Motor asíncrono trifásico

MOTOR ASÍNCRONO TRIFÁSICO

MOTOR ASÍNCRONO TRIFÁSICO Alrededor del 65% de la energía eléctrica es consumida por motores eléctricos. Considerando únicamente el sector industrial, alrededor del 75% es consumida por motores, siendo el 90% de ellos motores asíncronos trifásicos. 1.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Al igual que las máquinas de cc. los motores de inducción están formados por un estator y un rotor El estator está constituido por un núcleo en cuyo interior existen 3 pares de arrollamientos o devanados colocados simétricamente en un ángulo de 120º. Son sometidos a una C.A. trifásica creando un campo giratorio. Las bobinas del estator inducen corriente alterna en el circuito eléctrico del rotor (por el efecto transformador) . La interacción entre el campo magnético del estator y la corriente del inducido en el rótor produce la fuerza que hace mover al rotor. A, B y C, representan las tres bobinas inductoras, la circulación del sistema trifásico de corrientes, produce un campo magnético giratorio.

El sistema de tres bobinas produce un par de polos (norte y sur), se puede construir el estator con un número de bobinas siempre múltiplo de 3 produciendo un número de pares de polos mayor. La velocidad angular en radianes/seg. a la que gira el campo magnético producido por el estator viene dada por la siguiente expresión:

ωs =

f .2.π p

Siendo f, la frecuencia de la red y p el número de pares de polos. La velocidad en r.p.m. vendrá dada por la expresión

Ns =

f .60 p

Esta será la velocidad de sincronismo, el rótor nunca puede girar a esta velocidad, porque en ese caso la interacción de campo magnético de rótor y estator no produce fuerza.

Representación de campos magnéticos producidos en rótor y estator.

Una forma de imaginar el funcionamiento de este motor es pensar que en el estator se genera un campo magnético que gira a la velocidad de sincronismo y en el rótor se genera otro campo magnético que trata de seguir al del estator sin alcanzarlo en ningún momento.

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2.- CONSTRUCCIÓN Y CLASIFICACIÓN

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Común a cualquier motor, encontramos elementos como la carcasa que soporta el estator, la caja de bornes, donde realizar las conexiones eléctricas, el ventilador para refrigeración. El estator está formado por chapas de un acero especial con buena conducción magnética, aisladas eléctricamente para evitar pérdidas por corrientes de Foucoult. Las chapas tienen unas ranuras donde se alojan los devanados de excitación. El rótor está construido mediante chapas, al igual que el estator, los conductores se alojan en las ranuras de dos maneras diferentes dando lugar a dos tipos de motores. Motores de “jaula de ardilla” El rotor consta de un cierto número de barras de cobre o de aluminio, conectadas eléctricamente por anillos de aluminio finales. Su construcción es más económica, robusta y sencilla, no incorporan escobillas por lo que su mantenimiento es menor, pero no permite conectar el rótor otros componentes eléctricos fuera del mismo.

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Motores de “rótor bobinado” o “anillos rozantes”. Los conductores del rótor están constituidos por bobinas de hilo de cobre conectadas al exterior a través de un sistema de anillos y escobillas, permite conectar el devanado rotórico con otros elementos eléctricos como resistencias para cambiar los parámetros de funcionamiento del motor. 3.- VELOCIDAD DE GIRO. Sabiendo el número de polos y la frecuencia de la red se determina la velocidad de sincronismo del rótor, como el motor nunca gira a esta velocidad conviene definir un concepto que es el deslizamiento como la diferencia de velocidades del motor (sincronismo y real) en relación a la velocidad de sincronismo. Valores típicos suelen estar alrededor del 5%, y depende del par que tiene que vencer el motor.

s=

∆n ∆ω ns − n ωs − ω = = = ns ωs ns ωs

Siendo ns la velocidad de sincronismo y n la velocidad real del rotor. Esta relación también determina que la frecuencia de las corrientes que se generan en el rótor viene dada por: frotor = festator .s s

n

ns

0 s max

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Tst

Tmax

Torque

Dado que la velocidad de sincronismo viene dada por frecuencia de la red y número de pares de polos, los valores de velocidades de sincronismo característicos de estos motores serán.

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4.- BALANCE DE POTENCIAS

El motor absorbe una energía eléctrica, y proporciona una potencia útil mecánica. Pmec = M . ω La diferencia entre ambas potencias se debe a la energía perdida: Pérdidas en el Cu, PCu estator, PCu rotor Se producen por la resistencia de los conductores tanto en el rótor como en el estator, Pérdidas en el Fe, P Fe estator, PFe

rotor

Debidas a que los campos magnéticos inducen corrientes en las chapas del estator y del rotor, para minimizarlas se construyen ambos elementos mediante la unión de chapas aisladas. Pérdidas mecánicas, son debidas a rozamientos entre componentes mecánicos y la energía que requiere el ventilador. El rendimiento de la máquina será la energía útil mecánica dividido la energía eléctrica absorbida.

