Maquinas Eléctricas Asincronas (Universidad Nacional de Loja)

MÁQUINASELÉCTRICAS ASÍNCRONAS

Jorge Patricio Muñoz V.MSc - MBA

Son los más utilizados en la industria.

Estos motores tienen la peculiaridad de que no precisan de un campo magnético en el rotor alimentado con corriente continua como en el caso de la máquina síncrona.Una fuente de corriente alterna (trifásica o monofásica) alimenta al estator.Una fuente de corriente alterna (trifásica o monofásica) alimenta al estator.

El estator está constituido por un núcleo de hierro laminado en cuyo interior existen p pares de polos magnéticos colocados simétricamente formando 120º eléctricos. El estator es sometido a una C.A. y los polos magnéticos del estator giran continuamente creando un campo giratorio.

Motor Asíncrono o de InducciónMotor Asíncrono o de Inducción

Estator

Aspectos ConstructivosAspectos Constructivos

Distribución del bobinado en el estatorDistribución del bobinado en el estator


Rotor Jaula de Ardilla Rotor Bobinado

Rotor Jaula de ArdillaRotor


Barras AnilloBarras Anillo

Rotor de aluminioRotor de aluminioFundidoFundido

Rotor de anillosRotor de anillosSoldadosSoldados

AnillosAnillos

Partes ConstructivasPartes Constructivas

• Ns = Campo magnético giratorio a velocidad de sincronismo.

• Nr = velocidad del rotor.

n1 > n2

ω1 > ω2

ω1

ω2

Campo magnético giratorioCampo magnético giratorio

R

R’

S

S’

T

T’

S

N

S

N

ESTATOR(genera el campo giratorio producido por corrientes

trifásicas)

ROTOR(gira siguiendo al campo

giratorio)

Energía eléctrica(Estator)

Energía mecánica(Rotor)

Campo magnético giratorio – Principio motorCampo magnético giratorio – Principio motor

• Al circular corriente por los conductores del rotor , aparecerá en los mismos una fuerza cuyo sentido se obtiene aplicando

• El sentido de la fuerza es el mismo que el campo magnético giratorio del estator.

• Multiplicando la fuerza por el radio del rotor e integrando esta acción sobre el número total de conductores del rotor se obtendrá el par total de la máquina.

• Cuando más se aproxima la velocidad del rotor (Nr) a la velocidad del estator (Ns), la fem inducida en los conductores del rotor se reduce así como la circulación de su corriente provocando una disminución del par interno.

Principio de funcionamientoPrincipio de funcionamiento

)( BLF xi

Principio de funcionamientoPrincipio de funcionamiento

Placa de bornesPlaca de bornes

U1 V1 W1

U2 V2 W2

U1 V1 W1

U2 V2 W2

Cambio de sentido de giroCambio de sentido de giro

Deslizamiento o deslizamiento absoluto: N = Ns - Nr

Deslizamiento relativo: s

DeslizamientoDeslizamiento

DeslizamientoDeslizamiento

12

r

12

ff

1s0N si

f sf

f2 = la frecuencia del rotorf1 = la frecuencia del estator

22s E sE E2 = fem con rotor detenido

p

f 60n 2

2

n2 = velocidad respecto a su propio movimiento

Frecuencias de la Corriente del RotorFrecuencias de la Corriente del Rotor

Circuito equivalente por faseCircuito equivalente por fasedel motor asíncronodel motor asíncrono

• R1 y R2 son las resistencias por fase

• 22s X sX

111111 IjXIREV 22s222s IjXIRE


2s2

2s2 jXR

EI

22

22

jXs

RE

I

1

s1

RjXR

EI

222

22 Resistencia de

carga


• E2 y X2 son la fem y reactancia del motor en reposo.

• La resistencia Rc se denomina resistencia de carga y representa el efecto equivalente a la carga mecánica aplicada al rotor o la potencia eléctrica disipada en la Rc multiplicada por el número de fases.


Omitida la figura de la máquina

Modificado el circuito del rotor para adaptarlo a la ecuación anterior

Resistencia propia del rotor más la resistencia de carga


• E2 ‘ = m E2

• I2 ‘ = I2 / m

• R2 ‘ = m2 R2

• X2 ‘ = m2 X2

• Los circuitos anteriores no reúnen las ventajas analíticas por los acoplamientos magnéticos.

• Es necesario los parámetros del secundario referirlos al lado primario.

