MOTOR DE INDUCCIN MAQUINAS ELCTRICAS II Universidad politcnica salesianaCuestionario sobre motores de induccinCaptulo 7Edison Guamn Vzquezeguamanv@est.ups.edu.ecLeonardo Sarmiento Moscoso lsarmiento@est.ups.edu.ecFelipe Quevedo vila lquevedo@est.ups.edu.ecI. Preguntas 7.1. Qu son deslizamiento y velocidad de deslizamiento en un motor de induccin?El movimiento relativo es el deslizamiento, el cual es la velocidad relativa expresada sobre una base en por unidad o en porcentaje. El deslizamiento est definido como:

La velocidad de deslizamiento, definida como la diferencia entre la velocidad sincrnica y la velocidad del rotor: Dnde: 7.2. Cmo desarrolla el par un motor de induccin?El movimiento relativo del rotor con respecto al campo magntico del estator produce voltaje inducido en una barra del rotor. La velocidad de las barras de la parte superior del rotor, en relacin al campo magntico, es hacia la derecha de modo que el voltaje inducido en alas barras superiores es hacia afuera, mientras que el voltaje inducido en las barras inferiores es hacia adentro de la pgina. Esto produce un flujo de corriente hacia afuera en las barra superiores, y hacia adentro en las inferiores. Sin embargo el flujo de corriente del rotor produce un campo magntico del rotor . Finalmente, puesto que el para inducido en la maquina est dado por:

Y su direccin est en sentido contrario al de las manecillas del reloj y el rotor se acelera en esta direccin.

Figura 1: Desarrollo del par inducido en un motor de induccin. a) El campo rotacional del estator , induce voltaje en las barras del rotor; b) el voltaje del rotor produce un flujo de corriente en el rotor que atrasa el voltaje debido a la inductancia del mismo; c) la corriente del rotor produce un campo magntico en el rotor que est a 90 detrs de ella, y interacta con para producir en la maquina un par en sentido contrario a las manecillas del reloj.7.3. Por qu es imposible que un motor de induccin opere a velocidad sincrnica?Existe un lmite superior finito para la velocidad del motor. Si el rotor del motor de induccin estuviera rotando a la velocidad sincrnica, las barras del rotor serian estacionarias con respecto al campo magntico y no habra voltaje inducido. Si fuera igual a 0, no habra corriente en el rotor ni tampoco campo magntico retrico. Sin campo magntico retrico, el par inducido seria cero y el rotor se frenara como resultado de las perdidas por rozamiento. En consecuencia, un motor de induccin puede acelerar hasta una velocidad cercana a la de sincronismo pero nunca puede alcanzarla par completo.En operacin normal, los campos magnticos del rotor y el estator y rotan conjuntamente a velocidad sincrnica mientras que el rotor en si gira a una velocidad menor.7.4. Qu es un rotor de jaula de ardilla de barra profunda? Para qu se utiliza? Qu clase(s) de diseo NEMA se puede(n) construir con l?

Figura 2: DISEO NEMA CLASE B-BARRAS RETORICAS GRANDES Y PROFUNDAS Los diseos previos de rotores son similares en esencia a los de motores con rotor devanado con un conjunto de resistencia retrica. Cmo se puede producir una resistencia retrica variable para combinar un alto par de arranque y baja corriente de arranque del diseo clase D con el bajo deslizamiento de operacin normal y la alta eficiencia del diseo clase A?Es posible producir una resistencia retrica variable utilizando barras retricas profundas o rotores de doble jaula. En la figura 1 se ilustra el concepto bsico con un rotor de barra profunda. La figura 2a muestra una corriente que fluye a travs de la parte superior de una barra de rotor de barra profunda. Puesto que la corriente que fluye en esa rea est estrechamente acoplada al estator, la inductancia de dispersin es pequea en esa regin. La figura 3 muestra la comente que fluye en la parte ms profunda de la barra. Aqu, la inductancia de dispersin es ms alta. Puesto que todas las partes de la barra del rotor estn elctricamente en paralelo, la barra representa una serie de circuitos elctricos en paralelo, de los cuales los de la parte superior tienen menor inductancia y los de la parte inferior, mayor inductancia (Figura C). Diseo clase A Diseo clase B Diseo clase C Diseo clase D Diseo clase F

