motores asíncronos

Introducción
La gran mayoría de las máquinas están movidas por motores asíncronos, alimentados por corriente alterna trifásica. Este tipo de motor se impone en la mayoría de las aplicaciones por lo ventajoso del precio, por su robustez y su fácil mantenimiento.
Nos parece necesario revisar los principios de construcción y funcionamiento de este motor y luego describir y comparar los principales dispositivos de arranque, regulación de velocidad y frenado que le corresponde.
Generalidades
El motor asíncrono consta de dos partes distintas pero fundamentales:
El estator es la parte fija del motor. Está constituido por una carcasa en la que está fijada una corona de chapas de acero de calidad especial, provistas de ranuras. Los bobinados de sección apropiados están distribuidos en estas últimas y forman un conjunto de devanados que contienen tantos circuitos como fases de la red de alimentación.
El rotor es la parte móvil del motor. Está situado en el interior del estator, constituido por un apilamiento de chapas de acero, y forma un cilindro solidario con el árbol del motor. Entre los tipos más utilizados se distingue:
• rotor de jaula de ardilla (rotor en cortocircuito)
• rotor bobinado (rotor de anillos)
Rotor de jaula de ardilla (rotor en cortocircuito)
Rotor de jaula simple.
En los agujeros o en las ranuras dispuestas hacia el exterior del cilindro y paralelamente a su eje se disponen los conductores. Cada extremo de estos conductores se conecta a una corona metálica. El conjunto tiene el aspecto de una jaula de ardilla, de donde proviene el nombre de este tipo de rotor.
En determinados motores, la jaula de ardilla está enteramente moldeada.
Se suele utilizar el aluminio inyectado a presión; las aletas de refrigeración hechas en la misma operación hacen masa con el rotor.
Estos motores tienen un par de arranques relativamente pequeños y la intensidad absorbida en la puesta en tensión es muy superior a la intensidad nominal.
Rotor de jaula doble.
Este rotor contiene dos jaulas concéntricas, una exterior bastante resistente y otra interior de menos resistencia. Al principio del arranque, el flujo es de frecuencia elevada y las corrientes inducidas se oponen a su penetración en la jaula interior. El par producido por la jaula exterior resistente es grande y el paso de corriente reducido.
Cuando termina el arranque, la frecuencia disminuye en el rotor y el flujo penetra en la jaula interior más fácilmente.
El motor se comporta ahora como si fuera construido con una sola jaula poco resistente.
En régimen normal, la velocidad correspondiente al par nominal no es más que ligeramente inferior a la del motor de jaula simple.
El motor trijaula es igualmente utilizado; el par de arranque es aún más grande y la intensidad más pequeña.
Rotor bobinado (rotor de anillos)
En las ranuras realizadas en las chapas que constituyen el rotor se alojan devanados idénticos a los del estator. Generalmente el rotor es trifásico.
Un extremo de cada uno de los devanados está conectado a un punto común (acoplamiento estrella). Los extremos libres pueden estar conectados a un acoplador centrífugo o a tres anillos de cobre aislados y solidarios con el rotor.
Encima de los anillos se colocan las escobillas de grafito conectadas al dispositivo de arranque. En función del valor de las resistencias insertadas en el circuito rotórico, este tipo de motor puede alcanzar un par de arranque que se eleve a 2.5 veces el par nominal; la punta de intensidad en el arranque es sensiblemente igual a la del par.
Principio de funcionamiento
En el principio de funcionamiento de los motores asíncronos está basado en la producción de un campo magnético giratorio.
Consideremos el imán, movido por un artificio cualquiera, gira, el campo magnético producido gira igualmente y barre el disco.
Este es recorrido ahora por corrientes inducidas debidas a la rotación del campo magnético creado por el imán.
Estas corrientes reaccionan sobre el campo dando un par motor suficiente para vencer el par resistente debido a los rozamientos y provocar la rotación del disco.
