El motor eléctrico más empleado en hogares, comercios e industrias es el motor de inducción o motor asíncrono, existiendo una amplía gama de ellos con diferentes potencias, características par-velocidad, requisitos mecánicos, rendimientos, etc.
El nombre de motor de inducción deviene por el método empleado para transferir la potencia desde los devanados primarios situados en la parte estacionaria de la máquina -estátor- a la parte giratoria de la máquina -rotor.
El desarrollo de las máquinas de inducción tuvo que esperar hasta la aparición de los sistemas eléctricos de corriente alterna, ya que con su irrupción comenzaron los primeros estudios para adaptar los motores existentes al nuevo sistema eléctrico, con el objetivo de aprovechar las ventajas que ofrecía el uso de la corriente alterna.
El primer trabajo original desarrollado se anunció en 1888 por Galileo Ferraris en Italia dos meses antes que Nikola Tesla presentase un trabajo similar en los Estados Unidos. Ambos investigadores basaron sus diseños en sistemas bifásicos.
El motor bifásico desarrollado por Ferraris tenía una circuito magnético abierto y un rotor en forma de disco hecho de cobre, por lo que desarrollaba una potencia muy baja. Sin embargo, Tesla propuso un motor con devanados concentrados tanto en el estátor como en el rotor, consiguiendo un par mucho mayor que el que proporcionaba el motor desarrollado por Ferraris.
A pesar de que Ferraris hizo público su trabajo dos meses antes que Tesla los tribunales apoyaron el trabajo de Tesla tras las evidencias aportadas en el litigio reconociendo el trabajo y las patentes de Tesla como originales en los Estados Unidos y en el resto del mundo tras una serie de litigios.
Dos años más tarde, Westinghouse compró las patentes de Tesla y empezó a comercializar motores de inducción en 1890 alimentados a una frecuencia de 60 Hz.
En 1890 Mikhail Dolivo Dobrovolsky, ingeniero de AEG , inventó el motor asíncrono trifásico empleando un rotor en forma de jaula de ardilla y utilizando un devanado distribuido en el estator.
En 1891, Dobrovolsky presentó en la Exposición de Electricidad de Frankfurt un motor asíncrono con rotor bobinado que disponía de un reóstato de arranque a base de resistencias líquidas. En 1893, Dobrovolsky había desarrollado también motores asíncronos con doble jaula de ardilla.
Aunque Westinghouse prefería los sistemas bifásicos, General Electric empezó la instalación de sistemas trifásicos en 1893, Ambos sistemas, bifásico y trifásico, coexistieron durante unos años, pero los ventajas económicas de los sistemas trifásicos se impusieron provocando su adoptación como sistema universal para la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica.
La construcción más usual de los estatores (Fig. 3) en los motores de inducción se realiza apilando unas láminas de acero al silicio, con forma de rosquilla, que dispone de unas ranuras en su periferia interior donde se alojan las bobinas o devanados estatóricos.
Los rotores de los motores de inducción también se constituyen por un apilamiento de láminas de acero al silicio sobre un eje. El paquete de láminas que forma el rotor tiene una longitud aproximadamente igual a la longitud del paquete de láminas del estator y su diámetro exterior es menor que el diámetro interior del estator dos veces el valor del entrehierro. Las láminas que conforman el paquete rotórico se alinean bien de forma paralela o inclinadas uniformemente al eje.
Los rotores de los motores de inducción toman principalmente de dos configuraciones: rotores bobinados o rotores de jaula de ardilla.
Los rotores bobinados (Fig. 4) se caracterizan por disponer de unas ranuras en su periferia exterior donde se aloja el devanado rotórico y unos anillos de cortocircuito que se conectan a una resistencia externa para arrancar el motor o controlar su velocidad.
Los rotores de jaula de ardilla (Fig. 5) se caracterizan por tener una serie de conductores -barras- que sustituyen a los devanados rotóricos, cortocircuitados mediante dos anillos colocados en ambos extremos del rotor conocidos como anillos de cortocircuito.
Los conductores rotóricos se fabrican, generalmente, con aluminio inyectado de alta conductividad creando una configuración en tipo jaula de ardilla (Fig. 6). La resistencia y reactancia rotórica se puden ajustar cambiando el tamaño y la forma de las ranuras rotóricas.
Los anillos de cortocircuito de los rotores de jaula de ardilla también se fabrican por inyección e incluyen unos bolardos que permiten el equilibrado del rotor. La resistencia del rotor también se puede ajustar cambiando la sección de los anillos de cortocircuito.
