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Universidad de Oviedo
Tema VII: La máquina
asíncrona
Dpto.
Dpto. de
de Ingeniería
Ingeniería Eléctrica,
Eléctrica,
Electrónica
Electrónica de
de Computadores
Computadores yy
Sistemas
Sistemas
7.1. Aspectos constructivos:
generalidades
Conjunto
Conjunto de
de
espiras
espiras en
en
cortocircuito
cortocircuito
ROTOR
ROTOR
ESTATOR
ESTATOR
{
{
{
De
De jaula
jaula de
de
ardilla
ardilla
Bobinado
Bobinado
Devanado
Devanado
trifásico
trifásico
distribuido
distribuido en
en
ranuras
ranuras aa 120º
120º
CIRCUITOS
CIRCUITOS
MAGNÉTICOS
MAGNÉTICOS
De
De Al
Al
fundido
fundido
De
De barras
barras
soldadas
soldadas
Aleatorio:
Aleatorio: de
de hilo
hilo
esmaltado
esmaltado
Preformado
Preformado
Conjunto
Conjunto de
de chapas
chapas de
de
Fe
Fe aleado
aleado con
con Si
Si
aisladas
apiladas
aisladas yy apiladas
7.2. Aspectos constructivos:
rotor II
Barras
Barras
Anillo
Anillo
Rotor de anillos
Soldados
Anillos
Fotografí
Fotografías realizadas en los talleres
de ABB Service - Gijó
Gijón
Rotor de aluminio
Fundido
Chapa magnética
Anillo de
cortocircuito
7.2. Rotor III
Catá
Catálogos comerciales
Barra de cobre
Plato final rotor
Fijación
chapa magnética
Despiece de un rotor
de jaula con barras
de cobre soldadas
7.2.1 Rotor bobinado:
anillos rozantes
 L. Serrano: Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas rotativas
Anillos
rozantes
El rotor se cierra en
cortocircuito desde el
exterior a través de
unas escobillas y
anillos rozantes
Anillos
rozantes
Escobillas
 L. Serrano: Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas rotativas
7.3. Aspectos constructivos:
estator
Evitar
Evitar contacto
contacto entre
entre
conductores
conductores aa distinta
distinta
tensión
tensión
Fotografí
Fotografías realizadas en los talleres
de ABB Service - Gijó
Gijón
Fotografí
Fotografías realizadas en los talleres
de ABB Service - Gijó
Gijón
DEVANADO PREFORMADO
Tensión>2300v
Los
Los materiales
materiales empleados
empleados en
en los
los
aislamientos
aislamientos son
son generalmente
generalmente
orgánicos
orgánicos
DEVANADO DE HILO
Tensión<600V
7.3.1. Diferencias entre
devanados de hilo y devanados
preformados
Baja tensión < 2kV
Devanados de Hilo
Forma constructiva
de los devanados
Potencia < 600CV
Devanado
aleatorio”
Devanado ““aleatorio”
dentro
dentro de
de la
la ranura
ranura
Pletinas de cobre aisladas
Devanados de pletina
Alta tensión y potencia
Colocación
Colocación de
de bobinas
bobinas
“ordenada”
“ordenada”
7.3.2. Elementos del aislamiento
estatórico en motores con
devanados preformados I
Cuña
Bobina
superior
Núcleo del
estator
Conductor
elemental
Aislamiento
Bobinas del
estator
Bobina
inferior
Espira
Habitualmente se colocan
dos bobinas por ranura.
Cada espira puede estar
constituida por varios
conductores elementales
El aislamiento entre conductores elementales es
distinto del aislamiento
frente a masa
7.3.2. Elementos del aislamiento
estatórico en motores con
devanados preformados II
●
MURO AISLANTE
AISLANTE:: elemento de mayor espesor que separa al
conjunto de la bobina del exterior. Debe estar dimensionado
para soportar la tensión correspondiente al nivel de aislamiento
de la máquina.
●
AISLAMIENTO ENTRE ESPIRAS Y ENTRE CONDUCTORES
ELEMENTALES
ELEMENTALES:: las espiras pueden estar formadas conductores
individuales para reducir las pérdidas. Es necesario que exista
aislamiento entre ellas y entre conductores.
●
CINTAS Y RECUBRIMIENTOS DE PROTECCIÓN
PROTECCIÓN:: se utilizan
cintas y recubrimientos protectores para proteger las bobinas
en las zonas de ranura.
7.3.2. Elementos del aislamiento
estatórico en motores con
devanados preformados III
Fotografí
Fotografías realizadas en los talleres
de ABB Service - Gijó
Gijón
Cabeza
Cabeza
de
de bobina
bobina
Zona
Zona de
de ranura
ranura
Aislamiento entre
conductores
Sección de la bobina
7.3.2.1. Aislamiento entre espiras
y conductores
●
El número de espiras de una bobina varía entre 2 y 12.
●
El número de conductores elementales varía entre 2 y 6.
●
●
●
Las tensiones soportadas por los conductores elementales
son muy bajas.
Los conductores elementales se aíslan por separado,
posteriormente se agrupan en el número necesario para
formar una espira. Se pliegan para conformar cada espira
y finalmente se aplica a la espira el aislamiento
correspondiente.
Las principales solicitaciones que aparecen sobre este tipo
de devanado son de tipo térmico y mecánico (durante el
conformado de las espiras).
7.3.2.2. Materiales aislantes para
los conductores elementales
Hasta los años
40 barnices
Fibras de amianto
Desarrollo de materiales
sintéticos
Motores de
hasta 4kV
Soporta
Soporta Tª
Tª
hasta
hasta 220ºC
220ºC
Poliimida (Kapton) o
Poliamida en forma
de película
Uso
Usode
debarnices
barnicessolos
solosyycombinados
combinados
Motores de
más de 4kV
Poliimida (Kapton) o
Poliamida en forma
de película
+
Fibra de vidrio con
poliéster (Daglas)
7.3.2.3. Materiales aislantes para
el muro aislante
Catá
Catálogos
comerciales
Material de
base =Mica
{
Silicato
Silicato de
de alumnio
alumnio
La mica en polvo o
escamas se aglutina con
un material aglomerante
Muchos
Muchos
compuestos
compuestos
Muy buenas propiedades
dieléctricas y térmicas
También se puede
depositar sobre un
material soporte
impregnando el conjunto
con aglomerante
Malas propiedades mecánicas
Necesario utilizar
material soporte o
aglomerante
7.3.2.4. Aglomerantes y
materiales soporte I
{
Material soporte = papel
fibras de algodón, etc.
etc
Hasta los años 60
Material aglomerante =
compuesto asfáltico
Tª
Tª Máxima
Máxima 110ºC
110ºC COMPORTAMIENTO
CLASE
CLASE BB
TÉRMOPLÁSTICO
Elevadas
Elevadas
Temperaturas
Temperaturas
Nuevos soportes:
Fibra de vidrio
Poliéster
A partir de los años 50
Poliéster
Resinas epoxy
AGLOMERANTES
TERMOESTABLES
7.3.2.4. Aglomerantes y
materiales soporte II
Fotografí
Fotografías realizadas en los talleres
de ABB Service - Gijó
Gijón
7.3.2.5. Recubrimientos de
protección
Recubrimiento de reparto
Bobina con el recubrimiento externo dañado
Fotografí
Fotografías realizadas en los talleres
de ABB Service - Gijó
Gijón
Recubrimiento conductor en
la zona de ranura
Recubrimientos de
protección
7.4. Procesos de fabricación
actuales I
PROCESO RICO EN RESINA
●
●
●
●
La mica en forma de láminas se deposita
material impregnado con una resina epoxy que
a alta temperatura (cinta preimpregnada
).
preimpregnada).
sobre un
polimeriza
Se recubre la bobina con este material.
Se introduce en un molde al que se le aplica presión y
calor: la temperatura y la presión logran una impregnación
homogénea en toda la bobina.
El proceso final de polimerización de la resina
termoestable se consigue sometiendo el motor a elevadas
temperaturas en un horno.
7.4. Procesos de fabricación
actuales II
PROCESO VPI EN BOBINAS (“Vacuumm Pressure Impregnation
”)
Impregnation”)
●
●
●
●
Inicialmente sólo se aplica la cantidad de resina termoestable
imprescindible para aglomerar la mica (cinta porosa)
porosa)..
El resto del aglomerante se introduce después de haber
creado el vacío dentro del tanque en el que se encuentra la
bobina.
El vacío y posteriormente un gas a presión consiguen que la
resina termoestable impregne por completo a la bobina.
Una vez impregnadas las bobinas se extraen y se les aplica
presión para ajustar su forma y tamaño. El curado se realiza
a alta temperatura sobre el motor completo.
7.4. Procesos de fabricación
actuales III
PROCESO VPI GLOBAL
●
●
●
●
Las bobinas se montan en las ranuras antes de haber
realizado el proceso de curado de la resina epoxy.
Como material soporte se utilizan cintas porosas con bajo
contenido en resina epoxy.
Una vez colocadas todas las bobinas en sus alojamientos y
realizadas las conexiones se introduce el estator en un
tanque.
A continuación, se hace el vacío con lo que el tanque se
inunda de resina epoxy. El estator se pasa a otro tanque
donde se aplica gas a alta presión y temperatura para
producir la polimerización de la resina.
Procesos VPI
Precalentar el conjunto y
hacer vacío en el tanque
Transferir resina impreg
impreg-nación debido al vacío
Proceso VPI
de VonRoll-Isola
Esperar tiempo de impreg
impreg-nación y eliminar vacío
Catá
Catálogos comerciales
Transferir resina al tanque
y hacer curado en horno
7.5. Aspecto físico de los motores asíncronos
Catá
Catálogos comerciales
Catá
Catálogos comerciales
Motor de 25kW, 200V para el
accionamiento de una bomba.
Fabricado en Pittsburg por
Westinghouse en 1900 en
funcionamiento hasta 1978
Motor de inducción de 1000
kW, 4 kV y 3600 RPM para el
accionamiento de un
compresor. Fabricado por
Westinghouse en la actualidad
7.5. Aspecto físico II: motores de BT
Catá
Catálogos comerciales
7.6. Aspecto físico III:
formas constructivas
normalizadas
Catá
Catálogos comerciales
7.7. Conexión de los devanados
U1
U1
V1
V1
W1
W1
U1
U1
V1
V1
W2
W2 U2
U2
U2
U2
U1
U1
V2
V2
V1
V1
W1
W1
W2
W2
Cajas de terminales
Catá
Catálogos comerciales
Conexión
Conexión en
en
estrella
estrella
Pletina
Pletina de
de
cobre
cobre
V1
V1
W2
U2
W2 U2
V2
V2
V2
V2
W2
W2
U1
U1
U2
U2
W1
W1
Caja
Caja de
de
conexiones
conexiones
W1
W1
V2
V2
Conexión
Conexión en
en
triángulo