El sentido de rotación, indicado por la ley de Lenz, tiende a oponerse a la variación del campo magnético que ha dado origen a las corrientes.
El disco es pues movido en el sentido del campo giratorio a una velocidad ligeramente inferior a la de éste (deslizamiento). Si el disco girase a la misma velocidad del campo (velocidad de sincronismo), no habría corrientes inducidas y el par ejercido sería nulo.
La velocidad del disco (o rotor) es inferior a la del campo giratorio y por eso este tipo de motor se llama “asíncrono”.
En los motores asíncronos trifásicos, el campo giratorio es producido por tres bobinados fijos, geométricamente decalados a 120º y recorridos por corrientes alternas con el mismo desfase eléctrico. La composición de los tres campos alternos producidos forman un campo giratorio de amplitud constante.
Caso del motor de jaula
Las barras metálicas que constituyen la jaula de ardilla están cortadas por el campo giratorio producido por el estator, lo que origina corrientes inducidas intensas.
Estas reaccionan sobre el campo giratorio dando un par motor que provoca la rotación de la jaula.
Caso del motor de anillos
Los devanados del rotor están acoplados mediante anillos y escobillas sobre una batería de tres resistencias regulables, montadas en estrella.
Cortados por el campo giratorio, los conductores que forman los devanados rotóricos producen corrientes inducidas que recorren la batería de resistencias.
Estas corrientes están casi en fase con las fuerzas electromotrices que los producen, el par de arranque es muy elevado y el rotor es desplazado en el sentido del campo giratorio.

Consecuencias de una variación de tensión o de frecuencia en un motor asíncrono
Aumento o disminucion de tensión
Velocidad
La velocidad de sincronismo no se modifica con la variación de tensión. En un motor en carga, un aumento de la tensión conlleva una disminución del deslizamiento y como consecuencia la velocidad. Este fenómeno es limitado por la saturación de la máquina. Por el contrario, si la tensión de alimentación decrece la velocidad también lo hará.
Par
El par es proporcional al cuadrado de la tensión, aumenta cuando la tensión es más elevada. Inversamente, disminuye considerablemente cuando la tensión es más débil. Si el motor ha sido calculado demasiado justo, puede no arrancar, o pararse con el riesgo de deteriorarse en caso de caída de tensión persistente.
Intensidad de arranque
Varía proporcionalmente a la tensión de alimentación: si es muy elevada, la intensidad absorbida al instante del arranque aumenta. Por el contrario, si la tensión disminuye, la intensidad de arranque disminuye. La intensidad en régimen permanente varía de forma análoga.
Aumento o disminucion de frecuencia
Velocidad
En un motor asíncronico, como hemos visto anteriormente, la velocidad de sincronismo es proporcional a la frecuencia.
Esta propiedad es frecuentemente utilizada para hacer funcionar a grandes velocidades los motores especialmente concebidos para una alimentación por ejemplo de 400 Hz (aparatos de laboratorio o quirúrgicos, etc.).
Es posible igualmente obtener una velocidad variable regulada por la frecuencia, por ejemplo de 6 a 50 Hz (cintas transportadoras, aparatos de elevación, etc.).
Par
A tensión constante el par es inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia. Si ésta aumenta, el par desarrollado por el motor disminuye considerablemente. A la inversa, si la frecuencia decrece, el par crece.
Intensidad de arranque
A tensión constante, la intensidad de arranque varía en sentido inverso a la frecuencia. De esta forma, aumenta si la frecuencia disminuye e inversamente.
En régimen permanente la intensidad es la misma. Estas variaciones de par y de corriente son generalmente molestas. En la práctica, para evitarlas, se aconseja variar la tensión de alimentación proporcionalmente a la frecuencia.
Arranque de los motores de jaula trifásicos
En la puesta en tensión de un motor, éste absorbe una gran intensidad de la red y puede, sobre todo si la sección de la línea de alimentación es insuficiente, provocar una caída de tensión susceptible de afectar el funcionamiento de los receptores. A veces esta caída de tensión es tal que es perceptible sobre los aparatos de alumbrado.
