Frecuencia de rotación desigual de deslizamiento inherente del campo del estator y el rotor

En motores de inducción y síncronos, la alimentación de CA suministrada al estator del motor crea un campo magnético que gira en sincronismo con las oscilaciones de CA. Mientras que el rotor de un motor síncrono gira a la misma velocidad que el campo del estator, el rotor de un motor de inducción gira a una velocidad algo más lenta que el campo del estator. Por lo tanto, el campo magnético del estator del motor de inducción está cambiando o girando en relación con el rotor. Esto induce una corriente opuesta en el rotor del motor de inducción, en efecto, el devanado secundario del motor, cuando este último está en cortocircuito o cerrado a través de una impedancia externa. El flujo magnético giratorio induce corrientes en los devanados del rotor, de manera similar a las corrientes inducidas en los devanados secundarios de un transformador.

Las corrientes inducidas en los devanados del rotor a su vez crean campos magnéticos en el rotor que reaccionan contra el campo del estator. La dirección del campo magnético creado será tal que se oponga al cambio de corriente a través de los devanados del rotor, de acuerdo con la Ley de Lenz. La causa de la corriente inducida en los devanados del rotor es el campo magnético del estator giratorio, por lo que para oponerse al cambio en las corrientes de devanado del rotor, el rotor comenzará a girar en la dirección del campo magnético del estator giratorio. El rotor acelera hasta que la magnitud de la corriente inducida del rotor y el par equilibra la carga mecánica aplicada en la rotación del rotor. Dado que la rotación a velocidad síncrona no produciría corriente de rotor inducida, un motor de inducción siempre funciona ligeramente más lento que la velocidad síncrona. La diferencia, o «deslizamiento», entre la velocidad real y la velocidad síncrona varía de aproximadamente 0,5% a 5,0% para los motores de inducción de curva de par B de diseño estándar. El carácter esencial del motor de inducción es que se crea únicamente por inducción en lugar de excitarse por separado como en máquinas síncronas o de CC o magnetizarse como en motores de imán permanente.

Para que se induzcan las corrientes del rotor, la velocidad del rotor físico debe ser inferior a la del campo magnético giratorio del estator (n s {\displaystyle n_{s}}

); de lo contrario, el campo magnético no se movería en relación con los conductores del rotor y no se inducirían corrientes. A medida que la velocidad del rotor cae por debajo de la velocidad síncrona, la velocidad de rotación del campo magnético en el rotor aumenta, induciendo más corriente en los devanados y creando más par. La relación entre la velocidad de rotación del campo magnético inducido en el rotor y la velocidad de rotación del campo giratorio del estator se denomina «deslizamiento». Bajo carga, la velocidad disminuye y el deslizamiento aumenta lo suficiente para crear el par suficiente para girar la carga. Por esta razón, los motores de inducción a veces se conocen como «motores asíncronos».

Un motor de inducción se puede utilizar como generador de inducción, o se puede desenrollar para formar un motor de inducción lineal que puede generar directamente movimiento lineal. El modo de generación para motores de inducción se complica por la necesidad de excitar el rotor, que comienza con solo magnetización residual. En algunos casos, esa magnetización residual es suficiente para autoexcitar el motor bajo carga. Por lo tanto, es necesario ajustar el motor y conectarlo momentáneamente a una red en vivo o agregar condensadores cargados inicialmente por magnetismo residual y que proporcionen la potencia reactiva requerida durante el funcionamiento. Similar es el funcionamiento del motor de inducción en paralelo con un motor síncrono que sirve como compensador del factor de potencia. Una característica del modo generador en paralelo a la red es que la velocidad del rotor es mayor que en el modo de conducción. Entonces se está dando energía activa a la red. Otra desventaja del generador de motor de inducción es que consume una corriente de magnetización significativa I0 = (20-35)%.

