Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Motor de inducción

Motor de inducción trifásico totalmente cerrado con ventilador ( TEFC ) con tapa en el extremo izquierdo y sin tapa para mostrar el ventilador de refrigeración en el extremo der...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

Motor de inducción trifásico totalmente cerrado con ventilador ( TEFC ) con tapa en el extremo izquierdo y sin tapa para mostrar el ventilador de refrigeración en el extremo derecho. En los motores TEFC, las pérdidas de calor internas se disipan indirectamente a través de las aletas de la carcasa, principalmente por convección forzada de aire.
Vista en sección transversal del estator de un motor de inducción TEFC , que muestra el rotor con álabes internos de circulación de aire. Muchos de estos motores tienen una armadura simétrica, y el bastidor puede invertirse para colocar la caja de conexiones eléctricas (no mostrada) en el lado opuesto.

Un motor de inducción o motor asíncrono es un motor eléctrico de corriente alterna en el que la corriente eléctrica en el rotor que produce el par se obtiene por inducción electromagnética a partir del campo magnético del devanado del estator . [ 1 ] Por lo tanto, un motor de inducción no necesita conexiones eléctricas al rotor. [ a ] ​​El rotor de un motor de inducción puede ser de tipo bobinado o de tipo jaula de ardilla.

Los motores de inducción trifásicos de jaula de ardilla se utilizan ampliamente como accionamientos industriales debido a su arranque automático, fiabilidad y economía. Los motores de inducción monofásicos se utilizan con frecuencia para cargas menores, como trituradores de basura y herramientas eléctricas estacionarias. Si bien tradicionalmente se han utilizado para servicio a velocidad constante, los motores de inducción monofásicos y trifásicos se instalan cada vez más en aplicaciones de velocidad variable mediante variadores de frecuencia (VFD). Los VFD ofrecen oportunidades de ahorro energético para motores de inducción en aplicaciones con carga variable, como ventiladores, bombas y compresores.

Historia

Una maqueta del primer motor de inducción de Nikola Tesla en el Museo Tesla de Belgrado, Serbia.
Estructura del rotor tipo jaula de ardilla, mostrando solo las tres laminaciones centrales.

En 1824, el físico francés François Arago formuló la existencia de campos magnéticos giratorios , denominados rotaciones de Arago . Walter Baily demostró esto en 1879 encendiendo y apagando interruptores manualmente, lo que constituyó el primer motor de inducción primitivo. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

El primer motor de inducción de CA monofásico sin conmutador fue inventado por el ingeniero húngaro Ottó Bláthy ; utilizó el motor monofásico para impulsar su invento, el contador de electricidad . [ 9 ] [ 10 ]

Los primeros motores de inducción polifásicos de CA sin conmutador fueron inventados independientemente por Galileo Ferraris y Nikola Tesla , quienes demostraron un modelo funcional en 1885 y Tesla en 1887. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] Tesla solicitó patentes en Estados Unidos en octubre y noviembre de 1887 y obtuvo algunas de ellas en mayo de 1888. En abril de 1888, la Real Academia de Ciencias de Turín publicó la investigación de Ferraris sobre su motor polifásico de CA, donde se detallaban los fundamentos del funcionamiento del motor. [ 5 ] [ 14 ] En mayo de 1888, Tesla presentó el documento técnico Un nuevo sistema para motores y transformadores de corriente alterna al Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos (AIEE) [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] que describía tres tipos de motores de cuatro polos de estator: uno con un rotor de cuatro polos que forma un motor de reluctancia no autoarrancable , otro con un rotor bobinado que forma un motor de inducción autoarrancable y el tercero un verdadero motor síncrono con una fuente de CC excitada por separado al bobinado del rotor.

George Westinghouse , quien en ese momento estaba desarrollando un sistema de energía de corriente alterna , obtuvo la licencia de las patentes de Tesla en 1888 y compró una opción de patente estadounidense sobre el concepto de motor de inducción de Ferraris. [ 20 ] Tesla también fue empleado durante un año como consultor. El empleado de Westinghouse, CF Scott, fue asignado para ayudar a Tesla y posteriormente se hizo cargo del desarrollo del motor de inducción en Westinghouse. [ 15 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] Firme en su promoción del desarrollo trifásico, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky inventó el motor de inducción de rotor de jaula en 1889 y el transformador de tres ramas en 1890. [ 24 ] [ 25 ] Además, afirmó que el motor de Tesla no era práctico debido a las pulsaciones bifásicas, lo que lo impulsó a persistir en su trabajo trifásico. [ 26 ] Aunque Westinghouse logró su primer motor de inducción práctico en 1892 y desarrolló una línea de motores de inducción polifásicos de 60 hercios en 1893, estos primeros motores de Westinghouse eran motores bifásicos con rotores bobinados hasta que BG Lamme desarrolló un rotor de bobinado de barra giratoria. [ 15 ]

La General Electric Company (GE) comenzó a desarrollar motores de inducción trifásicos en 1891. [ 15 ] En 1896, General Electric y Westinghouse firmaron un acuerdo de licencia cruzada para el diseño del rotor de bobinado de barras, posteriormente llamado rotor de jaula de ardilla. [ 15 ] Arthur E. Kennelly fue el primero en destacar el significado completo de los números complejos (usando j para representar la raíz cuadrada de menos uno) para designar el operador de rotación de 90º en el análisis de problemas de CA. [ 27 ] Charles Proteus Steinmetz de GE mejoró la aplicación de cantidades complejas de CA y desarrolló un modelo analítico llamado circuito equivalente de Steinmetz del motor de inducción . [ 15 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]

Las mejoras en los motores de inducción derivadas de estos inventos e innovaciones fueron tales que un motor de inducción de 100 caballos de fuerza construido en la década de 1970 tenía las mismas dimensiones de montaje que un motor de 7,5 caballos de fuerza en 1897. [ 15 ]

Principio

motor trifásico

Una fuente de alimentación trifásica proporciona un campo magnético giratorio en un motor de inducción.
Deslizamiento inherente: frecuencia de rotación desigual del campo del estator y del rotor.

