SAV

7.2 Motores de Inducción o Asíncronos
•
•
•
•
•
•
•
•
Aspectos constructivos
Principio de funcionamiento
Circuito equivalente
Pérdidas y balance de potencia
Característica par-velocidad
Ensayos
Clasificación NEMA según el tipo de rótor
Tipos de cargas mecánicas
7.2.1 Aspectos Constructivos
Estructura
mecánica
Circuito
Eléctrico
Cilindro que puede girar sobre su eje (rótor)
en el interior de otro cilindro hueco fijo (estátor)
Estátor
Circuito
eléctrico
estatórico
Rótor
Circuito
eléctrico
rotórico
Arrollamiento
trifásico
Arrollamiento
(polifásico)
en cortocircuito
Estátor: Parte fija
Rótor: Parte giratoria
Bobinas preformadas o
devanado preformado
Bobinas de hilo esmaltado
o devanado aleatorio
Jaula de ardilla
Aluminio fundido
Barras soldadas
Bobinado o
Anillos rozantes
Bobinas de cobre
Anillos rozantes
Estátor
Ranuras
Paquetes Magnéticos
Chapa magnética de acero al silicio Paquete magnético en la superficie
Cilíndrico hueco
interna
Circuito
apiladas y eléctricamente aisladas
Magnético
unas de otras
Rótor
Ranuras
Paquete magnético en la superficie
Entrehierro
cilíndrico
externa
7.2.1 Aspectos Constructivos
7.2.1 Aspectos Constructivos: Motor de inducción de B.T.
Paquete
magnético
estatórico
Cabezas de bobina
Ranuras del
estátor
Ranuras del
rótor
Eje
Anillo de cortocircuito
7.2.1 Aspectos Constructivos: Estátor
Evitar contacto entre
Conductores a distinta
tensión
Fotografíías realizadas en los talleres
Fotograf
de ABB Service - Gij
Gijó
ón
Fotografíías realizadas en los talleres
Fotograf
de ABB Service - Gij
Gijó
ón
Devanado Preformado
Tensión > 2.3 kV
Los materiales empleados en los
aislamientos suelen ser orgánicos
Devanado de hilo
Tensión < 600 V
7.2.1 Aspectos constructivos: Rótor en jaula de ardilla
Chapa magnética
Canal radial de ventilación
Canal longitudinal
de ventilación
Catá
Cat
álogos comerciales
Anillo de
cortocircuito
Barra de cobre
Fijación paquete
Chapa magnética
Plato final rótor
7.2.1 Aspectos constructivos:
Rótor bobinado – Anillos rozantes
 L. Serrano: Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas rotativas
Anillos rozantes
El circuito rotórico se cortocircuita
exteriormente a través de unas
escobillas (grafito) que frotan sobre
los anillos rozantes
Anillos
rozantes
Escobillas
 L. Serrano: Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas rotativas
7.2.1 Aspectos constructivos:
Rótor bobinado – Anillos rozantes
Estátor
Anillos rozantes
7.2.1 Aspectos constructivos:
Despiece de un motor de B.T.
Catá
Cat
álogos comerciales
7.2.1 Aspectos constructivos:
Despiece de un motor de A.T.
Catá
Cat
álogos comerciales
Refuerzos
carcasa
Núcleo
magnético
estátor
Núcleo
magnético
rótor
Cabezas de
bobina
Fijación cojinetes
Refuerzo rótor
7.2.1 Aspectos constructivos:
Caja de terminales (bornas)
U1
V1
W1
U1
W2
U2
U1
V2
V1
V2
W1
W2
Cajas de terminales
Conexión en
estrella
Pletina de
cobre
W2
V2
U2
W1
W2
U1
U2
V1
Caja de
conexiones
V1
U2
W1
V2
Conexión en
triángulo
Devanados del motor
7.2.1 Aspectos constructivos:
Placa de características
7.2.2 Principio de Funcionamiento
R’
T
Estator
S
Rotor
Origen de
ángulos
T’
S’
R
IRR = I max
max ⋅ Cos (ϖ11 ⋅ t )
I SS = I max
max ⋅ Cos (ϖ11 ⋅ t − 120º )
I TT = I max
max ⋅ Cos (ϖ11 ⋅ t + 120º )
El estátor de un motor de inducción
está formado por tres devanados
desplazados en el espacio 120º.
