Rotor bobinado En los motores de rotor bobinado, el arrollamiento rotórico está constituido por unas bobinas de hilo de cobre por lo general. Y cuyos extremos están conexionados a unos anillos (anillos rozantes) por los que se alimentaran las bobinas. Para el arrollamiento del rotor se utilizan, conductores de sección circular o rectangular, aislados generalmente con doble capa de algodón o barnices apropiados e introducidos en las ranuras y aislados de ellas y entre sí, por medio de presspan, tela aceitada, etc... Antes de describir los procedimientos de fijación de los arrollamientos del rotor, será conveniente revisar las formas de ranuras existentes y los métodos para aislar los conductores en las ranuras. En los motores de rotor bobinado se emplean ranuras abiertas y sobre todo semicerradas de forma rectangular con una profundidad de aproximadamente 3 a 4 veces el ancho. Las ranuras abiertas tienen la ventaja de que las bobinas que se han construidopreviamente, pueden colocarse en su posición a través de la parte superior de la ranura y de esta manera el arrollamiento queda montado en poco tiempo; además las bobinas pueden sacarse fácilmente en caso de reparación o de sustitución. Pero las ranuras abiertas aumentan la reluctancia del circuito magnético por lo que en muchas ocasiones, resultan más adecuadas las ranuras semicerradas ; estas ranuras permiten que se inserten en ellas bobinas previamente construidas, pero éstas han de tener un ancho no superior a la mitad del ancho de ranura, por lo que el montaje del arrollamiento será algo más costoso. De todas formas y debido a las mejores condiciones magnéticas obtenidas con las ranuras semicerradas, éstas son las más utilizadas en los motores de rotor bobinado para medianas y grandes potencias. Si observamos la apariecia de las ranuras en forma
rectangular, se ve inevitablemente dientes de forma trapezoidal, estrechos en la base y más anchos en la cabeza: esta forma no es la mejor desde el punto de vista magnético, ya que en la base del diente existirá mayor densidad de flujo magnético y si se quiere evitar la saturación magnética indebida en la base del diente, el resto de éste no se utilizará a pleno rendimiento; por otro lado, existe el peligro de que si la base del diente es demasiado estrecha puede quedar sometida a un excesivo esfuerzo mecánico cuando gira la máquina. Cuanto menor es el diámetro del rotor, mayor será el estrechamiento del diente debido a la forma rectangular de las ranuras; por esta razón, los rotores para motores de pequeña potencia se construyen con dientes paralelos y ranuras trapezoidales . Esta forma de ranuras no puede contener adecuadamente los conductores de sección rectangular pero resulta muy apropiada para alojar conductores de sección circular que son, precisamente, los que se emplean para máquinas de pequeña potencia. Se elige la forma rectangular porque resulta la más adecuada para contener las barras rectangulares de cobre que se emplean para constituir las bobinas y además esta forma puede adaptarse fácilmente para contener los conductores de sección circular. En cuanto a la forma constructiva del arrollamiento del rotor, se utiliza muchas veces el arrollamiento de barril o de cesta empleando también en los arrollamientos de inducido de corriente continua y, en otras ocasiones, el arrollamiento en varios planos , exclusivo de corriente alterna. Existen diferentes sistemas de fijación de las cabezas de bobina del arrollamiento rotórico mediante zunchos y soportes de fijación: a-Soporte de arrollamiento cilíndrico. b-Soporte de arrollamiento cónico. e-Soporte de arrollamiento abovedado.
Dispositivos de toma de corriente para el rotor Estos dispositivos solamente son aplicables a los motores con rotor bobinado ya que, como sabemos los motores con rotor de jaula de ardilla, no necesitan ningún elemento de conducción de corriente para el rotor, porque los conductores que constituyen el arrollamiento rotórico van cerrados en cortocircuitos. Como órgano de conducción para el rotor, las máquinas asíncronas de rotor bobinado llevan tres anillos rozantes, conectados cada uno de ellos a uno de los tres finales del arrollamiento rotórico; sobre estos anillos frotan tres escobillas, mediante las cuales, la corriente rotórica es conducida al exterior de la máquina. Los anillos rozantes se asientan conjuntamente en un cuerpo sustentador montado a su vez en el eje del motor; cada anillo recibe una pieza de conexión que lo une al correspondiente final del arrollamiento. Los anillos rozantes se construyen de cobre o de bronce fundidos aunque, como es natural, el material debe de ser de mejor calidad en el caso de escobillas permanentemente conectadas, ya que está sometido a mayor desgaste. Veamos primero como están constituidos los anillos rozantes en las máquinas cuyas escobillas permanecen permanentemente conectadas. En las máquinas de pequeña potencia, el cuerpo sustentador de los anillos es de material aislante , en el que se embuten los anillos rozantes; a cada anillo se suelda una tira de latón o de cobre, que se utiliza para la conducción de la corriente y, al propio tiempo, para evitar que gire el anillo embutido en el material prensado.