Tanto en los motores de inducción como en los síncronos , la corriente alterna 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 menor que el campo del estator. Por lo tanto, el campo magnético del estator del motor de inducción cambia o gira con respecto al rotor. Esto induce una corriente opuesta en el rotor, es decir, en el devanado secundario del motor. [ 31 ] El flujo magnético giratorio induce corrientes en los devanados del rotor, [ 32 ] de manera similar a las corrientes inducidas en el devanado secundario de un transformador .

Las corrientes inducidas en los devanados del rotor crean campos magnéticos en el rotor que reaccionan contra el campo del estator. La dirección del campo magnético del rotor se opone al cambio de corriente a través de los devanados del rotor, según la Ley de Lenz . La causa de la corriente inducida en los devanados del rotor es el campo magnético giratorio del estator, por lo que, para oponerse al cambio en las corrientes de los devanados del rotor, este gira en la dirección del campo magnético del estator. El rotor acelera hasta que la magnitud de la corriente y el par inducidos en el rotor equilibran la carga sobre el rotor. Dado que la rotación a velocidad síncrona no induce corriente en el rotor, un motor de inducción siempre funciona ligeramente más lento que la velocidad síncrona. La diferencia, o "deslizamiento", entre la velocidad real y la síncrona varía de aproximadamente 0,5 % a 5,0 % para los motores de inducción con curva de par estándar de diseño B. [ 33 ] La característica esencial del motor de inducción es que el par se crea únicamente por inducción, en lugar de que el rotor se excite por separado como en las máquinas síncronas o de CC, o se automagnetice como en los motores de imanes permanentes . [ 31 ]

Para que se induzcan corrientes en el rotor, la velocidad del rotor físico debe ser más lenta o más rápida que la del campo magnético giratorio del estator (nortes{\displaystyle n_{s}}De lo contrario, el campo magnético no se movería con respecto a los conductores del rotor y no se inducirían corrientes. A medida que la velocidad del rotor disminuye por debajo de la velocidad síncrona, la velocidad de rotación del campo magnético en el rotor aumenta, induciendo más corriente en los devanados y generando 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 como para generar el par necesario para hacer girar la carga. Por esta razón, a los motores de inducción a veces se les denomina "motores asíncronos". [ 34 ]

Un motor de inducción puede utilizarse como generador de inducción o desplegarse para formar un motor de inducción lineal capaz de generar movimiento lineal directamente. El modo de generación de los motores de inducción se complica por la necesidad de excitar el rotor, que inicialmente solo dispone de magnetización residual. En algunos casos, esta magnetización residual es suficiente para autoexcitar el motor bajo carga. Por lo tanto, es necesario conectar momentáneamente el motor a la red eléctrica o añadir condensadores cargados inicialmente con magnetismo residual que proporcionen la potencia reactiva requerida durante el funcionamiento. Similar es el funcionamiento del motor de inducción en paralelo con un motor síncrono que actúa 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 accionamiento. En este caso, se suministra energía activa a la red. [ 2 ] Otra desventaja del generador de motor de inducción es que consume una corriente de magnetización significativa I 0 = (20–35)%.

Velocidad síncrona

La velocidad síncrona de un motor de CA,Fs{\displaystyle f_{s}}es la velocidad de rotación del campo magnético del estator Fs=2Fpag,{\displaystyle f_{s}={2f \over p},} dóndeF{\displaystyle f}es la frecuencia de la fuente de alimentación en hercios ypag{\displaystyle p}es el número de polos magnéticos. Para velocidad síncronanortes{\displaystyle n_{s}}en RPM , la fórmula se convierte en: [ 35 ] [ 36 ]nortes=2Fpag⋅60=120Fpag.{\displaystyle n_{s}={\frac {2f}{p}}\cdot 60={\frac {120f}{p}}.} Por ejemplo, para un motor trifásico de cuatro polos,pag{\displaystyle p}= 4 ynortes=120F4{\displaystyle n_{s}={120f \over 4}}= 1500  RPM (paraF{\displaystyle f}= 50  Hz) y 1800  RPM (paraF{\displaystyle f}= 60  Hz) velocidad síncrona.

El número de polos magnéticos,pag{\displaystyle p}, es el número de polos norte y sur por fase. Por ejemplo, un motor monofásico con 3 polos norte y 3 polos sur, que tiene 6 polos por fase, es un motor de 6 polos. Un motor trifásico con 18 polos norte y 18 polos sur, que tiene 6 polos por fase, también es un motor de 6 polos. Este método estándar de la industria para contar los polos da como resultado la misma velocidad síncrona para una frecuencia dada, independientemente de la polaridad.

Deslizar

Deslizar,s{\displaystyle s}, se define como la diferencia entre la velocidad síncrona y la velocidad de operación, a la misma frecuencia, expresada en rpm, o en porcentaje o relación de la velocidad síncrona. Por lo tanto,

s=nortes−norternortes{\displaystyle s={\frac {n_{s}-n_{r}}{n_{s}}}\,}

dónde nortes{\displaystyle n_{s}}es la velocidad eléctrica del estator,norter{\displaystyle n_{r}}es la velocidad eléctrica del rotor. [ 37 ] [ 38 ]

Curva de par teórica en función del deslizamiento, representado como "g". Nótese que el par no llega a cero cuando el deslizamiento es uno.

