Se propone utilizar el programa de cálculo del motor asincrónico, obteniendo las características de par y corriente en función de la velocidad, y analizar el efecto que la profundidad de ranura tiene en los parámetros del rotor, a fin de integrar con esta documentación un informe.

Con el lote de datos del archivo "procap5.dat" que corresponde a un motor asincrónico de jaula profunda de 15 kW, se prepara el cálculo.

Se ejecuta el programa de la forma habitual, indicando el nombre del archivo de datos correspondiente, luego indicar el nombre del archivo de salida (por ejemplo el mismo nombre con extensión imp) y por último el nombre del archivo para las tablas (por ejemplo con extensión txt), este ultimo archivo es el que debe levantarse con el Excel.

Desde el Excel se llama el archivo, cliquear "Archivo/Abrir" (para encontrarlo seleccionar tipo de archivo *.txt), en el cuadro de diálogo "Abrir", el asistente para importar pregunta tipo de datos, indicar delimitados, en el paso siguiente indicar separador punto y coma, y se importan los datos.

Con los datos en la planilla se definen los valores que se grafican y se observan las características de par y corriente en función de la velocidad figura a1.

Para el motor asincrónico se debe prestar atención que los valores de par en función del resbalamiento figura a1 están dados en unidad de corriente (A) por lo tanto se los debe multiplicar por la escala de par en kgm/A que se obtiene con la expresión:

Es importante destacar que el cálculo de motores en la bibliografía clásica supone que las reactancias, (permeancias) son constantes. Con esta hipótesis se desarrolló el programa de cálculo de motores asincrónicos ("MOTOCA"), que no tiene en cuenta los efectos de saturación de los circuitos de dispersión durante el transitorio de arranque.

Cuando se realiza el ensayo de rotor bloqueado (cortocircuito) se tiene en consecuencia un valor de corriente de cortocircuito (de arranque) superior al obtenido por los cálculos, afectando las características de arranque para valores altos del resbalamiento. Este efecto debe ser tenido en cuenta para evaluar las condiciones de funcionamiento reales de un motor.

En particular para un motor asincrónico de jaula profunda, se pueden graficar aquellos parámetros de diseño que tienen incidencia, durante el proceso de arranque, en los parámetros del rotor.

La figura a2 muestra el efecto que la profundidad de ranura tiene en el cálculo de la permeancia de ranura, la figura a3 el efecto que tiene en la resistencia de las barras, vale aclarar que como el número de barras por ranura es igual a 1 la profundidad de ranura resulta igual a PSI.

Se quiere analizar la incidencia del entrehierro en las características de par y corriente en función del resbalamiento, y además observar para la condición de arranque el comportamiento de estas variables.

Para encarar el estudio se utilizó el programa para calcular un motor asincrónico normal de jaula simple de 10 kW; 380 V; 50 Hz; conexión estrella; 4 polos; cos j 0,88 y redimiento 86%.

Con los resultados de la primera corrida se optimizó el proyecto haciendo para ello adecuados ajustes del paso polar, largo ideal y del flujo, considerando el valor del entrehierro elegido por el programa igual a 0.4 mm como valor de referencia.

Para el rotor se adoptó una ranura semicerrada (tipo 7) utilizando aluminio tanto para las barras como para los anillos. Se fijó un valor adecuado de densidad de corriente en las barras para que el resbalamiento calculado (que resulta del 2.7%) se encuentre dentro de valores aceptables para un motor de estas características.

Manteniendo constantes las dimensiones del motor y el valor del flujo se realizaron nuevas corridas incrementando en cada caso el valor del entrehierro imponiendo los siguientes valores: 0.5 mm, 0.6 mm y 1.0 mm.

Es importante destacar que la variación del entrehierro incide en el factor del saturación y de la caída inductiva por lo cual, para que los resultados de las alternativas estudiadas sean comparables, se debe controlar en cada caso, que estos valores adoptados al inicio del cálculo se correspondan con los finalmente calculados.

Se recuerda que también el factor de saturación y el entrehierro afectan la dispersión armónica del entrehierro tanto del devanado estatórico como el rotórico, que como se sabe tiene incidencia en las características del motor.

La figura a4 muestra el efecto de variación del entrehierro en las características de corriente y par del motor, la figura a5 muestra el efecto en la corriente y par de arranque.

Finalmente se observa que para las alternativas consideradas, el resbalamiento se mantiene prácticamente constante, y que con el incremento del entrehierro disminuye notablemente el factor de potencia pasando de 0.85 a 0.69 y el rendimiento se reduce de 89.8% a 88.1%.