En la figura se representa sólo una
espira de cada uno de los devanados
(RR’, SS’, TT’)
Los tres devanados están alimentados
mediante un sistema trifásico
equilibrado de tensiones. Por tanto, las
corrientes que circulan por las espiras
son senoidales y están desfasadas
120º entre si
7.2.2 Principio de Funcionamiento
Motor de
inducción
Sistema
trifásico
equilibrado
Espiras en cortocircuito
sometidas a tensión.
Circulación de corriente
por las espiras del rótor
Ley de Biot
y Savart
Estator
Devanado trifásico simétrico (a 120º)
alimentado con sistema trifásico
equilibrado de tensiones
Rótor
Espiras en cortocircuito
Devanado trifásico
simétrico (a 120º)
Campo giratorio Ω = 2πf/p
Interacción v-B
FEM inducida por el
campo giratorio en los
conductores del rótor
Interacción I-B
Fuerza sobre las
espiras del rotor
Par sobre
el rótor
Ley de Faraday
El rótor
gira
7.2.2 Principio de Funcionamiento
El motor asíncrono o de inducción, siempre que funciona accionando
una carga, gira a velocidad inferior (pero próxima) a la de
sincronismo (campo giratorio) ya que, en caso contrario, al no haber
movimiento relativo entre los conductores del rótor y el campo, no se
induciría F.E.M. (interacción v-B) en el devanado rotórico y, por tanto,
tampoco habría par motor (interacción I-B)
Cuando funciona en vacío, el único par motor que debe desarrollar
es el necesario para compensar las pérdidas (muy pequeño), por lo
que gira a una velocidad muy próxima a la de sincronismo
7.2.2 Principio de Funcionamiento.
Deslizamiento
Velocidad de
deslizamiento
Ndes
des = NS
S − Nm
m
NSS =
S (%) =
Velocidad
mecánica
del rótor
Deslizamiento
S (%) =
{
60 ⋅ f
P
ωSS − ωm
m ⋅ 100
ωSS
Ndes
des ⋅ 100 = NS
S − Nm
m ⋅ 100
NSS
NSS
s = 0 Velocidad de sincronismo
s = 1 Rótor parado
NSS − Nm
m ) ⋅ N = (1 − S ) ⋅ N
Nm
=
1
−
(
S
S
m
S
S
NSS
Los
Los motores
motores de
de inducción
inducción funcionan
funcionan
siempre
siempre con
con valores
valores de
de deslizamiento
deslizamiento
muy
muy bajos:
bajos: ss << 55 %
%
ωm
m = (1 − S ) ⋅ ω S
S
7.2.2 Principio de Funcionamiento.
Deslizamiento
Frecuencia de la
F.E.M. inducida
en el rótor
La misma que la velocidad
relativa del campo respecto al
rótor (s)
Reducción
velocidad giro
frotor → festator
Aumento
velocidad giro
mayor velocidad relativa
campo respecto rótor
Menor velocidad relativa
campo respecto rótor
Aumento de la frecuencia
inducida rótor
Disminución de la
frecuencia inducida rótor
En el límite:
S→ 1; N m→ 0
En el límite:
S→ 0; N m→ Ns
frotor→ 0
7.2.2 Principio de Funcionamiento.
Deslizamiento
Rótor bloqueado:
Nm= 0
Funcionamiento
en vacio:
Nm≅ NS
frotor
frotor→ festator
frotor→0
}
NS − Nm
=
⋅ festator
NS
N − Nm
frotor = P ⋅ S
60
frotor = S ⋅ festator
Para cualquier velocidad
entre 0 y NS
60 ⋅ festator
NS =
P
7.2.3. Circuito equivalente
El
El modelo
modelo de
de circuito
circuito equivalente
equivalente de
de una
una máquina
máquina de
de inducción
inducción es
es parecido
parecido al
al
del
del transformador
transformador en
en el
el que
que el
el que
que el
el devanado
devanado estatórico
estatórico es
es el
el primario
primario yy el
el
rotórico
rotórico es
es el
el secundario
secundario (relación
(relación de
de transformación
transformación == rrtt))
La
La resistencia
resistencia rotórica
rotórica efectiva
efectiva (R’
(R’RR/s)
/s) varía
varía con
con la
la velocidad
velocidad (s)
(s)
El
El devanado
devanado secundario
secundario (rotórico)
(rotórico) está
está cortocircuitdado
cortocircuitdado
Xs
Rs
XR ’
IR ’
I1
U1
RR '
S
E1
E2 ’
E2 ' = E2 ⋅ rt = E1
7.2.3. Circuito equivalente
Xs
I1
U1
R RR'
1 − S 
= R RR'+R RR '⋅

S
 S 
Rs
Iµ
Xµ
XR ’
I0
Ife
IR ’
RR '
S
Rfe
La
La resistencia
resistencia variable
variable (rotórica
(rotórica
efectiva)
efectiva) puede
puede dividirse
dividirse en
en dos
dos
partes:
partes: la
la resistencia
resistencia rotórica
rotórica yy la
la
resistencia
resistencia “mecánica”
“mecánica”
7.2.3. Circuito equivalente
Resistencia
cobre estator
Reactancia
dispersión
estator
Xs
I1
Tensión
de fase
(Estator )
Corriente
de vacío
Rs
XR ’
I0
Iµ
Xµ
U1
Reactancia
dispersión
rotor
Reactancia
magnetizante
Todos los elementos del circuito con ‘
están referidos al estator
IR ’
Resistencia
cobre rotor
RR ’
Ife
Rfe
Resistencia
potencia
mecánica
entregada
1 − S 
RR '⋅

 S 
Resistencia
pérdidas hierro
El circuito equivalente se plantea
por fase y con conexión en estrella
7.2.3. Circuito equivalente
Xs
I1
U1 (T. DE FASE)
Cos
ϕ
Cosϕ
Rs
XR ’
I0
Iµ
Xµ
IR ’
RR ’
Ife
Rfe
1 − S 
RR '⋅

 S 
Potencia
Potencia entregada
entregada
Con
Con la
la carga
carga nominal
nominal (s
(s << 0.05)
0.05) el
el factor
factor de
de potencia
potencia aa la
la entrada
entrada es
es alto
alto
(0,8
(0,8 aproximadamente)
aproximadamente)
En
En vacío
vacío (s
(s == 0)
0) la
la rama
rama del
del rótor
rótor queda
queda en
en circuito
circuito abierto:
abierto: el
el circuito
circuito es
es
principalmente
principalmente inductivo
inductivo con
con factor
factor de
de potencia
potencia entre
entre 0,1
0,1 -- 0,2
0,2 aprox.
aprox.