Figura 3: flujo disperso en un rotor de barra profunda a) para un corriente que fluye en la parte superior de la barra, el flujo est fuertemente ligado al estator, y la inductancia de dispersin es pequea b) para la corriente e que fluye en la parte inferior de la barra, el flujo esta dbilmente ligada al estator y la inductancia de dispersin es grande, c) el circuito equivalente resultante de la barra del rotor como funcin de la profundidad en el rotor.7.5. .Que es un rotor de doble jaula de ardilla? Para qu se utiliza? Qu clase(s) de diseo NEMA se puede(n) construir con l?En el circuito equivalente del motor de induccin, la reactancia X2 representa en forma referida, la reactancia de dispersin del rotor. Recurdese que la reactancia de dispersin es la reactancia debida a las lneas de flujo del rotor que no se acoplan con los devanados del estator. En general cuanto ms lejana del estator se encuentre una barra del rotor o parte de la barra, mayor es su reactancia de dispersin puesto que ser menor el porcentaje del flujo de la barra que llegara al estator. Entonces, si las barras de un rotor de jaula de ardilla se colocan cerca de la superficie del rotor, tendrn tan solo un pequeo flujo disperse y la reactancia X2 ser pequea en el circuito equivalente. Por otra parte, si las barras del rotor se colocan profundas dentro de la estructura del rotor, habr ms dispersin y la reactancia X del rotor ser mayor.Es posible producir una resistencia retrica variable utilizando barras retoricas profundas o rotores de doble jaula. Puesto que la corriente fluye a travs de la parte superior de una barra de rotor de barra profunda.a) DISEO CLASE A.

Figura 4: DISEO NEMA CLASE A-GRANDES BARRAS CERCA DE LA SUPERFICIE Los motores de diseo clase A son de diseo estndar: con un par de arranque normal, corriente de arranque normal y bajo deslizamiento. El deslizamiento a plena carga de los motores de diseo clase A debe ser menor de 5% y menor que el del motor de tamao equivalente de diseo clase B b) DISEO CLASE B. Los motores de diseo clase B tienen par de arranque normal, baja comente de arranque y bajo deslizamiento. Este motor produce casi el mismo par de arranque que el motor de clase A con cerca de 25% menos comente. El par mximo es mayor o igual a 200% del par de carga nominal, pero menor que el del diseo clase A, debido al aumento de la reactancia del rotor.El deslizamiento del rotor es relativamente bajo (menor del 5%), aun a plena carga.c) DISEO CLASE C. Los motores de diseo clase C tienen alto par de arranque con bajas corrientes de arranque y bajo deslizamiento (menos de 5%) a plena carga. El par mximo es un poco menor que el de los motores de clase A, mientras que el par de arranque es hasta 250% del par de plena carga.

Figura 5: DISEO NEMA CLASE C-ROTOR DE DOBLE JAULA d) DISEO CLASE D. Los motores de diseo clase D tienen alto par de arranque (275% o ms del par nominal) y una baja corriente de arranque, pero tambin tienen alto deslizamiento a plena carga. En esencia son motores de induccin de clase A comunes, pero las barras del rotor son ms pequeas y la resistencia del material es ms elevada.

