Esta similitud se debe a que en un motor de induccin est presente la accin transformadora, es decir, el circuito del estator induce voltajes y corrientes en el circuito del rotor.

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR DE INDUCCIN A un motor de induccin, tambin se le da el nombre de mquina individualmente excitada, puesto que la potencia elctrica se entrega solamente al circuito del estator y no as al circuito del rotor.

MODELO CIRCUITAL DEL MOTOR DE INDUCCIN COMO TRANSFORMADOREl circuito equivalente por fase de un motor de induccin se presenta en la siguiente figura:

Fig .4 Circuito equivalente de un motor de induccin. El rotor y el estator estn conectados por medio de un transformador ideal con relacin de espiras

En el circuito equivalente se tiene:Vp = Voltaje primario aplicado a las bobinas del estator (voltaje de fase)I1 = Corriente por los bobinados del estator (corriente de fase)R1 = Resistencia equivalente de los bobinados del estator (por fase)X1 = Reactancia de dispersin del estator Rc = Resistencia equivalente que representa las prdidas en el ncleoXM = Reactancia de magnetizacinE1 = Voltaje efectivo en el lado primarioER = Voltaje inducido en las bobinas del rotorXR = Reactancia de dispersin del rotorRR = Resistencia de las bobinas del rotorIR = Corriente por las bobinas del rotoraef = Relacin de espiras efectivaI2 = Corriente interna efectiva del estator.

En cualquier transformador con ncleo de hierro, el flujo presente en la mquina esta relacionado con el nivel de voltaje aplicado E1.En la Figura se muestra las curvas de magnetizacin de un transformador y de un motor de induccin.La pendiente del flujo del motor < a la pendiente del transformadorEn el motor existe un entrehierro y esto aumenta la reluctanciaUna reluctancia alta debilita el acoplamiento entre los embobinados primario (Estator) y secundario (Rotor)Cuanto mas alta la reluctancia, mas alta es la corriente de magnetizacin IM para crear un flujo determinado

Eje X

Eje Y

XM (reactancia de magnetizacin) del motor es mucho menor que de un transformadorGeneralmente IM no se la puede despreciar como en el transformador

Eje X

Eje Y

MODELO CIRCUITAL DEL ROTOR DE UN MOTOR DE INDUCCINEl circuito equivalente de un motor de induccin se diferencia del circuito equivalente del transformador en los efectos que tiene la frecuencia variable del rotor (fr) sobre el voltaje ER y sobre las impedancias RR y jXR.Si nr = 0, el deslizamiento es mximo y el voltaje inducido ER ser el mximo. A la condicin nr = 0 (rotor parado) se conoce como la condicin de rotor frenado o rotor bloqueado, en donde s = 1El mnimo voltaje inducido (ER = 0) se da cuando el movimiento relativo es nulo, es decir:

El voltaje inducido en el rotor para cualquier velocidad entre nr = 0 y nr = nsinc (s = 1 y s = 0) es directamente proporcional al voltaje inducido en condicin de rotor bloqueado, esto es:

ER = Voltaje inducido a cualquier vel. entre nr = 0 y nr = nsincERO = Voltaje inducido en condicin de rotor bloqueados = deslizamiento La resistencia del rotor se puede suponer constante (excepto para el efecto superficial).

La reactancia del rotor, depender sin embargo de la inductancia de los devanados del rotor y de la velocidad relativa del rotor, esto es:= Velocidad relativa del rotor respecto al estator en [rad/seg]XR = 2* * fr *LR = 2**s*fe *LR = s [2**fe *LR] = s[ * LR] = sXROEntonces:De donde:Donde: XRO = reactancia del rotor a rotor bloqueado

Por tanto, el circuito equivalente del rotor puede representarse como:De donde la corriente que circula por el rotor ser: Esta expresin, podemos representar en la forma:

Con la ltima expresin de corriente, se puede representar el circuito en la formaDonde:Obsrvese que el ltimo circuito tiene una fuente de tensin constante, pero una impedancia que vara en funcin del deslizamiento s.(Impedancia del rotor equivalente)

En el circuito anterior pueden presentarse dos casos:Muy bajos deslizamientos, entonces s 0, por tanto:

IRO = Corriente por los embobinados del rotor a rotor bloqueadob) Para deslizamientos altos:

Para deslizamientos altos. La corriente del rotor, llega a un valor de estado estacionario

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