triángulo
Devanados
Devanados del
del motor
motor
7.8. Despiece de un motor de MT
Refuerzos
carcasa
Catá
Catálogos comerciales
Núcleo
magnético
estator
Cabezas de
bobina
Fijación
cojinetes
Núcleo
magnético rotor
Refuerzos rotor
7.9. Despiece de un
motor de BT
Catá
Catálogos comerciales
7.10. Principio de
funcionamiento I
R’
R’
TT
Estator
Estator
SS
Rotor
Rotor
Origen
Origen de
de
ángulos
ángulos
T’
T’
S’
S’
RR
IIRR == IImax
⋅ Cos(ϖ ⋅ t )
max ⋅ Cos (ϖ11 ⋅ t )
IISS == IImax
⋅ Cos(ϖ ⋅ t − 120º )
max ⋅ Cos (ϖ11 ⋅ t − 120º )
IITT == IImax
120ºº))
ϖ11 ⋅⋅ tt ++ 120
Cos((ϖ
max ⋅⋅ Cos
EL ESTATOR DE UN MOTOR
ASÍNCRONO ESTÁ FORMADO POR
3 DEVANADOS SEPARADOS EN EL
ESPACIO 120º. En la figura se
representa sólo una espira de
cada uno de los devanados (RR’,
SS’, TT’)
LOS 3 DEVANADOS ESTÁN
ALIMENTADOS MEDIANTE UN
SISTEMA TRIFÁSICO DE
TENSIONES. POR TANTO, LAS
CORRIENTES QUE CIRCULAN POR
LAS ESPIRAS SON SENOIDALES Y
ESTÁN DESFASADAS 120º
7.10. Principio de
funcionamiento II
NS =
60 ⋅ f
P
Velocidad de
sincronismo
Estator
NS
F
f ⋅ 2π
⋅t
P
Sucesivas posiciones
del campo
Avance
del campo
NS
α
Rotor
Rotor
Campo
giratorio
El campo magnético resultante de las tres corrientes de fase es un
campo que gira en el espacio a 60*f/P RPM. Donde P es el número de pares de polos del estator (depende de la forma de conexión
de las bobinas que lo forman) y f la frecuencia de alimentación.
7.10. Principio de funcionamiento III: simulación
T=0.340 s
T=0.352 s
T=0.370 s
7.10. Principio de funcionamiento III: simulación
MOTOR
MOTOR DE
DE 2
2
PARES
PARES
DE
DE POLOS
POLOS
T=1 S
T=1,015 S
7.10. Principio de
funcionamiento IV
Motor
asíncrono
Sistema
Trifásico
Circulación de
corriente por las
espiras del rotor
Ley de Biot
y Savart
Estator
Rotor
Devanado trifásico a 120º alimentado
con sistema trifásico de tensiones
Espiras en cortocircuito
Devanado trifásico
a 120º
Campo giratorio 60f/P
Espiras en corto
sometidas a tensión
Fuerza sobre las
espiras del rotor
Par sobre
el rotor
FEM inducida
por el campo
giratorio en las
espiras del rotor
Giro de la
Máquina
7.10. Principio de
funcionamiento V
EL MOTOR ASÍNCRONO SIEMPRE GIRA A VELOCIDAD
INFERIOR A LA VELOCIDAD DE SINCRONISMO: EN CASO
CONTRARIO NO SE INDUCIRÍA FUERZA ELECTROMOTRIZ EN
EL ROTOR DE LA MÁQUINA Y, POR TANTO, NO HABRÍA PAR
MOTOR
CUANDO TRABAJA EN VACÍO GIRA MUY PRÓXIMO A LA
VELOCIDAD DE SINCRONISMO. EN ESE CASO, EL ÚNICO PAR
MOTOR DESARROLLADO POR LA MÁQUINA ES EL NECESARIO
PARA COMPENSAR LAS PÉRDIDAS
7.11. Ventajas de los motores
de inducción
VENTAJAS DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS
●
La única alimentación eléctrica que reciben se hace a través de
la línea trifásica que alimenta al devanado estatórico. NO HAY
ESCOBILLAS O ELEMENTOS ROZANTES.
●
El rotor de jaula es muy robusto ya que no incluye sistema
aislante.
●
Tienen par de arranque.
●
No tienen problemas de estabilidad ante variaciones bruscas de
la carga.
Aumento del
par de carga
Reducción de la
velocidad de giro
Mayor
par motor
Mayor
FEM
Estabilidad
Mayor corriente
rotor
7.11. Inconvenientes de los
motores de inducción
INCONVENIENTES DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS
●
La corriente de arranque es mucho mayor que la corriente de
funcionamiento nominal. Entre 3 y 6 veces mayor. En mucho
casos es necesario disponer procedimientos especiales de
limitación de la corriente de arranque.
●
La variación de su velocidad implica la variación de la frecuencia de la alimentación: es necesario disponer de un convertidor
electrónico que convierta la tensión de red en una tensión de
frecuencia variable.
EQUIPO
RECTIFICADOR
TRIFÁSICO
3 FASES
50 Hz
EQUIPO
INVERSOR
TRIFÁSICO
BUS DE
CC
SISTEMA
DE
FILTRADO
ONDA ESCALONADA
DE f VARIABLE
3 FASES
f VARIABLE
7.12. Deslizamiento en las
máquinas asíncronas
Velocidad de
deslizamiento
Ndes
des = NSS − Nm
m
NSS =
Velocidad
mecánica
del rotor
60 ⋅ f
P
ω
ωSS − ω
ωm
m ⋅ 100
S(%) =
ω
ωSS
Deslizamiento
Ndes
NSS − Nm
des
m ⋅ 100
S(%) =
⋅ 100 =
NSS
NSS
{
S=0 Velocidad de sincronismo
S=1 Rotor parado
NSS − Nm
m ) ⋅ N = (1 − S ) ⋅ N
1
Nm
(
=
−
SS
SS
m
NSS
LOS
LOS MOTORES
MOTORES DE
DE INDUCCIÓN
INDUCCIÓN
TRABAJAN
TRABAJAN SIEMPRE
SIEMPRE CON
CON VALORES
VALORES
MUY
MUY BAJOS
BAJOS DE
DE S:
S: S<5%
S<5%
ω
ωm
ωSS
m = (1 − S ) ⋅ ω
7.13. Frecuencia en el rotor de
las máquinas asíncronas I
Frecuencia
FEM inducida
en el rotor
La misma que la velocidad
relativa del campo respecto
al rotor (S)
Reducción
velocidad giro
> velocidad relativa
campo respecto rotor
Aumento frecuencia
inducida rotor
frotor → festator
En el límite:
S→1; Nm→ 0
Aumento
velocidad giro
< velocidad relativa
campo respecto rotor
Disminución frecuencia
inducida rotor
En el límite:
S→0; Nm→ Ns
frotor→0
7.13. Frecuencia en el rotor de
las máquinas asíncronas II
ROTOR
BLOQUEADO:
Nm=0
GIRO EN
VACÍO:
Nm≅ NS
frotor
rotor
frotor→ festator
}
frotor
rotor = S ⋅ festator
estator
frotor→0
NSS − Nm
=
⋅ festator
estator
NSS
NSS − Nm
frotor
rotor = P ⋅
60
Para cualquier
velocidad entre 0 y NS
60 ⋅ festator
estator
NSS =
P
7.14. Circuito equivalente de
la máquina asíncrona I
X
Xss
II11
R
Rss
Reactancia Resistencia
dispersión estator
estator
U
U11
Reactancia
magnetizante
estator
X
XRR
E
E11
U11 = [R ss + jX SS ] ⋅ I11 + E11
ALIMENTADO
ALIMENTADO A
A ff11
frecuencia
frecuencia de
de red
red
Resistencia
Reactancia rotor
dispersión
rotor
E
E22
Reactancia
magnetizante
rotor
EQUIVALENTE
POR FASE
}
R
RRR
IIRbloq
Rbloq
}
CIRCUITO EQUIVALENTE
DEL ESTATOR PARA
CUALQUIER VELOCIDAD
DE GIRO
CIRCUITO EQUIVALENTE
ROTOR CON LA
MÁQUINA BLOQUEADA
E 22= [R RR + jX RR ] ⋅ IRRbloq
bloq
ALIMENTADO
ALIMENTADO A
A ff11
frecuencia
frecuencia de
de red
red
EQUIVALENTE
POR FASE
CON
CON ROTOR
ROTOR BLO
BLOQUEADO:
QUEADO:
frotor
=f estator
rotor=festator
7.14. Circuito equivalente de
la máquina asíncrona II
LA
LA FEM
FEM INDUCIDA
INDUCIDA
EN
EN EL
EL ROTOR
ROTOR ES
ES
PROPORCIONAL
PROPORCIONAL A
A
LA
LA VELOCIDAD
VELOCIDAD DEL
DEL
CAMPO
CAMPO RESPECTO
RESPECTO
AL
AL ROTOR
ROTOR (S)
(S)
Con
Con el
el rotor
rotor
bloqueado
bloqueado se
se
induce
induce E
E22
En
En vacío
vacío se
se
induce
induce 0
0
La
La FEM
FEM inducida
inducida en
en el
el rotor
rotor para
para una
una
velocidad
velocidad cualquiera
cualquiera N
N (corres
(correspondiente
pondiente aa un
un deslizamiento
deslizamiento S
S))
LA
LA RESISTENCIA
RESISTENCIA ROTÓRICA
ROTÓRICA
R
RRR NO
NO VARÍA
VARÍA CON
CON LA
LA
FRECUENCIA
FRECUENCIA
Y,
Y, POR
POR TANTO,
TANTO, TAMPOCO
TAMPOCO CON
CON S
S
LA
LA REACTANCIA
REACTANCIA X
XRR VARÍA
VARÍA CON
CON S:
S:
CUANDO
CUANDO EL
EL DESLIZAMIENTO
DESLIZAMIENTO ES
ES S
S,,
X
XRR PASA
PASA SER
SER S*X
S*XRR
S*E2
A
A una
una
velocidad
velocidad en
entre
tre 00 yy N
NS,S, es
es
decir
decir aa un
un des
deslizamiento
lizamiento SS
SE
SE
INDUCE:
INDUCE:
S*E
S*E22
Circuito equivalente para el
rotor con deslizamiento S
S*X
S*XRR
IIRR Reactancia
dispersión
rotor
S*E
S*E22
R
RRR
Resistencia
rotor
ALIMENTADO
ALIMENTADO
A:
A: ff22=S*f
=S*f11
7.14. Circuito equivalente de
la máquina asíncrona III
CIRCUITO EQ. ROTOR A
DESLIZAMIENTO S
S*X
S*XRR
IIRR Reactancia
dispersión
rotor
S*E
S*E22
R
RRR
Resistencia
rotor
S ⋅E22= [R RR + jX RR ⋅ S ] ⋅ IRRss
IRs
Rs =
S ⋅ E22
E22
=
R RR + jX RR R RR
+ jX RR
S
ALIMENTADO
ALIMENTADO
A:
A: ff22=S*f
=S*f11
ES
ES POSIBLE
POSIBLE OBTENER
OBTENER EL
EL CIRCUITO
CIRCUITO
EQUIVALENTE
EQUIVALENTE DE
DE LA
LA MÁQUINA
MÁQUINA
ASÍNCRONA
ASÍNCRONA TRABAJANDO
TRABAJANDO SÓLO
SÓLO CON
CON LA
LA
FRECUENCIA
FRECUENCIA DEL
DEL ESTATOR.
ESTATOR. BASTA
BASTA
SIMULAR
SIMULAR EL
EL EFECTO
EFECTO DEL
DEL GIRO
GIRO CON
CON LA
LA
RESISTENCIA
RESISTENCIA R
RRR/S
/S
Se
Se puede
puede obtener
obtener la
la misma
misma corriente
corriente en
en
el
el mismo
mismo circuito
circuito alimentado
alimentado aa ff11 con
con sólo
sólo
cambiar
cambiar R
RRR por
por R
RRR/S
/S
X
XRR
IIRR
R
RRR
S
S
E
E22
ALIMENTADO
ALIMENTADO
A:
A: ff11
7.14. Circuito equivalente de
la máquina asíncrona IV
PARA
PARA OBTENER
OBTENER EL
EL CIRCUITO
CIRCUITO EQUIVALENTE
EQUIVALENTE COMPLETO
COMPLETO SE
SE UNIRÁN
UNIRÁN
LOS
LOS CIRCUITOS
CIRCUITOS EQUIVALENTES
EQUIVALENTES DE
DE ROTOR
ROTOR Y
Y ESTATOR
ESTATOR
SE
SE PLANTEARÁ
PLANTEARÁ QUE
QUE LA
LA MÁQUINA
MÁQUINA ASÍNCRONA
ASÍNCRONA ES
ES “EQUIVALENTE”
“EQUIVALENTE” A
A
UN
UN TRANSFORMADOR
TRANSFORMADOR (Estator=Primario,
(Estator=Primario, Rotor=Secundario
Rotor=Secundario Relación
Relación
Transf.=
rtt))
Transf.=r
SE
SE REDUCIRÁ
REDUCIRÁ EL
EL SECUNDARIO
SECUNDARIO (Rotor)
(Rotor) AL
AL PRIMARIO
PRIMARIO (Estator)
(Estator)
Xss
Rss
XRR’
IRR’
I11
U11
R RR '
S
E11
E22’
E 22' = E 22 ⋅ rtt = E11
7.14. Circuito equivalente de
la máquina asíncrona V
Xss
Rss
XRR’
IRR’
I11
U11
R RR '
S
E11
E22’
E 22' = E 22 ⋅ rtt = E11
COMO
COMO E11=E22’ SE
SE PUEDEN
PUEDEN
UNIR
UNIR EN
EN CORTOCIRCUITO
CORTOCIRCUITO
7.14. Circuito equivalente de
la máquina asíncrona VI
Xss
Rss
IRR’
XRR’
I11
U11
R RR '
S
E 22' = E 22 ⋅ rtt = E11
I00
ϕ 00
Componente
Componente
fe
fe de
de pérdidas
pérdidas
I
Iµµ
Componente
Componente
magnetizante
magnetizante
Ife
Rfe
I0
Iµµ
Xµµ
7.14. Circuito equivalente de
la máquina asíncrona VII
Xss
I11
Rss
I00
Iµµ
U11
XRR’
Xµµ
R RR'
1 − S 
= R RR'+R RR'⋅