La forma más simple de arrancar un motor de jaula es conectando el devanado estatórico directamente a la red, en estas condiciones dependiendo de la potencia del motor, la corriente de arranque puede resultar muy alta y presentar ciertos inconvenientes para la red de alimentación, afectando la tensión de alimentación de las cargas fuera de los niveles de tolerancia (calidad de servicio).

Veamos algunas consideraciones de uno de los métodos de arranque utilizados denominado estrella - triángulo.

El primer paso consiste en considerar si el par desarrollado por el motor es suficiente para esta aplicación, se debe tener en cuenta que el par desarrollado por el motor es sólo 1/3 del par cuando el arranque es directo.

El par resistente no debe exceder el par motor en cuyo caso no arrancará, ni debe ser tan elevado como para que la corriente en el momento de la conmutación a D sea excesivamente alta.

Si la conmutación se realiza cuando el par motor alcanza su valor máximo, la corriente puede ser del orden del 50 a 80% del valor de la corriente que tomaría en arranque directo. El objetivo de este método consiste en tratar de alcanzar la máxima velocidad posible con conexión en Y.

Debido a que el tiempo de arranque se incrementa en proporción con la reducción del par acelerador, en estas condiciones el tiempo de arranque puede resultar considerablemente mayor.

Si este tiempo es mayor que el permitido, el calor desarrollado en el motor, reduce la vida útil de su aislamiento y en casos extremos puede provocar la falla del mismo.

Este tipo de arranque comúnmente es desaconsejable para motores que accionan bombas, ventiladores u otras máquinas cuyo par resistente crece con el cuadrado de la velocidad. Esto resulta particularmente cierto para motores de alta velocidad (2 polos), cuya característica de par en función de la velocidad, presenta para estas aplicaciones un pequeño par acelerador.

Resulta particularmente interesante analizar como varía la corriente en la conmutación.

Con un arranque estrella - triángulo es inusual alcanzar durante la conexión Y una velocidad mayor del 70 a 90% de la velocidad nominal del motor.

Durante el proceso de conmutación el motor tiende a atrasar, para minimizar el valor de la corriente en el momento de la conexión D la operación de conmutación se dispone de modo que la tensión de línea atrase 30 grados.

Esto significa que la conexión estrella - triángulo debe ser realizada de diferente modo según el sentido de rotación del motor.

Veamos como ejemplo un motor cuyo devanado es para 380 V D y que se conecta inicialmente en Y.

En la figura se muestra el principio de funcionamiento de este tipo de arrancadores y la posición de los contactos con conexión Y y D .

Se indican además las conexiones que se deben realizar cuando se lo conecta en D en función del sentido de rotación:

En sentido del reloj: U1-U2, V1-W2, W1-U2

En sentido contrario: U1-W2, V1-U2, W1-V2

Sobre este tema se sugiere una lectura de interés en Libros interactivos - Guía de uso de programas aplicables en ingeniería electricista - TRANSITORIO DE ARRANQUE, accesible en la dirección www.ing.unlp.edu.ar/sispot/ dentro de la bibliografía disponible en ese sitio.

Como consecuencia de una falla grave del devanado estatórico de un motor asincrónico con rotor de jaula simple de 75 HP (55 kW); 380 V; 50 Hz; conexión estrella, durante el proceso de reparación se efectuó el relevamiento de los datos y de las magnitudes que se indican a continuación:

Como el motor ya había sido reparado en otra oportunidad, se puso en duda que el devanado que se estaba copiando era igual al diseño de origen de la máquina, además el rotor había sido torneado llevando el entrehierro original (no conocido) a un valor de 1.3 mm.

Se procedió a verificar como estaba realizado el bobinado que se debía reemplazar, siendo el número de conductores presentes en media ranura igual a 50, realizado con 5 conductores en paralelo de 1.15 mm de diámetro y con 2 circuitos externos en paralelo.

Con estos datos de determinó el valor de densidad de corriente 6.11 A/mm², observando que es un poco alto, y se decidió realizarlo con 8 conductores en paralelo, adoptando una densidad de corriente de 4.5 A/mm² resultando un diámetro del conductor de 1.06 mm (se debe finalmente adoptar la dimensión normalizada más próxima).

Se realizó el cálculo de verificación fijando todas las dimensiones conocidas, el rotor se representó como una jaula profunda utilizando una ranura tipo 2 fijando una relación ancho/profundidad de la barra igual a 0.23.

Como el entrehierro había sido modificado se consideró conveniente estudiar una segunda alternativa, manteniendo constante el devanado (número de conductores), para determinar cual sería el entrehierro de un motor de estas características obteniéndose un valor de 0.9 mm.