En
En un
un motor
motor asíncrono
asíncrono la
la corriente
corriente de
de vacío
vacío no
no es
es despreciable
despreciable
7.2.4 Pérdidas y balance de potencia
PP11 == 3v
ϑ
3v11⋅⋅ II11⋅⋅ Cos
Cosϑ
Potencia absorbida de la red eléctrica
22
PCu
=
3
⋅
R
⋅
I
S
11
Cuest
S
est
Pérdidas por efecto Joule en los conductores del estátor
22
PCu
=
3
⋅
R
'
⋅
I
'
R
CuRot
R R
R
Rot
Pérdidas por efecto Joule en los conductores del rótor
2
E112
Pfe
fe = 3 ⋅
R fe
fe
Pérdidas en el hierro. Suelen considerarse con-centradas en el
estator. En el circuito rotórico la frecuencia es muy baja
Pgg = P1 − PCu
− Pfe
Cuest
fe
est
Potencia que atraviesa el entrehierro de la máquina
R '
Pgg = 3 ⋅ RR ⋅ IRR '22
S
La
La potencia
potencia que
que atraviesa
atraviesa el
el
entrehierro
entrehierro es
es la
la que
que disipa
disipa en
en la
la
resistencia
resistencia total
total de
de la
la rama
rama del
del
rotor
rotor (R
(RRR’/S)
’/S)
1 − S 
22
Pmi
=
P
−
P
=
3
⋅
R
'
⋅
⋅
I
'
g
cu
R
R
mi
g
curot
R
R
 S 
rot


Potencia mecánica interna:
atraviesa el entrehierro y produce
trabajo
Se disipa en la resistencia variable
7.2.4 Pérdidas y balance de potencia
Pmi
= Pgg − S ⋅ Pgg = [1 − S ] ⋅ Pgg
mi = Pg
g − Pcu
curot
rot
[1 − S] ⋅ Pgg Pgg
Pmi
mi
Tii =
=
=
Ω
Ω
Ω SS
Velocidad angular
de giro del rotor
Otra forma de calcular la a partir
del deslizamiento
Par interno: el par total
desarrollado interna-mente por la
máquina
Velocidad angular
de sincronismo
Pu
Pu == Pmi
Pmi –– Pérdidas
Pérdidas mecánicas
mecánicas yy rotacionales
rotacionales
PUU
TUU =
Ω
Par útil: el par que es capaz de
desarrollar el motor en el eje
7.2.5 Característica par-velocidad
Par ss >> 11
Freno
00 << ss << 11
ss << 00
Motor
Generador
Par máximo
Par Nominal
Par de
Arranque
Velocidad de
sincronismo
1
0
Deslizamiento S
Tarr
arr = 1,2 − −2
Tnom
nom
Tmax
max = 1,8 − − 2 ,7
Tnom
nom
7.2.5 Característica par-velocidad
La
La característica
característica mecánica
mecánica de
de los
los motores
motores de
de inducción
inducción es
es
prácticamente
prácticamente lineal
lineal entre
entre vacío
vacío yy plena
plena carga
carga
El
El par
par máximo
máximo suele
suele ser
ser de
de 22 aa 33 veces
veces el
el nominal
nominal
El
El par
par de
de arranque
arranque tiene
tiene que
que ser
ser superior
superior al
al nominal
nominal para
para permitir
permitir
que
que el
el motor
motor se
se ponga
ponga en
en marcha
marcha yy acelerar
acelerar la
la carga
carga
Para
Para un
un determinado
determinado deslizamiento
deslizamiento el
el par
par varía
varía con
con el
el cuadrado
cuadrado de
de
la
la tensión
tensión
7.2.5 Característica par-velocidad
Banda
Banda de
de
dispersión
dispersión
7.2.5 Característica par-velocidad
7.2.5 Característica par-velocidad
jXth
I1
Rth
A
jXR ’
IR ’
+
RR '
S
Vth
El
El par
par será
será máximo
máximo
cuando
cuando P
Pgg sea
sea
máxima,
máxima, es
es decir
