ELT 2630. INTRODUCCIÓN A LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN
1/ 8
INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS DE INDUCCIÓN 1.- INTRODUCCIÓN Se llama máquina asincrónica a la maquina eléctrica de dos devanados de c.a., en la cual, solo un devanado (el primario, generalmente el estator) recibe alimentación de la red eléctrica con frecuencia constante, mientras que el otro devanado (el secundario) se cortocircuita. La corriente que circula en uno de los arrollamientos (generalmente el rotor) se debe a la acción del flujo creado por el otro, y por esa razón se llaman de inducción. Se llaman también asíncronas por que la velocidad de rotación del rotor no es la de sincronismo impuesto por la frecuencia de la red. Las máquinas asincrónicas se subdividen en maquinas sin colector y con colector. Se estudiará a causa de su gran importancia, la máquina de inducción sin colector (en lo que sigue se omite el término “sin colector”). La importancia de la máquina de inducción se debe a su construcción simple y robusta, sobre todo el rotor tipo jaula. La máquina máquina de inducción inducción se utiliza en la industria industria como motor, motor, siendo el mas mas empleado, y se puede puede decir que más del 80% de los motores industriales emplean esta máquina. Se utiliza en formas variadas ya que se selecciona por su simplicidad, confiabilidad y bajo costo. Estos factores se combinan con una buena eficiencia, buen capacidad de sobrecarga, mantenimiento y requerimientos de servicio mínimos. Por estas causas, se han desarrollado en forma muy completa y, en todos sus aspectos, han merecido mucha atención por parte de los organismos encargados de las normalizaciones. Su construcción se ha perfeccionado sostenidamente. La figura 1 muestra los tipos de motores de inducción fabricados por la WEG, según la IEC. En los que sigue, se estudiará la máquina de inducción trifásica, dejando para un capítulo posterior la máquina monofásica.
Figura 1 Tipos de motores de la WEG Ing. Alfredo Quiroga Quiroga F.
2/ 8
ELT 2630. INTRODUCCIÓN A LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN
2.- PRINCIPALES ASPECTOS CONSTRUCTIVOS Estator El estator de una máquina de inducción trifásica esta constituido en todos sus aspectos análogamente al de una maquina sincrónica y, en consecuencia, contiene un arrollamiento trifásico para su conexión a un circuito de c.a. trifásico. Figura 2 El estator se construye con chapas de hierro de espesor del orden de 0.5 mm de poco contenido de silicio, cuya calidad depende en cierta medida de la potencia. Se unen de muy diferentes formas formando el paquete magnético y son cortados por matrices para su producción en serie. En la figura 3 se observan los tipos de ranuras.
Figura 2 Estator
a) Ranuras abiertas Figura 3. Tipo de ranuras
b) Ranuras semicerradas
Rotor El rotor de una máquina de inducción es cilíndrico y esta constituido por chapas de acero eléctrico con ranuras para la acomodación de los arrollamientos. Se establece la siguiente clasificación: a)
Máquinas de inducción con rotor devanado (figuras 4 y 5),
Figura 4 Rotor devanado
Figura 5. Máquina de inducción con rotor devanado
El arrollamiento es del mismo tipo que del estator. En un extremo están conectados en estrella y, en el otro, lo están a anillos de contacto y, a través de las escobillas, son conectados a un reóstato de arranque. b)
Máquinas de inducción con rotor en cortocircuito, o de jaula de ardilla. Figura 6.
Ing. Alfredo Quiroga F.
3/ 8
ELT 2630. INTRODUCCIÓN A LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN
Figura 6 Rotor de jaula Se los construye en tres modalidades: con rotor único de jaula, rotor de barra y de dos jaulas. Estas clases de máquinas se diferencian entre si por sus características de arranque •
El rotor de jaula normal, consiste de un paquete de chapas magnéticas con ranuras, generalmente de forma oval. (Figura 7), en las que se colocan barras de cobre o aluminio, las que se sueldan en sus extremos a los anillos de aluminio que cortocircuitan las barras, en algunas casos se remachan. En los motores de poca potencia, la jaula se hace de aluminio, de tal forma que los extremos sobresalgan en forma de aletas para formar el ventilador que permita la autorefrigeración del motor .Figura 6. Las ranuras del rotor se estampan en el acero. Las ranuras cerradas por arriba por un fino puente de aluminio de 0,4-0,5 mm de espesor. En sus extremos se funden anillos de aluminio que cortocircuitan las barras fundidas en las ranuras.