Figura 6: DISEO NEMA CLASE D- PEQUEAS BARRAS CERCA DE LA SUPERFICIE7.6. Describa las caractersticas y usos de los motores de induccin de rotor devanado y de cada clase NEMA de diseo de motores de jaula de ardilla. DISEO CLASE A. Los motores de diseo clase A son de diseo estndar: con un par de arranque normal, corriente de arranque normal y bajo deslizamiento. El deslizamiento a plena carga de los motores de diseo clase A debe ser menor de 5% y menor que el del motor de tamao equivalente de diseo clase B. El par mximo equivale a entre 200 y 300% del par de plena carga y ocurre a un bajo deslizamiento (menor de 20%). El par de arranque de este diseo equivale por lo menos, al nominal de los motores grandes y es 200% o ms del par nominal de los motores pequeos. El problema principal de esta clase de diseo es la extremadamente alta corriente de irrupcin en el arranque. Los flujos de corriente en el arranque equivalen a entre 500 y 800% de la corriente nominal. Si la potencia sobrepasa 7.5 hp, se debe utilizar alguna forma de voltaje reducido en el arranque de estos motores, para evitar problemas de cada de voltaje en el sistema de potencia al cual se hallan conectados. En el pasado, los motores de diseo clase A fueron de diseo estndar para la mayora de las aplicaciones que no sobrepasaban 7.5 hp y hasta cerca de 200 hp, pero han sido remplazados por motores de diseo clase B en los ltimos aos. Estos motores se utilizan en ventiladores, sopladores, bombas, tomos y otras mquinas herramientas. DISEO CLASE B. Los motores de diseo clase B tienen par de arranque normal, baja comente de arranque y bajo deslizamiento. Este motor produce casi el mismo par de arranque que el motor de clase A con cerca de 25% menos comente. El par mximo es mayor o igual a 200% del par de carga nominal, pero menor que el del diseo clase A, debido al aumento de la reactancia del rotor.El deslizamiento del rotor es relativamente bajo (menor del 5%), aun a plena carga. La aplicaciones son similares a las de los motores de diseo clase A, pero los de diseo clase B son preferidos debido a que requieren poca comente de arranque. Los motores de diseo clase B han remplazado ampliamente a los motores de diseo clase A en las nuevas instalaciones. DISEO CLASE C. Los motores de diseo clase C tienen alto par de arranque con bajas corrientes de arranque y bajo deslizamiento (menos de 5%) a plena carga. El par mximo es un poco menor que el de los motores de clase A, mientras que el par de arranque es hasta 250% del par de plena carga. Estos motores son construidos con rotores de doble jaula; por tanto, son ms costosos que los motores de las clases ya indicadas. Se utilizan para cargas con alto par de arranque como bombas, compresor y transportador. DISEO CLASE D. Los motores de diseo clase D tienen alto par de arranque (275% o ms del par nominal) y una baja corriente de arranque, pero tambin tienen alto deslizamiento a plena carga. En esencia son motores de induccin de clase A comunes, pero las barras del rotor son ms pequeas y la resistencia del material es ms elevada. La alta resistencia del rotor desplaza el par mximo hacia una velocidad muy baja. Tambin es posible que el par mximo ocurra a velocidad cero (100% de deslizamiento). En estos motores, el deslizamiento a plena carga es bastante alto debido a la alta resistencia retrica. Esta tpicamente entre 7 y 11 %, pero puede llegar a 17% o ms. Estos motores se utilizan en aplicaciones que requieren acelerar cargas de inercias muy altas, en especial grandes volantes utilizados en troqueladoras o en cortadoras. En tales aplicaciones, estos motores aceleran un gran volante de modo gradual hasta alcanzar su plena velocidad, que luego se trasmite a la troqueladora. Despus de la operacin de troquelado, el motor re acelera el volante durante un moderado tiempo hasta la prxima operacin.Adems de estas cuatro clases de diseo, la NEMA reconoci las clases de diseo E y F que fueron llamados motores de induccin de arranque suave.7.7. Por qu la eficiencia de un motor de induccin (de rotor devanado o de jaula de ardilla) es tan pobre a altos deslizamientos?El mayor esfuerzo de diseo se dirigi a reducir el costo inicial de los materiales de las maquinas, no a aumentar su eficiencia. Esta orientacin del diseo se debi a que la electricidad no era tan costosa; en consecuencia, el costo directo del motor era el criterio principal utilizado por los compradores para elegir.Estas tcnicas son: Se utiliza ms cobre en los devanados del estator, para reducir las prdidas en el cobre. Las longitudes de los ncleos del rotor y del estator se incrementan para reducir la densidad de flujo magntico en el entrehierro de la mquina. Esto reduce la saturacin magntica de la mquina y disminuye las perdidas en el ncleo. Se utiliza ms acero en el estator de la mquina, lo cual permite transferir mayor cantidad de calor hacia fuera del motor y reducir su temperatura de operaci6n. El ventilador del rotor se redisea para reducir las prdidas por rozamiento con el aire. En el estator se utiliza acero especial de alto grado elctrico y bajas perdidas por histresis. El acero, de muy alta resistividad interna, se lamina en calibres especialmente delgados (esto es, las lminas se ubican muy juntas unas de otras). Ambos efectos tienden a reducir las corrientes parsitas en el motor. El rotor es maquinado cuidadosamente para producir un entrehierro uniforme que reduce las perdidas dispersas en el motor.7.8. Enumere y describa cuatro medios para controlar la velocidad de los motores de induccin.1. CONTROL DE VELOCIDAD DEL MOTOR MEDIANTE EL CAMBIO DE POLOS. Existen dos mtodos para cambiar el nmero de polos en un motor de induccin Mtodo de polos consecuentes.- Se basa en el hecho de que le nmero de polos en los devanados de un motor de induccin se puede cambiar con facilidad en relacin 2:1 con solo efectuar simples cambios en la conexin de las bobinas.Devanado de estatores mltiples.- La mayor desventaja del mtodo de polos consecuentes para cambiar la velocidad es que las velocidades deben estar en relacin 2:1, para superar esta limitacin se emplean estatores de devanados mltiples con diferente nmero de polos, de los cuales solo se energizaba uno en cada oportunidad.