decir
cuando
cuando se
se
transfiera
transfiera aa R
RRR’/S
’/S la
la
máxima
máxima potencia
potencia
B
R RR '
22
22
= R th
+
[
X
+
X
'
]
th
R
th
th
R
S
S TMAX
TMAX =
2
R RR '
22
R th
th
Teorema
Teorema de
de la
la
máxima
máxima transferencia
transferencia
de
de potencia
potencia
+ [X th
+ X RR']
th
22
Tmax
max =
2
3 ⋅ Vth
th
22
22 
2 ⋅ ΩSS ⋅ R th
+
R
+
[
X
+
X
'
]
th
th
R
th
th
R
 th

7.2.5 Característica par-velocidad
2
2
3 ⋅ Vth
th
Tmax
max =
S TMAX
TMAX
22
22 
2 ⋅ ΩSS ⋅ R th
+
R
+
[
X
+
X
'
]
th
th
R
th
th
R
 th

R RR '
=
22
22
R th
+
[
X
+
X
'
]
th
R
th
th
R
El
El par
par máximo
máximo NO
NO
depende
depende de
de la
la
resistencia
resistencia rotórica
rotórica
R
RRR’’
Resistencia rotórica creciente
Par
EL
EL deslizamiento
deslizamiento al
al que
que
se
se produce
produce el
el par
par
máximo
máximo SÍ
SÍ depende
depende
de
de R
RRR’’
Esta
Esta propiedad
propiedad se
se usa
usa para
para el
el arranque
arranque
mediante
mediante inserción
inserción de
de resistencias
resistencias en
en
máquinas
máquinas de
de rótor
rótor bobinado
bobinado
S
STMAX3 STMAX2 STMAX1
7.2.6 Ensayos. Ensayo de funcionamiento en vacío
Condiciones
Condiciones del
del ensayo:
ensayo:
En vacío s ≈ 0:
Motor
Motor girando
girando sin
sin carga
carga
1 - S 
Si S → 0 : R RR' 
→∞
S


V
V yy ff nominales
nominales
U11(t)
I (t)
+ 00
+
Xs
W1
A
I0
W2
Z0
+
XR ’
Rs
Iµ
U1
RR ’
Ife
Rfe
Xµ
Al
Al no
no circular
circular corriente
corriente por
por R
RRR’’ puede
puede considerarse
considerarse que
que en
en
este
este ensayo
ensayo las
las pérdidas
pérdidas en
en el
el Cu
Cu son
son sólo
sólo las
las del
del estator
estator
P00 = W1 + W2 = Pcu
+ Pmec
+ Pfe
cuest
mec
fe
est
Z00 = R 00 + jX 00
Impedancia
Impedancia
por
por fase
fase del
del
motor
motor
VLínea
Línea
3
Z00 =
I00
{
R0 =
P0
3 ⋅ I0
2
2
2
X 00 = Z 002 − R 00 2 ≅ X ss + X µµ
7.2.6 Ensayos. Ensayo de rótor bloqueado
Condiciones
Condiciones ensayo:
ensayo:
El
El ensayo
ensayo se
se realiza
realiza subiendo
subiendo
gradualmente
gradualmente la
la tensión
tensión de
de alialimentación
mentación hasta
hasta que
que la
la corrien-te
corrien-te
circulante
circulante sea
sea la
la nominal
nominal
Rotor
Rotor bloqueado
bloqueado
V
V reducida
reducida ee II nominal
nominal
Ucc
(t) I (t)
cc
1n
+ 1n
+
V
W1
W2
+
Tensión
Tensión de
de ensayo
ensayo
muy
muy reducida
reducida
Corriente
Corriente por
por Xµ
Xµ
despreciable
despreciable
Xs
A
Muy
Muy pocas
pocas
pérdidas
pérdidas Fe
Fe
Se
Se elimina
elimina
rama
rama paralelo
paralelo
Zcc
Rs
XR ’
RR ’
I1n
Ucc
cc
3
R
Rfefe
despreciable
despreciable
Se
Se puede
puede despreciar
despreciar la
la
rama
rama paralelo
paralelo
Z cc
cc = R cc
cc + jX cc
cc
R cc
cc = R ss + R R
R'
X cc
cc = X ss + X R
R'
7.2.6 Ensayos. Ensayo de rótor bloqueado
Xs
Zcc
I1n
Ucc
cc
3
Rs
XR ’
Se
Se puede
puede despreciar
despreciar la
la
rama
rama paralelo
paralelo
Cálculo