Figura 7.Ranura de un rotor de jaula normal •
•
Figura 8. Rotor de barras profundas
El rotor de jaula de barras profundas (figura 8). La jaula esta formada por barras de sección rectangular y los anillos de cortocircuito A están formados generalmente por tiras de cobre. Las barras de la jaula y los anillos de cortocircuito están unidos por soldadura de latón. El rotor de doble jaula (Figuras 9a y 9b).La jaula superior A (Figura 9a) es de resistencia relativamente alta y baja reactancia inductiva, está construida de latón o de bronce especial; se llama también de arranque cuando funciona como motor. La jaula inferior T es de cobre, esto significa una menor resistencia y es el arrollamiento de funcionamiento del motor. Las jaulas pueden tener ranuras circulares o, en la parte superior, tener ranuras circulares y la inferior ranuras ovales o rectangulares. Los anillos de cortocircuito suelen ser de cobre. En la figura 8a se muestra la jaula superior e inferior, cortocircuitadas por los anillos A’ y A’’. En la figura 9b se muestra el rotor rellenado con aluminio, inclusive la hendidura entre ambas jaulas, en este caso el motor es de ranura profunda pero de forma perfilada y se puede considerar como una forma intermedia entre el rotor de doble jaula y el de barra profunda.
Figura 9a Rotor de jaula de doble barra
Ing. Alfredo Quiroga F.
Figura 9b Rotor de jaula rellenado
4/ 8
ELT 2630. INTRODUCCIÓN A LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN
Circuito Magnético El circuito magnético en las máquinas de inducción está constituido por el estator, el rotor y el entrehierro. Este último lo mas reducido posible, debido a que ésta es la parte del circuito magnético que ocasiona la mayor parte de la corriente de excitación necesaria. Carcasa La carcasa constituye el medio de soporte mecánico del estator. Tiene forma cilíndrica y. algunas variantes, dependiendo de la potencia de la máquina. La carcasa es fuerte y rígida, ya que es el medio de soporte, en el caso de grandes motores, se proveen de costillas para aumentar el área de disipación de calor. Su construcción es, por lo general, de acero fundido. Cojinetes Los cojinetes son por lo regular a esferas y también a rodillos, en casos importantes. El reóstato Los resistores de regulación del rotor devanado pueden estar en baño de aceite para mejorar la refrigeración o en aire. El accionamiento puede ser de forma manual o automática. 3. PRINCIPIO Y FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN El funcionamiento de la máquina de inducción se basa en el principio de la interacción electromagnética entre el campo giratorio creado por un sistema trifásico de corriente alterna alimentada por el arrollamiento del estator y las corrientes inducidas en el arrollamiento de rotor cuando sus conductores son cortados por el campo giratorio. Así, el funcionamiento de la máquina de inducción es esencialmente el mismo que el de un transformador, el primario es el estator y el rotor es el secundario, que, en general, gira a una velocidad n r . La velocidad de rotación del campo sinusoidal es ns
=
f 1 p
(rps)
(1)
donde f 1 Es la frecuencia de la red de suministro de c.a.
p es el número de pares de polos La interacción electromagnética existe solo si n s respecto al rotor y no se inducirá corriente alguna.
≠
n r
si
ns
=
n r ,
el campo giratorio permanecerá fijo
La relación s% =
ns
− n r
ns
100
(2)
Se llama deslizamiento y es muy pequeño a plena carga (usualmente 3-5%) 4.- CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO Dependiendo de la relación existente entre las velocidades, se distinguen las siguientes condiciones de funcionamiento: a) Motor, Ing. Alfredo Quiroga F.
ELT 2630. INTRODUCCIÓN A LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN
5/ 8
b) Generador y c) Freno electromagnético Para la tensión U1 y la frecuencia de la red f 1, los procesos electromagnéticos en la máquina asincrónica se determinan por el momento exterior M ext aplicado al árbol de la máquina y por su dirección. a)
Funcionamiento como motor
En este caso el momento exterior M ext está dirigido en sentido contrario a la rotación del campo. Considérese el caso de una máquina de inducción trifásica con rotor cerrado, conectada a una fuente de C.A. El campo del estator induce en el rotor una Fem. E 2 y, dado que el rotor está cerrado, circula una corriente I 2, cuya componente activa coincide con el sentido de la Fem. E 2, La interacción del flujo creado por esta corriente con el flujo del estator crea el flujo resultante mostrado en la figura 10.