El empleo de otros materiales, como puede ser el cobre, también permite modificar el valor de la resistencia rotórica. El uso de rotores de cobre de fundición es relativamente nuevo ya que los procesos de fabricación se desarrollaron en la década de 1990.
El principio de funcionamiento de los motores de inducción se basa en campos magnéticos giratorios. Cuando existe movimiento relativo entre el campo magnético creado en el estátor y los conductores del rotor -el rotor gira a una velocidad diferente a la velocidad del campo magnético estatórico- se induce una tensión en el rotor. La corriente producida por esta tensión inducida genera un campo magnético en el rotor que interactúa con el campo magnético estatórico generando un par.
La velocidad de giro del campo magnético en el estátor se conoce como velocidad de sincronismo y se obtiene según $$n_{sin}=\dfrac{60\cdot f}{\dfrac{p}{2}}$$ con $n_{sin}$ siendo la velocidad de sincronismo en revoluciones por minuto (r.p.m.), $f$ la frecuencia en hercios y $p$ el número de polos de la máquina.
La diferencia de velocidad relativa entre la velocidad de sincronismo y la velocidad real de la máquina -velocidad a la que gira el rotor- se conoce como deslizamiento y, normalmente se representa por unidad o en tanto por cien $$s_{pu}=\dfrac{n_{sin}-n}{n_{sin}} \\ s_{\%}=\dfrac{n_{sin}-n}{n_{sin}}\cdot 100 $$ El valor de deslizamiento nominal en los motores de inducción es menor al 5%.
La respuesta de las máquinas de inducción frente a incrementos de carga es reducir su velocidad. Este hecho incrementa el valor del deslizamiento y consecuentemente el voltaje inducido, la corriente rotórica y de la máquina lo que se traduce en un aumento de par para la zona de trabajo de la máquina de inducción.
Ante decrementos de carga, las máquinas de inducción aumentan su velocidad, reduciendo su deslizamiento, voltaje inducido, corriente rotórica y de la máquina y finalmente su par.
La velocidad para máquinas de inducción varía en unas pocas revoluciones por minuto cuando hay cambios en la temperatura de los conductores rotóricos o cuando suceden pequeñas variaciones en la tensión de línea y, generalmente, la velocidad varía incluso entre motores que se suponen exactamente iguales.
Realizar un análisis real de los motores de inducción es complicado y por ello se emplean modelos y simulaciones para su análisis y síntesis que se verifican con procedimientos experimentales.
El modelo clásico de las máquinas de inducción se desarrollo tras reconocer los parámetros de diversos componentes que forman parte de la máquina. El modelo clásico se conoce como circuito equivalente y, en el caso de máquinas polifásicas, se representa una única fase en él, asumiendo que el resto de fases son iguales.
El amplio rango de aplicaciones en las que se emplean los motores de inducción a provocado que su análisis en regímenes permanentes y transitorios posea un gran importancia.
El nombre de motor de inducción deviene por el método empleado para transferir la potencia desde los devanados primarios situados en la parte estacionaria de la máquina -estátor- a la parte giratoria de la máquina -rotor.
El desarrollo de las máquinas de inducción tuvo que esperar hasta la aparición de los sistemas eléctricos de corriente alterna, ya que con su irrupción comenzaron los primeros estudios para adaptar los motores existentes al nuevo sistema eléctrico, con el objetivo de aprovechar las ventajas que ofrecía el uso de la corriente alterna.
El primer trabajo original desarrollado se anunció en 1888 por Galileo Ferraris en Italia dos meses antes que Nikola Tesla presentase un trabajo similar en los Estados Unidos. Ambos investigadores basaron sus diseños en sistemas bifásicos.
El motor bifásico desarrollado por Ferraris tenía una circuito magnético abierto y un rotor en forma de disco hecho de cobre, por lo que desarrollaba una potencia muy baja. Sin embargo, Tesla propuso un motor con devanados concentrados tanto en el estátor como en el rotor, consiguiendo un par mucho mayor que el que proporcionaba el motor desarrollado por Ferraris.
A pesar de que Ferraris hizo público su trabajo dos meses antes que Tesla los tribunales apoyaron el trabajo de Tesla tras las evidencias aportadas en el litigio reconociendo el trabajo y las patentes de Tesla como originales en los Estados Unidos y en el resto del mundo tras una serie de litigios.