Para remediar estos inconvenientes, algunos sectores prohíben por encima de una ciertapotencia, la utilización de motores de inducción con arranque "directo", otros imponen en función de la potencia de los motores la relación entre la intensidad de arranque y la intensidad nominal.
El motor de jaula es el único que puede ser acoplado directamente a la red con un aparellaje sencillo.
Sólo los extremos de los devanados del estator tienen salida sobre la placa de bornes. Las características del rotor han sido determinadas de una vez para siempre por el constructor, los diversos procedimientos de arranque permiten hacer variar únicamente la tensión en las bornes del estator. En este tipo de motores la reducción de la punta de intensidad está acompañada de una fuerte reducción del par.
Arranque directo
Es un sistema de arranque obtenido en un solo tiempo; el estator del motor se acopla directamente a la red. El motor arranca con sus características naturales con una fuerte punta de intensidad. Este procedimiento es ideal si es tolerable la punta de intensidad y si el par inicial de arranque del motor (fijado por el tipo de construcción de su rotor y cerac de 1.5 Cn) es el conveniente para la puesta en marcha de la máquina.
La punta de intensidad, en la puesta en tensión, es muy elevada, del orden de 4 a 8 veces la intensidad nominal. El par durante el arranque es siempre superior al par nominal, sobre todo para motores modernos de jaulas complejas.
Es máximo cuando el motor alcanza el 80 % de su velocidad; en este momento, la punta de intensidad está considerablemente amortiguada.
Este dispositivo permite arrancar las máquinas incluso en plena carga, si la red admite la punta de corriente en el momento del arranque. Es pues indicado para las máquinas de pequeña y mediana potencia.
Sin embargo, el par en el momento de la puesta en tensión es cerca de 1.5 Cn. Este procedimiento no está recomendado si el arranque debe hacerse lenta y progresivamente (determinados montacargas, cintas transportadoras, etc.).
Si es necesario, para un motor de jaula reducir la punta de intensidad en la puesta en tensión o el par inicial de arranque, es preciso recurrir a un dispositivo que permita alimentar a lo largo del primer tiempo el estator del motor con tensión reducida.
Para una velocidad dada, la corriente de un devanado del motor se reduce proporcionalmente a la tensión y el par proporcionalmente al cuadrado de la tensión.
Arranque de los motores de arrollamientos partidos "part-winding"
Este tipo de motor lleva un arrollamiento estatórico desdoblado en dos arrollamientos paralelos, con seis o doce bornes de salida. Es equivalente a dos "semi-motores", de igual potencia.
Al acoplar el primer arrollamiento a la red de alimentación, el "semi-motor" arranca en vivo y directo con toda la tensión de la red, esto hace que la corriente de arranque y el par sea la mitad. Este último es algo superior al par que obtendría un motor de jaula de la misma potencia arrancándolo en estrella-triángulo.
Al finalizar el arranque, se conecta el segundo arrollamiento a la red. En este momento, la punta de intensidad es débil y de corta duración, puesto que el motor no ha sido separado de la red de alimentación y hay un débil deslizamiento.
Arranque estrella- triángulo
Este arranque sólo puede ser aplicado a los motores en los que los dos extremos de los tres devanados del estator tengan salida sobre la placa de bornes y en los que el acoplamiento en triángulo corresponda a la tensión de la red (por ejemplo, para la red de 380 V, es necesario un motor con 380 V en triángulo y de 660 V en estrella).
Este procedimiento consiste en arrancar el motor conectando sus devanados en estrella. Estos se encuentran entonces alimentados con una tensión igual a la de la red dividida por la raíz de 3 o sea a un 58% de la tensión nominal.
El par se reduce con relación al cuadrado de la tensión de alimentación y es igual al tercio del par proporcionado por un motor en arranque directo.
