El motor asincrónico es una máquina de corriente alterna, sin colector, de la que solamente una parte, el rotor o el estator, está conectada a la red y la otra parte trabaja por inducción siendo la frecuencia de las fuerzas electromotrices inducidas proporcional al resbalamiento.
La elección de un motor de cualquier tipo para una determinada instalación requiere el conocimiento de dos conjuntos de características, las del motor y las de la instalación, algunas necesarias porque están impuestas, y no pueden ser elegidas arbitrariamente, otras en cambio pueden ser seleccionadas entre un conjunto de posibles.
Para adoptar efectivamente el motor se deben tener en cuenta las exigencias de la instalación donde se lo va a utilizar, considerando que como el motor tendrá ciertos límites, estos no deberán ser superados; por otra parte el motor con sus características propias, impondrá a la instalación ciertos requerimientos, que esta deberá satisfacer.
Como orientación para la elección de un motor con relación a las características de la instalación y del motor, se deberán considerar los siguientes aspectos:
1) Condiciones del ambiente y características de ventilación y protección
2) Condiciones de acoplamiento y características de transmisión y de la forma constructiva
3) Condiciones de alimentación, de arranque, y conexión del arrollamiento
4) Condiciones de servicio y características electromecánicas diversas, siendo de fundamental importancia las siguientes:
· polaridad (definida por la frecuencia y la velocidad) pudiendo clasificarse en motores de polaridad simple y motores de polaridad múltiple (velocidad única o varias velocidades).
· tipo de rotor (definido por las condiciones requeridas durante el arranque) que puede ser en cortocircuito (motores de jaula simple, profunda o de doble jaula) o de rotor bobinado.
5) Condiciones de orden económico (costo), características de rendimiento (gastos de funcionamiento), seguridad (de la cual dependen los daños económicos como consecuencia de la salida de servicio de la instalación) y durabilidad (de la cual depende la frecuencia con que se repiten los gastos de mantenimiento).
Estas condiciones se deben relacionar con otras correspondientes a la instalación y deben ser referidas no solamente al motor sino al conjunto constituido por el motor, los aparatos de maniobra, protección, control y la máquina accionada.
Son aquí aplicables las condiciones normales de servicio que han sido examinadas en un capítulo dedicado a las máquinas rotantes, y a continuación se hacen algunos comentarios particulares que corresponden a los motores asincrónicos.
Los motores pueden ser de jaula simple, profunda, doble, o de rotor bobinado, los primeros en general se prefieren por razones de simplicidad, solidez y costo.
Los motores de jaula simple se pueden clasificar en motores de jaula de baja resistencia y motores de jaula de alta resistencia.
La Figura 5.1 muestra los diagramas característicos de par y de corriente en función de la velocidad con tensión nominal, para motores asincrónicos (Cn, In son el par y corriente correspondientes a la carga nominal).
Los motores con jaula de baja resistencia tienen respecto a los motores con jaula de alta resistencia corrientes de arranque más elevadas y resbalamientos más bajos (en condiciones de marcha) y presentan una característica de par en función de la velocidad con el valor máximo cercano a la velocidad sincrónica, mientras que en los motores con jaula de alta resistencia el par máximo se encuentra cercano al arranque.
Los primeros (de baja resistencia) se comportan bien para funcionamiento en servicio continuo con un número de arranques y frenados limitado y con arranques de breve duración, mientras que los segundos (de alta resistencia) son adecuados para funcionar en servicio intermitente con un número de arranques y frenados elevado o con arranques de larga duración.
En los motores de doble jaula se pueden obtener conjuntamente ambas ventajas, la jaula externa (de alta resistencia y baja reactancia) actúa preponderantemente durante el arranque, y la jaula interna (de baja resistencia y alta reactancia) a la velocidad nominal.
Además las características de par en función de la velocidad de estos últimos motores presentan un comportamiento distinto en función de las relaciones entre las resistencias y las reactancias de las respectivas jaulas.
La Figura 5.2 muestra los diagramas característicos de par y corriente en función de la velocidad con tensión nominal, para motores que presentan distintas relaciones de resistencia y reactancia, esta posibilidad permite adaptar de modo satisfactorio la curva par en función de la velocidad del motor a la correspondiente característica de par requerida por la máquina acoplada.