S
 S 
IRR’
R RR '
S
Ifefe
Rfefe
LA
LA RESISTENCIA
RESISTENCIA
VARIABLE
VARIABLE SE
SE PUEDE
PUEDE
DIVIDIR
DIVIDIR EN
EN DOS
DOS
COMPONENTES
COMPONENTES
7.14. Circuito equivalente de
la máquina asíncrona VIII
Resistencia
cobre estator
Reactancia
dispersión
estator
Xss
I11
Tensión
de fase
(Estator)
Corriente
de vacío
Rss
XRR’
I00
Iµµ
Xµµ
U11
Reactancia
dispersión
rotor
Reactancia
magnetizante
Todos los elementos del circuito con ‘
están referidos al estator
IRR’
Resistencia
cobre rotor
RRR’
Ifefe
Rfefe
Resistencia
potencia
mecánica
entregada
11−− S
S 
R
RRR''⋅⋅

S 
 S
Resistencia
pérdidas hierro
El circuito equivalente se plantea
por fase y con conexión en estrella
7.14. Circuito equivalente de
la máquina asíncrona IX
Xss
I11
Cos
ϕ
Cosϕ
U11 (T. DE FASE)
Rss
XRR’
I00
Iµµ
Xµµ
IRR’
RRR’
Ifefe
Rfefe
11−− S
S 
R
'
⋅
RRR '⋅