Introducción Contrariamente a las máquinas síncronas empleadas normalmente como generadores, las máquinas asíncronas han encontrado su principal aplicación como motores, debido a la sencillez de su construcción. El motor asíncrono trifásico es hoy el motor usual de accionamiento en todas las redes de distribución. Se llama máquina de inducción o asincrónica a una máquina de corriente alterna, en la cual la velocidad de rotación del rotor es menor que la del campo magnético del estator y depende de la carga. La máquina asincrónica tiene la propiedad de ser reversible, es decir, puede funcionar como motor y como generador. El motor asincrónico tiene dos partes principales: Estator y rotor. El estator es la parte fija de la máquina en cuyo interior hay ranuras donde se coloca el devanado trifásico que se alimenta con corriente alterna trifásica. La parte giratoria de la máquina se llama rotor y en sus ranuras también se coloca un devanado. El estator y el rotor se arman de chapas estampadas de acero electrotécnico de 0,35 a 0,5 [mm] de espesor. Según la construcción, los motores asincrónicos pueden ser de rotor de jaula de ardilla o de rotor bobinado. Los motores asincrónicos se dividen en: sin colector y con colector. Los motores sin colector se utilizan donde se necesita una velocidad de rotación aproximadamente constante y no se requiere su regulación. Los motores sin colector son simples en construcción, funcionan sin fallas y son de alto rendimiento. Para alcanzar amplia gama de velocidades, se utilizan motores asincrónicos con colector monofásico y trifásico; sin embargo, debido al alto costo, a una construcción complicada y condiciones difíciles de trabajo, las máquinas asincrónicas con colector son poco empleadas.
Consideraciones generales de las máquinas asincrónicas Contrariamente a las máquinas síncronas, empleadas normalmente como generadores, las máquinas asíncronas han encontrado su principal aplicación como motores, debido a la sencillez de su construcción. Las máquinas asíncronas tienen un circuito magnético sin polos salientes estando ranurados tanto el estator como el rotor, los cuáles van a estar sometidos a la acción de campos magnéticos giratorios que darán lugar a pérdidas magnéticas. En consecuencia, ambos órganos de la máquina se fabrican a base de apilar chapas delgadas de acero al silicio para reducir estas pérdidas. El devanado del estator normalmente es trifásico, aunque en máquinas de pequeña potencia también puede ser monofásico o bifásico. El devanado del rotor siempre es polifásico. Ambos devanados tienen el mismo número de polos (2p). El devanado del rotor forma un circuito cerrado por el que circulan corrientes inducidas por el campo magnético. El rotor puede ser de dos tipos: de jaula de ardilla o en cortocircuito y de rotor bobinado o con anillos. Una jaula de ardilla es un devanado formado por unas barras alojadas en las ranuras del rotor que quedan unidas entre sí por sus dos extremos mediante sendos aros o anillos de cortocircuito. El número de fases de este devanado depende de su número de barras. Muchas veces estos anillos poseen unas aletas que facilitan la evacuación del calor que se genera en la jaula durante el funcionamiento de la máquina. El rotor bobinado tiene un devanado trifásico normal cuyas fases se conectan al exterior a través de un colector de tres anillos y sus correspondientes escobillas. En funcionamiento normal estos tres anillos están cortocircuitados (unidos entre sí). En ambos tipos de rotor se suelen emplear ranuras ligeramente inclinadas con respecto al eje de la máquina. El bloque de chapas que forma el circuito magnético del rotor tiene un agujero central donde se coloca el eje o árbol de la máquina. En muchas ocasiones se coloca un ventilador en este eje para facilitar la refrigeración de la máquina. La carcasa es la envoltura de la máquina y tiene dos tapas laterales donde se colocan los cojinetes en los que se apoya el árbol. Esta carcasa suele disponer de aletas para mejorar la refrigeración de la máquina. Sujeta a la carcasa está la placa de características donde figuran las magnitudes más importantes de la máquina. En la carcasa se encuentra también la caja de bornes adonde van a parar los extremos de los bobinados. En una máquina asíncrona trifásica de jaula de ardilla la caja de bornes tiene seis terminales, correspondientes a los extremos de las tres fases del estator (dos extremos, principio y final, por cada fase), formando dos hileras de tres. De esta forma resulta fácil el conectar el devanado del estator en estrella o en triángulo. Las ideas fundamentales sobre los motores de inducción las desarrolló a finales de la década de 1880 Nicola Tesla, quien recibió la patente por sus ideas en 1888. En esa época presentó un artículo ante el American Institute of Electrical Engineers [ATEE, predecesor del Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)]
en el que describía los principios básicos del motor de inducción con rotor devanado, junto con ideas sobre otros dos importantes motores de ca: el motor síncrono y el motor de reluctancia. A principios del siglo XX se impuso el sistema trifásico europeo ante el bifásico americano, por lo que las maquinas asincrónicas comenzaron a ser y son trifásicas. En las máquinas asincrónicas la corriente que circula por uno de los devanados se debe a la f.e.m inducida por la acción del flujo del otro, y por esta razón se denominan máquinas de inducción. También reciben el nombre de máquinas asincrónicas debido a que la velocidad de giro del rotor no es la de sincronismo impuesta por la frecuencia de la red. La importancia de los motores asíncronos de debe a su construcción simple y robusta, sobre todo en el caso del rotor en forma de jaula de ardilla, que les hace trabajar en circunstancias más adversas, dando un excelente servicio con pequeño mantenimiento. Hoy en día se puede decir que más del 80% de los motores eléctricos industriales emplean este tipo de maquinas, trabajando con una frecuencia de alimentación constante. Sin embargo, históricamente su inconveniente más grave ha sido la limitación para regular su velocidad, y de ahí cuando esto era necesario, en diversas aplicaciones como la tracción eléctrica, trenes de laminación, etc., eran sustituidos por motores de c.c., que eran más idóneos para este servicio. Desde finales del siglo XX y con el desarrollo tan particular de la electrónica industrial, con accionamientos electrónicos como inversores u onduladores y cicloconvertidores, que permiten obtener frecuencia variable a partir de la frecuencia de la red, y con la introducción del microprocesador en la electrónica de potencia, se han realizado grandes cambios, y los motores asíncronos se están imponiendo poco a poco en los accionamientos eléctricos de velocidad variable.