Es importante destacar que debido a la gran variedad de motores asincrónicos en cuanto a sus características constructivas y funcionales (como arriba indicado) como así también a la gran diversidad de tipos de utilización y de servicio de estas máquinas, resulta particularmente difícil describir todas los variantes constructivas posibles.
No obstante se hace mención a las características constructivas y funcionales de algunos de los tipos de motores trifásicos de serie más comunes, de rotor bobinado y de jaula, para distintas aplicaciones industriales, sin pretender agotar todas las posibilidades que se pueden presentar en el mundo industrial donde se los utiliza, como así también los procesos de fabricación de estas máquinas que son dependientes de las particularidades de cada mercado.
Para uso naval por ejemplo normalmente sólo se utilizan motores trifásicos con rotor jaula. Como todos los demás equipos que constituyen las instalaciones de una nave, los motores son inspeccionados y aceptados por un ente cuya función es controlar de calidad de los componentes, particularmente por razones de la habilitación a navegar y que impone la compañía aseguradora.
Las distintas reglas de clasificación, para uso naval, que dependen del ente particular, tienen en común para motores eléctricos la aceptación de una menor sobreelevación de temperatura que la fijada por las normas de uso general, seguramente debido a las mayores temperaturas previsibles a bordo y peores condiciones de disipación.
En consecuencia, no es posible utilizar motores de uso general en las instalaciones a bordo de buques, sin tener en cuenta las condiciones de proyecto que fija el ente clasificador, y que los prototipos y las series hayan superado los ensayos correspondientes.
Son aplicables también para los motores, los conceptos expuestos para alternadores en el sentido de evitar especificaciones particulares que apartándose de las normas conducen a los fabricantes a realizar proyectos especiales y en consecuencia menos confiables.
5.2 CARACTERISTICAS NOMINALES.
Es la potencia mecánica disponible en el eje y debe ser expresada en W (o kW).
Las potencias indicadas por los fabricantes en los catálogos, normalmente salvo indicación contraria, están dadas para el tipo de servicio continuo.
5.2.2 Tensión y frecuencia nominales
Son respectivamente la tensión y frecuencia nominales en los bornes de línea de la máquina.
Si la tensión de alimentación del motor se aparta del valor nominal, para una carga constante, el par de arranque y el par máximo del motor varían aproximadamente con el cuadrado de la tensión, afectando en consecuencia la velocidad, el rendimiento y el factor de potencia.
Las variaciones de tensión afectan la sobreelevación de temperatura de los arrollamientos del motor, observándose que para una tensión menor a la nominal la sobreelevación de temperatura aumenta tanto para máquinas pequeñas como grandes (1,1 a 26 kW); si la tensión es mayor que la nominal la sobreelevación de temperatura decrece ligeramente para máquinas grandes (26 kW), pero en cambio aumenta notablemente para máquinas pequeñas (1,1 kW).
Resulta esencial dimensionar los devanados de los motores de modo tal que las caídas de tensión que en ellos se producen durante el arranque y en servicio sean moderadas.
Las normas establecen para los motores de corriente alterna que deben poder suministrar su par nominal, para tensiones y frecuencias que se aparten de la tensión y de la frecuencia normales en los valores que se indican en la Figura 5.3.
Los motores de corriente alterna deben ser adecuados para funcionar con una tensión de alimentación que tenga un cierto grado de deformación, es decir con un factor armónico telefónico (FAT) que cumpla las condiciones que fijan las normas y que se indican a continuación.
En particular los motores de corriente alterna diseño tipo N (que se mencionan más adelante) deben ser adecuados para funcionar conectados a una red que tenga un FAT no superior a 0.03.
Los demás motores de corriente alterna trifásicos (incluidos los motores sincrónicos) como así también los motores de corriente alterna monofásicos deben ser adecuados para funcionar conectados a una red que tenga un FAT no superior a 0.02 a menos que el constructor indique lo contrario.
El factor armónico telefónico se calcula del siguiente modo:
donde:
Un: valor en por unidad de las armónicas de tensión.
n: orden de las armónicas (no divisibles por 3 en el caso de motores trifásicos). Normalmente se consideran las armónicas hasta la de orden 13.
Se supone además que las tensiones de alimentación forman un sistema prácticamente simétrico.
Un sistema de tensiones polifásico se lo puede considerar prácticamente simétrico cuando la componente inversa de tensión no supera el 1% de la componente directa de tensión durante un largo período, o bien 1.5% durante un corto período que no exceda algunos minutos, y si la componente homopolar del sistema de tensiones no excede 1% de la componente directa.
