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     Motor Asìncrono con rotor de “Jaula de ardilla”
                                                 Paul Santiago Saldaña Caldas



psaldana@est.ups.edu.ec

paul_ssc@hotmail.com

   Abstract—Los motores asíncronos son máquinas eléctricas,
las cuales han tenido mayor aplicación en la industria y arte-
factos electrodomésticos. Estas máquinas son los principales
convertidores de energía eléctrica en mecánica (actualmente los
motores asíncronos consumen casi la mitad de la energía eléctrica
generada). Su uso es, principalmente, en calidad de mando
eléctrico en la mayoría de los mecanismos, ello se justifica por la
sencillez de su fabricación, su alta confiabilidad y un alto valor    Figure 1.   Figura de un motor asìncrono
de eficiencia. Hay 2 tipos de MA; los de rotor de jaula de ardilla
y los de rotor de anillos                                            A. Caracterìsticas principales de funcionamiento
  Index Terms—Asìncronico, coaxiales, estator, polifásico polos,        Hay 2 tipos de MA; los de rotor de jaula de ardilla y los
devanado, torsión ,electromagnetismo ,devanados , histéresis.        de rotor de anillos rozantes.
                                                                        Una máquina de inducción ( asincrónica ) con rotor en
                                                                     reposo tiene un funcionamiento similar a un transformador,
                      I. I NTRODUCCIÒN                               diferenciándose de un transformador convencional sólo por el
   Este documento contiene informaciòn sobre el fun-                 diseño ( devanados distribuidos en el rotor y en el estator,
cionamiento del motor asìncrono , cabe destacar que la in-           presencia de entrehierro, etc. ) .
vestigacion se centra en la forma de construccion del rotor ,           En cuanto a la naturaleza física de los fenómenos es la
como lo es en este caso el diseño de “ jaula de ardilla ” .          misma en ambos casos. En el motor asíncrono se tiene 2
   Con el fin de saber como funciona este rotor se describe el        devanados, uno se coloca en el estator y el otro en el rotor.
proceso que ocurre al ser circulado por una corriente elèctrica      Entre el estator y rotor se tiene un entrehierro, cuya longitud
, ademas se muestra la curava de funcionamieno, los tipos de         se trata de, en lo posible, hacerlo pequeño (s = 0.1 - 0.3 mm),
arranque de la màquina , la contruccion del motor, tipos de          con lo que se logra mejorar el acople magnético entre los
rotores,etc.                                                         devanados.
                                                                        El devanado del estator puede ser monofásico o trifásico (en
   Para finalizar se describe brevemente los tipos de contro-
                                                                     caso general polifásico). En lo sucesivo se analiza el motor
ladores de frecuencia , los cuales sirven principalmente para
                                                                     trifásico, cuyas bobinas se colocan en las ranuras interiores
la regulaciuon de velocidad.
                                                                     del estator. Las fases del devanado del estator AX, BY, CZ se
                                                                     conectan en tipo estrella Y o triángulo , cuyos bornes son
      II. F UNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÌNCRONO                        conectados a la red.

   Los motores asíncronos o de inducción son aquellos motores
eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma
frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator.
Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de
frecuencias.
   Estos motores son prácticamente motores trifásicos. Están
basados en el accionamiento de una masa metálica por la
acción de un campo giratorio. Están formados por dos ar-
maduras con campos giratorios coaxiales: una es fija, y la
otra móvil. También se les llama, respectivamente, estator y
rotor. El devandado del rotor, que conduce la corriente alterna      Figure 2.   Esquema de conexiòn
que se produce por inducción desde el devanado del estator
conectado directamente, consiste de conductores de cobre o              El devanado del rotor también es trifásico (o polifásico)
aluminio vaciados en un rotor de laminaciones de acero. Se           y se coloca en la superficie del cilindro. En el caso simple
instalan anillos terminales de cortocircuito en ambos extremos       se une en corto circuito. Cuando el devanado del estator es
de la “jaula de ardilla” o bien en uno de los extremos en el         alimentado por una corriente trifásica, se induce un campo
caso del rotor devanado.                                             magnético giratorio, cuya velocidad (síncrona) es:
2




                             nsinc = 60F/ρ

   F=Frecuencia
   p=Pares de polos
   Este tipo de motor no se emplea industrialmente, por una
serie de problema que origina su puesta en marcha, proceso
de trabajo y desconexión.
   Estos motores llevan siempre una velocidad inferior a la que
                                                                  Figure 4.
le correspondía por formula. Si el rotor está en reposo o su
velocidad n < nsinc , entonces el campo magnético giratorio
traspasa los conductores del devanado rotórico e inducen en          A menudo, los conductores se inclinan levemente a lo largo
ellos una f.e.m.                                                  de la longitud del rotor para reducir ruido y para reducir las
                                                                  fluctuaciones del esfuerzo de torsión que pudieron resultar, a
                                                                  algunas velocidades, y debido a las interacciones con las barras
   III. F UNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÌNCRONO CON                   del estátor.
             ROTOR DE “ JAULA DE ARDILLA”                            Sobre los conductores con corriente, empleados en el campo
                                                                  magnético, actúan fuerzas electromagnéticas cuya dirección
   En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje, que   se determina por la regla de la mano izquierda; estas fuerzas
internamente contiene barras conductoras longitudinales de        crean un Melmagn que arrastra al rotor tras el campo mag-
aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos       nético. Si este Melmagn es lo suficientemente grande entonces
extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la      el rotor va a girar y su velocidad n2 va a corresponder a la
jaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de    igualdad.
anillos y barras y la rueda de un hámster.
                                                                                   Melmagen est = Mf reno rot.
                                                                   Este es el funcionamiento de la máquina en régimen de
                                                                  motor y es evidente en este caso.