Máquina asíncrona
Eje (0), Cojinete (1), rotor de jaula de ardilla (2), tapa lateral de la carcasa (3) y ventilador (4)
Rotor bobinado o con anillos
a) Colector de 3 anillos; b) Escobilla; c) Anillo con escobilla Corriente de arranque de los motores asíncronos Se pueden distinguir dos casos extremos: a) Cuando a la red se conecta un motor con el circuito del rotor abierto y b) cuando su rotor está cortocircuitado. En el primer caso el fenómeno tiene cuantitativamente el mismo carácter que al conectar a la red un transformador con devanado secundario abierto. El instante de conexión más peligroso es el instante cuando la tensión pasa por el cero.
En la máquina polifásica las componentes periódicas de los flujos de algunas fases forman un flujo resultante que gira en el espacio con la velocidad n1= f1*p1, y las componentes aperiódicas de los flujos, forman un flujo resultante fijo en el espacio.
Conexión de un motor asincrónico con rotor abierto El flujo resultante doble satura intensamente el acero de la máquina. Por eso la amplitud de la corriente de conexión de la marcha en vacío I"om del motor asincrónico supera considerablemente la amplitud de la corriente permanente en vacío Iom. En comparación con los transformadores, en los motores asincrónicos la relación I"om / Iom es menor, puesto que al existir espacio la curva de imantación de estos últimos es más chata, y el flujo remanente de magnetización es menor. No obstante, la corriente de conexión en vacío puede superar unas cuantas veces la corriente nominal In. Cuando a la red se conecta un motor con rotor cortocircuitado. Como en el primer instante la velocidad de rotación n = 0, los fenómenos que transcurren en este caso cualitativamente son los mismos que en el caso de cortocircuito instantáneo del transformador. Si con el fin de simplificar se desprecia la corriente magnetizante, entonces la corriente de cortocircuito instantáneo del motor asincrónico se puede determinar por la fórmula
Lo mismo que la corriente de conexión en vacío, esta corriente tiene dos componentes, una de las cuales, la componente periódica Ic.c.p, corresponde a la corriente permanente de cortocircuito, y la otra, la componente aperiódica Ic.c.a, se amortigua por la ley exponencial. La amortiguación sucede muy rápidamente, puesto que la constante del tiempo de amortiguación Xc.c/wRc.c es pequeña. Por esta razón, con frecuencia la segunda componente de la corriente no se tiene en cuenta, comprendiendo por corriente de arranque del motor Iarr la corriente periódica de cortocircuito. Habitualmente Iarr/In = (4--7) diferentes formas de arranque de los motores asincrónicos El arranque es el proceso de puesta en marcha de un motor que lo lleva desde una velocidad nula a la del punto de funcionamiento estable que corresponda al par resistente de la carga que tiene que mover. Para que pueda realizarse esta maniobra debe cumplirse la condición de arranque: durante el arranque el par del motor debe ser superior al par resistente o de frenado. De no cumplirse esta condición, el par motor es insuficiente para mover la carga mecánica que tiene acoplada y no se puede producir el arranque. Los dispositivos de arranque pueden ser de operación manual o por contactores. Estos últimos permiten efectuar el mando a distancia del motor con cables de secciones pequeñas (sólo se requiere la corriente necesaria para la bobina del contactor), lo que facilita el accionamiento y diseño del dispositivo de control por trabajar con intensidades reducidas.
Es necesario limitar la corriente de arranque de los motores asíncronos trifásicos, ya que éstos están conectados a la red de distribución de energía eléctrica en paralelo con otros abonados, que podrían sufrir bajadas momentáneas de tensión de suministro durante el arranque de los mencionados motores debido a la caída de tensión provocada por la impedancia de las líneas de transporte. La máxima caída de tensión en la red no debe superar el 15% durante el arranque.