En la proximidad de cargas monofásicas grandes (por ejemplo hornos de inducción) y en zonas rurales donde se mezclan instalaciones residenciales e industriales, la tensión de alimentación puede experimentar deformaciones que superen las condiciones antes indicadas, en este caso es necesario entre fabricante y usuario llegar a un acuerdo para fijar solicitaciones admisibles y posibles.
Es el par mínimo medido que desarrolla el motor alimentado con la tensión y la frecuencia nominal cuando su rotor se mantiene bloqueado (en distintas posiciones para tener en cuenta la influencia de la posición relativa de las ranuras del estator y del rotor).
Es el valor eficaz de la corriente absorbida por el motor, medida en régimen estacionario, cuando se lo alimenta con la tensión y la frecuencia nominales estando su rotor bloqueado.
5.2.5 Par mínimo de aceleración
Es el menor par que desarrolla el motor cuando está alimentado con la tensión y la frecuencia nominales, desde el arranque hasta alcanzar el par máximo.
Es el mayor par que desarrolla el motor estando a su temperatura de funcionamiento, con la tensión y la frecuencia nominales, sin que se experimente una brusca caída de velocidad.
Esta definición de par máximo se aplica también a la característica usual de par medio que excluye los efectos transitorios.
Las definiciones de par mínimo y máximo no son aplicables a aquellos motores asincrónicos donde el par disminuye continuamente a medida que aumenta la velocidad.
Los tipos de servicio se definen en función de como varía la potencia mecánica exigida por la carga al motor en función del tiempo.
Es por lo tanto esencial, tanto cuando se elige un motor como cuando se lo ensaya, decidir que tipo de servicio representa mejor el variar de la carga, y por lo tanto las exigencias térmicas a las cuales estará sometido en la práctica.
Se indican a continuación los distintos tipos de servicio, y las figuras 5.4 definen las variaciones de distintas magnitudes en juego en función del tiempo.
Los tipos de servicio están definidos por las normas especialmente para su aplicación a motores, (algunos también se utilizan para definir las características de servicio de generadores).
Los tipos de servicio son los siguientes:
Se trata de un funcionamiento con carga constante durante un tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio térmico. Ver figura 5.4/a.
Se trata de un funcionamiento con carga constante durante un lapso determinado, menor del requerido para lograr el equilibrio térmico, seguido de un período de reposo suficientemente largo como para que se enfríe casi a la temperatura del medio refrigerante (la diferencia de temperatura entre la máquina y el fluido de refrigeración debe ser menor o igual a 2 °C). Ver figura 5.4/b.
5.3.3 Servicio intermitente periódico (S3).
Un servicio compuesto de una sucesión de ciclos idénticos que comprenden cada uno un período de funcionamiento con carga constante y un período de reposo. La característica del ciclo de este tipo de servicio es tal que la corriente de arranque no afecta de modo significativo la sobreelevación de temperatura de la máquina. Ver figura 5.4/c.
5.3.4 Servicio intermitente periódico con arranques (S4).
El servicio consta de una sucesión de ciclos idénticos que comprenden cada uno un período apreciable de arranque, un período de funcionamiento con carga constante y un período de reposo. Ver figura 5.4/d.
5.3.5 Servicio intermitente periódico con frenado eléctrico (S5).
Se trata de una sucesión de ciclos idénticos que comprenden cada uno un período de arranque, un período de funcionamiento con carga constante, un período de frenado eléctrico rápido y un período de reposo. Ver figura 5.4/e.
Si se trata de frenado en contracorriente, que consiste en alimentar el motor que se encuentra girando a plena velocidad de modo tal de obligarlo a girar en sentido contrario, se tiene un alto par de frenado.
La corriente durante el frenado es del mismo orden que la corriente de arranque, y esto produce una importante sobreelevación de temperatura, limitando la frecuencia de frenados en contracorriente, para detectar la temperatura de los arrollamientos se utilizan sensores térmicos (se puede entonces actuar para que no se alcancen sobreelevaciones de temperatura peligrosas).
5.3.6 Servicio ininterrumpido periódico con carga intermitente (S6).
Un servicio compuesto de una sucesión de ciclos idénticos que comprenden cada uno un período de funcionamiento con carga constante y un período de funcionamiento en vacío. No hay ningún período de reposo. Ver figura 5.4/f.