En la figura se comparan ambas alternativas y se observa la incidencia del entrehierro en la corriente total, par máximo y de arranque, que se incrementan con el aumento del entrehierro, también aumenta la corriente de excitación un 19 % con una variación del entrehierro del 44 %.

También se hace notar que si bien el cálculo se realiza para un motor de jaula profunda, las características que resultan son las correspondientes a una jaula simple, debido a que la relación entre el ancho de la barra y su altura es moderada.

Una especificación que tiene fundamental importancia cuando se define la potencia de un motor o se tiene que reemplazar un motor por otro es el denominado factor de servicio (FS).

Es bastante común que el fabricante original de un equipo utilice el motor a su máxima capacidad de carga. Por esta razón, no se debe cambiar un motor con uno que tiene la misma potencia indicada en la chapa pero con un factor ser servicio menor, es decir con una capacidad de carga menor.

En la norma NEMA Standards Publication Nº MG1-1998 "MOTORS AND GENERATORS", se define el factor de servicio de un motor de corriente alterna como un coeficiente que multiplicado por la potencia nominal, indica la carga admisible (por encima de la nominal) que puede entregar con las condiciones especificadas para ese factor de servicio. Algunos motores pueden tener factores de servicio más altos que los indicados por la norma NEMA.

El factor de servicio de un motor no debe ser confundido con la capacidad de sobrecarga momentánea que durante algunos minutos puede soportar un motor. El factor de servicio FS = 1 significa que el motor no fue proyectado para funcionar continuamente por encima de su potencia nominal.

Es una medida de la capacidad de sobrecarga continua de un motor con la cual puede funcionar sin sobrecargas o daños, con tal que los otros parámetros de diseño como la tensión nominal, frecuencia y temperatura ambiente se encuentren dentro de los valores normales. Por ejemplo un motor de 3/4 HP con un FS = 1.15 puede funcionar a 0.86 HP (0.75 HP ´ 1.15 = 0.862 HP) sin sobrecalentamiento u otros daños para el motor, si está alimentado con la tensión y frecuencia indicada en la chapa de características.

Para motores de corriente alterna de mediana potencia funcionando a su potencia nominal alimentados con la tensión y frecuencia nominales, la corriente que toma de la red no debe superar el 10% de su corriente nominal.

Para las condiciones normales de servicio establecidas en la norma (temperatura ambiente comprendida entre -30 a 40 °C y altitud sobre el nivel del mar que no exceda los 1000 m) un motor de corriente alterna para usos generales debe ser capaz de funcionar a su potencia nominal en servicio continuo.

Cuando un motor funciona con un factor de servicio mayor que 1, su rendimiento, factor de potencia y velocidad son distintos a los que tendría funcionando a potencia nominal, pero no pueden variar el par y corriente de arranque, y el par máximo.

Cuando un motor funciona en forma continua con un factor de servicio mayor que 1, tendrá una vida útil reducida si se la compara con su funcionamiento con carga nominal.

La vida de sus aislamientos y de sus cojinetes se reducen con el factor de servicio.

Como ya visto las pérdidas Joule deben ser referidas a determinadas temperaturas según la clase de aislamiento de la máquina que se desea calcular, y el límite de temperatura depende del tipo de material empleado.

La temperatura del punto más caliente del bobinado se debe mantener por debajo del límite de la clase adoptada, para no reducir la vida útil del aislamiento. Las normas establecen un máximo para la temperatura ambiente y especifican una elevación de temperatura máxima para cada clase de aislamiento. De este modo queda indirectamente limitada la temperatura del punto más caliente.

La norma IEC 60034-1 en la siguiente tabla establece en función de la clase de aislamiento las temperaturas admisibles.

La norma NEMA Nº MG1-2003 en función del factor de servicio en la siguiente tabla establece las temperaturas admisibles para motores medianos de inducción, también se indican valores para otros tipos de máquinas.

Para motores de construcción naval se deberán adoptar los valores que establecen las distintas entidades clasificadoras, por ejemplo Bureau Véritas, Lloyds Register of Shipping, etc.

Es importante destacar que los programas de cálculo desarrollados ("SINCRO", "MOTOCA", "MAQCON") utilizan para la determinación de las resistencias el valor de resistividad RHO (por defecto se adopta cobre) referido a la temperatura de 75 ºC, razón por la cual a los efectos de los valores garantizados, en función de la clase de aislamiento de la máquina que se desea calcular, se deberá ajustar la resistividad del material adoptado mediante un coeficiente de corrección al valor correspondiente a la temperatura media de la clase.