                                                                                           0 ≤ n2 < n1
                                                                    A la diferencia de velocidades entre el campo magnético
                                                                  y el rotor se le llama deslizamiento y se representa por el
                                                                  símbolo s.
                                                                                              n1 − n2
                                                                                         s=
                                                                                                 n1
Figure 3.   Rotor jaula de ardilla                                  De donde se deduce que en el régimen de motor:

                                                                                             0≤s<1
   La base del rotor se construye láminas de hierro apiladas en
donde los devanados inductores en el estátor de un motor de in-      El número de barras en la jaula de la ardilla se determina
ducción insitan al campo magnético a rotar alrededor del rotor.   según las corrientes inducidas en las bobinas del estátor y
El movimiento relativo entre este campo y la rotación del rotor   por lo tanto según la corriente a través de ellas. Las construc-
induce corriente eléctrica, un flujo en las barras conductoras.    ciones que ofrecen menos problemas de regeneración emplean
Alternadamente estas corrientes que fluyen longitudinalmente       números primos de barras.
en los conductores reaccionan con el campo magnético del             La principal característica de los motores asíncronos es
motor produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor,         la presencia del deslizamiento s, ósea la desigualdad de
dando por resultado un esfuerzo de torsión para dar vuelta al     velocidades entre el campo del estator y la velocidad del rotor
eje. En efecto el rotor se lleva alrededor el campo magnético     n2 = n1.
pero en un índice levemente más lento de la rotación. Este           Obsérvese que este motor no puede iniciar, o sea, acelerar
campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor     desde una velocidad cero hasta la nominal. Las fuerzas que
según la Ley de inducción de Faraday:                             actúan en las barras en cortocircuito se oponen unas a otras,
                                                                  impidiendo el giro. Por lo tanto para el arranque, se utiliza una
                                          dφ                      bobina de campo auxiliar (bobinado de arranque) , desfasada
                              eind = −N                           90° de las bobinas del campo principal, que crea un campo
                                          dt
                                                                  magnético auxiliar para el arranque. Así, el flujo resultante
  La diferencia en velocidad se llama "deslizamiento" y           inicial estará desfasado en relación al eje de abscisas, y se
aumenta con la carga.                                             produce un torque de giro .Si el rotor está en reposo o su
3



velocidad n < nsinc, entonces el campo magnético giratorio            2) Arranque delta – estrella: : Bueno este método es
traspasa los conductores del devanado rotórico e inducen en        uno de los métodos más conocidos con el que se pueden
ellos una f.e.m.                                                   arrancar motores de hasta bajas potencias. Consiste en conectar
                                                                   primero el motor en estrella para, una vez arrancado, realizar
A. Curva Caracteristica                                            la conmutar a la conexión en triángulo. Para que este tipo
                                                                   de arranque tenga un buen funcionamiento el motor tiene que
  Se muestra la relación entre los pares de arranque, máximo       estar preparado para funcionar a la tensión inferior conectado
y nominal a plena carga que desarrolla un motor de inducción,      en estrella.
como función de la velocidad de éste y del deslizamiento.




Figure 5.   Curva de funcionamiento


   Esta figura es presentación gráfica de la corriente y el          Figure 7.   Esquema de conexion
par desarrollados en el rotor del motor como funciones del
deslizamiento desde el instante del arranque (punto a) hasta          Si a un motor de las características indicadas se le conecta
la condición de funcionamiento en estado estable (en general       primero en estrella, cada una de las bobinas del mismo quedará
entre marcha en vacío y marcha a plena carga - puntos c y d)       sometida a una tensión, SQRT (3) inferior que si hubiese
cuando los pares desarrollado y aplicado son iguales.              conectado en triángulo. Con ello se consigue que la intensidad
                                                                   en el arranque quede disminuida a la tercera parte respecto
B. Tipos de Arranque                                               al arranque directo en conexión en triángulo. El par también
   1) Arranque Directo: Bueno cuando se dispone de un mo-          queda reducido a la tercera parte, lo que conviene tenerlo en
tor pequeño de inducción de jaula de ardilla de unos cuantos       cuenta si el motor arranca con toda la carga. Por esta razón,
caballos de fuerza se pueden poner en marcha directamente          conviene que el motor arranque en vacío o con poca carga.
desde la línea o también llamada red eléctrica, con una caída         3) Arranque con parte del devanado:: Generalmente los
de voltaje que es de poca importancia en la fuente de voltaje,     diseños de los motores de inducción de jaula de ardilla son con
y con un retardo pequeño o sin retardo para acelerarse a su        devanados parciales, es decir, dos devanados de fase idénticos,
velocidad nominal.                                                 cada uno de los cuales produce el mismo número de polos
                                                                   y el mismo campo magnético giratorio. La ventaja de esos
                                                                   devanados es que se pueden conectar en serie para sistemas
                                                                   de alto voltaje o en paralelo con sistemas de menor voltaje, la
                                                                   corriente de arranque que resulta es un 65% de la normal de
                                                                   arranque, con los devanados en paralelo, y el par de arranque
                                                                   es aproximadamente el 45 % del par normal de arranque. Por
                                                                   lo tanto, el motor se pone en marcha con la mitad de sus
                                                                   devanados y conectando en estrella; cuando el motor llega
                                                                   a determinada velocidad, el segundo devanado se conecta en
                                                                   paralelo.
                                                                      4) Arranque con resistencias estatóricas.: Este sistema de
Figure 6.   Esquema de conexiòn                                    arranque consiste en reducir la tensión que producen unas re-
                                                                   sistencias conectadas en serie con el estator. Este sistema tiene
   De igual manera en los motores grandes de inducción de          el inconveniente de que consigue disminuir la corriente en
jaula de ardilla hasta de varios miles de HP, se pueden arrancar   función lineal de la caída de tensión producida. Sin embargo,
conectándolos directamente a la línea sin daños ni cambios         el par queda disminuido con el cuadrado de la caída de tensión,
indeseados de voltaje, siempre que las tomas de voltaje tengan     por lo que su aplicación, se ve 1imitada a motores en 1os que
una capacidad bastante alta.                                       el momento de arranque resistente, sea baja.
4