S 
 S
Potencia
Potencia entregada
entregada
Con
Con la
la carga
carga nominal
nominal (S
(S bajo)
bajo) el
el circuito
circuito el
el factor
factor de
de potencia
potencia aa la
la
entrada
)
entrada es
es alta
alta (0,8
(0,8 aprox
aprox)
En
En vacío
vacío (S=0)
(S=0) la
la rama
rama del
del rotor
rotor queda
queda en
en circuito
circuito abierto:
abierto: el
el
circuito
circuito es
es principalmente
principalmente inductivo
inductivo fdp
fdp 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
7.15. Cálculo de las pérdidas
en la máquina asíncrona I
P11 ==3V11⋅⋅I11⋅⋅Cos ϕϕ
POTENCIA ABSORBIDA DE LA RED ELÉCTRICA
2
2
3
PCu
R
I
=
⋅
⋅
SS
11
Cuest
est
PÉRDIDAS EN LOS CONDUCTORES DEL ESTATOR (Cu)
22
3
PCu
R
'
I
'
=
⋅
⋅
R
CuRot
R R
R
Rot
PÉRDIDAS EN LOS CONDUCTORES DEL ROTOR (Cu)
2
E112
Pfe
fe = 3 ⋅
R fe
fe
PÉRDIDAS EN EL HIERRO. SUELEN CONSIDERARSE CONCENTRADAS EN EL ESTATOR. EN EL ROTOR LA f ES MUY
BAJA
POTENCIA QUE ATRAVIESA EL ENTREHIERRO DE
Pgg = P1 − PCu
P
−
fe
Cuest
fe
est
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
I
'
= 3 ⋅ R RR'⋅
⋅
R
 R
 S 
POTENCIA MECÁNICA INTERNA: ATRAVIESA EL ENTREHIERRO Y PRODUCE TRABAJO
Se disipa en la resistencia variable
Pmi
mi = Pgg − Pcu
curot
rot
7.15. Cálculo de las pérdidas
en la máquina asíncrona II
Pmi
= Pgg − S ⋅ Pgg = [1 − S ] ⋅ Pgg
mi = Pgg − Pcu
curot
rot
[1 −− S]⋅⋅Pgg Pgg
Pmi
mi
Tii ==
==
==
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
ΩSS
OTRA FORMA DE CALCULARLA A PARTIR DEL DESLIZAMIENTO
PAR INTERNO: EL PAR TOTAL
DESARROLLADO INTERNAMENTE POR LA MÁQUINA
Velocidad angular
Velocidad angular de sincronismo
de giro del rotor
− Pérdidas mecánicas y rotacionales
PUU = Pmi
mi
P
TUU == UU
Ω
Ω
PAR ÚTIL: EL PAR QUE ES
CAPAZ DE DESARROLLAR EL
MOTOR EN EL EJE
7.16. Cálculo del par de una
máquina asíncrona I
jX
jXss
II11
R
Rss
A
jX
jXRR’’
IIRR’’
R
RRR''
S
S
++
U
U11
CALCULANDO
CALCULANDO EL
EL
EQUIVALENTE
EQUIVALENTE
THEVENIN
THEVENIN
ENTRE
A yy B
B
ENTRE A
jX
jXµµ
Se
Se puede
puede
despreciar
despreciar R
Rfe
fe
B
jX
jXthth
II11
R
Rthth
A
jX
jXRR’’
IIRR’’
R
RRR''
S
S
++
U11 ⋅⋅ jX µµ
Vth
=
th =
R SS ++ j X SS ++ X µµ
[
V
Vthth
=
Z th
th =
B
]
[R SS ++ jX SS ]⋅⋅ jX µµ
[
R SS ++ j X SS ++ X µµ
]
7.16. Cálculo del par de una
máquina asíncrona II
jX
jXthth
II11
R
Rthth
A
A
jX
jXRR’’
IIRR’’
IRR' ==
R
RRR''
S
S
++
V
Vthth
IRR' ==
B
B
2
3 ⋅⋅ Vth
⋅
th ⋅
2
Pgg == 3 ⋅⋅
R RR'
S
R RR'
IRR'22 ==
22
S
R
'

22
R
R  + [X
R
X
'
+
+
]
+
+
+
th
R
th
th
R
 th
S 

Tii = f (S )
Vth
th
R th
+
th +
R RR'
++ j[X th
+ X R ']
th + R
S
Vth
th
22
R RR' 

22
R
X
X
'
[
]
+
+
+
+
+
+
th
R
th
th
R
 th
S 

22
Vth
th ⋅⋅
R RR'
S
Pgg
3
Tii ==
⋅⋅
==
2
Ω
ΩSS Ω
ΩSS 
RRR'  2
22
[
]
R
X
X
'
+
+
+
+
+
+
th
th
R
th
R
 th
S 

7. 17. Curvas de respuesta
mecánica par - velocidad I
Par
S>1
0<S<1
S<0
Freno
Freno
Motor
Motor
Generador
Generador
Par
Par máximo
máximo
Par
Par Nominal
Nominal
Par
Par de
de
Arranque
Arranque
Tii = f (S )
Velocidad
Velocidad de
de
sincronismo
sincronismo
11
00
Zona de funcionamiento estable
como motor
Deslizamiento S
Tarr
arr = 1,2 − −2
=
−−
Tnom
nom
Tmax
max = 1,8 − −2 ,7
=
−−
Tnom
nom
7. 17. Curvas de respuesta
mecánica par - velocidad II
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 2
2 aa 3
3 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
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
7.17. Curvas de respuesta
mecánica par - velocidad III
Banda
Banda de
de
dispersión
dispersión
Catá
Catálogos comerciales
7.17. Curvas de respuesta
mecánica par - velocidad IV
Catá
Catálogos comerciales
7.18. Par máximo de un motor
de inducción I
jX
jXthth
II11
R
Rthth
A
jX
jXRR’’
IIRR’’
R
RRR''
S
S
++
V
Vthth
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
X
X
'
== R th
+
+
[
]
+
+
th
R
th
th
R
S
S TMAX
=
TMAX =
R RR'
22
R th
th
++ [X th
+ X R ']
th + R
22
Tmax
=
max =
TEOREMA
TEOREMA
TRANSFERENCIA
TRANSFERENCIA
MÁX.
MÁX. POT
POT
22
3 ⋅⋅ Vth
th
22
22 

[
]
2 ⋅⋅ Ω
R
X
X
'
+
+
+
ΩSS ⋅⋅ R th
+
+
+
th
th
R
th
th
R

 th
7.18. Par máximo de un motor
de inducción II
Tmax
=
max =
22
3 ⋅⋅ Vth
th
22
22 

[
]
2 ⋅⋅ Ω
R
X
X
'
+
+
+
ΩSS ⋅⋅ R th
+
+
+
th
th
R
th
th
R

 th
R RR'
S TMAX
=
=
TMAX
22
22
R th
X
X
'
+
+
[
]
th
th +
th + R
R
Par
El
El par
par máximo
máximo NO
NO
depende
depende de
de la
la
resistencia
resistencia
rotórica
rotórica R
RRR’’
Resistencia rotórica creciente
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 arran
arranque
que mediante
mediante inserción
inserción de
de resisten
resistencias
cias en
en máquinas
máquinas de
de rotor
rotor bobinado
bobinado
S
STMAX3 STMAX2 STMAX1
7.19. Ensayo de rotor libre
Condiciones
Condiciones ensayo:
ensayo:
En vacío S≈0:
Motor
Motor girando
girando sin
sin carga
carga
1 - S 
Si
→∞
∞
Si S
S→
0 : R RR' 
→0
 →
S


