Ensayo de vacío del motor de inducción

El ensayo de vacío del motor asíncrono permite determinar los parámetros $R_{Fe}$ y $X_\mu$ de la rama paralelo del circuito equivalente del motor asíncrono.

El ensayo de vacío consiste en hacer funcionar al motor, a tensión nominal, sin ninguna carga mecánica acoplada al eje, es decir, la máquina trabaja a rotor libre.

Las magnitudes a medir en el ensayo de vacío son el valor de la tensión que alimenta a la máquina, $V_n$, que debe coincidir con la tensión nominal, la potencia absorbida por el motor, $P_0$ y la corriente de vacío, $I_0$.

Los motores de inducción se caracterizan por no poder girar a la velocidad de sincronismo ya que si alcanzan la velocidad de sincronismo no generan par.

Desde el punto de vista del circuito equivalente de la máquina, girar a la velocidad de sincronismo, $s=0$, implicaría que el valor de la resistencia del secundario $R'_2/s$ sería infinito.

En la práctica, lo que sucede es que la velocidad de giro de la máquina asíncrona en vacío es muy próxima a la velocidad de sincronismo. Este hecho supone que, desde el punto de vista del circuito equivalente, el valor de la resistencia del secundario, $R'_2/s$ sea muy elevado ya que $s\approx 0$. Dado que no hay ninguna carga acoplada al eje, toda la potencia disipada corresponde a la energía necesaria en las pérdidas por rozamientos y en la refrigeración, a través del ventilador, de la máquina.

La consecuencia directa de un valor de resistencia muy elevado en el secundario es que la corriente circulante por el rotor es muy pequeña, $I'_2\approx 0$. De este modo, las pérdidas en el cobre del rotor son despreciables.

La potencia absorbida en el ensayo de vacío, $P_0$, es igual a la suma de las pérdidas en el cobre del estátor, $P_{cu}$, las pérdidas en el hierro, $P_{Fe}$ y las pérdidas mecánicas, $P_m$. $$P_0=P_{cu}+P_{Fe}+P_m$$ El valor de las pérdidas en el cobre del estátor se obtienen multiplicando la corriente de vacío, $I_0$, por el valor de la resistencia estatórica, $R_1$, calculado en el ensayo de corriente continua de la máquina asíncrona.

Para determinar las pérdidas en el hierro, $P_{Fe}$, y las pérdidas mecánicas, $P_m$, es necesario alimentar la máquina con varios niveles de tensión, desde su valor nominal hasta un valor alrededor del 50% de la tensión nominal.

Para cada punto de tensión, se deben medir la tensión de alimentación a la máquina, $V_{0_{V}}$, la potencia absorbida por la máquina, $P_{0_{V}}$ y la corriente de vacío, $I_{0_{V}}$, ya que a partir de ellos se deducen las pérdidas en el hierro y mecánicas para cada punto según $$P_{Fe_{V}}+P_{m_{V}}=P_{0_V}-3\cdot R_1\cdot I^2_{0_{V}}$$ La representación de la suma de las pérdidas en el hierro y mecánicas en función de la tensión de alimentación $V_{0_V}$ muestra una evolución de tipo parabólico, tal y como se muestra en la figura 1.

Fig. 1 Pérdidas mecánicas y pérdidas en el hierro en función de la tensión de alimentación.

Si se extrapola la curva de tipo parabólico hasta su corte en el eje de ordenadas se obtiene el valor de las pérdidas mecánicas, ya que en ese punto la tensión de alimentación de la máquina es $V_{0_0}=0 \; V$ y, por tanto, las pérdidas en el hierro son nulas al no circular ningún flujo.

Para reducir errores de cálculo en la extrapolación de la curva parabólica, en la práctica se representa la suma de las pérdidas en el hierro y mecánicas, $P_{Fe}+P_m$, en función del cuadrado de la tensión de alimentación $V^2_{0_V}$ de la máquina tal y como se observa en la figura 2. En este caso, la curva de tipo parabólico mostrada en la figura 1 se transforma en una línea recta, cuya ordenada en el origen representa el valor de las pérdidas mecánicas, $P_m$ de la máquina.

Fig. 2 Pérdidas mecánicas y pérdidas en el hierro en función del cuadrado de la tensión de alimentación.

Una vez son conocidas las pérdidas mecánicas de la máquina, se puede determinar el valor de las pérdidas en el hierro, $P_{Fe}$, cuando la máquina está alimentada a tensión nominal y, como consecuencia se podrán determinar los elementos de la rama paralelo del circuito equivalente según las siguientes expresiones: $$\cos\varphi_0 =\dfrac{P_{Fe}}{3\cdot V_n\cdot I_0}\quad ;\quad I_{Fe}=I_0\cdot\cos\varphi_0\quad ;\quad I_\mu=I_0\cdot \sin\varphi_0$$ donde $$R_{Fe}=\dfrac{V_n}{I_{Fe}}\quad ;\quad X_\mu=\dfrac{V_n}{I_\mu}$$