Figura 1: Motor asíncrono de Jaula de ardilla
La gran mayoría de las máquinas industriales están
movidas por motores de inducción alimentados en c.a. trifásica. Este tipo de
motores se impone en la mayoría de las aplicaciones por lo ventajoso de su
precio, por su robustez y su fácil mantenimiento.
La diferencia de la máquina asíncrona con los demás tipos
de máquinas rotativas, se debe a que uno de sus devanados (normalmente el del
rotor) no se alimenta directamente con corriente a través de conductores. La
corriente que circula por él se debe a la f.e.m. inducida por la acción del
flujo magnético del otro devanado. Es por esta razón que se llaman máquinas de
INDUCCIÓN.
En ocasiones también se denominan Máquinas ASÍNCRONAS
nombre que es debido a que la velocidad de giro del rotor es distinta a la de
sincronismo que impone la frecuencia de la red.
Leyenda de la figura 1:
1)
Rodamientos
El eje rueda sobre
rodamientos a bolas, ocasionalmente sobre cojinetes a fricción, de modo que
entre el rotor y el estátor se obtenga un entrehierro relativamente estrecho,
de 0,2 mm a 1 mm.
2)
Abertura para el control del entrehierro.
3)
Ventilador del circuito de ventilación exterior
En algunos motores el
aire interior se mueve en contracorriente impulsado por un segundo ventilador.
El intercambio de calor
se lleva a cabo a través de las paredes de los tubos sin que el aire interior
entre en contacto con el exterior.
4)
Escudo.
5)
Anilla de transporte.
Permite el transporte de
motores pesados.
6)
Chapa de conducción del aire.
7)
Tubos del aire de refrigeración.
En los motores con
potencias elevadas se conduce el aire del exterior a través de unos tubos de
refrigeración situados axialmente por el interior de la máquina.
8)
Anillo soporte de la bobina.
9)
Aro de cortocircuito.
En los motores de Jaula
de Ardilla los conductores del rotor se cortocircuitan con los anillos
laterales
10)
Paquete magnético estatórico.
El paquete de chapas estatórico
se compone de perfiles troquelados de chapa magnética, barnizados por uno de
los lados para aislarlos unos de otros.
Entorno a ellos se
disponen las bobinas del estátor.
11)
Bobinas estatóricas.
El estátor se compone de
un devanado trifásico que se alimenta con una tensión alterna trifásica.
Como resultado de la
configuración mecánica y eléctrica se obtiene un campo magnético giratorio en
el entrehierro.
12)
Envolvente conducción del aire.
13)
Soporte intermedio.
14)
Piezas de conexión.
15)
Escudo.
16)
Anilla de transporte.
Permite el transporte de
motores pesados.
17)
Ventilador del circuito exterior de ventilación.
Para mejorar la
refrigeración en los motores de altas potencias, se dispone un ventilador que
introduce, normalmente en el sentido axial de la máquina, aire hacia el
interior, que suele conducir por tubos de refrigeración.
18)
Campana del ventilador con rejilla de protección para el
aire frío de aspiración.
19)
Palanca de accionamiento para la caja colectora de grasa.
20)
Carcasa soldada.
La carcasa se fabrica o
bien en fundición de hierro o soldando las diversas piezas de chapa de acero.
21)
Caja de bornes con botella terminal fundida.
Los dos terminales de
cada una de las bobinas del devanado estatórico se llevan a la caja de bornes.
22)
Paquete magnético rotórico.
Constituido por un
conjunto de chapas de acero apiladas con unas ranuras periféricas donde se
sitúan las barras del rotor.
23)
Barras de la jaula en cortocircuito.
El devanado del inducido
en Jaula de ardilla se compone de varias barras de cobre, bronce o aluminio, colocadas
o fundidas directamente en las ranuras del paquete de placar del rotor y
cortocircuitadas en ambos extremos por sendos anillos terminales del mismo
material.
Para que el rotor gire
con menos ruido (zumbido electromagnético) las ranuras y las barras se disponen
ligeramente inclinadas respecto al eje del rotor formando hileras simples o
dobles.
24)
Cuerpo rotórico.
25)
Palanca de accionamiento para la caja colectora de grasa.
26)
Caja para el regulador de la cantidad de grasa.
Motor asíncrono
de rotor bobinado y anillos rozantes
Figura 2: Motor asíncrono de rotor bobinado y
anillos rozantes
Leyenda de la figura 2:
1)
Eje.
El rotor de la máquina
gira concéntricamente en el interior del estátor soportado por cojinetes sobre
el eje de la máquina.
2)
Carcasa.
3)
Devanado del estator.