Dos años más tarde, Westinghouse compró las patentes de Tesla y empezó a comercializar motores de inducción en 1890 alimentados a una frecuencia de 60 Hz.
En 1890 Mikhail Dolivo Dobrovolsky, ingeniero de AEG , inventó el motor asíncrono trifásico empleando un rotor en forma de jaula de ardilla y utilizando un devanado distribuido en el estator.
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| Fig. 1 Motor asíncrono de rotor de jaula. |
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| Fig. 2 Motor asíncrono de rotor bobinado. |
La construcción más usual de los estatores (Fig. 3) en los motores de inducción se realiza apilando unas láminas de acero al silicio, con forma de rosquilla, que dispone de unas ranuras en su periferia interior donde se alojan las bobinas o devanados estatóricos.
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| Fig. 3 Modelo 3D de un estátor de una máquina de inducción |
Los rotores de los motores de inducción toman principalmente de dos configuraciones: rotores bobinados o rotores de jaula de ardilla.
Los rotores bobinados (Fig. 4) se caracterizan por disponer de unas ranuras en su periferia exterior donde se aloja el devanado rotórico y unos anillos de cortocircuito que se conectan a una resistencia externa para arrancar el motor o controlar su velocidad.
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| Fig. 4 Modelo 3D de un rotor bobinado |
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| Fig. 5 Modelo 3D de un rotor de jaula de ardilla |
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| Fig. 6 Modelo 3D de las barras de un rotor de jaula de ardilla y sus anillos de cortocircuito |
El empleo de otros materiales, como puede ser el cobre, también permite modificar el valor de la resistencia rotórica. El uso de rotores de cobre de fundición es relativamente nuevo ya que los procesos de fabricación se desarrollaron en la década de 1990.
El principio de funcionamiento de los motores de inducción se basa en campos magnéticos giratorios. Cuando existe movimiento relativo entre el campo magnético creado en el estátor y los conductores del rotor -el rotor gira a una velocidad diferente a la velocidad del campo magnético estatórico- se induce una tensión en el rotor. La corriente producida por esta tensión inducida genera un campo magnético en el rotor que interactúa con el campo magnético estatórico generando un par.
La velocidad de giro del campo magnético en el estátor se conoce como velocidad de sincronismo y se obtiene según $$n_{sin}=\dfrac{60\cdot f}{\dfrac{p}{2}}$$ con $n_{sin}$ siendo la velocidad de sincronismo en revoluciones por minuto (r.p.m.), $f$ la frecuencia en hercios y $p$ el número de polos de la máquina.
La diferencia de velocidad relativa entre la velocidad de sincronismo y la velocidad real de la máquina -velocidad a la que gira el rotor- se conoce como deslizamiento y, normalmente se representa por unidad o en tanto por cien $$s_{pu}=\dfrac{n_{sin}-n}{n_{sin}} \\ s_{\%}=\dfrac{n_{sin}-n}{n_{sin}}\cdot 100 $$ El valor de deslizamiento nominal en los motores de inducción es menor al 5%.
La respuesta de las máquinas de inducción frente a incrementos de carga es reducir su velocidad. Este hecho incrementa el valor del deslizamiento y consecuentemente el voltaje inducido, la corriente rotórica y de la máquina lo que se traduce en un aumento de par para la zona de trabajo de la máquina de inducción.
Ante decrementos de carga, las máquinas de inducción aumentan su velocidad, reduciendo su deslizamiento, voltaje inducido, corriente rotórica y de la máquina y finalmente su par.
La velocidad para máquinas de inducción varía en unas pocas revoluciones por minuto cuando hay cambios en la temperatura de los conductores rotóricos o cuando suceden pequeñas variaciones en la tensión de línea y, generalmente, la velocidad varía incluso entre motores que se suponen exactamente iguales.
Realizar un análisis real de los motores de inducción es complicado y por ello se emplean modelos y simulaciones para su análisis y síntesis que se verifican con procedimientos experimentales.
El modelo clásico de las máquinas de inducción se desarrollo tras reconocer los parámetros de diversos componentes que forman parte de la máquina. El modelo clásico se conoce como circuito equivalente y, en el caso de máquinas polifásicas, se representa una única fase en él, asumiendo que el resto de fases son iguales.
El amplio rango de aplicaciones en las que se emplean los motores de inducción a provocado que su análisis en regímenes permanentes y transitorios posea un gran importancia.
Buen trabajo.
ResponderEliminarGracias.
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