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Motores Polifásicos de Inducción

1. INTRODUCCIOON

El estudio del motor de inducción trifásico tiene gran importancia en nuestros días debido a sus características de construcción y robustez y a que gracias a su diseño se logra tener un campo magnético rotatorio, el cual gira a una velocidad fija (velocidad de sincronía) que se define básicamente por el número de polos magnéticos que tiene el motor y por la frecuencia de las señales de alimentación que se inyectan al estator. La teoría elemental para el diseño de este motor fue desarrollada por Nikola Tesla en el año de 1887, y desde entonces la parte básica de ésta no presenta grandes modificaciones. En este motor se tiene que considerar que la generación de par electro magnético se logra por la interacción de los conductores en los que circula corriente eléctrica y que se encuentran inmersos en un campo magnético rotatorio, dando lugar en la parte rotatoria a este fenómeno que se genera entre otras propiedades por la inducción magnética. Se puede hacer una primera clasificación elemental de este tipo de máquinas trifásicas a partir del tipo de rotor (parte rotatoria del motor), del cual se tienen las siguientes clases: 

Rotor Jaula de ardilla: no presenta la posibilidad de tener acceso a ningún parámetro del rotor, ya que se encuentra completamente aislado del estator o de posibles terminales hacia la parte exterior del motor.



Rotor de anillos deslizantes: permite el acceso a las terminales del rotor empleando escobillas, por lo que se pueden modificar los pará- metros de éste y en especial la resistencia que modifica el valor de su velocidad en el cual se encuentra el par máximo, como se explicará más adelante.

Los primeros usos industriales que se tienen registrados con este tipo de máquinas se encuentran en las aplicaciones de velocidad constante. Puesto que la velocidad de sincronía depende del número de polos y de la frecuencia de alimentación en el estator, como lo muestra la ecuación 4.1, para implementar aplicaciones de velocidad variable se requirió del desarrollo de sistemas de electrónica de potencia para lograr cambiar la velocidad del campo magnético rotatorio mediante la modificación de la frecuencia fundamental de las señales de alimentación del estator

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Motores Polifásicos de Inducción En la actualidad los motores de inducción se pueden encontrar en más del 70% de las aplicaciones de accionamientos eléctricos, incluyendo velocidad constante y variable, lo que se logra sólo cuando se puede modificar la velocidad de sincronismo o el número de polos del motor; debido a esto, los motores de inducción reciben el nombre bien ganado de caballos de batalla de la industria. Otra clasificación que se puede hacer de este tipo de motores es a partir del número de fases que emplean en su alimentación, y de acuerdo con esto se pueden encontrar como:  Trifásicos  Bifásicos  Monofásicos Siendo los más importantes los trifásicos y los monofásicos, es esencial tener en cuenta que en el estudio convencional en estado permanente de motores de inducción siempre considera que éstos están balanceados, que no presentan saturación magnética y que sus parámetros son invariantes en el tiempo, además de que se tiene que remarcar que el estudio de los motores de inducción trifásicos se puede realizar a través del empleo de circuitos equivalentes en estado permanente monofásicos, que después sirven de soporte para el análisis de motores trifásicos. 2. MOTORES TRIFÁSICOS  Se fabrican de las más diversas potencias.  Características de velocidad sensiblemente constante  Característica de par ó torque que varía ampliamente según los diseños  Se construye para operar a todas las tensiones y frecuencias de servicio normalizadas.

3. Construcción del Motor de Inducción Un motor de inducción tiene un estator igual al de una máquina sincrónica pero su rotor tiene una construcción diferente. Hay dos tipos diferentes de rotores para motores de inducción. Uno se conoce como rotor de jaula de ardilla o simplemente rotor de jaula y el otro como rotor devanado  ESTATOR  De Desviación trifásico distribuido en ranuras a 120º Tiene tres devanados en el estator. Estos devanados están desfasados 𝟐𝝅⁄𝟐𝑷, siendo P el número de pares de polos de la maquina

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 ROTOR  BOBINADO Rotor devanado: Los devanados del rotor son similares a los del estator con el que esta asociado. El numero de fases del rotor no tiene por que ser el mismo que el del estator, lo que si tiene que ser igual es el numero de polos. Los devanados del rotor están conectados a anillos colectores montados sobre el mismo eje. 

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JAULA DE ARDILLA Los conductores del rotor están igualmente distribuidos por la periferia del rotor. Los extremos de estos conductores están cortocircuitados, por tanto no hay posibilidad de conexión del devanado del rotor con el estator. La posición inclinada de las ranuras mejora las propiedades del arranque y disminuye los ruidos

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Motores Polifásicos de Inducción 4. Principio de funcionamiento del motor trifásico de inducción

Los motores de inducción ó asincrónicos, son los más utilizados debido a su robustez, sencillez constructiva y poco mantenimiento. La utilización de los mismos, es apta para aquellos requerimientos en los cuales no se deba mantener una velocidad constante, ya que este tipo de motores, disminuye ligeramente su velocidad con el aumento de la carga en su eje. El estator de un motor trifásico de inducción está formado por un conjunto de tres bobinas, las cuales son alimentadas por un sistema trifásico de corrientes, lo cual da origen a un campo magnético giratorio de módulo constante, según se ha estudiado anteriormente. Este campo magnético gira a la velocidad que llamamos de sincronismo. Coloquemos dentro del estator una espira, montada sobre un eje, cuyo único movimiento permitido es el de rotación tal como se muestra en la figura. En esta situación, en la cual tenemos un campo magnético de módulo fijo girando alrededor de la espira mencionada, está concatenará un flujo magnético que varía con el tiempo, lo cual dará origen a una fuerza electromotriz inducida (Ley Faraday).

