Aula de ardilla clase a Motores de induccion de jaula de ardilla clase c






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Características de funcionamiento del motor de inducción.

Suponiendo que el motor de inducción comercial de jaula de ardilla se haga arrancar con voltaje nominal en las terminales de línea de su estator (arranque a través de la línea) desarrollará un par de arranque de acuerdo a la ecuación 1 que hará que aumente su velocidad. Al aumentar su velocidad a partir del reposo (100% de deslizamiento), disminuye su deslizamiento y su par disminuye hasta el valor en que se desarrolle el par máximo (Rr = sXIr ) de acuerdo con la ecuación 2 . Esto hace que la velocidad aumente todavía más reduciéndose en forma simultánea el deslizamiento y el par que desarrolle el par de inducción.

Los pares desarrollados al arranque y al valor de deslizamiento que produce el par máximo ambos exceden al par aplicado a la carga. Por lo tanto la velocidad del motor aumentará, hasta que el valor del deslizamiento sea tan pequeño que el par que se desarrolla se reduzca a un valor igual al par aplicado por la carga. Mientras tanto el motor continuará trabajando a esta velocidad y valor de equilibrio del deslizamiento hasta que aumente o disminuya el par aplicado de acuerdo con la ecuación 1.

La siguiente gráfica resume el funcionamiento de un motor polifásico de inducción.

Muestra la relación entre los pares de arranque, máximo y nominal a plena carga que desarrolla un motor de inducción, como función de la velocidad de este y del desplazamiento. Esta figura es representación gráfica de la corriente y el par desarrollados en el rotor del motor como funciones de deslizamiento desde el instante de arranque (punto a ) hasta la condición de funcionamiento en estado estable (en general entre marcha en vacío y marcha a plena carga puntos c y d ) cuando los pares desarrollados y aplicado son iguales.

Nótese que a desplazamiento cero, el par desarrollado y la corriente del rotor, que se indica como línea de puntos, son ambos cero porque no, se efectúa acción del motor de inducción a la velocidad síncrona. Aún sin carga, es necesario que el motor de inducción tenga un pequeño deslizamiento, que en general es del 1%, para poder desarrollar el pequeño par que necesita para superar las fricciones mecánica y con el aire, y otras pérdidas internas.

El motor de inducción es de velocidad constante entre el funcionamiento sin carga y a plena carga (puntos d y c en la figura) y tiene una curva característica de velocidad que se asemeja a la del motor derivación.

Los motores asíncronos o de inducción, por ser robustos y baratos, son los más extensamente empleados en la industria. En estos motores el campo gira a velocidad síncrona, como en las máquinas síncronas: ns = f / p.

Teóricamente , para el motor girando en vacío y sin pérdidas, el rotor también tendría la velocidad síncrona . no obstante al ser aplicado un par externo al motor, su rotor disminuirá su velocidad justamente en la proporción necesaria para que la corriente inducida por la diferencia de velocidad entre el campo giratorio (síncrono) y el rotor, pase a producir un par electromagnético igual y opuesto al par aplicado exteriormente. El par electromagnético es proporcional al flujo producido por el campo giratorio y a la corriente y al factor de potencia del rotor.

El par del motor electromagnético puede ser expresado por la relación:

C = Pg / w s

Donde Pg es la potencia del campo que gira a una velocidad angular síncrona w s radianes por segundo. Por otro lado, si P es la potencia mecánica proporcionada a través del eje que gira a una velocidad angular w radianes por segundo C = P / w s

Por lo tanto:

P = Pg * w /w s = (1 - s ) * Pg

O sea la potencia cedida por el eje es igual a la potencia disponible en el entre hierro de la máquina Pg (potencia de campo giratorio), menos al parte correspondiente a las pérdidas en el rotor s * Pg.