                                                                       Figure 10.   Partes constitutivas


Figure 8.   Esquema de conexiòn
                                                                          En las ranuras de la corona rotórica se alojan, por lo
                                                                       general, tres devanados conectados por un punto común. Los
                                                                       extremos libres pueden estar conectados a tres anillos de
  El núcleo de hierro sirve para llevar el campo magnético             cobre (anillos rozantes) que giran solidariamente con el eje.
a través del motor. En estructura y material se diseña para            Haciendo contacto con los anillos rozantes, se encuentran unas
reducir al mínimo las pérdidas. Las laminas finas, separadas            escobillas, generalmente de grafito, que están fijas respecto
por el aislamiento de barniz, reducen las corrientes parásitas         al estator y que permiten realizar la conexión de los tres
que circulan resultantes de las corrientes de Foucault (en             devanados rotóricos con el exterior.
inglés, ’eddy current’). El material, un acero bajo en carbono
pero alto en silicio (llamado por ello acero al silicio), con
varias veces la resistencia del hierro puro, en la reductora
adicional. El contenido bajo de carbono le hace un material
magnético suave con pérdida bajas por histéresis.




                                                                       Figure 11.   Rotor jaula de ardilla



                                                                          Aunque desde el punto de vista constructivo el motor de
                                                                       rotor bobinado es más complejo y menos robusto que el de
                                                                       jaula de ardilla, se puede lograr un par de arranque aproxi-
                                                                       madamente 2,5 veces superior al nominal y una corriente de
                                                                       arranque menor que en el caso de rotor en jaula de ardilla.
Figure 9.   Rotor de jaula de ardilla armado en el motor para su uso   También, mediante el uso de las resistencias, se puede regular
                                                                       la velocidad de giro del motor.

   El mismo diseño básico se utiliza para los motores
monofásicos y trifásicos sobre una amplia gama de tamaños.
                                                                                                 V. T IPOS DE ROTOR
Los rotores para trifásica tienen variaciones en la profundidad
y la forma de barras para satisfacer los requerimientos del
diseño. Este motor es de gran utilidad en variadores de                   Existen varios tipos de estos elementos, pero aquí solamente
velocidad.                                                             vamos a tratar los que son más usados en la industria; es decir,
                                                                       los rotores para motores asíncronos de corriente alterna.



        IV. C ONSTRUCCION DEL M OTOR ASÌNCRONO                         A. Rotor de jaula de ardilla simple.

                                                                         En el dibujo se puede observar unos círculos negros, éstos
   En los motores asíncronos de rotor bobinado, el devanado            representan las ranuras del rotor donde va introducido el
rotórico, al igual que el estatórico, está constituido por hilo de     bobinado. Existen varios tipos de ranuras, de ahí que existan
cobre.                                                                 varios tipos de rotores.
5




Figure 12.   Jaula de ardilla simple                               Figure 14.


                                                                      Sus características vienen a ser iguales a la del rotor de jaula
   Este tipo de rotor es el usado para motores pequeños, en        simple. Es usado para motores de baja potencia que necesitan
cuyo arranque la intensidad nominal supera 6 ó 8 veces a la        realizan continuos arranques y paradas.
intensidad nominal del motor. Soporta mal los picos de cargas.
Esta siendo sustituido por los rotores de jaula de ardilla doble   D. Rotor de Devanados
en motores de potencia media. Su par de arranque no supera
                                                                      El rotor devanado o bobinado, como su nombre lo indica,
el 140 % del normal.
                                                                   lleva unas bobinas que se conectan a unos anillos deslizantes
                                                                   colocados en el eje; por medio de unas escobillas se conecta
                                                                   el rotor a unas resistencias que se pueden variar hasta poner
                                                                   el rotor en corto circuito al igual que el eje de jaula de ardilla.
B. Rotor de jaula de ardilla doble.

   En este otro dibujo, observáis que la ranura es doble, por
este motivo tiene el nombre de jaula de ardilla doble. Las dos
ranuras están separadas físicamente, aunque en el dibujo no
se observe.




                                                                   Figure 15.   Esquema del rotor

Figure 13.   Jaula de ardilla doble
                                                                      Conectando unas resistencias externas a las escobillas se
                                                                   consigue aumentar la resistencia rotórica, de esta forma, se
   Este tipo de rotor tiene una intensidad de arranque de 3 ó      logra variar el par de arranque, que puede ser, dependiendo
5 veces la intensidad nominal, y su par de arranque puede ser      de dichas resistencias externas, del 150 % y el 250 % del
de 230 % la normal. Éstas características hacen que este tipo      par normal. La intensidad nominal no supera las 2 veces la
de rotor sea muy interesante frente al rotor de jaula de ardilla   intensidad nominal del motor.
simple. Es el más empleado en la actualidad, soporta bien las
sobrecargas sin necesidad de disminuir la velocidad, lo cual                    VI. C ONTROLADORES DE F RECUENCIA
le otorga mejor estabilidad.                                       A. Variadores de velocidad
                                                                      Los controladores de frecuencia variable son dispositivos
                                                                   complejos y hasta hace poco eran costosos. Sin embargo,
                                                                   trabajan con motores estándar lo cual permiten su fácil adición
C. Rotor con ranura profunda.                                      a unidades motrices existentes. Varios tipos de ventiladores
                                                                   (enfriadores de aire, torres de enfriamiento, ventilación y aire
   El tipo de rotor que se ve en el dibujo es una variante del     acondicionado, etc.) operan a velocidad variable mediante sis-
rotor de jaula de ardilla simple, pero se le denomina rotor de     temas de variación de velocidad. Los sistemas de variación de
ranura profunda.                                                   velocidad alteran la velocidad del motor cambiando el voltaje y
6