Para pequeñas cantidades de deslizamiento, el par es aproximadamente por: [ 39 ]

T=Ksmi22R2(R22+s2incógnita22){\displaystyle T={\frac {KsE_{2}^{2}R_{2}}{(R_{2}^{2}+s^{2}X_{2}^{2})}}}

Dónde,

T{\displaystyle T}: Par motor en marcha
K{\displaystyle K}Relación de transformación = Vueltas del rotor / Vueltas del estator
s{\displaystyle s}: Deslizamiento del motor
mi2{\displaystyle E_{2}}Voltaje del rotor
R2{\displaystyle R_{2}}Resistencia del rotor
incógnita2{\displaystyle X_{2}}Reactancia del rotor

La ecuación es correcta para deslizamientos pequeños y moderados, pero no para deslizamientos grandes, como los que se producen cuando el rotor está detenido. La teoría del campo giratorio doble, que se presenta en la siguiente sección, proporciona una mejor aproximación al par real. El deslizamiento, que varía entre cero a velocidad síncrona y uno cuando el rotor está bloqueado, influye en el par del motor.

Debido a que los devanados del rotor en cortocircuito tienen poca resistencia, incluso un pequeño deslizamiento induce una gran corriente en el rotor y produce un par significativo. [ 40 ] A plena carga nominal, el deslizamiento varía desde más del 5 % para motores pequeños o de propósito especial hasta menos del 1 % para motores grandes. [ 41 ] Estas variaciones de velocidad pueden causar problemas de reparto de carga cuando se conectan mecánicamente motores de diferentes tamaños. [ 41 ] Existen varios métodos para reducir el deslizamiento, y los variadores de frecuencia suelen ofrecer la mejor solución. [ 41 ]

Campo giratorio doble

Par motor en función del deslizamiento

El rotor de un motor de inducción está sometido a dos campos magnéticos giratorios que rotan en direcciones opuestas. El par motor es el resultado de la diferencia entre estos dos campos giratorios. [ 42 ] [ 43 ]

La ilustración muestra el par motor en función del deslizamiento. La línea verde representa el par generado por un motor de inducción monofásico sin bobinado de arranque. No se genera par cuando el rotor está detenido. Un ligero impulso en cualquier dirección provocará que el rotor acelere en la dirección en la que se aplicó el impulso.

El par motor se representa en el eje vertical mediante una línea verde, y el deslizamiento en el eje horizontal. El deslizamiento varía de cero a cero, correspondiendo a los sentidos de giro del rotor, con un deslizamiento de 1,0 en el centro, donde el rotor se detiene y no se produce par motor.

El par motor es el resultado neto de dos campos magnéticos que giran en sentido contrario, uno representado por una línea azul y el otro por una línea roja. Las líneas roja y azul son imágenes especulares de la curva de par motor típica que se muestra en la sección anterior.

Esfuerzo de torsión

Par estándar

Curvas de velocidad-par para cuatro tipos de motores de inducción: A) Monofásico sin bobinado de arranque, B) Polifásico de jaula, C) Polifásico de jaula de barras profundas, D) Polifásico de doble jaula
Curva típica de velocidad-par para un motor de diseño NEMA B.
Solución transitoria para un motor de inducción de CA desde la parada completa hasta su punto de funcionamiento bajo una carga variable.

La relación típica velocidad-par de un motor de inducción polifásico estándar NEMA Diseño B 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 Diseño B están limitados por los siguientes rangos de par típicos: [ 33 ] [ b ]

  • Par de rotura (par máximo), 175–300 % del par nominal
  • Par de rotor bloqueado (par con 100% de deslizamiento), 75–275% del par nominal
  • Par de tracción: entre el 65 % y el 190 % del par nominal.

En 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 el deslizamiento,Rr′/s{\displaystyle R_{r}'/s}, domina el par de manera lineal. [ 44 ] 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 conRr′/s{\displaystyle R_{r}'/s}De tal forma que el par motor 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 bloquea.

A partir de

Existen tres tipos básicos de motores de inducción pequeños: monofásicos de fase partida, monofásicos de polos sombreados y polifásicos.

En los motores monofásicos de dos polos, el par se reduce a cero con un deslizamiento del 100 % (velocidad cero), por lo que requieren modificaciones en el estator, como polos sombreados, para proporcionar el par de arranque. Un motor de inducción monofásico requiere un circuito de arranque independiente para generar un campo magnético. Los devanados de funcionamiento normales de este tipo de motor monofásico pueden hacer girar el rotor en cualquier dirección, por lo que el circuito de arranque determina el sentido de giro.

Flujo magnético en un motor de polos sombreados

En ciertos motores monofásicos pequeños, el arranque se realiza mediante una bobina de cobre enrollada alrededor de una parte del polo; a este polo se le denomina polo sombreado. La corriente inducida en esta bobina se retrasa con respecto a la corriente de alimentación, creando un campo magnético retardado alrededor de la parte sombreada de la cara del polo. Esto proporciona la energía de campo rotacional suficiente para arrancar el motor. Estos motores se utilizan habitualmente 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 menor coste del motor y del método de arranque en comparación con otros diseños de motores de corriente alterna.

Los motores monofásicos de mayor tamaño son motores de fase partida y tienen un segundo devanado del estator alimentado con corriente desfasada; estas corrientes pueden generarse 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 por condensador , el segundo devanado se desconecta una vez que el motor alcanza la velocidad nominal, generalmente mediante un interruptor centrífugo que actúa sobre contrapesos 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 por condensador mantienen el segundo devanado conectado durante el funcionamiento, mejorando el par motor. Un diseño de arranque por resistencia utiliza un arrancador insertado en serie con el devanado de arranque, creando reactancia.

Los motores de inducción polifásicos autoarrancables generan par incluso en reposo. Los métodos de arranque disponibles para motores de inducción de jaula de ardilla incluyen el arranque directo en línea, el arranque con reactor de tensión reducida o autotransformador, el arranque estrella-triángulo o, cada vez más, los nuevos conjuntos blandos de estado sólido y, por supuesto, los variadores de frecuencia (VFD). [ 45 ]

Los motores polifásicos poseen barras de rotor con formas que les confieren distintas características de velocidad-par. La distribución de corriente dentro de las barras del rotor varía según la frecuencia de la corriente inducida. En reposo, la corriente del rotor tiene la misma frecuencia que la del estator y tiende a circular por las partes más externas de las barras del rotor (debido al efecto pelicular ). Las diferentes formas de las barras permiten obtener características de velocidad-par útiles y, además, cierto control sobre la corriente de arranque.