V
V yy ff nominales
nominales
U1(t)
+
I0(t)
+
X
Xss
W1
A
II00
W2
Z0
+
X
XRR’’
R
Rss
IIfefe
IIµµ
U
U11
R
RRR’’
R
Rfefe
X
Xµµ
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
fe
est + mec
Z 00 == R 00 ++ jX 00
Impedancia
Impedancia
por
por fase
fase del
del
motor
motor
VLínea
Línea
3
Z 00 ==
I 00
{
R0 =
P0
3 ⋅ I0
2
X 00 == Z 00 2 −− R 00 2 ≅≅ X ss ++ X µµ
2
2
7.20. Ensayo de rotor
bloqueado I
Condiciones
Condiciones ensayo:
ensayo:
El
El ensayo
ensayo se
se realiza
realiza subiendo
subiendo
gradualmente
gradualmente la
la tensión
tensión de
de ali
alimentación
mentación hasta
hasta que
que la
la corrien
corriente
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)
1n
+
+
V
W1
A
W2
+
Tensión
Tensión de
de ensayo
ensayo
muy
reducida
muy reducida
Corriente
µµ
Corriente por
por X
Xµ
despreciable
despreciable
X
Xss
Muy
Muy pocas
pocas
pérdidas
pérdidas Fe
Fe
Se
Se elimina
elimina
rama
rama paralelo
paralelo
Zcc
II1n
1n
U
Ucc
cc
33
R
Rfe
fe
despreciable
despreciable
R
Rss
X
XRR’’
R
RRR’’
Se
Se puede
puede despreciar
despreciar
la
rama
la rama paralelo
paralelo
Z cc
= R cc ++ jX cc
cc = cc
cc
R cc
= R + R R'
cc = ss + R
X cc
= X ss ++ X RR'
cc =
7.20. Ensayo de rotor
bloqueado II
X
Xss
Zcc
II1n
1n
U
Ucc
cc
33
R
Rss
X
XRR’’
Se
Se puede
puede despreciar
despreciar
la
la rama
rama paralelo
paralelo
CÁLCULO
CÁLCULO PARÁMETROS
PARÁMETROS
CIRCUITO
CIRCUITO EQUIVALENTE
EQUIVALENTE
R
RRR’’
Pcc
= W1 ++ W2 == Pcu
+ Pcurot
cc =
cuest
est + cu
rot
Ucc
cc
Pcc
3
cc
R
Z cc
=
=
cc
cc =
cc =
2
I11nn
3 ⋅⋅ I11nn2
RSS Se
Se obtiene
obtiene por
por medición
medición directa
directa
sobre
sobre los
los devanados
devanados del
del estator
estator
XSS y XRR’ Regla
Regla empírica
empírica según
según tipo
tipo de
de motor
motor
MOTOR
MOTOR CLASE
CLASE A:
A:
MOTOR
MOTOR CLASE
CLASE B:
B:
MOTOR
MOTOR CLASE
CLASE C:
C:
MOTOR
MOTOR CLASE
CLASE D:
D:
X SS == X RR'
X SS == 0 , 4 ⋅⋅ [X SS ++ X RR'] X RR' == 0 ,6 ⋅⋅ [X SS ++ X RR']
X SS == 0 ,3 ⋅⋅ [X SS ++ X RR'] X RR' == 0 ,7 ⋅⋅ [X SS ++ X RR']
X SS == X RR'
7.20. Ensayo de rotor
bloqueado III
CÁLCULO
CÁLCULO PARÁMETROS
PARÁMETROS
CIRCUITO
CIRCUITO
EQUIVALENTE
EQUIVALENTE
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
−R
cc − SS
7.21. Características funcionales
de los motores asíncronos I
Corriente
Corriente
nominal
nominal
Corriente
Corrienteabsorbida
absorbidaen
enfunción
funciónde
delalavelocidad
velocidad
18
18
16
16
CorrienteAA
Corriente
14
14
12
12
10
10
88
66
44
22
Fabricante:
Fabricante: EMOD
EMOD
Potencia:
Potencia: 7,5
7,5 kW
kW
Tensión:
Tensión: 380
380 V
V
Corriente:
Corriente: 17
17 A
A
Velocidad
:
946
Velocidad : 946 RPM
RPM
Polos:
Polos: 66
Corriente
Corriente
de
de vacío
vacío
00
945
945 950
950 955
955 960
960 965
965 970
970 975
975 980
980 985
985 990
990 995
995 1000
1000
RPM
RPM
Velocidad
Velocidad de
de
sincronismo
sincronismo
7.21. Características funcionales
de los motores asíncronos II
Potencia
Potenciaeléctrica
eléctricaabsorbida
absorbidaen
enfunción
funciónde
delalavelocidad
velocidad
10000
10000
9000
9000
PotenciaWW
Potencia
8000
8000
7000
7000
6000
6000
5000
5000
Potencia
Potencia eléctrica
eléctrica
consumida
consumida plena
plena carga
carga
Fabricante:
Fabricante: EMOD
EMOD
Potencia:
Potencia: 7,5
7,5 kW
kW
Tensión:
Tensión: 380
380 V
V
Corriente:
Corriente: 17
17 A
A
Velocidad
Velocidad :: 946
946 RPM
RPM
Polos:
6
Polos: 6
4000
4000
3000
3000
2000
2000
1000
1000
00
945
945 950
950 955
955 960
960 965
965 970
970 975
975 980
980 985
985 990
990 995
995 1000
1000
RPM
RPM
Velocidad
Velocidad de
de
sincronismo
sincronismo
7.21. Características funcionales
de los motores asíncronos III
Rendimiento
Rendimiento
aa plena
plena carga
carga
Rendimiento
Rendimientoen
enfunción
funciónde
delalavelocidad
velocidad
0,900
0,900
0,800
0,800
Rendimiento%%
Rendimiento
0,700
0,700
0,600
0,600
0,500
0,500
0,400
0,400
0,300
0,300
0,200
0,200
0,100
0,100
Fabricante:
Fabricante: EMOD
EMOD
Potencia:
7,5
Potencia: 7,5 kW
kW
Tensión:
Tensión: 380
380 V
V
Corriente:
Corriente: 17
17 A
A
Velocidad
Velocidad :: 946
946 RPM
RPM
Polos:
Polos: 66
Rendimiento
Rendimiento
en
en vacío
vacío
0,000
0,000
945
945 950
950 955
955 960
960 965
965 970
970 975
975 980
980 985
985 990
990 995
995 1000
1000
RPM
RPM
Velocidad
Velocidad de
de
sincronismo
sincronismo
7.21. Características funcionales
de los motores asíncronos IV
fdp
fdp aa plena
plena
carga
carga
Factor
Factorde
depotencia
potenciaen
enfunción
funciónde
delalavelocidad
velocidad
0,9
0,9
Factorde
de potencia
potencia
Factor
0,8
0,8
0,7
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
Fabricante:
Fabricante: EMOD
EMOD
Potencia:
Potencia: 7,5
7,5 kW
kW
Tensión:
Tensión: 380
380 V
V
Corriente:
Corriente: 17
17 A
A
Velocidad
Velocidad :: 946
946 RPM
RPM
Polos:
Polos: 66
fdp
fdp en
en
vacío
vacío
00
945
945 950
950 955
955 960
960 965
965 970
970 975
975 980
980 985
985 990
990 995
995 1000
1000
RPM
RPM
Velocidad
Velocidad de
de
sincronismo
sincronismo
7.21. Características funcionales
de los motores asíncronos V
Característica
Característicamecánica
mecánicaen
enzona
zonaestable
estable
80
80
70
70
Par (Nm)
Par (Nm)
60
60
50
50
Fabricante:
Fabricante: EMOD
EMOD
Potencia:
Potencia: 7,5
7,5 kW
kW
Tensión:
380
V
Tensión: 380 V
Corriente:
Corriente: 17
17 A
A
Velocidad
Velocidad :: 946
946 RPM
RPM
Polos:
Polos: 66
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
945 950 955 960 965 970 975 980 985 990 995 1000
945 950 955 960 965 970 975 980 985 990 995 1000
RPM
RPM
Velocidad
Velocidad de
de
sincronismo
sincronismo
7.21. Características
funcionales de los motores
asíncronos VI
NÚMERO
DE POLOS
VELOCIDAD
SINCRONISMO (RPM)
VELOCIDAD TÍPICA
PLENA CARGA
2
3000
2900
4
6
8
1500
1000
750
1440
960
720
10
12
16
600
500
375
580
480
360
VELOCIDADES DE GIRO TÍPICAS
Fuente: ABB – “Guide for selecting a motor”
7.21. Características funcionales
de los motores asíncronos VII
Tª
Tª 114
114 ºC:
ºC:
Motor
Motor Clase
Clase F:
F:
Tª
= 155
max
Tª max=
max=
155 ºC
ºC
Fabricante:
Fabricante: EMOD
EMOD
Potencia:
Potencia: 7,5
7,5 kW
kW
Tensión:
Tensión: 380
380 V
V
Corriente:
Corriente: 17
17 A
A
Velocidad
:
946
Velocidad : 946 RPM
RPM
Polos:
Polos: 66
Evolución
Evolución de
de la
la temperatura
temperatura de
de los
los devanados
devanados desde
desde el
el
arranque
arranque hasta
hasta el
el régimen
régimen permanente
permanente térmico
térmico
7.22. Control de las características
mecánicas de los motores de inducción
mediante el diseño del rotor I
Resistencia rotórica creciente
Par
Si
Si la
la resistencia
resistencia rotórica
rotórica es
es elevada
elevada
el
el par
par de
de arranque
arranque del
del motor
motor
también
también lo
lo es
es
Si
Si la
la resistencia
resistencia rotórica
rotórica es
es elevada
elevada
el
el par
par máximo
máximo del
del motor
motor aparece
aparece
con
con deslizamiento
deslizamiento elevado
elevado
S
STMAX3 STMAX2 STMAX1
EL
EL RENDIMIENTO
RENDIMIENTO DEL
DEL MOTOR
MOTOR
ES
ES BAJO
BAJO
Si
Si el
el deslizamiento
deslizamiento es
es elevado
elevado la
la
potencia
potencia mecánica
mecánica interna
interna es