la frecuencia de la electricidad suministrada al motor en base      especial por la dificultad de conseguir velocidades elevadas y
a los requerimientos del sistema. Esto se logra convirtiendo        la necesidad de mantenimiento (sustitución de las escobillas).
corriente alterna en continua, y luego de múltiples mecanismos
de cambio, invirtiendo la corriente continua a corriente alterna
sintética con voltaje y frecuencia controlados. Si este proceso
es realizado en forma apropiada, la velocidad del motor puede
ser controlada en un rango amplio (desde cero RPM hasta el
doble de la velocidad nominal) con las características de torque
apropiadas para la aplicación. Para mantener un factor de
potencia apropiado y reducir calentamiento excesivo del motor,
debe mantenerse el ratio de voltaje/frecuencia original. Esta
es la función principal del variador de velocidad. Los cuatro
componentes principales que hacen posible la operación de
los variadores de velocidad son: convertidor, inversor, circuito    Figure 17.   Esquema de un rectificador controlado para motor de C.C
de corriente continua (que sirve de enlace entre ambos), y la
unidad de control, tal como se muestra en la siguiente Figura.        Los motores de corriente continua y sus variadores asoci-
                                                                    ados han sido las primeras soluciones industriales. Después
                                                                    de más de una década, su uso va en constante disminución
                                                                    en beneficio de los convertidores de frecuencia. En efecto, el
                                                                    motor asíncrono es a la vez más robusto y más económico que
                                                                    un motor de corriente continua. Contrariamente a los motores
                                                                    de corriente continua, los asíncronos se han estandarizado con
                                                                    envolvente IP55, siendo por tanto prácticamente insensibles al
                                                                    entorno (goteo, polvo y ambientes peligrosos)

                                                                    C. Convertidor de frecuencia para motor asíncrono
                                                                       Suministra, a partir de una red de corriente alterna de
Figure 16.   Sistema avariador de frecuencia
                                                                    frecuencia fija, una tensión alterna trifásica, de valor eficaz y
                                                                    frecuencia variables (figura 18). La alimentación del variador
   El convertidor contiene un rectificador y varios circuitos que    puede ser monofásica para pequeñas potencias (orden de
convierten la frecuencia fija de corriente alterna en continua.      magnitud de algunos kW) y trifásica para los mayores. Cier-
El inversor convierte la corriente continua en corriente alterna    tos variadores de pequeña potencia aceptan indistintamente
de voltaje y frecuencia regulables (ambos deben ser regulables      tensiones de alimentaciones mono y trifásicas. La tensión
para poder mantener ratios de voltaje/frecuencia constante).        de salida del variador es siempre trifásica. De hecho, los
Los circuitos de corriente continua filtran la corriente y la        motores asíncronos monofásicos no son adecuados para ser
conducen al inversor. La unidad de control regula el voltaje y la   alimentados mediante convertidores de frecuencia.
frecuencia de salida en base a la señal proveniente del proceso
(ej. sensor de presión). Los tipos principales de inversor son
inversores de voltaje, inversores de corriente e inversores de
modulación de pulsos.


B. Rectificador controlado motor de corriente continua
   Proporciona, a partir de una red de corriente alterna
monofásica o trifásica, una corriente continua con control del
valor medio de la tensión.
   Los semiconductores de potencia constituyen un puente de
Graëtz, monofásico o trifásico (figura 17). El puente puede          Figure 18.   Esquema de principio de un convertidor de frecuencia
ser mixto (diodos/tiristores) o completo (sólo tiristores). Esta
última solución es la más frecuente porque permite un mejor            Los convertidores de frecuencia alimentan los motores
factor de forma de la corriente suministrada.                       de jaula estándar con todas las ventajas de estos motores:
   El motor de corriente continua más utilizado tiene la ex-        estandarización, bajo coste, robustez, estanqueidad, ningún
citación separada, salvo para pequeñas potencias, en las que        mantenimiento. Puesto que estos motores son auto-ventilados,
suelen usarse frecuentemente motores de imán permanente.            el único límite para su empleo es el funcionamiento a baja
   La utilización de este tipo de variadores de velocidad se        velocidad porque se reduce esta ventilación. Si se requiere
adapta bien a todas las aplicaciones. Los únicos límites vienen     este funcionamiento hay que prever un motor especial con
impuestos por el propio motor de corriente continua, en             una ventilación forzada independiente.
7



D. Regulador de tensión para el arranque de motores asín-                    •   www.photomobiware.com
cronos                                                                       •   www.sonidosparati.com
   Suministra, a partir de una red de corriente alterna, una                 •   www.sapienstrade.com
corriente alterna de frecuencia fija igual a la de la red,                    •   J. Chapman. “Máquinas Eléctricas”. Cuarta Edición.
mediante el control del valor eficaz de la tensión, modificando                    McGraw-Hill. México D.F.
el ángulo de retardo de disparo de los semiconductores de                    •   http://www.monografias.com/trabajos82/operacion-
potencia (dos tiristores montados en antiparalelo en cada fase                   paralelo-generadores-sincronos/operacion-paralelo-
del motor) (figura 19).                                                           generadores-sincronos2.shtml
                                                                             •   Máquinas Eléctrica, A. E. Fitzgerald, Quinta Edición




Figure 19. Arrancador para motor asincrono y forma de onda de la corriente
de alimentacion