Durante la puesta en tensión de un motor, la corriente solicitada es considerable y puede provocar una caída de tensión que afecte al funcionamiento de los receptores, especialmente en caso de insuficiencia de la sección de la línea de alimentación. En ocasiones, la caída puede llegar a ser perceptible en los aparatos de alumbrado. Los motores de jaula son los únicos que pueden acoplarse directamente a la red por medio de un equipo simple. Tan sólo las extremidades de los devanados del estator sobresalen de la placa de bornes. Dado que el fabricante determina de manera definitiva las características del rotor, los distintos procesos de arranque consisten principalmente en hacer variar la tensión en los bornes del estator. En este tipo de motores, cuya frecuencia es constante, la reducción de la punta de corriente conlleva de manera automática una fuerte reducción del par de arranque. Para reducir las corrientes en el momento de la puesta en marcha de un motor asíncrono se emplean métodos especiales de arranque, según que la maquina tenga su rotor en forma de jaula de ardilla o bobinado (con anillos). Arranque de motores asincrónicos con rotor en jaula de ardilla Los motores de corriente alterna con rotor en jaula de ardilla se pueden poner en marcha mediante los métodos de arranque directo o a tensión reducida. En ambos casos, la corriente de arranque generalmente resulta mayor que la nominal, produciendo las perturbaciones comentadas en la red de distribución. Estos inconvenientes no son tan importantes en motores pequeños, que habitualmente pueden arrancar a tensión nominal. La máxima caída de tensión en la red no debe superar el 15% durante el arranque. Los circuitos con motores deben contar con interruptores que corten todas las fases o polos simultáneamente y con protecciones que corten automáticamente cuando la corriente adquiera valores peligrosos. En los motores trifásicos debe colocarse una protección automática adicional que corte el circuito cuando falte una fase o la tensión baje de un valor determinado. Arranque directo Este método de arranque es el más sencillo y se emplea en motores de pequeña potencia (o en motores grandes si están conectados a una red eléctrica independiente de tal manera que su corriente de arranque no afecte a otros consumidores). Consiste en arrancar el motor conectándolo a su tensión asignada. Este método se emplea únicamente en maquinas de una potencia inferior a 5Kw. Un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica directamente la tensión nominal a la que debe trabajar. Si el motor arranca a plena carga, el bobinado tiende a absorber una cantidad de corriente muy superior a la nominal, lo que hace que las líneas de alimentación incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se reduzca la caída de tensión. La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor. Su ventaja principal es el elevado par de arranque, que es 1.5 veces el nominal.
Siempre que sea posible conviene arrancar los motores a plena tensión por el gran par de arranque que se obtiene, pero si se tuvieran muchos motores de media y gran potencia que paran y arrancan en forma intermitente, se tendrá un gran problema de perturbaciones en la red eléctrica. Por lo tanto, de existir algún inconveniente, se debe recurrir a alguno de los métodos de arranque por tensión reducida. Arranque a tensión reducida Existen varios procedimientos de arranque que consisten en alimentar al motor con una tensión inferior a la asignada en el momento del arranque para después, cuando el rotor ya está girando, irla aumentando hasta alcanzar su valor asignado. De esta manera, al tener en el arranque una tensión inferior a la asignada la corriente de arranque disminuye, pero también el par de arranque. Esto hay que tenerlo en cuenta y comprobar que el par de arranque del motor a tensión reducida es suficientemente grande como para que se cumpla la condición de arranque. Por esta razón, estos procedimientos de arranque sólo se pueden utilizar si el motor se arranca sin carga o con cargas mecánicas que no ejerzan un par resistente elevado a bajas velocidades. Para conseguir reducir la tensión durante el arranque se pueden emplear varios métodos: un autotransformador, un arrancador electrónico, conectar impedancias en serie con el estator. En los motores trifásicos uno de los más empleados es el arranque estrella-triángulo.
Curvas par-velocidad a tensión asignada y a tensión reducida (arranque estrella-triángulo) Curvas par-velocidad a tensión asignada y a tensión reducida (arranque estrella-triángulo) Arranque por autotransformador Consiste en intercalar un autotransformador entre la red y el motor, de tal forma que la tensión aplicada en el arranque sea solo una fracción de la asignada. El proceso puede realizarse en dos o tres escalones y con tensiones no inferiores al 40, 60 y 75% de la tensión de la línea. Se aplica a motores cuya potencia nominal es mayor que 5Kw. El autotransformador de arranque es un dispositivo similar al estrella-triangulo, salvo por el hecho de que la tensión reducida en el arranque se logra mediante bobinas auxiliares que permiten aumentar la tensión en forma escalonada, permitiendo un arranque suave. Su único inconveniente es que las conmutaciones de las etapas se realizan bruscamente, produciendo en algunas ocasiones daños perjudiciales al sistema mecánico o a la maquina accionada. Por ejemplo, desgaste prematuro en los acoplamientos (correas, cadenas, engranajes o embragues de acoplamiento) o en casos extremos roturas por fatiga del eje o rodamientos del motor, producido por los grandes esfuerzos realizados en el momento de arranque. Este método de arranque es posible solo en los casos cuando el par de frenado durante el arranque no es grande. De lo contrario el motor no podrá iniciar la marcha. Una variante menos usada es la conexión Kusa, en la que durante el proceso de arranque se intercala una resistencia en uno de los conductores de línea. Es decir, que la corriente de arranque depende de la tensión de alimentación del motor. Si disminuimos la tensión de alimentación en el momento del arranque, reduciremos la corriente de arranque. Una vez que el motor alcance una determinada velocidad, con s<1, procederemos a restablecer la tensión nominal de alimentación.