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

En los motores de rotor bobinado, la conexión del circuito del rotor a resistencias externas mediante anillos colectores permite modificar las características de velocidad-par para el control de la aceleración y el control de la velocidad.

Control de velocidad

Resistencia
Curvas típicas de velocidad-par para diferentes frecuencias de entrada del motor, como las que se utilizan, por ejemplo, en variadores de frecuencia.

Antes del desarrollo de la electrónica de potencia de semiconductores , era difícil variar la frecuencia, y los motores de inducción de jaula se utilizaban principalmente en aplicaciones de velocidad fija. Aplicaciones como las grúas eléctricas aéreas utilizaban accionamientos de CC o motores de rotor bobinado (WRIM) con anillos rozantes para la conexión del circuito del rotor a una resistencia externa variable, lo que permitía un rango considerable de control de velocidad. Sin embargo, las pérdidas resistivas asociadas con el funcionamiento a baja velocidad de los WRIM representan una importante desventaja en términos de costo, especialmente para cargas constantes. [ 46 ] Los grandes accionamientos de motor de anillos rozantes, denominados sistemas de recuperación de energía de deslizamiento, algunos todavía en uso, recuperan energía del circuito del rotor, la rectifican y la devuelven al sistema de potencia mediante un variador de frecuencia (VFD).

Cascada

La velocidad de un par de motores de anillos rozantes se puede controlar mediante una conexión en cascada o concatenación. El rotor de un motor se conecta al estator del otro. [ 47 ] [ 48 ] Si los dos motores también están conectados mecánicamente, funcionarán a la mitad de su velocidad. Este sistema se utilizó ampliamente en locomotoras ferroviarias de corriente alterna trifásica, como la FS Clase E.333 . Sin embargo, a principios de este siglo, estos sistemas electromecánicos basados ​​en cascada se resolvieron de forma mucho más eficiente y económica mediante soluciones con elementos semiconductores de potencia. [ 49 ]

Variador de frecuencia

En muchas aplicaciones industriales de velocidad variable, los variadores de CC y WRIM están siendo reemplazados por motores de inducción de jaula alimentados por VFD. La forma más común y eficiente de controlar la velocidad de los motores asíncronos en muchas cargas es mediante VFD. Las barreras para la adopción de VFD, debido a consideraciones de costo y confiabilidad, se han reducido considerablemente en las últimas tres décadas, de modo que se estima que esta tecnología de variadores se adopta en hasta un 30-40% de todos los motores recién instalados. [ 50 ]

Los variadores de frecuencia implementan el control escalar o vectorial de un motor de inducción.

Con el control escalar , solo se controlan la magnitud y la frecuencia de la tensión de alimentación, sin control de fase (sin retroalimentación de la posición del rotor). El control escalar es adecuado para aplicaciones donde la carga es constante.

El control vectorial permite controlar de forma independiente la velocidad y el par del motor, lo que posibilita mantener una velocidad de rotación constante con un par de carga variable. Sin embargo, el control vectorial es más costoso debido al precio del sensor (aunque no siempre) y a la necesidad de un controlador más potente. [ 51 ]

Construcción

Patrón de bobinado típico para un motor trifásico (U, W, V) de cuatro polos. Nótese el entrelazado de los bobinados de los polos y el campo cuadrupolar resultante .

El estator de un motor de inducción consta de polos que transportan la corriente de alimentación para inducir un campo magnético que penetra en el rotor. Para optimizar la distribución del campo magnético, los devanados se distribuyen en ranuras alrededor del estator, con el campo magnético teniendo el mismo número de polos norte y sur. Los motores de inducción suelen funcionar con alimentación monofásica o trifásica, pero también existen motores bifásicos; en teoría, pueden tener cualquier número de fases. Muchos motores monofásicos con dos devanados pueden considerarse motores bifásicos, ya que se utiliza un condensador para generar una segunda fase de alimentación a 90° de la alimentación monofásica y alimentarla al segundo devanado del motor. Los motores monofásicos requieren algún mecanismo para producir un campo giratorio al arrancar. Los motores de inducción que utilizan un devanado de rotor de jaula de ardilla pueden tener las barras del rotor ligeramente sesgadas para suavizar el par en cada revolución.

Los tamaños estandarizados de los bastidores de los motores NEMA e IEC en toda la industria dan como resultado dimensiones intercambiables para el eje, el montaje de la base, los aspectos generales y ciertos aspectos de la brida del motor. Dado que un diseño de motor abierto a prueba de goteo (ODP) permite un intercambio de aire libre desde el exterior hacia los devanados internos del estator, este tipo de motor tiende a ser ligeramente más eficiente porque los devanados están más fríos. A una potencia nominal determinada, una velocidad menor requiere un bastidor más grande. [ 52 ]

Inversión de la rotación

El método para cambiar el sentido de giro de un motor de inducción depende de si es monofásico o trifásico. Un motor trifásico puede invertir su giro intercambiando dos de sus conexiones de fase. Los motores que requieren cambiar de sentido con frecuencia (como los de los polipastos) cuentan con contactos de conmutación adicionales en su controlador para invertir el giro según sea necesario. Un variador de frecuencia casi siempre permite la inversión mediante el cambio electrónico de la secuencia de fases de la tensión aplicada al motor.