                       VII. C ONCLUSIONES
   Gracias a este trabajo aprendimos mas sobre el fun-
cionamiento de los motores de inducción, aspectos como
sus características, sus tipos, fueron estudiados para la com-
prension de esta màquina. Ademàs se pudo aprender que la
diferencia entre el motor a inducción y el motor síncrono
es que en el motor a inducción el rotor no es un imán
permanente sino que es un electroimán , consta de barras
de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a
distancias uniformes alrededor de la periferia, Estas barras
están internamente conectadas con anillos a cada extremidad
del rotor.
   Este ensamblado tiene un gran parecido a las pequeñas
jaulas rotativas para ejercer a mascotas como hamsters o las
ardillas y por eso a veces se llama "jaula de ardillas".
   Hablando magnèticamente cada par de barras es una revolu-
ción en cortocircuito. El rotor se magnetiza por las corrientes
inducidas en sus barras, debido a la acción del campo mag-
nético, girando en el estator. Mientras que el campo del estator
pasa a lo largo de las barras del rotor, el campo magnético
que cambia induce altas corrientes en ellas y genera su propio
campo magnético. La polaridad del campo magnético inducido
del rotor es tal que repela al campo del esta torque lo creó, y
esta repulsión resulta en un torque sobre el rotor que le causa
de girar.
   Por ultimo se puede decir que un motor de inducción tiene
físicamente el mismo estator que una máquina sincrónica, pero
la construcción del rotor es diferente. Hay dos tipos diferentes
de rotores que pueden disponerse dentro del estator del motor
de inducción. Uno de ellos se llama rotor de jaula de ardilla
o simplemente rotor de jaula, mientras que el otro es llamado
rotor devanado.

                       VIII. B IBLIOGRAFÌA
  •   www.dliengineering.com/vibman-
      spanish/motoresainduccin.htm
  •   www.monografias.com/trabajos10/motore/motore.shtml

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Motor jcon rotor jaula de ardilla