En la fig. 4.30 se muestra un arranque por autotransformador, con dos etapas de tensión. En la posición 1 del conmutador se alimenta el autotransformador con tensión de la red, aplicando al motor solamente una fracción de esta tensión de la red etapa de arranque). Cuando la maquina ha aumentado su velocidad hasta un valor adecuado, cercano al asignado, el conmutador se pasa a la posición 2, lo que eleva la tensión que llega al motor y este sigue aumentando de velocidad. Finalmente se pasa el conmutador a la posición 3, de tal forma que la tensión de la red queda aplicada directamente al estator de la red. Conmutación estrella-triangulo Este método de arranque se puede aplicar tanto a motores de rotor devanado como a motores de rotor jaula de ardilla, la única condición que debe cumplir el motor para que pueda aplicarse este método de arranque es que tenga acceso completo a los devanados del estator (6 bornes de conexión). El arranque estrella-triángulo sólo se puede utilizar si el motor está conectado a una red eléctrica cuya tensión de línea sea igual a la tensión asignada de fase del motor. Esto obliga a que para que el motor funcione a su tensión asignada deba conectarse en triángulo: V1L = V1N Conexión triángulo para que: V1 = V1N La conmutación de estrella-triangulo generalmente se hace de forma automática luego de transcurrido un lapso (que puede regularse) en que el motor alcanza determinada velocidad. El arranque estrella-triángulo es el procedimiento más empleado para el arranque a tensión reducida debido a que su construcción es simple, su precio es reducido y tiene una buena confiabilidad. En este caso el arranque se realiza con el motor conectado en estrella. Cuando el motor ha adquirido cierta velocidad se conmutan las conexiones y se lo conecta en triángulo para que pase a funcionar con su tensión asignada.
La regulación del mismo debe hacerse a un valor que resulta de multiplicar la corriente de línea por 0,58. La protección del circuito más adecuada también es el fusible. Algunas indicaciones que se deben tener en cuenta sobre el punto de conmutación son: el pico de corriente que toma el motor al conectar a plena tensión (etapa de triángulo) debe ser el menor posible; por ello, la conmutación debe efectuarse cuando el motor esté cercano a su velocidad nominal (95% de la misma), es decir cuando la corriente de arranque baje prácticamente a su valor normal en la etapa de estrella.
Asimismo, el relé de tiempo debe ajustarse para conmutar en este momento, no antes ni mucho después. Habitualmente, un arranque normal puede durar hasta 10 segundos, si supera los 12 segundos se debe consultar al proveedor del equipo. Si no se cumple con lo anterior, el pico de corriente que se produce al pasar a la etapa de triángulo es muy alto, perjudicando a los contactos, al motor y a la máquina accionada. El efecto es similar al de un arranque directo.
La operación se realiza en la actualidad con automatismos de contactores, con un circuito de fuerza y otro con mando o control; se requiere tres contactores, uno denominado principal, para la alimentación de los principios de la bobina de los devanados del motor; otro un contactor que se encarga de realizar la conexión al devanado en estrella, y el tercero ejecuta la conexión triangulo; además se necesita de un relé de tiempo para ajustar el momento en que se pasa de la conexión estrella a la conexión triangulo.
Arranque de motores asincrónicos por dispositivos electrónicos Los arrancadores electrónicos son una mejor solución que los autotransformadores gracias a la posibilidad de su arranque suave, permitiendo un aumento en la vida útil de todas las partes involucradas. Los mismos consisten básicamente en un convertidor estático alterna-continua-alterna ó alterna-alterna, generalmente de tiristores, que permiten el arranque de motores de corriente alterna con aplicación progresiva de tensión, con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque. En algunos modelos también se varía la frecuencia aplicada. Al iniciar el arranque, los tiristores dejan pasar la corriente que alimenta el motor según la programación realizada en el circuito de maniobra, que irá aumentando hasta alcanzar los valores nominales de la tensión de servicio. La posibilidad de arranque progresivo, también se puede utilizar para detener el motor, de manera que vaya reduciendo la tensión hasta el momento de la detención. Estos arrancadores ofrecen selección de parada suave, evitando por ejemplo, los dañinos golpes de ariete en las cañerías durante la parada de las bombas; y detención por inyección de corriente continúa para la parada más rápida de las masas en movimiento. Además poseen protecciones por asimetría, contra sobre temperatura y sobrecarga, contra falla de tiristores, vigilancia del tiempo de arranque con limitación de la corriente, control de servicio con inversión de marcha, optimización del factor de potencia a carga parcial, maximizando el ahorro de energía durante el proceso y permiten un ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes. Arranque de los motores asíncronos con rotor bobinado En los motores de rotor devanado o con anillos se puede reducir la corriente de arranque introduciendo una resistencia adicional en cada una de las fases del rotor. La operación se realiza con la ayuda de un reóstato trifásico.
En el arranque se introduce toda la resistencia adicional (posición 1), de esta forma aumenta la impedancia de la maquina y se reduce la corriente inicial; conforme al motor inicia su marcha, se va eliminando la resistencia del reóstato pasando el mando móvil a las posiciones 2,3 y 4, que conforman una serie de contactos o plots, en la última parte queda cortocircuitado el rotor y finaliza la operación de arranque. En esta situación, para reducir las perdidas mecánicas del motor y también el desgaste de anillos y escobillas, estas maquinas llevan a menudo dispositivos para levantar las escobillas y poner en cortocircuito los anillos. Hoy día esta operación de arranque se realiza automáticamente por mediación de contactores y relés de tiempo que van eliminando secuencialmente las resistencias adicionales. Este método de arranque sólo se puede aplicar a motores de rotor devanado. Como se comprueba fácilmente, al introducir una resistencia adicional en el devanado del rotor, se disminuye la corriente de arranque con relación a la corriente absorbida por el método de arranque directo.