Circuito equivalente por fase del motorCircuito equivalente por fase del motorasíncrono reducido al estatorasíncrono reducido al estator

Resistencia propia del rotor más la resistencia de carga

Secundario equivalente transferido sus valores al lado primario


Circuito exacto

Circuito aproximado

Se obtiene una gran ventaja analítica trasladando la rama de vacio a los terminales de entrada

Ecuaciones del circuito equivalenteEcuaciones del circuito equivalenteexacto reducido al estatorexacto reducido al estator

, 21 0 2 0

II =I +I =I +

m

1 1 1 1 1 1V =E +R +jX II

, , , , , , ,2 2 2 c 2 2 2E =R I +R I +jX I


• El error del circuito aproximado es mayor que en los transformadores por la presencia del entrehierro del motor.

• Con el circuito equivalente aproximado se obtienen corrientes en el rotor que son más altas que los valores reales.

• La aproximación es aceptable para motores de potencias superiores a los 10 kW.

Circuito equivalente aproximado corregidoCircuito equivalente aproximado corregidodel motor asíncrono reducido al estatordel motor asíncrono reducido al estator

Circuito equivalente aproximado corregido

,, ,1 2

1 1 1 1 2

X RV =V 1- =R +jX + +jX

Xm s

• Este circuito sirve para determinar corrientes, pérdidas, potencias, potencia mecánica, etc.

• Para calcular la potencia absorbida aplicar V1 y no V1’

Prueba en vacio o rotor librePrueba en vacio o rotor libre

Circuito equivalente de la prueba en vacio

M3 ~

A

V

W1

W2

R

S

T

I0



• Po = pérdidas medidas en la prueba de vacio.

• PFe = pérdidas en el hierro

• Pm = pérdidas mecánicas

• Pcu1 = pérdidas en el cobre del estator

• El valor de R1 puede medirse introduciendo CC en el estator (con un óhmetro).

• La prueba en vacio permite obtener la rama en paralelo.

0 Fe m 1P =P +P +Pcu

Fe0

1n 0

Pcosφ =

3V IFe 0 0I =I cosφ 0 0I =I sen φ

1nFe

Fe

VR =

I1n

μμ

VX =

I

Reparto de las pérdidas en vacio en función de la tensión


• Para determinar PFe y Pm es necesario alimentar al motor con una tensión variable.

• El voltaje de la prueba debe variar en el 30% al 50% de V1n y algo superior al V1n . En cada escalón se debe medir P0, I0 y V1. Deduciendo PFe y Pm.

2010cu10mFe I3RPPPPP


M3 ~

A

V

W1

W2

Prueba de cortocircuito o rotor bloqueadoPrueba de cortocircuito o rotor bloqueado

Rotor bloqueado

R

S

T

I1cc=I1n

Prueba de cortocircuito o rotor bloqueadoPrueba de cortocircuito o rotor bloqueado

Circuito equivalente en cortocircuito

cccc

cc 1n

Pcosφ =

3V I

, 1cccc 1 2 cc

1n

VR =R +R = cos φ

I

, 1cccc 1 2 cc

1n

VX =X +X = sen φ

I

• Al estator se aplica una tensión creciente, partiendo de 0 hasta que la corriente absorbida Icc sea igual a la I1n (corriente nominal por fase).

• Se mide así la V1cc y la Pcc total.

• En este caso la corriente en vacio I0 es despreciable frente a I1n debido a la pequeña tensión V1cc

• La prueba en cortocircuito permite obtener los parámetros de la rama en serie del motor.

Balance de potenciasBalance de potencias

Circuito equivalente exacto y distribución de potencias en el motor

P1

P1

Pmi

Pm

Pu

Pmi

Pm

Pu


1111 cosI3VP Potencia que la máquina absorbe de la red

211cu1 I3RP Potencia que llega al estator y una parte se

transforma en calor (efecto Joule) en los devanados

Fe1cu1p1 PPP Esta suma representa las pérdidas de potencia en el estator

Fe1Fe1Fe1Fe I3VI3EPP La f2 es muy pequeña en el orden de 2,5 Hz por lo que las pérdidas en el hierro del rotor se desprecian

Fecu11p11a PPPPPP La potencia electromagnética que llegará al entrehierro se denomina Pa

2,2

,2

222cu2 I3RI3RP

Pérdidas en los devanados del rotor

cu2ami P-PP La potencia que llega al árbol de la máquina se denomina potencia mecánica interna Pmi