η=

Pmec Pelectr

La potencia eléctrica vendrá dada por la expresión de la potencia absorbida por una carga trifásica:

P = 3V .I . cos ζ Siendo V la tensión de línea, I la corriente de línea y cos φ el factor de potencia. 5.- CONEXIONADO DEL MOTOR La conexión del motor a la línea eléctrica se realiza a través de la “caja de bornas” en la misma podemos acceder al principio y final de cada bobina que constituyen los devanados. Dada una línea trifásica podemos conectar los devanados del motor en estrella o en triángulo.

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Hay que tener en cuenta que las bobinas del motor están construidas para un valor máximo de voltaje, la conexión en estrella o triángulo del motor dependerá de este máximo y del valor de la línea. Veámoslo con un ejemplo. La placa de características de un motor nos da como tensión a aplicar 380V/220V. Dada una línea trifásica con tensión de línea 220V, ¿cómo podemos conectar el motor?

Si la tensión de la línea es de 380V, ¿cómo podremos conectar ahora el mismo motor? 6.- CAMBIO DEL SENTIDO DE GIRO Se ha visto anteriormente que el giro del rótor se debe al campo magnético giratorio que produce el estator, para cambiar el sentido de giro del eje será necesario cambiar el sentido de giro de dicho campo. Esto se consigue invirtiendo entre sí dos fases cualesquiera, permaneciendo una de ellas con la misma conexión.

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7.- CURVAS CARACTERÍSTICAS Las más importantes son las “característica de par” M=f(n) y la “característica de intensidad” I=f(n)

8.- ARRANQUE DEL MOTOR Si no se dispone de algún medio que limite la corriente, en el arranque del motor se produce un valor elevado de corriente lo cual da lugar a problemas en las líneas eléctricas por lo que es necesario limitar este valor de corriente, existen varios sistemas: El arranque directo del motor sólo es válido para motores de poca potencia. Arranque mediante resistencias. Consiste en conectar en serie con el motor unas resistencias, es un método que desperdicia la potencia en forma de calor, por lo que es muy poco utilizado. Arranque mediante autotransformador. Mediante un transformador podemos reducir el valor de voltaje, tampoco es muy poco utilizado por el coste del transformador. Arranque mediante conexión de resistencias en el rótor. Sólo válido en motores con rótor bobinado, presenta los inconvenientes anteriormente descritos. Arranque estrella-triángulo Es el tipo de arranque más utilizado por su bajo coste, en función de la tensión del motor y de la línea podemos arrancar el motor con los devanados conectados en estrella y una vez en marcha el motor conectarlos en triángulo. Para la realización del mismo se necesitan contactores, son “relés” para potencias elevadas que permiten realizar circuitos de maniobra de las máquinas eléctricas.

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Circuito de potencia y mando de un arranque estrella-triángulo.

Al conectar el motor en estrella la corriente de arranque se reduce a la tercera parte que al conectar en triángulo directamente. Arranque mediante variador de frecuencia. Regulación de velocidad. Un variador o convertidor de frecuencia es un dispositivo que mediante “electrónica de potencia”, (transistores y tiristores capaces de conducir corrientes elevadas) permite obtener un sistema trifásico de voltajes con distintas frecuencias. Basados en esta tecnología se tienen equipos que permiten variar la velocidad de un motor de una forma bastante precisa. Los mismos se pueden utilizar como arrancadores.

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Mediante un display y unos pulsadores se seleccionan distintos valores de frecuencia a la salida del convertidor

Otros sistemas de variación de la velocidad Tradicionalmente en las aplicaciones donde era necesaria una regulación de velocidad precisa se empleaban motores de corriente continua. A día de hoy con la electrónica de potencia es posible regular la velocidad del motor trifásico de una forma precisa, como este motor es más robusto y presenta menos problemas de mantenimiento que el motor de corriente continua, en la mayoría de aplicaciones actuales se imponen los motores asíncronos. Existen otros métodos de variación de velocidad que a día de hoy casi no se emplean. Cambio de velocidad por cambio de pares de polos Dada la expresión de la velocidad de sincronismo

Ns =

f .60 p

Vemos que la velocidad depende del número de pares de polos, si se construye un motor con varios devanados trifásicos de manera que puedan conectarse de distinta manera para formar distinto número de pares de polos tendremos dos velocidades posibles. A este tipo de motores se les denomina con conexión Dahlander. Cambio de velocidad por cambio de voltaje Al modificar el valor del voltaje aplicado al motor varía la potencia absorbida y la velocidad del mismo, mediante la conexión estrella-triángulo anteriormente vista podemos hacer que el motor disponga de dos velocidades distintas.

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