Diferentes métodos de regulación de velocidad de los motores asíncronos De las fórmulas de la velocidad de sincronismo y del deslizamiento se deduce que:
Esto indica que se puede regular la velocidad de un motor asíncrono modificando su número de polos, la frecuencia del estator o el deslizamiento. Regulación por variación de número de polos La regulación por variación del número de polos únicamente permite alcanzar unos pocos valores de velocidad diferentes, ya que el número de pares de polos p sólo puede adoptar valores enteros y, en consecuencia, no se puede variar de forma continua. Se utiliza en máquinas de jaula de ardilla que en el estator disponen, bien de dos devanados independientes, cada uno de ellos con un número de polos diferente; o bien de un devanado especial que admite diferentes formas de conexión para modificar su número de polos. En este caso, cada fase del devanado consta de dos partes iguales, que pueden ponerse en serie o en paralelo, dando lugar a una reducción de pares de polos a la mitad del original, aumentando en consecuencia la velocidad del rotor a prácticamente el doble.
En la fig. 4.38 se muestra el procedimiento adecuado utilizado. En a) se muestra el devanado formado por 4 polos, estando las bobinas conectadas en serie. En b) se muestra el devanado formado por 2 polos, con bobinas conectadas en paralelo; se observa en este caso que la corriente en la bobina cd ha sufrido una inversión. Regulación por variación de frecuencia La regulación por variación de la frecuencia consiste en variar la frecuencia f1 de las corrientes del estator con lo que se modifica la velocidad de sincronismo n1 de la máquina. Para ello se alimenta el estator a través de un variador de frecuencias. La preferencia actual por la regulación a frecuencia variable se debe a la posibilidad de utilizar el sencillo y robusto motor de jaula de ardilla; cuyo mantenimiento es mucho más fácil que el de un motor de contactos deslizantes, lo que resulta muy importante en máquinas que operan bajo condiciones ambientales difíciles. Además este tipo de motor eléctrico resulta más económico y compacto que los restantes. Asimismo, este método permite transformar fácilmente un equipo de velocidad fija en un accionamiento de velocidad variable, sin realizar grandes modificaciones. Con este tipo de regulación se puede obtener un amplio control de velocidades, con el máximo par disponible en todas las frecuencias con un elevado rendimiento. Este sistema permite variar la velocidad de forma continua entre un amplio margen de velocidades. Para frecuencias f1 por debajo de la asignada interesa variar la tensión V1 del estator en función de la frecuencia de forma que el flujo por polo sea el mismo para todas las frecuencias. De esta manera se consigue que para todas las frecuencias el par que suministra la máquina a la corriente asignada sea el mismo (el par asignado) y que también a todas las frecuencias el par máximo sea el mismo. Para frecuencias f1 por encima de la asignada no se puede mantener el flujo por poloconstante porque entonces la f.e.m. E1 sería mayor que en condiciones asignadas lo que conllevaría que la tensión en el estator fuera superior a la asignada. Por lo tanto, para frecuencias por encima de la asignada se mantiene el valor eficaz de las tensiones del estator igual al asignado.
Regulación de la velocidad por variación de la frecuencia f1 manteniendo el flujo por polo ?M constante Regulación por variación del deslizamiento El deslizamiento S varía con la carga, pero la variación de la carga no proporciona un método práctico de control de la velocidad. Sin embargo, es posible cambiar la característica par/velocidad de varias maneras, de modo que para cada par de carga se necesita un valor de s distinto. Estos métodos proporcionan una mala utilización de la potencia y capacidad del motor, pero el control suele ser sencillo y justificable en algunas aplicaciones. En el caso de variación de la tensión se pueden utilizar tiristores conectados en serie con el estator para interrumpir el paso de la corriente durante una fracción del período (control de fase) o en algunos períodos completos (encendido alternado), reduciéndose así la tensión media aplicada. El control de fase produce armónicos de orden elevado, mientras que el encendido intermitente puede generar subarmónicos que podrían entrar en resonancia con el sistema mecánico. La regulación permite disminuir la velocidad nominal y la utilización óptima del motor se produce en caso de regulación a par constante. La gama de regulación no es constante y resulta muy sensible a las variaciones de la carga. Asimismo, el inconveniente de este sistema de variación está en las grandes pérdidas de energía. La modificación de la resistencia rotórica puede verse como un caso especial de inyección de una tensión al rotor, pues se crea una caída de tensión en la resistencia agregada externamente. Si se sustituye la resistencia por un elemento activo, la energía no se desperdicia y se puede alcanzar velocidades supersincrónicas y corregir el factor de potencia. De esta manera, inyectando una tensión secundaria de frecuencia de resbalamiento y con un ángulo de fase determinado se puede variar el deslizamiento resultante e introducir una componente reactiva adecuada. Un método para lograr esto consiste en acoplar mecánicamente un segundo motor asincrónico y alimentarlo de los anillos rozantes del primero (control en cascada), otro es utilizar un convertidor de frecuencia de colector y un tercero es emplear un motor polifásico de inducción a colector con rotor alimentado (motor Schräge). Dado que estos métodos en la actualidad sólo tienen un interés meramente académico no serán desarrollados. Regulación por impulsos
La regulación por impulsos de la velocidad generalmente se aplica en motores de pequeña potencia, y básicamente consiste en provocar variaciones periódicas y de corta duración de los parámetros del motor, de tal manera y a una frecuencia tal, que la velocidad requerida se obtiene como una velocidad promedio de las aceleraciones y desaceleraciones producidas durante el ciclo completo de variación de los parámetros. Estas variaciones pueden realizarse mediante contactores o tiristores que conectan y desconectan la alimentación de los distintos arrollamientos, cortocircuitan alternativamente ciertas impedancias o invierten periódicamente la polaridad del suministro.