  • 1. 1 Motor Asìncrono con rotor de “Jaula de ardilla” Paul Santiago Saldaña Caldas psaldana@est.ups.edu.ec paul_ssc@hotmail.com Abstract—Los motores asíncronos son máquinas eléctricas, las cuales han tenido mayor aplicación en la industria y arte- factos electrodomésticos. Estas máquinas son los principales convertidores de energía eléctrica en mecánica (actualmente los motores asíncronos consumen casi la mitad de la energía eléctrica generada). Su uso es, principalmente, en calidad de mando eléctrico en la mayoría de los mecanismos, ello se justifica por la sencillez de su fabricación, su alta confiabilidad y un alto valor Figure 1. Figura de un motor asìncrono de eficiencia. Hay 2 tipos de MA; los de rotor de jaula de ardilla y los de rotor de anillos A. Caracterìsticas principales de funcionamiento Index Terms—Asìncronico, coaxiales, estator, polifásico polos, Hay 2 tipos de MA; los de rotor de jaula de ardilla y los devanado, torsión ,electromagnetismo ,devanados , histéresis. de rotor de anillos rozantes. Una máquina de inducción ( asincrónica ) con rotor en reposo tiene un funcionamiento similar a un transformador, I. I NTRODUCCIÒN diferenciándose de un transformador convencional sólo por el Este documento contiene informaciòn sobre el fun- diseño ( devanados distribuidos en el rotor y en el estator, cionamiento del motor asìncrono , cabe destacar que la in- presencia de entrehierro, etc. ) . vestigacion se centra en la forma de construccion del rotor , En cuanto a la naturaleza física de los fenómenos es la como lo es en este caso el diseño de “ jaula de ardilla ” . misma en ambos casos. En el motor asíncrono se tiene 2 Con el fin de saber como funciona este rotor se describe el devanados, uno se coloca en el estator y el otro en el rotor. proceso que ocurre al ser circulado por una corriente elèctrica Entre el estator y rotor se tiene un entrehierro, cuya longitud , ademas se muestra la curava de funcionamieno, los tipos de se trata de, en lo posible, hacerlo pequeño (s = 0.1 - 0.3 mm), arranque de la màquina , la contruccion del motor, tipos de con lo que se logra mejorar el acople magnético entre los rotores,etc. devanados. El devanado del estator puede ser monofásico o trifásico (en Para finalizar se describe brevemente los tipos de contro- caso general polifásico). En lo sucesivo se analiza el motor ladores de frecuencia , los cuales sirven principalmente para trifásico, cuyas bobinas se colocan en las ranuras interiores la regulaciuon de velocidad. del estator. Las fases del devanado del estator AX, BY, CZ se conectan en tipo estrella Y o triángulo , cuyos bornes son II. F UNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÌNCRONO conectados a la red. Los motores asíncronos o de inducción son aquellos motores eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de frecuencias. Estos motores son prácticamente motores trifásicos. Están basados en el accionamiento de una masa metálica por la acción de un campo giratorio. Están formados por dos ar- maduras con campos giratorios coaxiales: una es fija, y la otra móvil. También se les llama, respectivamente, estator y rotor. El devandado del rotor, que conduce la corriente alterna Figure 2. Esquema de conexiòn que se produce por inducción desde el devanado del estator conectado directamente, consiste de conductores de cobre o El devanado del rotor también es trifásico (o polifásico) aluminio vaciados en un rotor de laminaciones de acero. Se y se coloca en la superficie del cilindro. En el caso simple instalan anillos terminales de cortocircuito en ambos extremos se une en corto circuito. Cuando el devanado del estator es de la “jaula de ardilla” o bien en uno de los extremos en el alimentado por una corriente trifásica, se induce un campo caso del rotor devanado. magnético giratorio, cuya velocidad (síncrona) es:
  • 2. 2 nsinc = 60F/ρ F=Frecuencia p=Pares de polos Este tipo de motor no se emplea industrialmente, por una serie de problema que origina su puesta en marcha, proceso de trabajo y desconexión. Estos motores llevan siempre una velocidad inferior a la que Figure 4. le correspondía por formula. Si el rotor está en reposo o su velocidad n < nsinc , entonces el campo magnético giratorio traspasa los conductores del devanado rotórico e inducen en A menudo, los conductores se inclinan levemente a lo largo ellos una f.e.m. de la longitud del rotor para reducir ruido y para reducir las fluctuaciones del esfuerzo de torsión que pudieron resultar, a algunas velocidades, y debido a las interacciones con las barras III. F UNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÌNCRONO CON del estátor. ROTOR DE “ JAULA DE ARDILLA” Sobre los conductores con corriente, empleados en el campo magnético, actúan fuerzas electromagnéticas cuya dirección En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje, que se determina por la regla de la mano izquierda; estas fuerzas internamente contiene barras conductoras longitudinales de crean un Melmagn que arrastra al rotor tras el campo mag- aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos nético. Si este Melmagn es lo suficientemente grande entonces extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la el rotor va a girar y su velocidad n2 va a corresponder a la jaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de igualdad. anillos y barras y la rueda de un hámster. Melmagen est = Mf reno rot. Este es el funcionamiento de la máquina en régimen de motor y es evidente en este caso. 0 ≤ n2 < n1 A la diferencia de velocidades entre el campo magnético y el rotor se le llama deslizamiento y se representa por el símbolo s. n1 − n2 s= n1 Figure 3. Rotor jaula de ardilla De donde se deduce que en el régimen de motor: 0≤s<1 La base del rotor se construye láminas de hierro apiladas en donde los devanados inductores en el estátor de un motor de in- El número de barras en la jaula de la ardilla se determina ducción insitan al campo magnético a rotar alrededor del rotor. según las corrientes inducidas en las bobinas del estátor y El movimiento relativo entre este campo y la rotación del rotor por lo tanto según la corriente a través de ellas. Las construc- induce corriente eléctrica, un flujo en las barras conductoras. ciones que ofrecen menos problemas de regeneración emplean Alternadamente estas corrientes que fluyen longitudinalmente números primos de barras. en los conductores reaccionan con el campo magnético del La principal característica de los motores asíncronos es motor produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor, la presencia del deslizamiento s, ósea la desigualdad de dando por resultado un esfuerzo de torsión para dar vuelta al velocidades entre el campo del estator y la velocidad del rotor eje. En efecto el rotor se lleva alrededor el campo magnético n2 = n1. pero en un índice levemente más lento de la rotación. Este Obsérvese que este motor no puede iniciar, o sea, acelerar campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor desde una velocidad cero hasta la nominal. Las fuerzas que según la Ley de inducción de Faraday: actúan en las barras en cortocircuito se oponen unas a otras, impidiendo el giro. Por lo tanto para el arranque, se utiliza una dφ bobina de campo auxiliar (bobinado de arranque) , desfasada eind = −N 90° de las bobinas del campo principal, que crea un campo dt magnético auxiliar para el arranque. Así, el flujo resultante La diferencia en velocidad se llama "deslizamiento" y inicial estará desfasado en relación al eje de abscisas, y se aumenta con la carga. produce un torque de giro .Si el rotor está en reposo o su