es baja
baja
Pmi
= [1 −− S ]⋅⋅Pgg
mi =
7.22. Control de las características
mecánicas de los motores de inducción
mediante el diseño del rotor II
Motor
Motor con
con
R
RRR’’ elevada
elevada
Motor
Motor con
con
R
RRR’’ baja
baja
{
{
}
Buen
Buen par
par de
de arranque
arranque
Bajo
Bajo rendimiento
rendimiento
MOTOR
MOTOR DE
DE ROTOR
ROTOR
BOBINADO:
BOBINADO: VARIACIÓN
VARIACIÓN
DE
DE LA
LA RESISTENCIA
RESISTENCIA
ROTÓRICA
ROTÓRICA
SOLUCIÓN
SOLUCIÓN
Bajo
Bajo par
par de
de arranque
arranque
Buen
Buen rendimiento
rendimiento
DISEÑO
DISEÑO DE
DE UN
UN ROTOR
ROTOR
CON
CON CARACTERÍSTICAS
CARACTERÍSTICAS
ELÉCTRICAS
ELÉCTRICAS VARIABLES
VARIABLES
SEGÚN
SEGÚN LA
LA VELOCIDAD
VELOCIDAD DE
DE
GIRO
GIRO
7.22. Control de las características
mecánicas de los motores de inducción
mediante el diseño del rotor II
Barras de pequeña
sección
Alta
Alta resistencia,
resistencia,
baja
baja reactancia
reactancia
de
de dispersión
dispersión
A
A menor
menor
sección
sección
mayor
mayor R
RRR’’
Barras de ranura
profunda
Resistencia
Resistencia baja
baja
elevada
elevada
reactancia
reactancia de
de
dispersión
dispersión
Doble jaula
}
Pueden usarse
dos tipos de
material con
diferente
resistividad
Combina
Combina las
las
propiedades
propiedades de
de
las
las dos
dos
anteriores
anteriores
La
La sección
sección yy geometría
geometría de
de las
las barras
barras rotóricas
rotóricas determina
determina sus
sus
propiedades
propiedades eléctricas
eléctricas yy la
la forma
forma de
de variación
variación de
de éstas
éstas con
con la
la
velocidad
velocidad de
de giro
giro de
de la
la máquina
máquina
7.22. Control de las características
mecánicas de los motores de inducción
mediante el diseño del rotor III
Ranura
Ranura
estatórica
estatórica
Circuito equivalente de una
barra rotórica
La
La reactancia
reactancia de
de dispersión
dispersión
aumenta
aumenta con
con la
la profundidad
profundidad =
=
que
que el
el flujo
flujo de
de dispersión
dispersión
Flujo
Flujo de
de dispersión:
dispersión:
se
se concentra
concentra hacia
hacia
el
interior
el interior
Resistencia
Reactancia
dispersión
ARRANQUE
ARRANQUE
Reducción
Reducción
sección
sección útil:
útil:
aumento
aumento R
RRR’’
La
La corriente
corriente circula
circula
sólo
sólo por
por la
la parte
parte más
más
externa
externa de
de la
la barra
barra
S VALORES
VALORES
ELEVADOS
ELEVADOS
Aumento
Aumento del
del
par
par de
de
arranque
arranque
CONDICIONES
CONDICIONES
NOMINALES
NOMINALES
frotor
rotor
Efecto
Efecto de
de la
la reactancia
reactancia
de
de dispersión
dispersión
*L dispersión
((2
ππfrotor
2π
ón))
rotor*Ldispersi
MUY
MUY ACUSADO
ACUSADO
S VALORES
VALORES
Mejora
Mejora del
del
rendimiento
rendimiento
BAJ0S
BAJ0S
ELEVADA
ELEVADA
frotor
rotor
BAJA
BAJA
Aumento
Aumento
sección
sección util
util::
Reducción
Reducción R
RRR’’
yy Par
Par
Efecto
Efecto de
de la
la reactancia
reactancia
de
de dispersión
dispersión
((2
*L dispersión
ππfrotor
2π
ón))
rotor*Ldispersi
MUY
MUY POCO
POCO ACUSADO
ACUSADO
La
La corriente
corriente circula
circula
por
por toda
toda la
la sección
sección
de
de la
la barra
barra
Simulación del efecto real
6000
6000
5000
5000
AA
4000
4000
3000
3000
60.69%
60.69%
2000
2000
41.93%
41.93%
DURANTE EL ARRANQUE
CIRCULA UN 41,93% DE
LA CORRIENTE POR LA
ZONA ROJA DE LA BARRA
1000
1000
0
0
1
1
3
3
5
5
7
7
9
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27
11 13 15 17 19 21 23 25 27
Itotal
Itotal
800
800 A
A
700
700
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0
1
3
5
1
3
5
Isup
Isup
Iinf
Iinf Nº
Nºbarra
barra
MOTOR
MOTOR SIMULADO
SIMULADO
Fabricante:
Fabricante: SIEMENS
SIEMENS
Potencia:
Potencia: 11
11 kW
kW
Tensión:
Tensión: 380
380 V
V
Corriente:
Corriente: 22
22 A
A
Velocidad
Velocidad :: 1450
1450 RPM
RPM
Polos:
Polos: 44
75.65%
75.65%
24.35%
24.35%
7
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
Itotal
Itotal
Isup
Isup
Iinf
Iinf
Nº
Nºbarra
barra
DURANTE EL FUNCIONAMIENTO EN CONDICIONES NOMINALES CIRCULA UN 24,35% DE LA
CORRIENTE POR LA ZONA
ROJA DE LA BARRA
Simulación del campo real
durante un arranque
Las
Las líneas
líneas de
de campo
campo
se
se concentran
concentran en
en la
la
superficie
superficie
LÍNEAS DE CAMPO DURANTE
EL ARRANQUE
LÍNEAS DE CAMPO EN FUNCIONAMIENTO NOMINAL
7.23. Clasificación de los motores
según el tipo de rotor: Normas
NEMA I
T/Tnom
3
2,5
2
Clase
Clase C
C
MOTOR CLASE A
●
Clase
Clase D
D
●
Clase
Clase A
A
Clase
Clase B
B
●
●
●
1,5
●
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
7.23. Clasificación de los motores
según el tipo de rotor: Normas NEMA II
MOTOR CLASE B
●
●
●
●
●
●
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)
●
●
●
●
●
●
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
●
●
●
●
●
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
7.24. Características mecánicas
de las cargas más habituales de
los motores de inducción
TR=K
TR=K*N2
●
●
●
●
Bombas centrífugas
Compresores centrífugos
Ventiladores y soplantes
Centrifugadoras
TR=K*N
●
●
Prensas
Máquinas herramientas
TR=K/N
●
●
Bobinadoras
Máquinas fabricación chapa
●
●
●
●
TRR
Máquinas elevación
Cintas transportadoras
Machacadoras y trituradoras
Compresores y bombas de
pistones
TRR=K**N22 TRR=K**N
TRR=K
TRR=K/N N
7.25. El arranque de los
motores asíncronos I
Corriente
Corriente máxima
máxima
Corriente
Corriente de
de vacío
vacío
tras
alcanzar
tras alcanzar
velocidad
velocidad máxima
máxima
Arranque en
vacío
Duración del arranque
LA CORRIENTE
MÁXIMA NO DE
DEPENDE DE LA CARGA
Corriente
Corriente máxima
máxima
Corriente
Corriente nominal
nominal
tras
tras alcanzar
alcanzar
velocidad
velocidad máxima
máxima
Fabricante:
Fabricante: EMOD
EMOD
Potencia:
Potencia: 7,5
7,5 kW
kW
Tensión:
380
V
Tensión: 380 V
Corriente:
Corriente: 17
17 A
A
Velocidad
Velocidad :: 946
946 RPM
RPM
Polos:
Polos: 66
Arranque a
plena carga
Duración del arranque
7.25. El arranque de los
motores asíncronos II
{
El
El reglamento
reglamento de
de BT
BT establece
establece límites
límites para
para la
la corriente
corriente de
de
arranque
arranque de
de los
los motores
motores asíncronas.
asíncronas. Por
Por este
este motivo,
motivo, es
es
necesario
necesario disponer
disponer procedimientos
procedimientos específicos
específicos para
para el
el arranque
arranque
Arranque
Arranque directo
directo de
de la
la red
red
Sólo válido en motores pequeños o
en las centrales eléctricas
Arranque
Arranque mediante
mediante inserción
inserción Sólo válido en motores de rotor
bobinado y anillos rozantes
de
de resistencias
resistencias en
en el
el rotor
rotor
Métodos
Métodos de
de
arranque
arranque
Arranque
Arranque estrella
estrella –
– triángulo
triángulo El método más barato y utilizado
Arranque
Arranque con
con
autotransformador
autotransformador
Reducción de la tensión durante
el arranque mediante autotrafo
Arranque
Arranque con
con arrancadores
arrancadores
estáticos
estáticos
Gobierno del motor durante el
arranque por equipo electrónico
7.25. El arranque de los
motores asíncronos III
'
22 R R
R
Vth
th ⋅⋅
Pgg
3
S
⋅⋅
Tii ==
==
2
Ω
ΩSS Ω
ΩSS 
RRR'  2
22
+
+
+
[
]
R
X
X
'
+
+
+
th
R
th
th
R
 th