Variadores de velocidad electrónicos
Las principales funciones de los variadores de velocidad electrónicos son los siguientes: Aceleración controlada La aceleración del motor se controla mediante una rampa de aceleración lineal o en «S». Generalmente, esta rampa es controlable y permite por tanto elegir el tiempo de aceleración adecuado para la aplicación. Variación de velocidad Un variador de velocidad no puede ser al mismo tiempo un regulador. En este caso, es un sistema, rudimentario, que posee un mando controlado mediante las magnitudes eléctricas del motor con amplificación de potencia, pero sin bucle de realimentación: es lo que se llama «en bucle abierto». La velocidad del motor se define mediante un valor de entrada (tensión o corriente) llamado consigna o referencia. Para un valor dado de la consigna, esta velocidad puede variar en función de las perturbaciones (variaciones de la tensión de alimentación, de la carga, de la temperatura). El margen de velocidad se expresa en función de la velocidad nominal. Regulación de la velocidad Un regulador de velocidad es un dispositivo controlado. Posee un sistema de mando con amplificación de potencia y un bucle de alimentación: se denomina, «bucle abierto». La velocidad del motor se define mediante una consigna o referencia. El valor de la consigna se compara permanentemente con la señal de alimentación, imagen de la velocidad del motor. Esta señal la suministra un generador tacométrico o un generador de impulsos colocado en un extremo del eje del motor. Si se detecta una desviación como consecuencia de una variación de velocidad, las magnitudes aplicadas al motor (tensión y/o frecuencia) se corrigen automáticamente para volver a llevar la velocidad a su valor inicial. Gracias a la regulación, la velocidad es prácticamente insensible a las perturbaciones. La precisión de un regulador se expresa generalmente en % del valor nominal de la magnitud a regular.
Deceleración controlada Cuando se desconecta un motor, su deceleración se debe únicamente al par resistente de la máquina (deceleración natural). Los arrancadores y variadores electrónicos permiten controlar la deceleración mediante una rampa lineal o en «S», generalmente independiente de la rampa de aceleración. Esta rampa puede ajustarse de manera que se consiga un tiempo para pasar de la velocidad de régimen fijada a una velocidad intermediaria o nula:
- Si la deceleración deseada es más rápida que la natural, el motor debe de desarrollar un par resistente que se debe de sumar al par resistente de la máquina; se habla entonces de frenado eléctrico, que puede efectuarse reenviando energía a la red de alimentación, o disipándola en una resistencia de frenado. - Si la deceleración deseada es más lenta que la natural, el motor debe desarrollar un par motor superior al par resistente de la máquina y continuar arrastrando la carga hasta su parada. Inversión del sentido de marcha La mayoría de los variadores actuales tienen implementada esta función. La inversión de la secuencia de fases de alimentación del motor se realiza automáticamente o por inversión de la consigna de entrada, o por una orden lógica en un borne, o por la información transmitida a mediante una red. Frenado Este frenado consiste en parar un motor pero sin controlar la rampa de desaceleración. Con los arrancadores y variadores de velocidad para motores asíncronos, esta función se realiza de forma económica inyectando una corriente continua en el motor, haciendo funcionar de forma especial la etapa de potencia. Toda la energía mecánica se disipa en el rotor de la máquina y, por tanto, este frenado sólo puede ser intermitente. En el caso de un variador para motor de corriente continua, esta función se realiza conectando una resistencia en bornes del inducido. funcionamiento y circuito ELÉCTRICO equivalente del motor ASINCRÓNICO monofásico El motor asíncrono monofásico Los motores monofásicos, como su propio nombre indica son motores con un solo devanado en el estator, que es el devanado inductor, tampoco en estos existe conexión física entre el rotor y el estator, ya que se encuentran separadas uniformemente (entrehierro). Prácticamente todas las realizaciones de este tipo de motores son con el rotor en jaula de ardilla. Suelen tener potencias menores de 1KW, aunque hay notables excepciones como los motores de los aires acondicionados con potencias superiores a 10KW. Se pueden alimentar entre una fase y el neutro o entre dos fases. No presentan los problemas de excesiva corriente de arranque como en el caso de los motores trifásicos de gran potencia, debido a su pequeña potencia, por tanto todos ellos utilizan el arranque directo. La denominación "motor pequeño" se aplica a motores de potencia inferior a un caballo de fuerza, es decir, menor a un HP. También es llamado motor de potencia fraccional y casi la totalidad de los motores monofásicos son de potencia fraccional. Aun cuando, se fabrican en potencias enteras normalizadas: 1.5, 2.5, 5, 7.5 y 10 HP tanto para tensiones de 115, 230 e incluso 440 volt para las potencias de 7.5 y 10 HP. El motor monofásico de inducción es netamente inferior al motor de inducción trifásico. Para iguales pesos, su potencia bordea solo el 60% de la del motor de inducción trifásico; tiene un factor de potencia más bajo y menor rendimiento. Comparado con el trifásico: Más ruidoso Menor rendimiento Menor cos f No tiene par de arranque Consta de: Una sola bobina Rotor tipo jaula de ardilla El motor asincrónico monofásico presenta los siguientes inconvenientes: Se caracterizan por sufrir vibraciones debido a que la potencia instantánea absorbida por cargas monofásicas es pulsante de frecuencia doble que la de la red de alimentación. No arrancan solos, debido a que el par de arranque es cero. Para explicar esta última afirmación recordemos la expresión general del campo magnético en el entrehierro generado por una corriente monofásica.