En la siguiente figura se muestra el diagrama vectorial de los componentes de corrientes del motor asíncrono. Para un núcleo de hierro ideal, con una permeabilidad infinitamente grande y con pérdidas nulas, la corriente absorbida en vacío por el motor sería nula . en otras condiciones, para un motor en carga, los arrollamientos del primario (estator) y secundario (rotor), tendrían exactamente la misma f.m.m., o sea, el motor absorbería de la red una corriente equivalente a su corriente rotórica (determinada por el par solicitado), referida al arrollamiento del estator, I'2.

Para el caso de núcleos ferromagnéticos reales, la permeabilidad finita implicará una cierta corriente de magnetización Im , y las pérdidas en el hierro (transformadas en calor en el proceso) exigirán una componente activa de corriente Ip.

La composición de estas corrientes produce la corriente I0 que el motor absorbe en vacío.

Ahora para una situación de carga I'2, la corriente absorbida de la línea es la suma vectorial. I1 = I2 + I0.

Aquí están representadas las ff.ee.mm. E1 (f.e.m inducida en el estator ) y E'2 (f.e.m. inducida en el rotor referida al estator). Ellas sirven de referncia para el diagrama de corrientes, una vez que su vector debe estar adelantado 90º eléctricos con relación al vector de la corriente de magnetización.

Alterándose la carga aplicada al motor, la componente de corriente del rotor I'2 varía, pues es proporcional al par. I0 permanece constante, pues está vinculada a la magnetización del motor. El lugar geométrico de la punta del vector que representa I1, corriente absorbida por el primario, es una circunferencia, tal como se ve en la figura de abajo:

En la medida que el motor es cargado por un par aplicado a su eje, el punto P se mueve sobre la circunferencia. En cada punto el desplazamiento es mayor, aproximadamente al valor s= 1, que corresponde a la condición del rotor bloqueado (punto Pb). En este punto la corriente absorbida por el estator es O'Pb y la correspondiente corriente del rotor es Opb. La semirecta Opb es por regla general, denominada "recta de las potencias". El segmento PG, igual a I1 cos f es proporcional a la potencia por fase UI1 cos f absorbida de la línea. El segmento DG, igual a I0 cos f es proporcional a las pérdidas en vacío del motor. El segmento ED representa las pérdidas de joule; consecuentemente PE, el segmento comprendido entre la circunferencia y la recta de potencias, es proporcional a la potencia transmitida al eje, la potencia mecánica.

El punto Pb, toda potencia absorbida por el motor, con excepción de pérdida en el hierro, esta siendo convertida en calor a través de las pérdidas de joule en los circuitos del estator y del rotor, segmentos PbC. Dividiendose este segmento en el punto M , de forma que MC es proporcional a las pérdidas de Joule en el estator, mientras que PbM será proporcional a las perdidas en el rotor.

Al trazar una recta tangente a la circunferencia, paralela a la recta de las potencias, se determina el segmento JK proporcional a la máxima potencia que el motor puede proporcionar. De manera semejante, el segmento LN representa el máximo par que el eje puede aplicar a la carga. Estos dos máximos ocurren a diferentes velocidades.

La gráfica anterior y la siguiente son una ayuda para la comprensión de cómo varían las características del motor. Tambien se muestra el comportamiento de la corriente del facttor de potencia del par y de la potencia excedida al eje en función de la velocidad del motor, deducudas a partir del diagrama del circuito.

Características de funcionamiento normal del motor de inducción en marcha ( desde vacío hasta plena carga).

Las características de funcionamiento normal del motor se tiene en la gráfica en los puntos d a c . enseguida vemos el comportamiento del rotor de un motor de inducción de jaula de ardilla a una velocidad sin carga, ligeramente menor que la velocidad síncrona cuando se aplica una carga que va en aumento.

Caso sin carga y vacío:

Sin carga, el deslizamiento es muy pequeño y la frecuencia, reactancia del rotor, y la FEM inducida en éste son muy pequeñas. Por lo tanto la corriente en el rotor es muy pequeña y solo la suficiente para producir el par sin carga y por lo tanto la corriente en el estator es la suma fasorial de su corriente de excitación Ie y un componente de carga primario Io inducido en el rotor por acción del transformador.