2,2

,2mi I1

s1

3RP

Teniendo en cuenta el significado de la Rc’

mmiu PPP

La potencia útil en el eje es algo menor debido a las pérdidas mecánicas por rozamiento y ventilación

cu1Fecu2mu

u

1

u

PPPPP

P

P

Pη

El rendimiento se expresa por lo siguiente

Par de rotaciónPar de rotación

60n

2π

PT u

El par útil o torque en Nw m es el siguiente:

60n

2π

Is

R3

T1

2,2

,2

Considerando las expresiones anteriores

,21

2

2,2

11

21

,2

60n

2π

Vs

R3

T XXX

XsR

R

cc

cc

Par en función de s que expresa el par en función de los parámetros del motor

Par de rotaciónPar de rotación

2cc

211

21

máx

XRR260n

2π

3VT

El par máximo se encuentra haciendo dT / ds = 0

2cc

21

,2

máxXR

Rs

Sustituyendo la última expresión en la del par, resulta

• El “+” expresa el par máximo funcionamiento como motor y el “-” como generador.

• El par máximo no cambia con la resistencia del rotor, lo que significa que se puede cambiar la velocidad de rotor introduciendo resistencias en el motor tipo rotor bobinado sin cambiar el par máximo.

Curvas par velocidad de la máquina asíncronaCurvas par velocidad de la máquina asíncrona

Curvas a y b dependen de la resistencia del rotor, sin embargo cambia el valor del deslizamiento s en el valor del par máximo.

Ta = par de arranqueTmax = par máximoSm = deslizamiento máximo

Característica mecánicaT

Tm

Ta

Tn

T0

Descripción característica mecánica

• Punto A. Instante del arranque del motor. El motor proporciona el valor del par de arranque Ta que debe ser superior al par resistente para que gire el rotor. Para ello, la corriente de arranque llega a ser hasta 6 veces su valor nominal.

• Tramo AC. Zona de funcionamiento inestable del motor.• Punto C. Carga crítica que obligaría al motor a entregar su par máximo.• Tramo CE. Zona de funcionamiento estable del motor entre la velocidad crítica y la

velocidad de vacío.• Punto D. Corresponde al régimen nominal del motor. En este punto se iguala el par

motor Tn con el par resistente Tr y se mantiene el motor girando a velocidad nominal ωn constante.

• Punto E. No hay carga mecánica acoplada al eje del motor, por tanto, el par resistente es nulo. El motor está entregando un par motor To suficiente para vencer solamente los rozamientos mecánicos. La velocidad en vacío ω0 es algo inferior a la velocidad de sincronismo ω1

• Punto F. Corresponde a las mismas condiciones del punto E pero considerando un motor ideal sin rozamientos. Entonces, coincidiría la velocidad en vacío del rotor con la de sincronismo y el par motor sería nulo.

Variación de Velocidad de Motores Asíncronos

Arranque de motoresArranque de motores

• Arranque proceso de puesta en marcha de una máquina eléctrica.

• Es necesario que el par de arranque sea superior al par resistente de la carga, obteniendo un momento de aceleración.

• El arranque tiene como resultado una elevada corriente ya que Rc’ es nula en el instante inicial.

• Normas españolas determinan límites de la relación de corriente de arranque vs. corriente de plena carga.

Potencia asignada al motor I arranque / I plena carga

Arranque directo de motores jaula de ardillaArranque directo de motores jaula de ardilla

• Motores de pequeña potencia < 5 kW.

• En fábricas con trafos MT/BT propios puede llegarse a arranques directos de motores de hasta 100 HP.

Arranque por autotransformadorArranque por autotransformador

• Se intercala un autotransformador.

• La tensión aplicada en arranque es solo una fracción.

• Puede realizarse en 2 o 3 pasos de tensiones (40, 60, 75 y 100%).

directo arranque de corrienteI

tensiónfracción xdonde

IxI

TxT

cc

cc2

a

a2

auta,

• Usado cuando no se requiere par de arranques altos.

Arranque estrella triánguloArranque estrella triángulo

• Se puede usar en motores que tengan las conexiones en estrella y triángulo.

• Arranca en estrella y luego pasa a triángulo.

• En motores Ta / Tn varía entre 1,2 y 2 por tanto el par de arranque varia entre 0,4 y 0,67.

directo arranque de corrienteI

I31

I

T31

T3

1T

cc

cca

aa

2

ya,

El par motor o torque es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de transmisión de potencia.La potencia desarrollada por el par motor es proporcional a la velocidad angular del eje de transmisión, viniendo dada por:donde:

P = M* ωP es la potencia (en W)M es el par motor (en N·m)ω es la velocidad angular (en rad/s)

Par Motor

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