La corriente en la línea de alimentación se reduce en la misma proporción.
La intensidad en cada devanado decrece únicamente en relación a 0.58, pero este valor no tiene por qué considerarlo el usuario. Los típicos valores iníciales son para la corriente 2 In y para el par 0.5 Cn.
El arranque estrella-triángulo es el indicado para aquellas máquinas que arranquen en vacío o tengan un par resistente pequeño. En el segundo tiempo, se suprime el acoplamiento en estrella y se acoplan los devanados en triángulo.
Cada devanado entonces está alimentado con la tensión de la red; el motor recupera sus características naturales.
El par motor es pequeño durante todo el acoplamiento estrella y la velocidad estabilizada al final de este tiempo, puede ser muy baja si el par resistente es elevado (por ejemplo: caso de una máquina centrífuga).
Aparecen entonces puntas importantes de corriente y de par al pasar de estrella a triángulo. Estas condiciones pueden conducir a renunciar el arrancador estrella-triángulo para máquinas de características "centrífugas", sobre todo más allá de una determinada potencia (por ejemplo: 55 kW).
Por otra parte, es preciso señalar que la corriente que atraviesa los devanados del motor es discontinua; en efecto, es interrumpida en el momento de la apertura del contactor "estrella" para restablecerse de repente cuando cierra el contactor " triángulo" (con plena tensión de la red).
Siendo las características de estos devanados muy inductivas, el paso al acoplamiento en triángulo se acompaña de puntas de corrientes transitorias muy importantes. A partir de una cierta potencia es aconsejable, bien renunciar al acoplamiento estrella-triángulo o bien utilizar una variante que permita limitar los fenómenos transitorios.
Entre estas variantes:
Estrella- triángulo con temporización en el paso estrella triángulo.
Necesita una máquina con par resistente muy pequeño y con inercia suficiente para evitar una baja de velocidad notable durante la temporización ( en general de 1 a 2 segundos).
Arranque en tres tiempos: estrella-triángulo + resistencia triángulo.
El corte subsiste, pero una resistencia se intercala en serie con los devanados acoplados en triángulo, aproximadamente durante 3 segundos.
Arranque "estrella-triángulo sin corte"
La resistencia destinada a encontrarse temporalmente en serie con el acoplamiento triángulo es conectada inmediatamente antes de la apertura del contactor estrella, con el fin de evitar toda interrupción del circuito.
El estudio detallado de estas variantes se sale fuera del propósito de esta presentación.
Arranque estatórico por resistencias
La alimentación a tensión reducida del motor, durante el primer tiempo se obtiene poniendo en serie con cada fase del estator una resistencia que es cortocircuitada luego en un solo tiempo. Los acoplamientos eléctricos de los devanados respecto a la red no se modifican durante el arranque, la intensidad de arranque que recorre la línea de alimentación se reduce proporcionalmente a la tensión aplicada al motor, mientras que el par se reduce como el cuadrado de la tensión.
La velocidad va aumentando progresivamente y sin cambios bruscos. Por otra parte es posible modificar los valores de la intensidad y del par de arranque adaptando la resistencia.
El arranque estatórico por resistencia es conveniente para realizar el arranque de las máquinas con par resistente creciente o cerca de la mitad del par nominal e incluso en las máquinas potentes y de gran inercia. La presencia de una importante resistencia prácticamente no inductiva, reduce considerablemente la amplitud de la punta de corriente, durante el régimen transitorio de puesta en tensión, lo que a menudo es una ventaja.
Arranque de los motores de anillos
Un motor de anillos no puede arrancar en un tiempo, devanados rotóricos cortocircuitados, sin provocar puntas de par y de corriente inadmisibles. Es necesario que al mismo tiempo que se alimenta el estator a plena tensión de la red, se introduzcan resistencias rotóricas que se verán progresivamente cortocircuitadas.
El motor de anillos, con un arranque rotórico, se utiliza en todos los casos donde las puntas de corriente deben ser mínimas y en todas las máquinas que arranquen a plena carga.