S


PAR DE ARRANQUE
IRR' ==
TArranque
Arranque
TArranque
Arranque
En
S=0
En el
el arranque
arranque S=0
22
Pgg
3
Vth
⋅⋅R RR'
th
⋅⋅
==
==
22
22
Ω
ΩSS Ω
ΩSS [R th
]
[
]
R
'
X
X
'
+
+
+
+
+
+
R
th
R
th
R
th
R
Vth
th
Corriente
Corriente rotórica
rotórica..
22
R RR' 

22
+
+
R
X
X
'
[
]
+
+
+
+
th
R
th
th
R
 th
S 

3
22
==
⋅⋅RRR'⋅⋅IRR' Arranque
Arranque
Ω
ΩSS
Par
Par de
de un
un motor
motor asíncrono.
asíncrono.
=
IIRR''arranque
arranque =
En
S=0
En el
el arranque
arranque S=0
V
Vth
th
[RRthth ++ RRRR'']22 ++ [XXthth ++ XXRR'']22
7.25. El arranque de los motores
asíncronos V: arranque por inserción
de resistencias rotóricas
Par
Par
R
RRR’’33
Resistencia
Resistencia rotórica
rotórica
creciente
creciente
R
RRR’’22
R
RRR’’11
S
S
Para
Para el
el arranque
arranque
de
de la
la máquina
máquina se
se
introducen
introducen
resistencias
resistencias entre
entre
los
los anillos
anillos
rozantes
rozantes que
que se
se
van
van eliminando
eliminando
conforme
conforme
aumenta
aumenta la
la
velocidad
velocidad de
de giro
giro
Sólo
Sólo vale
vale para
para los
los motores
motores de
de rotor
rotor bobinado
bobinado yy
anillos
anillos rozantes
rozantes
7.25. El arranque de los motores
asíncronos VI: arranque mediante
R
autotrafo
S
T
Para
Para el
el arranque
arranque de
de la
la máquina
máquina se
se
introduce
introduce un
un autotransformador
autotransformador
reductor
rt>1)
reductor ((rt>1)
C1
C3
C2
M
Inicialmente
Inicialmente C1
C1 yy C2
C2 están
están cerrados:
cerrados: el
el
motor
motor arranca
arranca con
con la
la tensión
tensión reducida
reducida
En
En las
las proximidades
proximidades de
de plena
plena carga
carga C2
C2 se
se
abre:
abre: el
el motor
motor soporta
soporta una
una tensión
tensión
ligeramente
ligeramente inferior
inferior aa la
la red
red debido
debido aa las
las
caídas
caídas de
de tensión
tensión en
en el
el devanado
devanado del
del
autotrafo
autotrafo
Se
Se cierra
cierra C3:
C3: el
el motor
motor soporta
soporta toda
toda la
la
tensión
tensión de
de la
la red
red
Fases del arranque con
autotransformador
R
R
S
S
R
R
S
S
R
R
S
S
T
T
T
T
T
T
C1
C1
C1
C1
C1
C1
Ligera
caída de
tensión
C2
C2
C3
C3
C2
C2
M
M
M
7.25. El arranque de los motores
asíncronos VII: arranque estrella triángulo
Xss
Iarr
arr
Vlínea
línea
3
Rss
XRR’
Se
Se desprecia
desprecia
la
la rama
rama en
en
paralelo
paralelo
RRR’
S=1
Iarr
arr
Vlínea
línea
3
Zcc
cc
V
Vlínea
línea
33
=
IIarranque
=
arranque
Z
ZCC
CC
Circuito equivalente del motor
durante el arranque
El arranque estrella - triángulo consiste en conectar los devanados del
motor en estrella para arrancar la máquina conmutando a conexión en
triángulo una vez que la máquina ha elevado su velocidad
El motor conectado en estrella consume menos corriente y entrega
menos par. De este modo, se limita la corriente de arranque.
7.25. El arranque de los motores
asíncronos VII: arranque estrella triángulo
R
R
R
R
IIarr-estrella
arr-estrella
V
Vlínea
línea
V
Vlínea
línea
33
Z
Zcc
cc
Z
Zcc
cc
IIarr
arr−−triángulo
triángulo
33
IIarr-triángulo
arr-triángulo
V
Vlínea
línea
Z
Zcc
cc
Z
Zcc
cc
Z
Zcc
cc
Z
Zcc
cc
S
S
T
T
Vlínea
línea
3
I arr
=
arr−−estrella
estrella
Z CC
CC
S
S
T
T
= 3
I arr
arr−−triángulo
triángulo
I arr
arr−−triángulo
triángulo
=
I arr
estrella
−
arr − estrella
3
Vlínea
línea
Z CC
CC
TArranque
=
Arranque =
3
22
⋅⋅R RR'⋅⋅IRR' Arranque
Arranque
Ω
ΩSS
Esta relación es válida para las dos conexiones. La
corriente que aparece en ella es la que circula por Zcc
R
R
R
R
IIarr-estrella
arr-estrella
V
Vlínea
línea
V
Vlínea
línea
33
Z
Zcc
cc
IIarr
arr−−triángulo
triángulo
33
IIarr-triángulo
arr-triángulo
Z
Zcc
cc
V
Vlínea
línea
Z
Zcc
cc
Z
Zcc
cc
Z
Zcc
cc
Z
Zcc
cc
S
S
T
T
TArr
=
Arr−−estrella
estrella =
S
S
T
T
2
2
IRR' Arr

3

− triángulo
==
⋅⋅R RR'⋅⋅ Arr − triángulo 
Ω
3
ΩSS


3
22
⋅⋅R RR'⋅⋅IRR' Arr
TArr
estrella
−
Arr − estrella
Arr−−triángulo
triángulo
Ω
ΩSS
I arr
arr−−triángulo
triángulo
=
I arr
estrella
−
arr − estrella
3
= 3 Tarr
Tarr
arr−−estrella
estrella
arr−−triángulo
triángulo
Catá
Catálogos comerciales
Arrancadores estáticos con microprocesador de
potencias hasta 2500 kW 7200V
Arrancador
Arrancador 90
90 kW
kW 690V
690V
Arrancadores
estáticos
Arrancador 4 kW
Arrancador para
aplicaciones
navales y militares
Catá
Catálogos comerciales
7.26. El frenado eléctrico de
los motores asíncronos I
Existen aplicaciones en las que es necesario poder aplicar un par de
frenado al motor que permita detenerlo rápidamente: ascensores,
grúas, cintas transportadoras, tracción eléctrica, etc. En este caso,
las propiedades eléctricas de la máquina se utilizan para lograr el
frenado.
TIPOS DE FRENADO
ELÉCTRICO
{
FRENADO REGENERATIVO O POR
RECUPERACIÓN DE ENERGÍA
FRENADO POR CONTRACORRIENTE O
CONTRAMARCHA
FRENADO DINÁMICO (Por inyección
de CC)
7.26. El frenado eléctrico de
los motores asíncronos II
Curva de
funcionamiento
con 2P polos
Curva de
funcionamiento
60
60 ⋅⋅ ff
con P polos
N
=
Nss22PP =
Par
Par
N
NssPP
P
P
60
60
60 ⋅⋅ ff
60 ⋅⋅ ff
==
== 22
== 22N
Nss22PP
P
P
P
P
22
Par
Par resistente
resistente
Velocidad
Velocidad (RPM)
(RPM)
FRENADO
REGENERATIVO
Ns2P
NsP
Zona de
funcionamiento
como freno
Para frenar se modifican las conexiones del estator pasando de P polos a 2P
polos. El frenado se consigue al convertirse el motor en generador. La energía
generada se disipa en resistencias o se devuelve a la red
7.26. El frenado eléctrico de
los motores asíncronos III
R
S
T
M
R
S
T
M
S=
Frenado a
Funcionamiento
normal: giro en un contracorriente: inversión del sentido de giro
sentido
S>1
S>1
Corriente
Corriente
Giro
Giro
horario
horario
Giro
Giro anti
antihorario
horario
ZONA
ZONA
DE
DE
FRENO
FRENO
−NSS − N NSS + N
N
=
= 1+
− NSS
NSS
NSS
S >1 S ≅ 2
LIMITACIONES
●
●
●
Par
Par resistente
resistente
●
●
Par de frenado bajo
Frenado en zona inestable de la curva Par-S
Corriente durante el frenado muy alta
Solicitación del rotor muy
elevada
Necesario construcción
especial
7.26. El frenado eléctrico de
los motores asíncronos IV
El FRENADO DINÁMICO consiste en dos acciones sobre el
funcionamiento del motor: eliminación de la alimentación en alterna
e inyección de CC por el estator.
La inyección de CC provoca la aparición de un campo de eje fijo que
genera un par de frenado
Catá
Catálogos comerciales
Equipo para el frenado de
motores asíncronos por
inyección de CC (Potencia
315 kW)
Resistencias para frenado
reostático de motores
Catá
Catálogos comerciales
7.27. Cálculo de tiempos de
arranque y frenado
Momento de inercia de un
cuerpo de masa m respecto a
un eje. r es la distancia al eje
∫
J = r 22 ⋅ dm
[
T − TRR = Jmot
mot + Jcc arg
arg
ω
ωnominal
nominal
t arranque
arranque =
∫
00
00
t frenado
frenado
]ddtω
Ecuación de la dinámica de rotación:
T es el par motor, TR el par
resistente Jmot el momento de
inercia del motor, Jcarg el de la carga
y ω la pulsación de giro
 Jmot
mot + Jcc arg
arg 