Algunas aplicaciones del motor asíncrono monofásico
Se utilizan fundamentalmente en electrodomésticos, bombas y ventiladores de pequeña potencia, pequeñas máquinas-herramientas, en los mencionados equipos de aire acondicionado, etc. Este también se utiliza en aplicaciones de baja potencia ( de hasta 1CV). Principio de funcionamiento del motor asíncrono monofásico. Este tipo de motor una vez conectado no gira, necesita un movimiento inicial para salir del punto de inestabilidad. El motor monofásico de inducción una vez que comienza a girar el rotor se producirá en este un momento inducido. Existen dos teorías básicas que explican por qué se produce momento en el rotor cuando este comienza a girar. La teoría del doble campo giratorio de los motores de inducción monofásicos y la teoría de campo cruzado de dicho motores. Ambas explicadas a continuación.
Generadores Síncronos y Asíncronos ÍNDICE: 1. GENERADOR SÍNCRONO (múltipolo). 2. GENERADOR ASÍNCRONO. INTRODUCCIÓN. El generador convierte la energía mecánica producida por el rotor en energía eléctrica. Suelen utilizarse generadores asíncronos de jaula de ardilla, junto con baterías de condensadores para mejorar su factor de potencia, aunque también pueden utilizarse generadores síncronos y asíncronos de rotor bobinado. La conexión a la red puede ser directa o indirecta, dependiendo si la turbina trabaja a velocidad constante o variable. Trabajando conectado de forma indirecta a la red conseguimos aprovechar los picos de velocidad del viento, pero el generador produce energía de frecuencia variable por lo que se necesitan equipos de adecuación para volcar la energía en la red. En la forma directa de conexión, la propia red limita la velocidad de giro del generador, por lo que no aprovecha los picos de mayor energía del viento.
1. GENERADOR SINCRONO (multipolo).
El motor Síncrono es poco convencional y puede ser utilizado en grandes industrias para corrección de factor de potencia, en este caso, las velocidades del rotor y del estator tienden a igualarse, de ahí el nombre de Síncrono.
Figura 1: Generador Síncrono. Ventajas y desventajas: -
Control optimizado.
-
No usa multiplicadora.
-
Bajo deslizamiento.
-
Reducción de tensión.
2. GENERADOR ASINCRONO.
Un motor asíncrono es un motor convencional y se utiliza el término asíncrono, por que teóricamente la velocidad del rotor nunca puede alcanzar a la velocidad del estator (Desplazamiento).
Figura 2: Generador Asíncrono. El motor de jaula de ardilla consta de un rotor constituido por una serie de conductores metálicos (normalmente de aluminio) dispuestos paralelamente unos a otros, y cortocircuitados en sus extremos por unos anillos metálicos, esto es lo que forma la llamada jaula de ardilla por su similitud gráfica con una jaula de ardilla. Esta 'jaula' se rellena de material, normalmente chapa apilada. De esta manera, se consigue un sistema n-fásico de conductores (siendo n el número de conductores) situado en el interior del campo magnético giratorio creado por el estator, con lo cual se tiene un sistema físico muy eficaz, simple, y muy robusto (básicamente, no requiere mantenimiento). El motor de rotor bobinado tiene un rotor constituido, en vez de por una jaula, por una serie de conductores bobinados sobre él en una serie de ranuras situadas sobre su superficie. De esta forma se tiene un bobinado en el interior del campo magnético del estator, del mismo número de polos (ha de ser construido con mucho cuidado), y en movimiento. Este rotor es mucho más complicado de fabricar y mantener que el de jaula de ardilla, pero permite el acceso al mismo desde el exterior a través de unos anillos que son los que cortocircuitan los bobinados. Esto tiene ventajas, como la posibilidad de utilizar un reóstato de arranque que permite modificar la velocidad y el par de arranque, así como el reducir la corriente de arranque. En cualquiera de los dos casos, el campo magnético giratorio producido por las bobinas inductoras del estator genera unas corrientes inducidas en el rotor, que son las que producen el movimiento. 1)
Asíncrono (jaula de ardilla).
Figura 3: Generador Asíncrono de jaula de ardilla. Ventajas y desventajas: - Más sencillo de fabricación. - Menor versatilidad. - Necesita una sincronización suave a red (tiristores). - No regula el factor de potencia, necesita etapas de condensadores. 2)
Asíncrono con rotor bobinado.
Figura 4: Generador Asíncrono de rotor bobinado. Ventajas y desventajas: - Permite inyectar y extraer energía del rotor. - Al inyectar diferentes frecuencias al rotor se consigue de sincronismo.
poder generar a velocidades muy diferentes de la
- Generador de velocidad variable (de 900 a 1500 r.p.m.). - Al permitir la extracción de energía del rotor, se consigue generar hasta un 10% de la energía producida. - Requiere sincronización a red antes de generar.