El sentido de la fuerza electromotriz inducida se puede obtener de acuerdo a la siguiente regla de la mano derecha: o Se coloca la palma de la mano derecha recibiendo en forma perpendicular el flujo magnético. o Se coloca el pulgar en dirección contraria al sentido del movimiento del campo magnético (en este caso en sentido antihorario). o El sentido del resto de los dedos nos indica el de la fuerza electromotriz inducida. UNAP

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Motores Polifásicos de Inducción En la figura se muestra un detalle de lo analizado.

Si ahora cerramos la espira por ejemplo cortocircuitándola, tal como se muestra en la figura 8.16, circulará una corriente en el mismo sentido de la fuerza electromotriz inducida, cuyo valor dependerá de dicha fem y de la impedancia que presente dicha espira.

En esta situación nos encontramos, con un conductor por el cual circula corriente y se encuentra en presencia de un campo magnético, lo cual da origen a fuerzas en los conductores, pudiendo determinar el sentido de las mismas mediante la mano izquierda de acuerdo a la figura 2

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Para determinar el sentido de las fuerzas se sigue el siguiente proceso:   

Se coloca la palma de la mano izquierda recibiendo en forma perpendicular el flujo magnético. Se colocan los dedos en el sentido de la corriente. El pulgar nos indica el sentido de la fuerza.

En nuestro caso, en el conductor superior la fuerza es hacia la derecha, y en el inferior hacia la izquierda, como se observa en la figura

Dado que las fuerzas se originan, únicamente, a lo largo de los conductores paralelos al eje (Corriente perpendicular al flujo magnético), y estando estos separados, se produce una cupla que hace mover la espira, y estando esta montada sobre un eje, comienza a girar, siguiendo el movimiento del campo magnético rotante. La espira aumenta su UNAP

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Motores Polifásicos de Inducción velocidad hasta llegar a una velocidad levemente inferior a la del campo magnético, ya que de alcanzar la misma, la espira no cortaría líneas de campo magnético, con lo cual no habría flujo concatenado variable lo cual llevaría a la desaparición de las fuerzas mencionadas, tendiendo la espira a disminuir su velocidad, con lo que volvería a aparecer la cupla. La velocidad a la que gira es levemente inferior a la del campo magnético rotante, y la misma está determinada por el equilibrio entre la cupla motora analizada y las cuplas antagónicas o resistentes (debidas a la carga mecánica en el eje y los rozamientos propios).

5. Principios básicos del motor de inducción trifásico El estudio de los motores de inducción trifásicos se inicia a partir de la definición de la velocidad de sincronía, que es básica en la definición del circuito equivalente y del deslizamiento. La velocidad de sincronía se define como …………..(1)

El deslizamiento es esencialmente la diferencia entre la velocidad de sincronía y la velocidad del rotor (Nr), por lo que se tiene que

……………………….…..(2)

A partir de aquí el deslizamiento porcentual se expresa como

……………………..(3)

Si el rotor se encuentra en reposo (sin movimiento) se tiene que s = 1 y cuando el motor se encuentra en vacío sin carga el valor de s tiende a 0, por lo que se puede determinar que la velocidad del rotor se obtiene mediante la expresión

……………………..(4)

Tomando en cuenta que la mayoría de motores de inducción trabajan con valores de deslizamiento que cumplen con la condición s < 5%, se observa que el margen de valores del deslizamiento se restringe.

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Motores Polifásicos de Inducción En forma análoga a lo planteado, la frecuencia del rotor se puede determinar a partir de

……………………..(5)

Sustituyendo aquí (2) se tiene que

……………………..(6)

Utilizando la ecuación (1) se puede obtener la Tabla 1.

Los polos magnéticos se generan por el flujo de la corriente sobre un conductor, como lo muestra la figura 4.1 en la que se puede observar cómo se genera un sistema de dos polos magnéticos tanto en el rotor como en el estator. El número de polos magnéticos es fundamental en el funcionamiento del motor de inducción, por lo que para incrementar el número de polos se cambia el diseño físico del motor y de está manera se puede cambiar la velocidad de sincronía.

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Motores Polifásicos de Inducción Como se puede ver en la figuras 4.1 y 4.2, para alterar el número de polos magnéticos sólo es necesario el cambio en la estructura física del motor. Una vez que se genera el número de polos magnéticos deseados, teniendo en cuenta que la corriente cambia con el tiempo, éstos tenderán a desplazarse como se muestra en la figura 4.3, lo que permite tener un campo magnético rotatorio que se mueve a la velocidad de sincronía.

A partir de la ecuación (5) se puede observar que cuando el motor se encuentra bloqueado la frecuencia del rotor se aproxima a la del estator, 𝑓𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 ≈ 𝑓𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑜𝑟 lo que permite tener lo que se considera como un transformador en corto circuito en donde la frecuencia de alimentación es igual a la frecuencia de salida. Para entender el funcionamiento del motor de inducción trifásico con mayor claridad, es necesario analizar la forma en que se produce el campo magnético rotatorio en el motor de inducción trifásico y la velocidad a la que gira.

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