En un motor monofásico de fase partida, la inversión de giro se logra invirtiendo las conexiones del devanado de arranque. Algunos motores dejan expuestas las conexiones del devanado de arranque para permitir la selección del sentido de giro durante la instalación. Si el devanado de arranque está conectado permanentemente dentro del motor, resulta poco práctico invertir el sentido de giro. Los motores monofásicos de polos sombreados tienen un sentido de giro fijo a menos que se proporcione un segundo conjunto de devanados de sombreado.

factor de potencia

El factor de potencia de los motores de inducción varía con la carga, típicamente desde aproximadamente 0,85 o 0,90 a plena carga hasta tan solo 0,20 en vacío, [ 45 ] debido a las fugas del estator y del rotor y a las reactancias de magnetización. [ 53 ] El factor de potencia se puede mejorar conectando condensadores, ya sea en cada motor individualmente o, preferiblemente, en un bus común que abarque varios motores. Por razones económicas y de otro tipo, los sistemas de potencia rara vez se corrigen al factor de potencia unitario. [ 54 ] La aplicación de condensadores de potencia con corrientes armónicas requiere un análisis del sistema de potencia para evitar la resonancia armónica entre los condensadores y las reactancias del transformador y del circuito. [ 55 ] Se recomienda la corrección del factor de potencia en un bus común para minimizar el riesgo de resonancia y simplificar el análisis del sistema de potencia. [ 55 ]

Eficiencia

Para un motor eléctrico, la eficiencia, representada por la letra griega Eta, [ 56 ] se define como el cociente de la potencia mecánica de salida y la potencia eléctrica de entrada, [ 57 ] calculado mediante esta fórmula:

η=Potencia mecánica de salidaPotencia eléctrica de entrada{\displaystyle \eta ={\frac {\text{Potencia mecánica de salida}}{\text{Potencia eléctrica de entrada}}}}

La eficiencia del motor a plena carga oscila entre el 85 y el 97 %, con las siguientes pérdidas: [ 58 ]

  • Fricción y resistencia del viento , 5–15%
  • Pérdidas de hierro o núcleo , 15–25%
  • Pérdidas del estator: 25-40%.
  • Pérdidas del rotor: 15-25%.
  • Pérdidas por carga parásita, 10–20%.

Las autoridades reguladoras de muchos países han implementado legislación para fomentar la fabricación y el uso de motores eléctricos de mayor eficiencia. Algunas leyes exigen el uso futuro de motores de inducción de alta eficiencia en determinados equipos. Para más información, consulte: Alta eficiencia .

Circuito equivalente de Steinmetz

Mediante el análisis del circuito equivalente de Steinmetz (también denominado circuito equivalente T o circuito equivalente recomendado por la IEEE), un modelo matemático que describe cómo la entrada eléctrica de un motor de inducción se transforma en energía mecánica útil, se pueden obtener numerosas relaciones útiles entre el tiempo, la corriente, la tensión, la velocidad, el factor de potencia y el par motor. Este circuito equivalente es una representación monofásica de un motor de inducción multifásico, válida en condiciones de carga equilibrada y estado estacionario.

El circuito equivalente de Steinmetz se expresa simplemente en términos de los siguientes componentes:

Parafraseando a Alger en Knowlton, un motor de inducción es simplemente un transformador eléctrico cuyo circuito magnético está separado por un entrehierro entre el devanado del estator y el devanado del rotor móvil. [ 31 ] El circuito equivalente puede mostrarse, por consiguiente, con los componentes del circuito equivalente de los respectivos devanados separados por un transformador ideal o con los componentes del rotor referidos al lado del estator, como se muestra en el siguiente circuito y las tablas de definición de ecuaciones y parámetros asociadas. [ 45 ] [ 54 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]

Circuito equivalente de Steinmetz

Las siguientes aproximaciones de regla empírica se aplican al circuito: [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]

  • La corriente máxima se produce en condiciones de corriente de rotor bloqueado (LRC) y es algo menor queVs/incógnita{\displaystyle V_{\text{s}}/X}, con LRC que normalmente oscila entre 6 y 7 veces la corriente nominal para motores estándar de diseño B. [ 33 ]
  • Par de roturaTmáximo{\displaystyle T_{\text{máx}}}sucede cuandos≈Rr′/incógnita{\displaystyle s\approx R_{\text{r}}'/X}yIs≈0,7LRdo{\displaystyle I_{\text{s}}\approx 0.7\;LRC}de tal manera queTmáximo≈KVs2/2incógnita{\displaystyle T_{\text{max}}\approx KV_{\text{s}}^{2}/2X}y, por lo tanto, con una entrada de voltaje constante, el par máximo porcentual de un motor de inducción de bajo deslizamiento es aproximadamente la mitad de su LRC porcentual.
  • La reactancia de fuga relativa del estator al rotor de los motores de inducción de jaula estándar de diseño B es [ 65 ].
    incógnitasincógnitar′≈0,40,6{\displaystyle {\frac {X_{\text{s}}}{X_{\text{r}}'}}\approx {\frac {0.4}{0.6}}}.
  • Si se desprecia la resistencia del estator, la curva de par de un motor de inducción se reduce a la ecuación de Kloss [ 66 ].
    Tellos≈2Tmáximossmáximo+smáximos{\displaystyle T_{\text{em}}\approx {\frac {2T_{\text{max}}}{{\frac {s}{s_{\text{max}}}}+{\frac {s_{\text{max}}}{s}}}}}, dóndesmáximo{\displaystyle s_{\text{máx}}}es resbalón enTmáximo{\displaystyle T_{\text{máx}}}.

Motor de inducción lineal

Los motores de inducción lineal, que funcionan según los mismos principios generales que los motores de inducción rotativos (frecuentemente trifásicos), están diseñados para producir movimiento en línea recta. Entre sus aplicaciones se incluyen la levitación magnética , la propulsión lineal, los actuadores lineales y el bombeo de metales líquidos . [ 67 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ Es decir, no hay conmutación mecánica , excitación separada ni autoexcitación para toda o parte de la energía transferida del estator al rotor, como ocurre en los motores universales , de CC y síncronos .
  2. ↑ NEMA MG-1 define a) el par de ruptura como el par máximo desarrollado por el motor con la tensión nominal aplicada a la frecuencia nominal sin una caída abrupta de la velocidad, b) el par de rotor bloqueado como el par mínimo desarrollado por el motor en reposo con la tensión nominal aplicada a la frecuencia nominal, y c) el par de arranque como el par mínimo desarrollado por el motor durante el período de aceleración desde el reposo hasta la velocidad a la que se produce el par de ruptura.