Sincrónico speedEdit

Un motor de CA de la velocidad sincrónica, f s {\displaystyle f_{s}}

, es la tasa de rotación del campo magnético del estator, f s = 2 f p {\displaystyle f_{s}={2f \sobre p}}

,

donde f {\displaystyle f}

es la frecuencia de la fuente de alimentación, p {\displaystyle p}

es el número de polos magnéticos, y f s {\displaystyle f_{s}}

es la velocidad síncrona de la máquina. Para f {\displaystyle f}

en hertz y n s {\displaystyle n_{s}}

sincrónico de velocidad en RPM, la fórmula se convierte en: n s = 2 f p ⋅ ( 60 s e c o n d i s m i n u t o s ) = 120 f p ⋅ ( s e c o n d i s m i n u t e ) {\displaystyle n_{s}={2f \sobre p}\cdot \left({\frac {60\ \mathrm {segundos} }{\mathrm {minutos} }}\right)={120f \over {p}}\cdot \left({\frac {\mathrm {segundos} }{\mathrm {minutos} }}\right)}

.

Por ejemplo, para una de cuatro polos, motor trifásico, p {\displaystyle p}

= 4 y n s = 120 f 4 {\displaystyle n_{s}={120f \más de 4}}

= 1.500 RPM (para f {\displaystyle f}

= 50 Hz) y 1.800 RPM (para f {\displaystyle f}

= 60 Hz) velocidad sincrónica.

El número de polos magnéticos, p {\displaystyle p}

, es igual al número de la bobina de grupos por fase. Para determinar el número de grupos de bobinas por fase en un motor de 3 fases, cuente el número de bobinas, divida por el número de fases, que es 3. Las bobinas pueden abarcar varias ranuras en el núcleo del estator, por lo que es tedioso contarlas. Para un motor de 3 fases, si cuenta un total de 12 grupos de bobinas, tiene 4 polos magnéticos. Para una máquina de 12 polos y 3 fases, habrá 36 bobinas. El número de polos en el rotor es igual al número de polos en el estator.

Las dos figuras a la derecha y a la izquierda arriba de cada una ilustran una máquina de 2 polos y 3 fases que consta de tres pares de polos con cada polo separado a 60°.

SlipEdit

Curva de par típica en función de deslizamiento, representada como «g» aquí

Deslizamiento, s {\displaystyle s}

, se define como la diferencia entre la velocidad síncrona y la velocidad de funcionamiento, a la misma frecuencia, expresada en rpm, o en porcentaje o relación de velocidad síncrona. Por lo tanto s = n s − n r a n s {\displaystyle s={\frac {n_{s}-n_{r}}{n_{s}}}\,}

donde n s {\displaystyle n_{s}}

es estator eléctrico de velocidad, n r {\displaystyle n_{r}}

es la velocidad mecánica del rotor. El deslizamiento, que varía de cero a velocidad síncrona y 1 cuando el rotor está estancado, determina el par del motor. Dado que los devanados del rotor cortocircuitados tienen poca resistencia, incluso un pequeño deslizamiento induce una gran corriente en el rotor y produce un par significativo. A plena carga nominal, el deslizamiento varía de más del 5% para motores pequeños o especiales a menos del 1% para motores grandes. Estas variaciones de velocidad pueden causar problemas de reparto de carga cuando los motores de diferentes tamaños están conectados mecánicamente. Hay varios métodos disponibles para reducir el deslizamiento, los VFD a menudo ofrecen la mejor solución.

TorqueEdit

Standard torqueEdit

Speed-torque curves for four induction motor types: A) Single-phase, B) Polyphase cage, C) Polyphase cage deep bar, D) Polyphase double cage

Typical speed-torque curve for NEMA Design B Motor

Medios de reproducción

Solución transitoria para un motor de inducción de CA desde una parada completa hasta su punto de funcionamiento bajo una carga variable.

La relación típica velocidad-par de un motor de inducción polifásico de diseño NEMA B estándar se muestra en la curva de la derecha. Adecuados para la mayoría de las cargas de bajo rendimiento, como bombas centrífugas y ventiladores, los motores de diseño B están limitados por los siguientes rangos de par típicos:

• Par de ruptura (par máximo), 175-300% del par nominal
• Par de rotor bloqueado (par al 100% de deslizamiento), 75-275% del par nominal
• Par de tracción, 65-190% del par nominal.