Figura 7: DEVANADO ESTATRICO DE DOS POLOS PARA CAMBIO DE POLOS. NTESE EL PASO TAN PEQUEO EN EL ROTOR DE ESTOS DEVANADOS.2. CONTROL DE VELOCIDAD MEDIANTE EL CAMBIO DE LA FRECUENCIA DE LA LNEA. Si se cambia la frecuencia elctrica aplicada al estator de un motor de induccin, la velocidad de sus campos magnticos nsinc. Cambiar en proporcin directa al cambio de frecuencia elctrica y el punto de vacio sobre la curva caracterstica par-velocidad cambiara con ella. La velocidad sincrnica del motor en condiciones normales se la conoce como velocidad de base. Utilizando control de frecuencia variable es posible ajustar la velocidad del motor por encima o por debajo de la velocidad base.Un diseo adecuado de un control de velocidad de un motor de induccin puede ser diseado que va desde un rango desde el 5 % de la velocidad base hasta cerca del doble de esta, para esto es sumamente importante tener criterio sobre ciertos lmites sobre el voltaje y par sobre el motor cuando vara la frecuencia.3. CONTROL DE VELOCIDAD MEDIANTE CAMBIO DE VOLTAJE DE LNEA. El par desarrollado por un motor de induccin es proporcional al cuadrado del voltaje aplicado. La velocidad del motor puede ser controlada en un rango limitado, variando el voltaje de la lnea, este mtodo de control de velocidad se utiliza a veces para manejar pequeos motores de ventilacin.4. CONTROL DE VELOCIDAD MEDIANTE CAMBIO DE LA RESISTENCIA DEL ROTOR. Es posible cambiar la forma de la curva par-velocidad insertando resistencias extras en el circuito del rotor de la mquina, al cambiar la resistencia en el rotor varia la velocidad de operacin del motor sin embargo la insercin de las resistencias extras en el motor reduce en una gran cantidad la eficiencia de la mquina. Por tal razn solo se lo utiliza en periodos cortos.7.11. Por qu es necesario reducir el voltaje aplicado a un motor de induccin cuando se reduce la frecuencia elctrica?Hoy en da para el control de la velocidad de los motores de induccin es el controlador de frecuencia variable de estado slido, este tipo de variadores puede tener una entrada monofsica o trifsica de 50 o 60 Hz, y puede tener un voltaje cualquiera que va desde 208 a 230 V. y la salida puede estar desde 0 a 120 Hz. Y el voltaje puede ser variado desde 0 hasta el voltaje nominal del motor.Tanto el voltaje como la frecuencia de salida pueden ser controladas mediante la modulacin del ancho de pulso. Es importante variar linealmente la frecuencia de salida y el voltaje rms de salida. Al disminuir la frecuencia aparece un incremento del flujo magntico, la cual afecta directamente al flujo de corriente. 7.12. Por qu el control de velocidad por variacin del voltaje en los terminales est limitado en el rango de operacin?Debido a que muchas cargas requieren un par muy pequeo en el arranque es decir que requieren una marcha a una baja velocidad, tiene pares que aumentan con el cuadrado de la velocidad. Otras cargas podran exigir ms al motor en el arranque y se necesitara ms que el par nominal en plena carga para poderlo poner en movimiento.El voltaje de salida cambia linealmente con los cambios en la frecuencia de salida para velocidades inferiores a la velocidad de base y se mantiene constante el voltaje para velocidades superiores a la de la base.Los modelos que tienen pares de arranque altos tambin ocurre el mismo fenmeno es decir el voltaje de salida varia linealmente con la frecuencia para el caso de que la salida se inferior a la velocidad de la base y de igual manera se mantiene constante en el caso de tener la misma velocidad de la base.