5.3.7 Servicio ininterrumpido periódico con frenado eléctrico (S7).
Se trata de una sucesión de ciclos idénticos que comprenden cada uno un período de arranque, un período de funcionamiento con carga constante y un período de frenado eléctrico. No hay ningún período de reposo. Ver figura 5.4/g.
5.3.8 Servicio ininterrumpido periódico con cambios de carga y velocidad (S8).
Cada uno de los ciclos sucesivos de igual tipo comprende un período de funcionamiento con carga constante y a una velocidad de rotación dada, seguido de uno o varios períodos de funcionamiento con otras cargas constantes y velocidades de rotación diferentes (por ejemplo por cambio del número de polos). No hay ningún período de reposo.
Cabe destacar que en los tipos de servicio S3 a S8 inclusive, la duración de un ciclo es generalmente demasiado breve como para que se alcance el equilibrio térmico de la máquina. Ver figura 5.4/h.
5.3.9 Servicio con variaciones no periódicas de carga y velocidad (S9).
Se trata de un servicio en el cual generalmente la carga y la velocidad experimentan variaciones no periódicas dentro del rango de funcionamiento admisible. Este servicio incluye frecuentes sobrecargas aplicadas que pueden superar notablemente las cargas plenas. Ver figura 5.4/i.
El constructor para asignar los tipos de servicio deberá elegir una de las clases definidas a continuación, donde se estipula en cada caso las condiciones particulares de funcionamiento:
La carga y las condiciones en las cuales la máquina puede funcionar durante un tiempo ilimitado cumpliendo las prescripciones de las normas.
La carga, la duración y las condiciones en las cuales la máquina puede funcionar durante un tiempo limitado, arrancando a la temperatura ambiente y cumpliendo las prescripciones de las normas.
· Servicio continuo equivalente.
A los efectos de la realización de los ensayos, se debe indicar la carga y las condiciones en las cuales la máquina puede funcionar hasta alcanzar el equilibrio térmico, el cual se considera equivalente a uno de los tipos de servicios periódicos definidos anteriormente (S3 a S8) o a un servicio no periódico (S9).
Las cargas y las condiciones en las cuales la máquina puede funcionar siguiendo los ciclos prescriptos por las normas.
Esta clase de servicio, si se aplica, debe corresponder con uno de los servicios de tipo periódico definidos anteriormente (S3 a S8).
Se define el factor de marcha como la relación entre la suma de los tiempos de arranque, carga, frenado eléctrico (según corresponda) y el tiempo de duración del ciclo completo.
La duración del ciclo debe ser de 10 min y el factor de marcha deberá ser uno de los siguientes valores: 15%, 25%, 40%, 60%.
· Servicio de tipo no periódico.
Las variaciones de carga conjuntamente con las variaciones de velocidad y sus condiciones, comprendiendo las sobrecargas, a las cuales la máquina puede ser sometida de modo no periódico, conforme con las prescripciones de las normas.
Esta clase de servicio se aplica cuando corresponde a un servicio no periódico de carga y velocidad (S9).
5.4 EXCESO MOMENTANEO DE PAR DE MOTORES.
Es aplicable a los motores de inducción polifásicos excluyendo aquellos para aplicaciones particulares que exigen un par elevado (como por ejemplo aparatos elevadores) y que son objeto de acuerdo entre constructor y comprador.
Para cualquier servicio y ejecución, los motores deben ser capaces de soportar durante 15 s, sin detenerse ni experimentar cambios bruscos de velocidad (bajo un aumento gradual del par) un exceso de par del 60% de su valor nominal, es decir deben tener una adecuada capacidad de sobrecarga.
Para motores con rotor jaula diseñados para que la corriente de arranque sea inferior a 4,5 veces la corriente nominal, el exceso de par debe ser al menos el 50% del valor nominal.
Los motores cuyo servicio presenta variaciones no periódicas de carga y velocidad (servicio tipo S9) deberán ser capaces de soportar momentáneamente un exceso de par determinado de acuerdo con el servicio especificado.
En el caso de motores de inducción especiales con propiedades especiales de arranque, por ejemplo motores destinados a utilizar frecuencia variable, el valor de exceso de par deberá ser objeto de acuerdo entre constructor y comprador.