La figura 3 muestra la suma fasorial de esas corrientes sin carga , en la que la corriente de excitación en el primario del estator a circuito abierto es Ie, es decir la suma fasorial de un componente Ih de histéresis o de potencia, y un componente Im, de magnetización necesario para producir el flujo rotatorio en el estator. Los componentes de potencia Ih e Io están en fase con Egp. El factor de potencia sin cargar se representa mediante q , el ángulo entre Isc y Egp. Así, Isc cosq es la suma de Io e Ih, des decir, la pequeña corriente del estator Io producida por la corriente del rotor y por un componente primario de pérdida de Iha, debido a la histéresis y corrientes parásitas en el hierro del estator y del rotor. Se nota que si q es grande, el factor de potencia es extremadamente pequeña y está en retraso.

Caso de media carga

Al aplicar la carga mecánica al rotor, la velocidad disminuye un poco. La pequeña disminución de velocidad causa un aumento en el deslizamiento y en la frecuencia y reactancia del rotor, y en la FEM inducida en éste.

El aumento en la corriente inducida (secundaria) en el rotor se refleja com un aumento de corriente primaria en el estator, Isr, que aparece en la figura, este componente de la corriente primaria del estator Isr, produce potencia como Io y está en fase con el voltaje inducido por el primario Egp. La suma fasorial de la corriente sin carga Isc y el componente de carga Isr,produce una corriente Is,en el estator a un ángulo de factor de potencia mejorado q s con ello, la corriente en el estator ha aumentado desde Isc hasta Is y el ángulo de factor de potencia ha disminuido desde q sc hasta q s y ambos factores tienden a producir más potencia de las barras de distribución (Egp,Is cos q s).

Condición de plena carga

El motor de inducción de jaula de ardilla girará un valor de deslizamiento que proporciona un equilibrio entre el par desarrollado y el par aplicado. De tal manera, conforme se aplica más carga, el deslizamiento aumenta porque el par aplicado excede al par desarrollado. Cuando se aplica el valor nominalal eje del motor de inducción, el componente de la corriente del estator primario en fase que toma el motor de inducción es grande en comparación con la corriente sin carga casi de cuadratura, como en la gráfica 3 y el ángulo del factor de potencia es bastante pequeño. El factor de ptencia a plena carga varía entre 0.8 en motores pequeños (1 HP) y 0.9 o 0.95 , en los grandes motores de inducción (150 HP y superiores).

Más allá de plena carga

Si se observa en las gráficas de la figura 3 se supondrá que el factor de potencia se aproxima a la unidad a mayores aumentos en la carga pero esto no es así porque:

Con mayor carga y deslizamiento , la frecuencia del rotor continúa aumentando y el aumento en la reactancia del rotor produce una disminución en el factor de potencia.

Considerando al motor de inducción como si fueran un transformador, se puede decir que el secundario del transformador tiene una carga en retraso, lo cual hace que el factor de potencia del primario se retrase por lo tanto cuando las cargas son mayores que la plena carga, el factor de potencia se aproxima a un máximo, para disminuir después rápidamente.

En la siguiente gráfica se resumen los comportamientos del motor desde sin carga hasta más allá de plena carga.

Se observa que después de la falla o punto crítico (par máximo) la corriente de línea aumenta, pero el par disminuye debido a que la rapidez de disminución del factor de potencia es mayor que la rapidez del aumento de corriente.

A cargas livianas, las pérdidas fijas relativamente grandes en proporción con la salida pequeña, producen una eficiencia baja.

Con cargas grandes, las pérdidas variables relativamente grandes más las pérdidas fijas producen de nuevo baja eficiencia, no obstante la salida es alta. La eficiencia máxima se da en cargas moderadas, en las cuales las pérdidas fijas y variables son iguales y la potencia es aproximadamente igual al valor nominal.