El estator se compone de
un devanado trifásico que se alimenta con una tensión alterna trifásica.
Como resultado de la
configuración mecánica y eléctrica se obtiene un campo magnético giratorio en
el entrehierro.
4)
Soporte de las escobillas.
Figura 3: Vista de los anillos colectores y
escobillas
5)
Paquetes de chapas del estator.
El paquete de chapas
estatórico se compone de perfiles troquelados de chapa magnética, barnizados
por uno de los lados para aislarlos unos de otros.
Entorno a ellos se
disponen las bobinas del estator.
6)
Paquetes de chapas del rotor.
Constituido por un
conjunto de chapas de acero apiladas con unas ranuras periféricas donde se
sitúan las barras del rotor.
7)
Caja de bornes.
Los dos terminales de
cada una de las bobinas del devanado estatórico se llevan a la caja de bornes.
8)
Devanado del rotor.
Se construye con un
devanado, por lo general trifásico, con un gran número de espiras, siendo la
sección de los conductores pequeña.
9)
Anillos rozantes.
Los principios de los
devanados del rotor, K, L y M y en el caso de conexión en estrella, el punto
neutro Q, se sacan al exterior a través de los anillos rozantes.
La corriente del rotor
circula a través de las escobillas de carbón, lo que permite conectar durante
la marcha del motor, resistencias adicionales en el circuito del rotor.
Antecedentes
históricos
El principio de funcionamiento de las máquinas asíncronas
se basa en el concepto de campo magnético giratorio.
Figura 4: Antecedentes históricos
Leyenda de la figura 4:
(1) Motor de
Ferrari
Producía campos giratorios con sistemas bifásicos
(bobinas a 90º alimentadas con corrientes en cuadradura).
Tenía un circuito magnético abierto y un rotor en forma
de disco de cobre siendo la potencia producida baja y sin interés comercial.
(2) Motor de Tesla
Dio a conocer su motor 2 meses después de Ferrari.
Producía campos giratorios con sistemas bifásicos.
Utilizó devanados concentrados tanto en el estátor como
en el rotor, logrando un motor de mayor rendimiento y uso práctico.
(3) G.
Westinghouse
Adquirió las potentes de Tesla y construyó en su fábrica
motores asíncronos bifásicos.
(4) Dolivo Dobrowolsky
Figura 5
(5) Dolivo
Dobrowolsky
Presentó en la Exposición de Electricidad de Frankfurt un
motor asíncrono con rotor devanado que disponía de un reostato de arranque a
base de resistencias líquidas.
(6) Dolivo
Dobrowolsky
Dobrowolsky había desarrollado motores asíncronos con
doble jaula de ardilla, que poseían mejores cualidades de arranque que el motor
en cortocircuito convencional.
A principios del siglo XX se impuso el sistema trifásico
europeo frente al bifásico americano por lo que las máquinas asíncronas
empezaron a ser (y son) trifásicas.
El Estator
Es la parte fija de la máquina. Normalmente en el estator
se conecta el inductor, alimentado por una red monofásica (motor monofásico) o
trifásica (motor trifásico).
Figura 6: Estator
Está constituido por una carcasa en la que se fija una
corona de acero formada por el acoplamiento de chapas de acero al silicio.
Estas chapas disponen de unas ranuras en su periferia interior en las que se
sitúa un devanado trifásico (caso del motor trifásico) distribuido.
Figura 7: Carcasa (foto izquierda) y devanado
trifásico (foto derecha)
Los extremos de los bobinados (seis conductores por ser
un devanado trifásico) se llevan a la caja o placa de bornes de la máquina,
donde se conectan a la tensión alterna de la red.
Caja de bornes del estator
A esta caja se llevan los bornes de los conductores de
los devanados del estator (seis en un motor trifásico). Los principios de los
devanados se designan con las letras U, V, W y los extremos finales con X, Y, Z
respectivamente. Mediante unas láminas metálicas se pueden puntear los bornes
de los devanados para realizar la conexión en estrella o triángulo.
Figura 8: Conexiones del devanado
Colocación de la caja de bornes
La situación de la caja de bornes suele ser arriba de la
carcasa del motor. Sin embargo es posible disponerla en el lado derecho o
izquierdo del mismo. (DIN 42962).
Ejecución de las cajas de bornes
La caja de bornes se ejecuta en protección IP55. Suelen
ser de chapa de acero soldada disponiendo de una base que se atornilla a la
carcasa y una tapa extraíble para su conexión a la red. Los extremos del
devanado del estator están soldados en pernos de conexión con pasatapas de
porcelana individuales, según DIN 46265. Estos pasatapas se fijan a la base de
la caja de bornes.