Por otra parte, este tipo de arranque es extremadamente flexible, proque es fácil de ajustar el número y el aspecto de las curvas que representan los tiempos sucesivos, a los imperativos mecánicos o eléctricos.
Regulacion de la velocidad de los motores asíncronos trifásicos
Velocidad de los motores asíncronos
La velocidad en vacío de los motores asíncronos, no está influenciada por las variaciones de tensión, pero es proporcional al número de polos que constituyen el estator.
N=60f/p
N: velocidad de sincronismo en r.p.m.
f: frecuencia en ciclos/sg
p: número de pares de polos
Esto no significa que es posible, por ejemplo, hacer girar sin inconvenientes un motor concebido para una determinada tensión y una velocidad de 1.500 r.p.m. a 50Hz a 3.000 r.p.m. a 100 Hz adaptando la tensión, conviene verificar si su concepción mecánica y eléctrica lo permiten.
Teniendo en cuenta el deslizamiento (diferencia entre el campo giratorio del estator y la real del motor), las velocidades de rotación de los motores asíncronos en carga son ligeramente inferiores a las teóricas.
Motores de polos conmutables
Esta clase de motores sólo permite la obtención de dos velocidades (4 y 8 polos, 6 y 12, etc), contiene 6 bornes.
En función de sus características, los motores pueden ser de potencia constante, par constante o de par y potencia variables. Para una de las velocidades, la red está conectada a las 3 bornes correspondientes, para la segunda, éstas están unidas entre sí y la red conectada a las otras 3.
A menudo el arranque se efectúa directamente tanto en gran velocidad como en pequeña velocidad.
Motores de devanados estatóricos independientes
Este tipo de motores contiene dos arrollamientos estatorícos eléctricamente independientes que permite obtener dos velocidades en una relación cualquiera.
Es igualmente posible la realización de motores de tres o cuatro velocidades, combinando motores de polos conmutables y devanados independientes.
Regulación de velocidad por deslizamiento en motores de anillos
La conexión de una resistencia permanente sobre el rotor de un motor de anillos reduce su velocidad tanto más, cuanto más elevada sea la resistencia. Esta es una solución sencilla para hacer variar la velocidad.
Estas resistencias de deslizamiento pueden ser cortocircuitadas en varias etapas, tanto para obtener una regulación de la velocidad como una aceleración progresiva y el arranque completo del motor.
Este procedimiento muy sencillo es frecuentemente utilizado. Presenta dos inconvenientes:
Durante la marcha en pequeña velocidad una gran parte de la energía tomada de la red se disipa en pérdidas en las resistencias. La velocidad obtenida no es independiente de la carga, es decir del par resistente aplicado por la máquina sobre el árbol del motor.
Para máquinas con variación particular del par resistente en función de la velocidad, la regulación puede resultar imposible.
Frenado de los motores asíncronos trifásicos
Frenado por contra corriente
El principio consiste después de haber aislado el motor de la red, aunque gira todavía, en conectarlo a la red, pero en sentido inverso. Es una forma de frenado muy eficaz que debe ser desconectado antes de que el motor gire en sentido inverso. Antes de adoptar este sistema, es absolutamente necesario asegurarse de que el motor es capaz de soportar los frenados por contracorriente. En el momento del frenado, las puntas de corriente y de par son bastante superiores a las producidas durante el arranque. Este procedimiento no es adecuado más que en determinadas aplicaciones de pequeña potencia.

Frenado por inyección de corriente continúa
Este procedimiento consiste en inyectar corriente continua en el estator previamente separado de la red.
Esta corriente crea un flujo fijo en el espacio. Para que el valor de este último corresponda a un frenado conveniente, la corriente debe ser aproximadamente 1,3 veces la intensidad.
El valor de esta corriente está fijado sólo por los devanados del estator y la tensión de la fuente de corriente es pequeña (por ejemplo 20 voltios).