Motores asíncronos
Actualmente, más de la mitad de la energía consumida en la
industria es utilizada por los motores asíncronos, de aquí la importancia de su
comportamiento frente a las perturbaciones relacionadas con su alimentación.
■ Huecos
de tensión
Al ser el par motor proporcional al cuadrado de la tensión, ante
la aparición de un hueco de tensión, sufre una fuerte disminución que provoca
su ralentización. Esta disminución de velocidad es función de la amplitud y la
duración del hueco, depende fundamentalmente de la inercia de las masas y la característica
par-velocidad de la carga arrastrada. Si el par que el motor desarrolla pasa a ser inferior al par
resistente, el motor se va parando según su inercia.
Pasado el hueco de tensión, el retorno de la tensión produce
una solicitación de corriente de reaceleración próxima a la intensidad de
corriente de arranque, cuya duración depende de la duración del corte.
Cuando en la instalación existen muchos motores, cada motor
absorberá una corriente próxima a su corriente de arranque a plena tensión. Esta
fase de reaceleración no implica a priori graves consecuencias excepto si los
motores representan una gran parte de la potencia del juego de barras o de la
instalación. En tal caso, la suma de las puntas de corriente de todos los
motores en el momento del rearranque pueden provocar el disparo de las
protecciones.
Estas sobreintensidades también pueden provocar caídas de
tensión en las impedancias aguas arriba (en particular en los transformadores),
haciendo que el retorno al funcionamiento normal sea muy difícil (pequeña diferencia entre el par motor y
resistente, causando un rápido sobrecalentamiento) o incluso imposible (el par
motor fuertemente disminuido pasa a ser menor que el par resistente).
■ Cortes
breves
La anulación total de la tensión de alimentación no suprime
inmediatamente la tensión en los terminales del motor. En efecto, el flujo
almacenado en el rotor no puede anularse instantáneamente. El campo giratorio
creado por el rotor induce en el estator una tensión “remanente” cuya amplitud disminuye
exponencialmente (constante de tiempo igual a algunas décimas de segundo). La
frecuencia de esta tensión disminuye con la velocidad de rotación.
La realimentación rápida (~ 150 ms), sin ningún tipo de
precaución, de un motor asíncrono que está perdiendo velocidad puede llevar a
una conexión en oposición de fase entre la tensión de la fuente y la tensión
residual mantenida por los motores asíncronos. En este caso la primera cresta
de corriente puede alcanzar hasta tres veces la corriente de arranque (15 a 20
In).
Estas sobreintensidades y las caídas de tensión que ellas
producen tienen consecuencias graves para el motor:
- Aumento del calentamiento y esfuerzos electrodinámicos en los arrollamientos que pueden causar la rotura del aislamiento,
- Variaciones bruscas del par pueden conducir a esfuerzos mecánicos anormales (particularmente en los acoplamientos y en los reductores, que provocan su envejecimiento prematuro e incluso su rotura).
- Las sobreintensidades pueden provocar el disparo de las protecciones generales de la instalación, lo que provocará la parada de todo el proceso.
La manera de evitar este riesgo es instalar una protección de
mínima tensión remanente.
■ Desequilibrios
de tensión
Las cargas monofásicas no equilibradas en las fases y los receptores
trifásicos no funcionan de forma simétrica (hornos de resistencias, máquinas de
soldar, calderas…) creando desequilibrios de tensión.
El valor de cada fase en un sistema de tensiones
desequilibradas viene dado por el vector suma de las componentes de secuencia
directa, inversa y homopolar.
Cuando las tensiones
de línea que alimentan al motor no están equilibradas se origina igualmente un
desequilibrio en la corriente del estator. El efecto de estas tensiones
desequilibradas en el motor equivale a introducir una “tensión de secuencia inversa”.
Los sistemas inversos crean campos
giratorios cuya rotación es opuesta al giro del rotor. Por tanto, en presencia
de un sistema de tensión inversa, el estator induce en el rotor corrientes de
frecuencia doble a la frecuencia de la red. Estas corrientes causan
sobrecalentamientos y pares pulsantes que pueden provocar esfuerzos mecánicos y
ruidos anormales.
Se puede añadir que la presencia de estas corrientes
inducidas en el rotor tiene por efecto reducir las tensiones desequilibradas de
la red; la máquina se comporta, por tanto, como un compensador de desequilibrios.
El sistema homopolar no ejerce ninguna influencia porque la
impedancia homopolar del motor es infinita (acoplamiento en triángulo o
estrella con neutro no conectado a tierra).
Las normas IEC 60034-2, NEMA MG1-1993 indican el factor de
desclasificación de la potencia nominal de los motores asíncronos trifásicos de
jaula de ardilla en función de la tasa de desequilibrio de tensión (ver figura 1).
La tasa de desequilibrio en tensión está definida por la
relación siguiente:
Figura 1: Desclasificación de la
potencia nominal de los motores asíncronos trifásicos de jaula de ardilla en
función de la tasa de desequilibrio de tensión
Según las normas citadas, el desequilibrio
de tensiones no debe ser mayor a 2%.
■ Armónicos
de tensión
En presencia de tensiones armónicas, los
motores están sometidos a pérdidas adicionales y pares pulsantes.