Referencias

  1. ↑ IEC 60050 (Fecha de publicación: 1990-10). Sección 411-31: Maquinaria rotativa – Generalidades, Ref. IEV 411-31-10: " Máquina de inducción : máquina asíncrona de la que solo se energiza un devanado".
  2. 1 2 Babbage, C.; Herschel, JFW (enero de 1825). "Relato de la repetición de los experimentos del Sr. Arago sobre el magnetismo manifestado por diversas sustancias durante el acto de rotación" . Philosophical Transactions of the Royal Society . 115 (115): 467– 496. Bibcode : 1825RSPT..115..467B . doi : 10.1098/rstl.1825.0023 . Recuperado el 2 de diciembre de 2012 .
  3. ↑ Thompson , Silvanus Phillips (1895). Corrientes eléctricas polifásicas y motores de corriente alterna (1.ª ed.). Londres: E. & FN Spon. pág. 261. Consultado el 2 de diciembre de 2012 .  
  4. ↑ Baily, Walter (28 de junio de 1879). "Un modo de producir la rotación de Arago" . Philosophical Magazine . 3 (1). Taylor & Francis: 115–120 . Bibcode : 1879PPSL....3..115B . doi : 10.1088/1478-7814/3/1/318 .
  5. 1 2 Vučković, Vladan (noviembre de 2006). "Interpretación de un descubrimiento" (PDF) . The Serbian Journal of Electrical Engineers . 3 (2) . Recuperado el 10 de febrero de 2013 .
  6. ↑ El ingeniero eléctrico, Volumen 5. (Febrero de 1890)
  7. ↑ El electricista, volumen 50. 1923
  8. ↑ Gaceta oficial de la Oficina de Patentes de los Estados Unidos: Volumen 50. (1890)
  9. ↑ Eugenii Katz. "Blathy" . People.clarkson.edu. Archivado del original el 25 de junio de 2008. Consultado el 4 de agosto de 2009 .
  10. ↑ Ricks, GWD (marzo de 1896). "Contadores de suministro eléctrico" . Journal of the Institution of Electrical Engineers . 25 (120): 57– 77. doi : 10.1049/jiee-1.1896.0005 .
  11. ↑ Ion Boldea, Syed A. Nasar, Manual de la máquina de inducción, CRC Press · 2010, página 2
  12. ↑ Thomas Parke Hughes, Redes de poder: la electrificación en la sociedad occidental, 1880-1930, Johns Hopkins University Press -1993, página 117
  13. ↑ W. Bernard Carlson, Tesla: inventor de la era eléctrica, Princeton University Press · 2015, página 110
  14. ↑ Ferraris, G. (1888). "Atti della Reale Academia delle Science di Torino". Atti della R. Academia delle Science di Torino . XXIII : 360-375 .
  15. 1 2 3 4 5 6 7 Alger, PL; Arnold, RE (1976). "La historia de los motores de inducción en Estados Unidos". Actas del IEEE . 64 (9): 1380– 1383. Bibcode : 1976IEEEP..64.1380A . doi : 10.1109/PROC.1976.10329 . S2CID 42191157 . 
  16. ↑ Froehlich, Fritz E.; Kent, Allen , eds. (1992). The Froehlich/Kent Encyclopedia of Telecommunications: Volume 17 – Television Technology to Wire Antennas (Primera ed.). Nueva York: Marcel Dekker, Inc. p. 36. ISBN   978-0-8247-2902-8.
  17. ↑ El Ingeniero Eléctrico (21 de septiembre de 1888). . . . Una nueva aplicación de la corriente alterna en la producción de movimiento rotatorio fue dada a conocer casi simultáneamente por dos experimentadores, Nikola Tesla y Galileo Ferraris, y el tema atrajo la atención general debido a que no se requería ningún conmutador ni conexión de ningún tipo con la armadura. . . . Vol. II. Londres: Charles & Co. pág. 239.  
  18. ↑ Ferraris, Galileo (1885). "Rotación electromagnética con corriente alterna". Electrician . 36 : 360–375 .
  19. ↑ Tesla, Nikola; AIEE Trans. (1888). " Un nuevo sistema para motores y transformadores de corriente alterna" . AIEE . 5 : 308–324 . Recuperado el 17 de diciembre de 2012 .
  20. ↑ Jonnes, Jill (19 de agosto de 2003). Imperios de luz: Edison, Tesla, Westinghouse y la carrera por electrificar el mundo . Random House Publishing Group. ISBN 9781588360007– vía Google Libros.
  21. ↑ "El mundo eléctrico" . McGraw-Hill. 18 de mayo de 1921 – vía Google Books.
  22. ↑ Klooster, John W. (30 de julio de 2009). Iconos de la invención: los creadores del mundo moderno, de Gutenberg a Gates . Santa Bárbara: ABC-CLIO. pág. 305. ISBN  978-0-313-34744-3Consultado el 10 de septiembre de 2012 .
  23. ↑ Day, Lance (1996). McNeil, Ian (ed.). Diccionario biográfico de la historia de la tecnología . Londres: Routledge . pág. 1204. ISBN  978-0-203-02829-2. Consultado el 2 de diciembre de 2012 .
  24. ↑ Hubbell, MW (2011). Fundamentos de la generación de energía nuclear: Preguntas y respuestas . Authorhouse. pág. 27. ISBN  978-1463424411.
  25. ↑ Comité VDE de Historia de la Ingeniería Eléctrica, Capítulo Alemán del IEEE (enero de 2012). "Coloquio del 150.º cumpleaños de Michael von Dolivo-Dobrowolsky" . History of Energy Technology News . 13. Archivado del original el 25 de febrero de 2013. Recuperado el 10 de febrero de 2013 .
  26. ^ Dolivo-Dobrowolsky, Mikhail (1891). "Elektrotechnische Zeitschrift" . Etz Elektrotechnik + Automatización . 12 ( 10-11 ): 149, 161 - vía HathiTrust.