  • 3. 3 velocidad n < nsinc, entonces el campo magnético giratorio 2) Arranque delta – estrella: : Bueno este método es traspasa los conductores del devanado rotórico e inducen en uno de los métodos más conocidos con el que se pueden ellos una f.e.m. arrancar motores de hasta bajas potencias. Consiste en conectar primero el motor en estrella para, una vez arrancado, realizar A. Curva Caracteristica la conmutar a la conexión en triángulo. Para que este tipo de arranque tenga un buen funcionamiento el motor tiene que Se muestra la relación entre los pares de arranque, máximo estar preparado para funcionar a la tensión inferior conectado y nominal a plena carga que desarrolla un motor de inducción, en estrella. como función de la velocidad de éste y del deslizamiento. Figure 5. Curva de funcionamiento Esta figura es presentación gráfica de la corriente y el Figure 7. Esquema de conexion par desarrollados en el rotor del motor como funciones del deslizamiento desde el instante del arranque (punto a) hasta Si a un motor de las características indicadas se le conecta la condición de funcionamiento en estado estable (en general primero en estrella, cada una de las bobinas del mismo quedará entre marcha en vacío y marcha a plena carga - puntos c y d) sometida a una tensión, SQRT (3) inferior que si hubiese cuando los pares desarrollado y aplicado son iguales. conectado en triángulo. Con ello se consigue que la intensidad en el arranque quede disminuida a la tercera parte respecto B. Tipos de Arranque al arranque directo en conexión en triángulo. El par también 1) Arranque Directo: Bueno cuando se dispone de un mo- queda reducido a la tercera parte, lo que conviene tenerlo en tor pequeño de inducción de jaula de ardilla de unos cuantos cuenta si el motor arranca con toda la carga. Por esta razón, caballos de fuerza se pueden poner en marcha directamente conviene que el motor arranque en vacío o con poca carga. desde la línea o también llamada red eléctrica, con una caída 3) Arranque con parte del devanado:: Generalmente los de voltaje que es de poca importancia en la fuente de voltaje, diseños de los motores de inducción de jaula de ardilla son con y con un retardo pequeño o sin retardo para acelerarse a su devanados parciales, es decir, dos devanados de fase idénticos, velocidad nominal. cada uno de los cuales produce el mismo número de polos y el mismo campo magnético giratorio. La ventaja de esos devanados es que se pueden conectar en serie para sistemas de alto voltaje o en paralelo con sistemas de menor voltaje, la corriente de arranque que resulta es un 65% de la normal de arranque, con los devanados en paralelo, y el par de arranque es aproximadamente el 45 % del par normal de arranque. Por lo tanto, el motor se pone en marcha con la mitad de sus devanados y conectando en estrella; cuando el motor llega a determinada velocidad, el segundo devanado se conecta en paralelo. 4) Arranque con resistencias estatóricas.: Este sistema de Figure 6. Esquema de conexiòn arranque consiste en reducir la tensión que producen unas re- sistencias conectadas en serie con el estator. Este sistema tiene De igual manera en los motores grandes de inducción de el inconveniente de que consigue disminuir la corriente en jaula de ardilla hasta de varios miles de HP, se pueden arrancar función lineal de la caída de tensión producida. Sin embargo, conectándolos directamente a la línea sin daños ni cambios el par queda disminuido con el cuadrado de la caída de tensión, indeseados de voltaje, siempre que las tomas de voltaje tengan por lo que su aplicación, se ve 1imitada a motores en 1os que una capacidad bastante alta. el momento de arranque resistente, sea baja.
  • 4. 4 Figure 10. Partes constitutivas Figure 8. Esquema de conexiòn En las ranuras de la corona rotórica se alojan, por lo general, tres devanados conectados por un punto común. Los extremos libres pueden estar conectados a tres anillos de El núcleo de hierro sirve para llevar el campo magnético cobre (anillos rozantes) que giran solidariamente con el eje. a través del motor. En estructura y material se diseña para Haciendo contacto con los anillos rozantes, se encuentran unas reducir al mínimo las pérdidas. Las laminas finas, separadas escobillas, generalmente de grafito, que están fijas respecto por el aislamiento de barniz, reducen las corrientes parásitas al estator y que permiten realizar la conexión de los tres que circulan resultantes de las corrientes de Foucault (en devanados rotóricos con el exterior. inglés, ’eddy current’). El material, un acero bajo en carbono pero alto en silicio (llamado por ello acero al silicio), con varias veces la resistencia del hierro puro, en la reductora adicional. El contenido bajo de carbono le hace un material magnético suave con pérdida bajas por histéresis. Figure 11. Rotor jaula de ardilla Aunque desde el punto de vista constructivo el motor de rotor bobinado es más complejo y menos robusto que el de jaula de ardilla, se puede lograr un par de arranque aproxi- madamente 2,5 veces superior al nominal y una corriente de arranque menor que en el caso de rotor en jaula de ardilla. Figure 9. Rotor de jaula de ardilla armado en el motor para su uso También, mediante el uso de las resistencias, se puede regular la velocidad de giro del motor. El mismo diseño básico se utiliza para los motores monofásicos y trifásicos sobre una amplia gama de tamaños. V. T IPOS DE ROTOR Los rotores para trifásica tienen variaciones en la profundidad y la forma de barras para satisfacer los requerimientos del diseño. Este motor es de gran utilidad en variadores de Existen varios tipos de estos elementos, pero aquí solamente velocidad. vamos a tratar los que son más usados en la industria; es decir, los rotores para motores asíncronos de corriente alterna. IV. C ONSTRUCCION DEL M OTOR ASÌNCRONO A. Rotor de jaula de ardilla simple. En el dibujo se puede observar unos círculos negros, éstos En los motores asíncronos de rotor bobinado, el devanado representan las ranuras del rotor donde va introducido el rotórico, al igual que el estatórico, está constituido por hilo de bobinado. Existen varios tipos de ranuras, de ahí que existan cobre. varios tipos de rotores.
  • 5. 5 Figure 12. Jaula de ardilla simple Figure 14. Sus características vienen a ser iguales a la del rotor de jaula Este tipo de rotor es el usado para motores pequeños, en simple. Es usado para motores de baja potencia que necesitan cuyo arranque la intensidad nominal supera 6 ó 8 veces a la realizan continuos arranques y paradas. intensidad nominal del motor. Soporta mal los picos de cargas. Esta siendo sustituido por los rotores de jaula de ardilla doble D. Rotor de Devanados en motores de potencia media. Su par de arranque no supera El rotor devanado o bobinado, como su nombre lo indica, el 140 % del normal. lleva unas bobinas que se conectan a unos anillos deslizantes colocados en el eje; por medio de unas escobillas se conecta el rotor a unas resistencias que se pueden variar hasta poner el rotor en corto circuito al igual que el eje de jaula de ardilla. B. Rotor de jaula de ardilla doble. En este otro dibujo, observáis que la ranura es doble, por este motivo tiene el nombre de jaula de ardilla doble. Las dos ranuras están separadas físicamente, aunque en el dibujo no se observe. Figure 15. Esquema del rotor Figure 13. Jaula de ardilla doble Conectando unas resistencias externas a las escobillas se consigue aumentar la resistencia rotórica, de esta forma, se Este tipo de rotor tiene una intensidad de arranque de 3 ó logra variar el par de arranque, que puede ser, dependiendo 5 veces la intensidad nominal, y su par de arranque puede ser de dichas resistencias externas, del 150 % y el 250 % del de 230 % la normal. Éstas características hacen que este tipo par normal. La intensidad nominal no supera las 2 veces la de rotor sea muy interesante frente al rotor de jaula de ardilla intensidad nominal del motor. simple. Es el más empleado en la actualidad, soporta bien las sobrecargas sin necesidad de disminuir la velocidad, lo cual VI. C ONTROLADORES DE F RECUENCIA le otorga mejor estabilidad. A. Variadores de velocidad Los controladores de frecuencia variable son dispositivos complejos y hasta hace poco eran costosos. Sin embargo, trabajan con motores estándar lo cual permiten su fácil adición C. Rotor con ranura profunda. a unidades motrices existentes. Varios tipos de ventiladores (enfriadores de aire, torres de enfriamiento, ventilación y aire El tipo de rotor que se ve en el dibujo es una variante del acondicionado, etc.) operan a velocidad variable mediante sis- rotor de jaula de ardilla simple, pero se le denomina rotor de temas de variación de velocidad. Los sistemas de variación de ranura profunda. velocidad alteran la velocidad del motor cambiando el voltaje y