Obsérvese que el par máximo se presenta bastante más allá del doble de la potencia nominal, en donde el deslizamiento crítico o de falla es aquella frecuencia del rotor a la cual la reactancia variable del rotor es igual a la resistencia de este.

Deslizamiento

La pérdida de velocidad angular del motor (necesaria para que sea producido un par electromagnético), expresada por unidad de velocidad síncrona, se llama deslizamiento.

Donde s= deslizamiento (pérdida de velocidad angular del rotor)

n= velocidad del rotor

w = velocidad angular del rotor.

Medición del deslizamiento de acuerdo con varios métodos.

Al probar los motores de inducción y determinar el deslizamiento a diversas condiciones de carga, es escencial que el valor de deslizamiento que se obtenga sea exacto.

Por ejemplo si la velocidad a plena carga es de 1700 rpm. Si se mide su velocidad del rotor con un tacómetro con error de 2%, la indicación puede ser de 1740 ± 35 rpm. O sea puede ser tan alta como 1775 rpm o tan baja como 1705 rpm. Un error pequeño de 2% se conservaría en todas las ecuaciones , por este motivo raramente se mide la velocidad del motor per se, y en lugar de ello se trata de medir directamente el deslizamiento, (diferencia entre velocidad síncrona y la del rotor) es compara la velocidad del motor de inducción con la de un pequeño motor síncrono empleando un contador electromecánico. El motor síncrono que se emplee debe tener el mismo número de polos que el motor de inducción.

Arranque del motor de inducción.

En la mayor parte de las zonas si se cuenta con un motor pequeño de inducción de jaula de ardilla de unos cuantos caballos de fuerza se pueden poner en marcha directamente desde la línea con una caída de voltaje que es de poca importancia en la fuente de voltaje, y con un retardo pequeño o sin retardo para acelerarse a su velocidad nominal. Igualmente, los motores grandes de inducción de jaula de ardilla hasta de varios miles de HP, se pueden arrancar conectándolos directamente a la línea sin daños ni cambios indeseados de voltaje, siempre que las tomas de voltaje tengan una capacidad bastante alta.

Aunque hay algunas excepciones entre las diversas clasificaciones de motores comerciales de inducción de jaula de ardilla, que necesitan normalmente seis veces el valor de su corriente nominal para arrancar cuando se aplica el voltaje nominal a su estator . en el instante de arranque la corriente del rotor está determinada por la impedancia de rotor bloqueado Rr + jXlr. Así, el voltaje del estator se reduce a la mitad de su valor nominal, la corriente de arranque se reduciría en esa proporción, es decir a unas tres veces la corriente nominal. Pero la ecuación: Ts = Kt' Vp2 indica que si el voltaje de línea en el estator se reduce a la mitad de su valor, el par se reduce a la cuarta parte de su valor original. Por lo tanto se ha alcanzado la reducción deseable en la corriente de línea al motor al costo de una reducción indeseable y a un mayor par de arranque. Si el motor se arranca bajo carga grande, esto tiene cierta importancia y hay la probabilidad de que el motor pueda arrancar con dificultad o no arranque. Por otro lado si el motor se arranca sin carga, la reducción en el par puede no ser importante para algunos casos, y es ventajosa la reducción de la corriente.

Las fluctuaciones frecuentes de voltaje pueden también afectar al equipo electrónico y a la iluminación al grado de que se necesite algún método alterno para arrancar el motor de inducción, para limitar la corriente de arranque. Si las líneas que alimentan al motor de inducción de jaula de ardilla, tienen impedancias diferentes; los voltajes del estator pueden desbalancearse, desbalanceando severamente las corrientes en las líneas y originando que el equipo de protección deje al descubierto al motor. De hecho un desbaleance de 1 o 2 % en los voltajes de la línea del estator pueden originar un desbalance del 20 % en las corrientes de línea, presentando calentamiento localizado del motor y fallas del devanado
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