● Pérdidas
Joule
Son proporcionales al cuadrado del valor
eficaz de la corriente:
Las corrientes armónicas
generadas por las tensiones armónicas de la fuente aumentan, por tanto, las
pérdidas Joule.
● Pérdidas
en el hierro
Están compuestas por las
pérdidas por corrientes de Foucault y las pérdidas por histéresis de la
inducción magnética.
Las pérdidas por
corrientes de Foucault son proporcionales al cuadrado de la frecuencia mientras
que las pérdidas por histéresis son proporcionales a la frecuencia. Los
armónicos de tensión de alta frecuencia causan pérdidas muy importantes en el
hierro.
● Pares
pulsantes o resistentes
Las tensiones armónicas
crean corrientes armónicas. Estos crean campos giratorios a diferentes
velocidades que los motores de 50 Hz que crean pares del motor o pares resistentes
a diferentes frecuencias de 50 Hz. Esto conduce a vibraciones que pueden causar
problemas mecánicos y ruidos anormales. El rotor se somete a pérdidas por
efecto Joule suplementarias disminuyendo el rendimiento mecánico del motor.
● Regla
de utilización
La norma IEC 60034-26 coincidente
con la NEMA MG1 impone a los motores de corriente alterna poder funcionar bajo
una tensión de alimentación cuyo factor armónico de tensión (HVF, siglas del inglés Harmonic Voltage Factor) satisfaga la relación
siguiente:
HVF £ 2%
El HVF se
calcula a partir de la siguiente fórmula:
Dónde:
n = orden del
armónico impar, no incluye los de orden 3 y sus múltiplos.
Vn = valor en p.u.
de la magnitud del armónico de voltaje de orden n.
La norma precisa que en general, es
suficiente considerar los armónicos de rango <=13
Ejemplo:
Si las tensiones de línea
contienen los armónicos de tensión en p.u. siguientes: 0,15, 0,08, 0,050 y
0,040 para los armónicos de orden 5, 7, 11 y 13 respectivamente, el valor del HVF
sería:
● Efectos del HVF sobre la potencia
El incremento
de las pérdidas contribuye a un incremento de la temperatura del motor, por lo tanto para evitar el sobrecalentamiento,
la potencia nominal del motor debe ser reducida de tal forma que la temperatura
del aislamiento no sobrepase su clase térmica.
Según la Norma
NEMA MG1.1993 Parte 30, para desclasificar la potencia nominal del motor se
debe de encontrar el factor de desclasificación en función del HVF, como
se indica en la Figura 2.
Figura 2: Desclasificación de la
potencia nominal en función del HVF
Se considera que el HFV (Harmonic Voltaje Factor)
no debe ser mayor a 0.05
● Efectos del HVF sobre el
rendimiento del motor
Las pérdidas generadas en los bobinados del motor por los
armónicos de corriente cuando el motor funciona alimentado con armónicos de
tensión, reducen su eficiencia según la siguiente expresión en función del
factor de desclasificación:
Siendo:
η : rendimiento
del motor alimentado con tensión senoidal.
ηc : rendimiento del motor cuando el voltaje aplicado tiene
armónicos.
FD: Factor de desclasificación
● Variaciones de tensión
En la tabla 1 se
indican las repercusiones que se producen en los motores asíncronos trifásicos
ante variaciones de tensión del + 10%, +20% y -10%.
Tabla 1: Efectos de las variaciones
de tensión en motores asíncronos trifásicos
■ Motores síncronos
● Huecos de tensión y cortes breves
Los efectos son aproximadamente
iguales que en el caso de los motores asíncronos. Sin embargo, los motores síncronos pueden soportar huecos de tensión más importantes (del orden del 50%) sin perder apenas velocidad, debido a que:
- El par es proporcional a la tensión ( y no al cuadrado de la tensión),
- La capacidad de sobreexcitar la máquina favorece el retorno a su funcionamiento normal (dentro de los límites de la capacidad de la alimentación del rotor),
- Su inercia es mayor porque tiene una masa más elevada
Por el contrario, en caso de
pérdida de sincronismo, el motor se para, y hay que volver a realizar todo el
proceso de arranque, que es bastante complejo y lleva un tiempo considerable.
● Armónicos y desequilibrios de tensión
Estas perturbaciones tienen las
mismas consecuencias que para los motores de asíncronos; dan lugar particularmente
a sobrecalentamientos localizados principalmente en los amortiguadores.
Además, las corrientes inducidas
en el rotor causan interferencias en la medida de la corriente del rotor, lo
que origina un mal funcionamiento del controlador del factor de potencia.
REFERENCIAS:
IEC: Rotating Electrical Machines: Part 26 (IEC 60034-26) Effects of
Unbalanced Voltages on the Performance of Induction Motors,
NEMA: Standard Publications No. MG1-1993. Motors and Generators, Published
by National Electrical Manufacturers Association,
Cuaderno
Técnico Schneider nº 161
Efectos
del Desbalance y los Armónicos de Voltaje en la Operación de los Motores de
Inducción (Enrique
Ciro Quispe Oqueña),
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Protección contra corrientes de
secuencia inversa en grandes Generadores:
Efectos de los armónicos en motores:
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