  • 6. 6 la frecuencia de la electricidad suministrada al motor en base especial por la dificultad de conseguir velocidades elevadas y a los requerimientos del sistema. Esto se logra convirtiendo la necesidad de mantenimiento (sustitución de las escobillas). corriente alterna en continua, y luego de múltiples mecanismos de cambio, invirtiendo la corriente continua a corriente alterna sintética con voltaje y frecuencia controlados. Si este proceso es realizado en forma apropiada, la velocidad del motor puede ser controlada en un rango amplio (desde cero RPM hasta el doble de la velocidad nominal) con las características de torque apropiadas para la aplicación. Para mantener un factor de potencia apropiado y reducir calentamiento excesivo del motor, debe mantenerse el ratio de voltaje/frecuencia original. Esta es la función principal del variador de velocidad. Los cuatro componentes principales que hacen posible la operación de los variadores de velocidad son: convertidor, inversor, circuito Figure 17. Esquema de un rectificador controlado para motor de C.C de corriente continua (que sirve de enlace entre ambos), y la unidad de control, tal como se muestra en la siguiente Figura. Los motores de corriente continua y sus variadores asoci- ados han sido las primeras soluciones industriales. Después de más de una década, su uso va en constante disminución en beneficio de los convertidores de frecuencia. En efecto, el motor asíncrono es a la vez más robusto y más económico que un motor de corriente continua. Contrariamente a los motores de corriente continua, los asíncronos se han estandarizado con envolvente IP55, siendo por tanto prácticamente insensibles al entorno (goteo, polvo y ambientes peligrosos) C. Convertidor de frecuencia para motor asíncrono Suministra, a partir de una red de corriente alterna de Figure 16. Sistema avariador de frecuencia frecuencia fija, una tensión alterna trifásica, de valor eficaz y frecuencia variables (figura 18). La alimentación del variador El convertidor contiene un rectificador y varios circuitos que puede ser monofásica para pequeñas potencias (orden de convierten la frecuencia fija de corriente alterna en continua. magnitud de algunos kW) y trifásica para los mayores. Cier- El inversor convierte la corriente continua en corriente alterna tos variadores de pequeña potencia aceptan indistintamente de voltaje y frecuencia regulables (ambos deben ser regulables tensiones de alimentaciones mono y trifásicas. La tensión para poder mantener ratios de voltaje/frecuencia constante). de salida del variador es siempre trifásica. De hecho, los Los circuitos de corriente continua filtran la corriente y la motores asíncronos monofásicos no son adecuados para ser conducen al inversor. La unidad de control regula el voltaje y la alimentados mediante convertidores de frecuencia. frecuencia de salida en base a la señal proveniente del proceso (ej. sensor de presión). Los tipos principales de inversor son inversores de voltaje, inversores de corriente e inversores de modulación de pulsos. B. Rectificador controlado motor de corriente continua Proporciona, a partir de una red de corriente alterna monofásica o trifásica, una corriente continua con control del valor medio de la tensión. Los semiconductores de potencia constituyen un puente de Graëtz, monofásico o trifásico (figura 17). El puente puede Figure 18. Esquema de principio de un convertidor de frecuencia ser mixto (diodos/tiristores) o completo (sólo tiristores). Esta última solución es la más frecuente porque permite un mejor Los convertidores de frecuencia alimentan los motores factor de forma de la corriente suministrada. de jaula estándar con todas las ventajas de estos motores: El motor de corriente continua más utilizado tiene la ex- estandarización, bajo coste, robustez, estanqueidad, ningún citación separada, salvo para pequeñas potencias, en las que mantenimiento. Puesto que estos motores son auto-ventilados, suelen usarse frecuentemente motores de imán permanente. el único límite para su empleo es el funcionamiento a baja La utilización de este tipo de variadores de velocidad se velocidad porque se reduce esta ventilación. Si se requiere adapta bien a todas las aplicaciones. Los únicos límites vienen este funcionamiento hay que prever un motor especial con impuestos por el propio motor de corriente continua, en una ventilación forzada independiente.
  • 7. 7 D. Regulador de tensión para el arranque de motores asín- • www.photomobiware.com cronos • www.sonidosparati.com Suministra, a partir de una red de corriente alterna, una • www.sapienstrade.com corriente alterna de frecuencia fija igual a la de la red, • J. Chapman. “Máquinas Eléctricas”. Cuarta Edición. mediante el control del valor eficaz de la tensión, modificando McGraw-Hill. México D.F. el ángulo de retardo de disparo de los semiconductores de • http://www.monografias.com/trabajos82/operacion- potencia (dos tiristores montados en antiparalelo en cada fase paralelo-generadores-sincronos/operacion-paralelo- del motor) (figura 19). generadores-sincronos2.shtml • Máquinas Eléctrica, A. E. Fitzgerald, Quinta Edición Figure 19. Arrancador para motor asincrono y forma de onda de la corriente de alimentacion VII. C ONCLUSIONES Gracias a este trabajo aprendimos mas sobre el fun- cionamiento de los motores de inducción, aspectos como sus características, sus tipos, fueron estudiados para la com- prension de esta màquina. Ademàs se pudo aprender que la diferencia entre el motor a inducción y el motor síncrono es que en el motor a inducción el rotor no es un imán permanente sino que es un electroimán , consta de barras de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia, Estas barras están internamente conectadas con anillos a cada extremidad del rotor. Este ensamblado tiene un gran parecido a las pequeñas jaulas rotativas para ejercer a mascotas como hamsters o las ardillas y por eso a veces se llama "jaula de ardillas". Hablando magnèticamente cada par de barras es una revolu- ción en cortocircuito. El rotor se magnetiza por las corrientes inducidas en sus barras, debido a la acción del campo mag- nético, girando en el estator. Mientras que el campo del estator pasa a lo largo de las barras del rotor, el campo magnético que cambia induce altas corrientes en ellas y genera su propio campo magnético. La polaridad del campo magnético inducido del rotor es tal que repela al campo del esta torque lo creó, y esta repulsión resulta en un torque sobre el rotor que le causa de girar. Por ultimo se puede decir que un motor de inducción tiene físicamente el mismo estator que una máquina sincrónica, pero la construcción del rotor es diferente. Hay dos tipos diferentes de rotores que pueden disponerse dentro del estator del motor de inducción. Uno de ellos se llama rotor de jaula de ardilla o simplemente rotor de jaula, mientras que el otro es llamado rotor devanado. VIII. B IBLIOGRAFÌA • www.dliengineering.com/vibman- spanish/motoresainduccin.htm • www.monografias.com/trabajos10/motore/motore.shtml