 ⋅ dω
 T − TRR 
 Jmot
mot + Jcc arg
arg 
=

 ⋅ dω
]
T − [TRR + Tfreno


freno
ω
ωnominal
nominal
∫
Kg ⋅ m22
Integrando la
ecuación se obtiene
el tiempo de
arranque
TR+ Tfreno es el par
resistente total si se
incluye un
procedimiento
adicional de frenado
7.28. La variación de
velocidad de los motores
asíncronos I
Variación de la
velocidad de giro de la
máquina
Control de
velocidad en
cualquier rango
para cualquier
motor
Motores con
devanados
especiales
Variación de la
velocidad del campo
giratorio
Equipo
eléctrónico para
variar frecuencia
de red
Sólo posible 2 o 3
velocidades
distintas
60 ⋅ f
NS =
P
Variar f
Variar P
Variación
discreta de
la velocidad
Cambio en la
conexión del
estator
7.28. La variación de velocidad de
los motores asíncronos II:
métodos particulares
Par
Par
R
RRR’’33
Resistencia
Resistencia rotórica
rotórica
creciente
creciente
R
RRR’’22
Par
Par
Reducción
Reducción tensión
tensión
Vn
Vn
R
RRR’’11
Variación de la
velocidad
VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD POR
INSERCIÓN DE RESISTENCIAS
ROTÓRICAS EN MOTORES DE ROTOR
BOBINADO
BAJO RANGO DE VARIACIÓN
0,8V
0,8Vnn
S
S
Variación
Variación de
de la
la
velocidad
velocidad
S
S
VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD POR
REDUCCIÓN DE LA TENSIÓN
BAJO RANGO DE VARIACIÓN
REDUCCIÓN DEL PAR MOTOR
7.28. La variación de velocidad de
los motores asíncronos III:
Variación de la frecuencia
60 ⋅ f
NSS =
P
VARIANDO
VARIANDO DE
DE FORMA
FORMA CONTINUA
CONTINUA
LA
LA FRECUENCIA
FRECUENCIA SE
SE PUEDE
PUEDE
VARIAR
VARIAR DE
DE FORMA
FORMA CONTÍNUA
CONTÍNUA LA
LA
VELOCIDAD
VELOCIDAD
Al
Al reducir
reducir la
la frecuencia
frecuencia aumenta
aumenta el
el
flujo.
flujo. Para
Para evitar
evitar que
que la
la máquina
máquina se
se
sature
sature es
es necesario
necesario mantener
mantener la
la
relación
relación V/f constante:: al
al
disminuir
disminuir ff se
se aumenta
aumenta V
V yy viceversa
viceversa
Reducción
Reducción
frecuencia
frecuencia
Par
Par
0,5f
0,5fnn
0,75f
0,75fnn
ffnn
S
S
0,5N
0,5NSS
0,75N
0,75NSS
N
NSS
VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD POR
VARIACIÓN DE LA FRECUENCIA
7.28. La variación de velocidad de
los motores asíncronos III:
variación de la frecuencia
Sistema
Sistema
eléctrico
eléctrico
trifásico
trifásico
Motor
Motor de
de
Inducción
Inducción
Rectificado
Rectificadorr
Filtro
Filtro
Inversor
Inversor
INVERSOR PWM
V
VRR
+
+
V
VSS
+
+
V
VTT
+
+
T1
T1
T3
T3
T5
T5
R
Rmot
mot
T4
T4
T6
T6
T2
T2
S
Smot
mot
TTmot
mot
Funcionamiento del inversor I
V
VRR
+
+
V
VSS
+
+
V
VTT
+
+
T1
T1
T3
T3
T5
T5
R
Rmot
mot
T4
T4
T6
T6
S
Smot
mot
TTmot
mot
T2
T2
Tensión del rectificador sin filtro
Tensión del rectificador con filtro
La
La tensión
tensión después
después del
del
condensador
condensador es
es continua
continua
Funcionamiento del inversor II
Bus
Bus de
de
tensión
tensión
contínua
contínua
R
Rmot
mot
S
Smot
mot
TTmot
mot
El inversor haciendo
conmutar los IGBT’s “trocea”
la tensión continua con la que
es alimentado
El disparo de los IGBT’s se realiza utilizando una técnica conocida
como PWM (Pulse width modulation) que consiste en comparar una
señal (portadora) triangular con una señal (moduladora) senoidal
De esta comparación se obtiene una señal similar a la senoidal
pero escalonada para cada una de las fases del inversor
Variando la amplitud y frecuencia de moduladora y portadora es
posible obtener señales de distinta frecuencia y tensión a la
salida del inversor
Funcionamiento del inversor III
A
1
1
Señales
Señales modula
moduladora
dora yy portadora
portadora
Bus
Bus de
de
tensión
tensión
contínua
contínua
0
2
R
Rmot
mot
S
Smot
mot
TTmot
mot
-1
0
1 /2 f 1
1 /f1
1
B
0
Cuando
Cuando triangular
triangular <
<
senoidal
senoidal dispara
dispara el
el 1
1
TENSIÓN DE
SALIDA EN
LA FASE R
-1
0
1 /2 f1
1 /f1
0
0
2
20
0 m
mS
S
Catá
Catálogos comerciales
Convertidor para
motor de CC
Inversor 55 kW
0 – 400 Hz para motor
asíncrono con control
vectorial
Inversor 0,75 kW
0 – 120 Hz para
control de máquina
herramienta
Inversor 2,2kW
0 – 400Hz de
propósito general
Variadores
de
velocidad
7.29. Selección de un motor
para una aplicación específica
SELECCIONAR
CARCASA Y NIVEL DE
PROTECCIÓN (IP)
SELECCIONAR FORMA
NORMALIZADA DE
MONTAJE EN FUNCIÓN DE
UBICACIÓN
SELECCIÓNAR POTENCIA
EN FUCIÓN DE LA
POTENCIA NECESARIA
PARA ARRASTRA LA CARGA
SELECCIONAR CLASE DE
AISLAMIENTO EN FUNCIÓN
Tª ESPERADA Y AMBIENTE
DE TRABAJO
SELECCIONAR VELOCIDAD
(P) EN FUNCIÓN
VELOCIDAD CARGA
SELECCIONAR
CARACTERÍSTICA
MECÁNICA EN FUNCIÓN
DE PAR DE ARRANQUE Y
RESISTENTE DE LA CARGA
ABB – “Guide for selecting a motor”
7.30. La máquina asíncrona
como generador
La máquina asíncrona se
puede utilizar como generador
Los generadores asíncronos se
utilizan en sistemas de
generación donde la fuente
primaria es muy variable:
energía eólica e hidraúlica
En la actualidad existen máquinas
con doble alimentación rotor –
estator para mejorar el rendimiento
en generación eólica e hidráulica
Por encima de la velocidad
de sincronismo el par se
vuelve resistente y entrega
energía eléctrica
La máquina asíncrona
convierte energía mecánica
en eléctrica siempre que
trabaja por encima de la
velocidad de sincronismo.
NO ES NECESARIO QUE
GIRE A VELOCIDAD
CONSTANTE