7.14. Cmo trabaja un circuito resistivo de arranque en un motor de induccin?Una forma de reducir la corriente de arranque es insertar en la lnea de potencia inductancias o resistencias extras durante el arranque. Aunque esta tcnica antes era muy comn en la actualidad no es muy usada. Esta consiste en reducir el voltaje en los terminales del motor durante el arranque utilizando autotransformadores para ello.Es importante aclarar que mientras la corriente de arranque se reduce en proporcin directa a la disminucin del voltaje en los terminales, el par de arranque disminuye con el cuadrado del voltaje aplicado, entonces solo puede reducirse cierta cantidad si el rotor va a arrancar con cierta cantidad de carga. 7.15. Qu informacin se deduce de una prueba de rotor bloqueado? En esta prueba se bloquea el rotor de tal forma que no se pueda mover, se aplica voltaje al motor y se mide el voltaje, la corriente y la potencia resultante, estos datos son la corriente, potencia y voltaje que se encuentra fluyendo hacia el motor.Casi toda la corriente de ingreso fluir por el motor debido a que se encuentra bloqueado el estator.Este tipo de prueba presenta una complicacin con la frecuencia del rotor debido a que este depende directamente de la frecuencia de la lnea ya que esta se encuentra en un rango del 2 a 4 Hz y esto ocasiona un verdadero problema ya que en condiciones normales de operacin no est representado con la frecuencia normal de su funcionamiento.El flujo de corriente es ajustado con rapidez cerca de su valor nominal y con esto podemos medir la potencia, el voltaje y la corriente de entrada antes que el rotor se caliente demasiado. 7.16. Qu informacin se deduce de una prueba de vaco?Una prueba a vacio mide las perdidas rotacionales del motor y suministra informacin sobre la corriente de magnetizacin.Los vatmetros, un voltmetro y 3 ampermetros se conectan al motor de induccin al cual se permite girar libremente, la nica carga puesta sobre el rotor es su propio rozamiento o con el aire, de tal manera que la potencia consumida por el motor solo son la perdidas mecnicas y el deslizamiento del motor es muy pequeo.La potencia medida por los vatmetros debe ser igual a las perdidas en el motor, las perdidas en el cobre del rotor son despreciables debido a que la corriente es demasiada pequea y por lo tanto pueden ser despreciables. 7.17. Qu acciones se emprenden para mejorar la eficiencia de los motores de induccin modernos de alta eficiencia? Se utiliza ms cobre en los devanados del estator, para reducir las prdidas en el cobre. Las longitudes del rotor y del estator se incrementan para reducir la densidad de flujo magntico en el entrehierro de la mquina, esto reduce la saturacin magntica de la mquina. Se utiliza ms acero en el estator de la maquina la cual permite transferir mayor cantidad de calor de la maquina hacia afuera del motor. En el estator se utiliza acero especial de alto grado elctrico y bajas perdidas por histresis. El acero es de muy alta resistividad interna, esto ayuda a reducir las corrientes parasitas en el motor. El rotor es maquinado cuidadosamente para producir un entrehierro uniforme que reduce las perdidas dispersas en el motor. 7.18. Qu controla el voltaje en los terminales de un generador de induccin que opera aisladamente?Cuando se pone a girar por primera vez un generador de induccin, magnetismo residual en su circuito de campo origina un pequeo voltaje que produce un flujo de corriente capacitiva que a su vez aumenta el voltaje e incrementa la corriente capacitiva, y as sucesivamente hasta que el voltaje queda establecido del todo, si no hay flujo residual presente en el rotor de la mquina.Uno de los mayores problemas de esto generadores es que su voltaje varia ampliamente con los cambios de su carga, en especial con la carga reactiva. En el caso de carga inductiva el voltaje cae con mucha rapidez. Esto ocurre debido a que los condensadores fijos deben suministrar toda la potencia reactiva necesitada tanto por el generador como por la carga, y cualquier potencia reactiva desva mayor cada en el voltaje del generador. 