  27. ↑ Kennelly, Arthur E. (enero de 1893). "Impedancia" . Transactions of the American Institute of Electrical Engineers . X : 172–232 . Bibcode : 1893TAIEE..10..172K . doi : 10.1109/T-AIEE.1893.4768008 . S2CID 264022523 . 
  28. ↑ Steinmetz, Charles Proteus (1897). "El motor de inducción de corriente alterna". AIEE Trans . XIV (1): 183–217 . Bibcode : 1897TAIEE..14..183S . doi : 10.1109/T-AIEE.1897.5570186 . S2CID 51652760 . 
  29. ↑ Banihaschemi, Abdolmajid (1973). Determinación de las pérdidas en máquinas de inducción debidas a armónicos (PDF) . Fredericton, NB: Universidad de Nuevo Brunswick. págs. 1, 5–8 . Archivado del original (PDF) el 4 de julio de 2013. 
  30. ↑ Steinmetz, Charles Proteus; Berg, Ernst J. (1897). Teoría y cálculo de los fenómenos de corriente alterna . McGraw Publishing Company. OL 7218906M . 
  31. 1 2 3 Alger, Philip L.; et al. (3 de septiembre de 2012). " «Máquinas de inducción», subsección de la Sección 7: Generadores y motores de corriente alterna. En Beaty, H. Wayne; Fink, Donald G. (eds.). Manual estándar para ingenieros eléctricos, decimosexta edición (16.ª  ed.). McGraw Hill Professional. ISBN 978-0-07-176231-1.
  32. ↑ "Motores de CA" . NSW HSC Online – Universidad Charles Sturt. Archivado del original el 30 de octubre de 2012. Consultado el 2 de diciembre de 2012 .
  33. 1 2 3 NEMA MG-1 2007 Condensed (2008). Guía informativa para las normas de motores de inducción de jaula de ardilla pequeños y medianos de CA industriales de uso general . Rosslyn, Virginia, EE. UU.: NEMA. pág. 29 (Tabla 11) . Consultado el 2 de diciembre de 2012 . {{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  34. ↑ "Motores de inducción (asíncronos)" (PDF) . Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Estatal de Mississippi, Curso ECE 3183, 'Sistemas de ingeniería eléctrica para estudiantes de otras carreras'. Archivado del original (PDF) el 15 de mayo de 2016. Consultado el 2 de diciembre de 2012 .
  35. ↑ "Motores de inducción" . electricmotors.machinedesign.com . Penton Media, Inc. Archivado del original el 16 de noviembre de 2007. Consultado el 12 de abril de 2016 .
  36. ↑ "Fórmulas de motores" . elec-toolbox.com. Archivado del original el 8 de mayo de 1999. Consultado el 1 de enero de 2013 .
  37. ↑ Srivastava, Avinash; Kumar, Ravi. "Características de deslizamiento de par de un motor de inducción" . Apuntes del curso . Malnad College Of Engineering . Consultado el 2 de junio de 2026 .
  38. ↑ Publicación de normas NEMA (2007). Guía de aplicación para sistemas de accionamiento de velocidad variable de CA. Rosslyn, Virginia, EE. UU.: NEMA. pág. 6. Archivado del original el 28 de abril de 2008. Consultado el 2 de diciembre de 2012 . 
  39. ↑ Satyadeo Vyas (5 de mayo de 2026). "Condición de par máximo de un motor de inducción y su expresión" . Consultado el 31 de mayo de 2026 .
  40. ↑ Herman, Stephen L. (2011). Fundamentos de la corriente alterna (8.ª ed.). EE. UU.: Cengage Learning. págs. 529–536 . ISBN   978-1-111-03913-4.
  41. 1 2 3 Peltola, Mauri. "Deslizamiento del motor de inducción de CA" . Plantservices.com. Archivado del original el 22 de noviembre de 2021. Recuperado el 18 de diciembre de 2012 .
  42. ↑ Yahaya Asizehi (julio de 2013). "Características de rendimiento y teoría de doble rotación de un motor de inducción monofásico" (PDF) . Leonardo Journal of Sciences (23): 50. ISSN 1583-0233 . Consultado el 23 de abril de 2026 . 
  43. ↑ "Teoría del campo giratorio doble" . ElectricalWorkbook. 27 de junio de 2021. Consultado el 24 de abril de 2026 .
  44. ↑ Keljik, Jeffrey (2009). «Capítulo 12: El motor de inducción trifásico de jaula de ardilla». Electricidad 4 : Motores de CA/CC, controles y mantenimiento (9.ª ed.). Clifton Park, NY: Delmar, Cengage Learning. págs. 112-115 . ISBN    978-1-4354-0031-3.
  45. 1 2 3 Liang, Xiaodong ; Ilochonwu, Obinna (enero de 2011). "Arranque de motores de inducción en aplicaciones industriales prácticas". IEEE Transactions on Industry Applications . 47 (1): 271– 280. Bibcode : 2011IOJIA..47..271L . doi : 10.1109/TIA.2010.2090848 . S2CID 18982431 . 
  46. ↑ Jamil Asghar, MS (2003). "Control de velocidad de motores de inducción de rotor bobinado mediante control óptimo de voltaje basado en regulador de CA". Quinta Conferencia Internacional sobre Electrónica de Potencia y Sistemas de Accionamiento, 2003. PEDS 2003. Vol. 2. pp. 1037–1040 . doi : 10.1109/PEDS.2003.1283113 . ISBN   978-0-7803-7885-8. S2CID 113603428 . 
  47. ↑ "Control en cascada - Circuito del rotor | Motor de inducción trifásico" . Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica . Consultado el 3 de junio de 2026 .