Todas las cajas de bornes tienen un dispositivo de
seguridad:
La mayoría de las cajas de bornes tienen una costura como
posible línea de rotura, que se abre al producirse un cortocircuito en el
interior de la caja de bornes. Con ello se evita que se rompa o vuele la parte
superior.
En los motores grandes, las cajas de bornes suelen
dotarse de una membrana de sobrepresión. Esta salta al producirse un
cortocircuito en la caja de bornes, dirigiéndose a la carcasa del motor. De
esta forma se evita el poner en peligro el ambiente y el personal de servicio.
La entrada de cables para la conexión a la red se realiza
a través de unos taladros roscados.
Ejemplos de Placas de bornes del estator:
Aspecto
externo de la situación Bornes de
conexión en una caja Varios modelos de cajas
en el motor
Figura 9
Patas de fijación
Las patas de fijación suelen ser de hierro fundido y
están unidas a la carcasa mediante tornillos de acero de alta resistencia.
Figura 10: Pata de fijación a la carcasa
Este sistema de sujeción resiste grandes esfuerzos en
todas las direcciones.
El Rotor
Es la parte móvil de la máquina. Normalmente en el rotor
se sitúa el inducido, y las corrientes que circulan aparecen como consecuencia
de la interacción con el flujo del estator.
Está situado concéntricamente en el interior del estator
y constituido por un conjunto de chapas de acero apiladas formando un cilindro
solidario con el eje del motor.
El cilindro del rotor tiene unas ranuras en la
circunferencia exterior donde se coloca el devanado.
Constructivamente hay de dos tipos:
·
Rotor en jaula de
ardilla (Rotor en cortocircuito).
·
Rotor bobinado
(Rotor con anillos rozantes).
Rotor de Jaula
de ardilla (Rotor en cortocircuito)
En las ranuras del cilindro del rotor se colocan una
serie de conductores de cobre o aluminio que se conectan en cortocircuito por
dos anillos o coronas laterales.
El conjunto tiene aspecto de una jaula de ardilla, de ahí
su nombre.
Figura
11: Rotor de jaula de ardilla
Suelen construirse por inyección de aluminio, construyéndose
al mismo tiempo las barras del rotor y los anillos laterales.
Estos motores tienen un par relativamente pequeño y una
intensidad absorbida en el arranque muy superior a la nominal.
Construcción del rotor de jaula
En las ranuras del paquete de chapas del rotor van
colocadas varillas, redondas o casi redondas, de aluminio o de cobre; tales
rotores se llaman rotores de varillas. Dichas varillas están unidas, en sus
extremos, a anillos de cortocircuitos. Varillas y anillos de cortocircuito
forman la jaula, que a su vez mantiene fijo el paquete de chapas.
La jaula de aluminio se forma por fusión a presión, sobre
un paquete de chapas. En el caso de jaula de cobre, las varillas se introducen
en las ranuras del paquete de chapas y a continuación se sueldan los anillos.
Rotor en Jaula doble
Contiene dos jaulas de ardilla concéntricas. Una exterior
de bastante resistencia, Rext, y otra interior de menos resistencia, Rint. Al
iniciar el 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.
Al terminar 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 de poca resistencia.
En régimen normal, la velocidad correspondiente al par
nominal no es más que ligeramente inferior a la del motor de jaula simple.
Figura 12: Ejemplo de Rotor en Jaula doble
También se construye el rotor en Jaula triple. El par de
arranque en este caso es aún mayor y la intensidad más pequeña.
Rotor bobinado
(Rotor con anillos rozantes)
En las ranuras del cilindro del rotor se dispone un
devanado trifásico similar al situado en el estator.
Figura 13: Rotor bobinado con anillos
rozantes
Unas escobillas montadas sobre los anillos de rozamiento
cortocircuitan los tres devanados.
Esta disposición permite además introducir resistencias
externas por los devanados para limitar las corrientes de arranque, mejorar las
características del par y controlar la velocidad.
Sistemas de
ventilación
Los motores de inducción de baja potencia utilizan
refrigeración natural por medio de oberturas en la carcasa del motor, que
permiten la ventilación del motor.
Sin embargo, los motores industriales de media y alta
potencia utilizan ventiladores para su refrigeración. El sistema más utilizado
es disponer un ventilador dispuesto axialmente con el motor que asegure una
corriente de ventilación hacia los devanados del rotor y estator de la máquina.
Figura 14: Sistemas de ventilación
Otros ejemplos de sistemas de ventilación
Figura 15: Tipos de ventiladores
Figura 16: Proceso de enfriado y distribución
de temperatura
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