Sobre el rango de carga normal de un motor, la pendiente del par es aproximadamente lineal o proporcional al deslizamiento porque el valor de la resistencia del rotor dividido por deslizamiento, R r ‘ / s {\displaystyle R_{r}’/s}

, domina el par de manera lineal. A medida que la carga aumenta por encima de la carga nominal, los factores de reactancia de fuga del estator y del rotor se vuelven gradualmente más significativos en relación con R r ‘ / s {\displaystyle R_{r}’/s}

de tal manera que el par se curva gradualmente hacia el par de ruptura. A medida que el par de carga aumenta más allá del par de ruptura, el motor se detiene.

InicioedItar

Hay tres tipos básicos de motores de inducción pequeños: monofásicos de fase dividida, monofásicos de poste sombreado y polifásicos.

En los motores monofásicos de dos polos, el par pasa a cero con un deslizamiento del 100% (velocidad cero), por lo que estos requieren alteraciones en el estator, como postes sombreados para proporcionar un par de arranque. Un motor de inducción monofásico requiere circuitos de arranque separados para proporcionar un campo giratorio al motor. Los devanados de funcionamiento normales dentro de un motor monofásico de este tipo pueden hacer que el rotor gire en cualquier dirección, por lo que el circuito de arranque determina la dirección de funcionamiento.

el flujo Magnético en el motor de polo sombreado.

En ciertos motores monofásicos más pequeños, el arranque se realiza por medio de un alambre de cobre que gira alrededor de una parte de un poste; dicho poste se conoce como poste sombreado. La corriente inducida en este giro se queda atrás de la corriente de suministro, creando un campo magnético retardado alrededor de la parte sombreada de la cara del polo. Esto imparte suficiente energía de campo de rotación para arrancar el motor. Estos motores se utilizan típicamente en aplicaciones como ventiladores de escritorio y tocadiscos, ya que el par de arranque requerido es bajo y la baja eficiencia es tolerable en relación con el costo reducido del motor y el método de arranque en comparación con otros diseños de motores de CA.

Los motores monofásicos más grandes son motores de fase dividida y tienen un segundo devanado del estator alimentado con corriente fuera de fase; tales corrientes pueden crearse alimentando el devanado a través de un condensador o haciendo que reciba diferentes valores de inductancia y resistencia del devanado principal. En los diseños de arranque del condensador, el segundo devanado se desconecta una vez que el motor está a la velocidad, generalmente mediante un interruptor centrífugo que actúa sobre los pesos en el eje del motor o un termistor que se calienta y aumenta su resistencia, reduciendo la corriente a través del segundo devanado a un nivel insignificante. Los diseños de funcionamiento del condensador mantienen el segundo devanado encendido al correr, mejorando el par. Un diseño de arranque de resistencia utiliza un arrancador insertado en serie con el devanado de arranque, creando reactancia.

Los motores de inducción polifásicos de arranque automático producen par incluso en parada. Los métodos de arranque de motores de inducción de jaula de ardilla disponibles incluyen arranque directo en línea, arranque de reactor de voltaje reducido o auto transformador, arranque de estrella-delta o, cada vez más, nuevos conjuntos blandos de estado sólido y, por supuesto, variadores de frecuencia (VFD).

Los motores polifásicos tienen barras de rotor en forma para dar diferentes características de velocidad y par. La distribución de la corriente dentro de las barras del rotor varía en función de la frecuencia de la corriente inducida. En reposo, la corriente del rotor es la misma frecuencia que la corriente del estator, y tiende a viajar en las partes más externas de las barras del rotor de la jaula (por efecto de piel). Las diferentes formas de barra pueden proporcionar características útiles de velocidad y par diferentes, así como un cierto control sobre la corriente de entrada en el arranque.

Aunque los motores polifásicos son intrínsecamente de arranque automático, sus límites de diseño de par de arranque y tracción deben ser lo suficientemente altos para superar las condiciones de carga reales.

En motores de rotor enrollado, la conexión del circuito del rotor a través de anillos colectores a resistencias externas permite cambiar las características de velocidad y par para fines de control de aceleración y control de velocidad.

Control de velocidadeditar

Resistenciaeditar

Curvas de par de velocidad típicas para diferentes frecuencias de entrada de motor, como por ejemplo, utilizadas con variadores de frecuencia