Figura 10 Funcionamiento como motor En estas condiciones, la fuerza F aplicada al conductor “a” crea un par motor en el eje de la máquina que arrastra al rotor en el sentido de rotación del flujo, es decir, un par de giro. Los pares combinados por los distintos conductores forman el par resultante M em . Para esta condición de funcionamiento, la energía eléctrica suministrada al estator se convierte en energía mecánica en el eje, esto es, funciona como motor. La velocidad n r depende de la carga del motor, en vacío es casi igual a n s, pero no puede alcanzarla, es decir, en esta condición, n r < n s . La transformación electromecánica de la energía es este régimen se da entonces si 0 < n r < n s lo que implica que el deslizamiento varía dentro el margen 0
Funcionamiento como generador
En este caso, al contrario, el momento exterior M ext está dirigido hacia el lado de rotación del campo. Esta condición se obtiene utilizando un motor primario que permita acelerar el rotor y obtener n r > n s. En este caso, n 2 < 0 , el flujo gira con una velocidad relativa respecto al rotor contraria al caso motor. De acuerdo con esto, se invierten los sentidos de la Fem. y corriente en el conductor “a”, así como el signo del par actuante 1 . Por consiguiente, el par desarrollado es un par de freno. Figura 11. 1
En el capítulo “Pares y potencia de la Máquina de Inducción” se estudiarán los signos de los pares y potencias de la máquina de inducción Ing. Alfredo Quiroga F.
6/ 8
ELT 2630. INTRODUCCIÓN A LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN
Figura 11. Funcionamiento como generador En estas condiciones, la máquina funciona como generador y convierte la energía mecánica, suministrada por la máquina motriz, en energía eléctrica que entrega al circuito de potencia. La transformación electromecánica se produce cuando n r > n s con lo que el deslizamiento es s<0. En la práctica esta condición puede producirse al descender un tren por una pendiente y la carga de una grúa. c)
Funcionamiento como freno electromagnético
Aquí el par exterior M ext está dirigido en sentido contrario a la rotación del campo. Esta condición se presenta cuando la máquina estando conectada al circuito de potencia, funciona como motor, por la acción de una fuerza externa comienza a girar en sentido contrario al de la rotación del flujo magnético. En este caso, la energía es alimentada a la máquina de inducción desde dos fuentes, energía eléctrica del circuito de potencia y energía mecánica de la máquina motriz. El par resultante es reducido. El funcionamiento como freno electromagnético se verifica cuando n r < 0 y el deslizamiento es s>1. Aquí n2= ns
− (− n r ) >
0
En la práctica el funcionamiento como freno electromagnético se utiliza principalmente para el descenso de cargas en escaleras mecánicas o grúas. 5.- RELACIONES IMPORTANTES El flujo magnético gira con respecto al rotor con velocidad n 2 inducidas en el rotor es f 2
= pn 2 = f 1s
=
ns
− n r
, por lo tanto, la frecuencia de las fems
(3)
La Fem. inducida en el rotor giratorio es E 2s
=
sE 2
(4)
E 2 es la Fem. inducida en el rotor cuando s=1
La reactancia del rotor giratorio es x 2s x2
Es la reactancia del rotor cuando s=1
La corriente de rotor es Ing. Alfredo Quiroga F.
=
sx 2
(5)
7/ 8
ELT 2630. INTRODUCCIÓN A LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN
I2
sE 2
=
2 2 2 r 2 + s x 2
(6)
El factor de potencia del rotor es cos Ψ2
=
r 2 z2
r 2
=
2 2 2 r 2 + s x 2
(7)
donde r 2 es la resistencia activa del rotor El par electromagnético resulta de la interacción del flujo, que puede suponerse constante y la componente activa de I 2 . Así M em
=
KI 2 cos Ψ2
=
K
E 2 sr 2 2 r 2 + s 2 x 22
(8)
donde K es el factor proporcionalidad Puede observarse que para las condiciones de funcionamiento par y freno, el par motor es positivo y, negativo para la condición generador. En s=0 y s = ±∞ el par es nulo. El par electromagnético máximo se encuentra resolviendo la ecuación dM em ds
=
kE 2
r 2 ( r 22
+
x 22 s 2 ) − sr 2 2sx 22
r 22
2 2 + x 2s
=
0
(9)
de donde sm
=±
r 2 x2
(10)
El par motor máximo es M max
= ± k
E2 2x 2
(11)
Puede observarse que el par máximo no depende de la resistencia activa del rotor r 2. Este aspecto es de mucha importancia al estudiar el arranque del motor de inducción. La figura 12 muestra la relación M em
Ing. Alfredo Quiroga F.
=
f (s)
para tres valores de s m
ELT 2630. INTRODUCCIÓN A LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN
Figura 11. Par electromagnético en función del deslizamiento
BIBLIOGRAFIA KOSTENKO PIOTROVSKY. Máquinas Eléctricas. Vol II. Cap 1 IVANOV SMOLENSKI . Máquinas Eléctricas. Tomo 2. Cap 41
Ing. Alfredo Quiroga F.
8/ 8