Cálculo de
de los
los parámetros
parámetros del
del
modelo
modelo de
de circuito
circuito equivalente
equivalente
X
XSS yy X
XRR’’
RR ’
Pcc
= W1 + W 2 = Pcu
+ Pcu
cc
cuest
curot
est
rot
Ucc
cc
Pcc
3
cc
Z cc
=
R
=
cc
cc
cc
2
I11nn
3 ⋅ I11nn 2
R
RSS Se
Se obtiene
obtiene por
por medición
medición directa
directa sobre
sobre
los
los devanados
devanados del
del estator
estator
Regla
Regla empírica
empírica según
según tipo
tipo de
de motor
motor
MOTOR
MOTOR CLASE
CLASE A:
A: X SS = X RR'
[
]
MOTOR
MOTOR CLASE
CLASE C:
C: X SS = 0 ,3 ⋅ [X SS + X RR']
MOTOR
MOTOR CLASE
CLASE B:
B: X SS = 0 ,4 ⋅ X SS + XRR '
MOTOR
MOTOR CLASE
CLASE D:
D: X SS = X RR'
X RR' = 0,6 ⋅ [X SS + X RR']
X RR ' = 0,7 ⋅ [X SS + X RR ']
7.2.6 Ensayos. Ensayo de rótor bloqueado
Cálculo
Cálculo de
de los
los parámetros
parámetros del
del
modelo
modelo de
de circuito
circuito equivalente
equivalente
X
Xµµ
Después
Después de
de aplicar
aplicar la
la Regla
Regla empírica
empírica
anterior
anterior para
para obtener
obtener las
las reactancias
reactancias de
de
rotor
rotor yy estator
estator se
se aplica
aplica el
el resultado
resultado del
del
ensayo
ensayo de
de vacío
vacío
X µµ = X 00 − X SS
RR’
Se
(Ensayo de
Se obtiene
obtiene restando
restando aa R
RCC
CC (Ensayo de
rotor
rotor bloqueado)
bloqueado) el
el valor
valor de
de R
RSS (medición
(medición
directa)
directa)
R RR ' = R cc
cc − R S
S
7.2.7 Clasificación NEMA según el tipo de rotor
T/Tnom
T/
Tnom
3
2,5
2
Clase
Clase C
C
MOTOR CLASE A
l
Clase
Clase D
D
l
Clase
Clase A
A
Clase
Clase B
B
l
l
l
1,5
l
S
Par de arranque bajo
Par nominal con S<5%
Corriente arranque elevada 5 – 8
In
Rendimiento alto
Uso en bombas, ventiladores,
máquina herramienta, etc, hasta
5,5 kW
Para potencias > 5,5 kW se usan
sistemas de arranque para limitar
la corriente
7.2.7 Clasificación NEMA según el tipo de rótor
MOTOR CLASE B
l
l
l
l
l
l
Par arranque similar clase A
Corriente arranque 25% < clase A
Par nominal con S<5%
Rendimiento Alto
Aplicaciones similares al clase A
pero con < I arranque
Son LOS MÁS UTILIZADOS
MOTOR CLASE C (Doble jaula)
l
l
l
l
l
l
Par arranque elevado (2 veces
Tnom aprox.)
Corriente de arranque baja
Par nominal con S<5%
Rendimiento Alto
Aplicaciones que requieren alto
par de arranque
Tmax < clase A
MOTOR CLASE D
l
l
l
l
l
Par arranque muy elevado (> 3 Tnom)
Corriente de arranque baja
Par nominal con S elevado (7 –17%)
Rendimiento bajo
Aplicación en accionamientos intermitentes que
requieren acelerar muy rápido
7.2.8 Tipos de cargas mecánicas
TR=K
TR=K*N2
l
l
l
l
Bombas centrífugas
Compresores centrífugos
Ventiladores y soplantes
Centrifugadoras
TR=K*N
l
l
Prensas
Máquinas herramientas
TR=K/N
l
l
Bobinadoras
Máquinas fabricación chapa
l
l
l
l
TR
Máquinas elevación
Cintas transportadoras
Machacadoras y trituradoras
Compresores y bombas de
pistones
TR =K* N2 TR =K* N
TR =K
TR =K/N N