7.19. En qu aplicaciones se usa tpicamente lo generadores de induccin? El generador de induccin es muy til debido a que requieren un mnimo mantenimiento o control. Son muy favorables para. Molinos de viento. Ya que estos estn diseados para operar en paralelo con grandes sistemas de potencia. La recuperacin de energa llego a ser parte de la economa de la mayora de los procesos industriales. 7.20. Cmo puede utilizarse un motor de induccin de rotor devanado con variador de frecuencia?Se cambia la frecuencia elctrica aplicada al estator de un motor de induccin, la velocidad de rotacin de sus campos magnticos cambiara en proporcin directa al cambio de frecuencia elctrica y el punto de vacio cambiara junto con ella.Con el control de frecuencia es posible ajustar la velocidad del motor por encima o por debajo del valor base.Un controlador de frecuencia variable para motores de induccin, diseado adecuadamente puede ser muy flexible y as poder controlar la velocidad de un motor de induccin sobre un rango de velocidad, siempre debemos tener presente ciertos lmites de voltaje y par sobre el motor cuando varia la frecuencia para asegurar una frecuencia confiable.7.21. Describa los principales rasgos de los controladores de estado slido para motores de induccin, relacionados en la seccin 7-10.Ajuste de frecuencia del controlador puede mejorarse manualmente desde un control montado en el gabinete o desde un control remoto mediante una seal de voltaje o corriente externa. Esto nos permite que un controlador o computador externo pueda controlar la velocidad de acuerdo a las necesidades de la planta en la cual se ha instalado.Los modelos de voltaje y frecuencia, algunas cargas aumentan su par a medida que aumenta su velocidad, este controlador suministra una variedad de modelos de voltaje contra frecuencia que se pueden seleccionar para que el par del motor coincida con el requerido por su carga.Rampas de aceleracin y desaceleracin ajustables independientemente, el controlador que la maneja cambiara la frecuencia para llevar al motor a la nueva velocidad si el cambio de frecuencia es repentino.Proteccin del motor, tiene incorporado una serie de elementos para poder proteger al motor que se acopla, este controlador puede detectar corrientes excesivas de estado estacionario, corrientes excesivas, condiciones de sobre-voltaje o bajo voltaje.7.23. Se fabrican dos motores de induccin de 180 V, 100hp. Uno de ellos es diseado para operar a 50Hz y el otro a 60Hz; en los dems son similares. Cul de estas dos mquinas es ms grande?Las dos mquinas tienen las mismas dimensiones. Esto se debe a que ninguna de las dos mquinas depende de la frecuencia en lo que se refiere a sus dimensiones o tamao. La frecuencia infiere en la velocidad, el flujo, el voltaje ms no en las dimensiones del motor. 7.24. Un motor de induccin gira en condiciones nominales. Si se incrementa la carga al eje. Cmo cambia las siguientes magnitudes?1. Velocidad mecnica La velocidad mecnica cambia medida que vara la carga es decir que si la carga disminuye la velocidad aumenta casi hasta la del sincronismo pero nunca llega a una velocidad sincrnica.Mientras que si la carga aumenta la velocidad del motor disminuye a medida que este tambin lo hace.1. DeslizamientoAumentar, pues la velocidad mecnica ser menor que antes mientras que la velocidad de los campos magnticos intentar mantenerse sin variacin.1. Voltaje inducido en el rotorTiende a aumentar para aumentar el torque que se entrega a la carga, hasta un lmite en el cual disminuye por sobrecorriente.1. Corriente de rotorAumenta sin lmite mientras la carga tambin aumenta, por lo que el motor puede quemarse.1. Frecuencia del rotorSegn la frmula:

La frecuencia disminuye para poder aumentar la corriente para entregar un mayor par a la carga.1. Prdidas en el cobre del rotorAumenta pues la corriente que circula por el mismo tambin aumenta.1. Velocidad sincrnicaNo sufre variacin.5. 6. 5. REFERENCIAS[1] Libro Mquinas elctricas, autor Steven Chapman, captulo 1, tercera edicin.3

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