  48. ↑ Departamento de EEE. Accionamientos de motores de inducción trifásicos (PDF) ( EDICIÓN UNIDAD III ). Paavai Engineering College . págs. 12–14 .  
  49. ↑ Gumerov, Marina B.; Natalya L. Babikova, Marina B.; Rustam I. Gareev, Marina B. (22–25 de octubre de 2019). El motor síncrono-asíncrono en cascada . Actas, ICOECS : Conferencia Internacional de 2019 sobre Complejos y Sistemas Electrotécnicos. Piscataway, Nueva Jersey: Universidad Técnica Estatal de Aviación de Ufa, Ufa, Rusia. pág. 1. doi : 10.1109/ICOECS46375.2019.8949946 . ISBN   978-1-7281-1728-7.
  50. ↑ Lendenmann, Heinz; Moghadam, Reza R.; Tami, Ari; Thand, Lars-Erik. "Motoring Ahead" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 5 de febrero de 2016. Recuperado el 18 de abril de 2012 .
  51. ↑ "Principio de funcionamiento del motor de inducción trifásico" .
  52. ↑ Grupo ABB (Baldor Electric Company) (2016). "GUÍA DEL ESPECIFICADOR" (PDF) . pág. 6. Archivado del original (PDF) el 23 de noviembre de 2016. Consultado el 4 de octubre de 2016 . 
  53. ↑ Fink, DG; Beaty, HW (1978). Manual estándar para ingenieros eléctricos (11.ª ed.). McGraw-Hill. págs. 20-28 a 20-29.  
  54. 1 2 Jordan, Howard E. (1994). Motores eléctricos de bajo consumo energético y sus aplicaciones (2.ª ed.). Nueva York: Plenum Press. ISBN  978-0-306-44698-6.
  55. 1 2 NEMA MG-1, pág. 19
  56. ↑ de Swardt, Henk (febrero de 2014). "¿Se puede reparar un motor de media tensión de alta eficiencia?". Conferencia Internacional IEEE de Tecnología Industrial (ICIT) de 2014. Busan, Corea del Sur: IEEE. págs. 169–174 . doi : 10.1109/ICIT.2014.6894933 . ISBN  978-1-4799-3939-8.
  57. ↑ de Swardt, Henk (febrero de 2014). «Mitos sobre la eficiencia de los motores eléctricos: Trabajo vs. Desperdicio». 2014 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT) . págs. 193–196 . doi : 10.1109/ICIT.2014.6894937 . ISBN  978-1-4799-3939-8.
  58. ↑ US DOE (2008). "Mejora del rendimiento de los sistemas de motores y accionamientos: un manual para la industria" (PDF) . pág. 27. Consultado el 31 de diciembre de 2012 . 
  59. ↑ Hubert, Charles I. (2002). Máquinas eléctricas : teoría, funcionamiento, aplicaciones, ajuste y control (2.ª ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. pp. Capítulo 4. ISBN    978-0130612106.
  60. ↑ Beaty, H. Wayne, ed. (2006). «Sección 5 – Motores de inducción trifásicos por Hashem Oraee» (PDF) . Manual de cálculos de potencia eléctrica (3.ª ed.). Nueva York: McGraw-Hill. ISBN  0-07-136298-3Archivado del original (PDF) el 13 de agosto de 2012.
  61. ↑ Knight, Andy. "Modelo de circuito equivalente de máquina de inducción" . Publicado por la Universidad de Calgary . Consultado el 2 de febrero de 2022 .
  62. 1 2 IEEE 112 (2004). Procedimiento de prueba estándar IEEE para motores y generadores de inducción polifásicos . Nueva York, NY: IEEE. ISBN 978-0-7381-3978-4.{{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  63. ↑ Alger (1949), pág. 711
  64. 1 2 3 4 5 Özyurt, Ç.H. (2005). Estimación de parámetros y velocidad de motores de inducción a partir de datos y mediciones de fabricantes (PDF) . Universidad Técnica de Oriente Medio. págs. 33–34 . 
  65. ↑ Knight, Andy. "Determinación de parámetros de máquinas de inducción" . Publicado por la Universidad de Calgary . Consultado el 1 de febrero de 2022 .
  66. ↑ Hameyer, Kay (2001). "Máquina eléctrica I: Fundamentos, diseño, función, operación" (PDF) . Instituto de Máquinas Eléctricas de la Universidad RWTH Aachen. Archivado del original (PDF) el 10 de febrero de 2013. Recuperado el 11 de enero de 2013 .página=133
  67. ↑ Boletín de los Científicos Atómicos . Fundación Educativa para la Ciencia Atómica. 6 de junio de 1973. Consultado el 8 de agosto de 2012 .

Fuentes clásicas

  • Bailey, Benjamin Franklin (1911). El motor de inducción . McGraw-Hill. motor de inducción.
  • Behrend, Bernhard Arthur (1901). El motor de inducción: un breve tratado sobre su teoría y diseño, con numerosos datos experimentales y diagramas . McGraw Publishing Company / Electrical World and Engineer.
  • Boy de la Tour, Henri (1906). El motor de inducción: su teoría y diseño, expuestos mediante un método práctico de cálculo . Traducido por Cyprien Odilon Mailloux. McGraw Pub. Co.
  • ¿Quién inventó el motor eléctrico polifásico?
  • Silvanus Phillips Thompson: Corrientes eléctricas polifásicas y motores de corriente alterna
  • Temas sobre motores de inducción del sitio web Hyperphysics, alojado por CR Nave, del Departamento de Física y Astronomía de GSU.
  • Documentos de Cowern