Caracterización de motores de inducción de CA

Los motores de inducción de CA son los caballos de batalla de la industria moderna, ya que son simples, resistentes y confiables. Un motor de inducción tiene solo dos partes principales. La primera es la parte estacionaria llamada estator, que consiste en bobinas estacionarias alrededor de una cavidad. Suspendido en la cavidad se encuentra el rotor, que es un par de anillos finales que cubren una disposición cilíndrica de barras. A esto a menudo se le llama la jaula de la ardilla. Los parámetros eléctricos de estos dos componentes proporcionan información sobre la eficiencia del motor y la relación entre el par y la velocidad. Esto es esencial para determinar el mejor tamaño y tipo de motor para una aplicación. Este video presentará los conceptos básicos de la operación del motor de inducción y demostrará cómo determinar un modelo de circuito equivalente para un motor de inducción trifásico.

Un motor de inducción de CA trifásico utiliza energía trifásica con cada fase conectada a su propio conjunto separado de bobinas del estator. Las bobinas están dispuestas en un patrón que genera un campo magnético para cada fase de la energía suministrada. El campo magnético neto resultante, llamado campo magnético del estator, gira con velocidad angular constante. El flujo magnético giratorio induce corriente en el rotor, de manera similar a la forma en que un transformador transfiere energía de la bobina primaria a la secundaria. La corriente a través de las barras de la jaula de la ardilla a su vez crea su propio campo magnético, llamado campo magnético inducido del rotor. La interacción entre estos dos campos produce una fuerza sobre el rotor, que hace que siga el campo magnético del estator. Como una barra de hierro siguiendo los imanes a su alrededor. Si el rotor sigue exactamente el campo magnético, como esta barra, entonces el motor es sincrónico. Sin embargo, en un motor de inducción, el rotor se queda atrás del campo magnético del estator. Este retraso, llamado deslizamiento, hace que los motores de inducción sean asíncronos. Por lo tanto, el motor de inducción siempre girará más lentamente que la velocidad síncrona. El par aumenta con la disminución del deslizamiento, o a medida que la velocidad del motor disminuye desde síncrono hasta un cierto punto llamado par de ruptura. Con la adición de una carga, la velocidad de rotación disminuye a medida que aumenta el deslizamiento, lo que resulta en una disminución del par. Los siguientes experimentos mostrarán cómo medir varios parámetros eléctricos del motor de inducción para describir el motor utilizando un modelo de circuito equivalente.

Cada una de las siguientes pruebas requiere el conocimiento de las clasificaciones del rotor, que están impresas en la placa de identificación del motor. Para el voltaje nominal de 208 voltios a 60 hercios, registre la potencia nominal tanto en caballos de fuerza como en vatios. Registre también la corriente nominal en amperios y la velocidad nominal en revoluciones por minuto y radianes por segundo. El par nominal se puede calcular y es igual a la potencia nominal dividida por la velocidad nominal. Aquí, el eje del motor de inducción acciona un generador de corriente continua. La carga eléctrica en el generador de CC está directamente relacionada con la energía mecánica que ingresa. Y a su vez, actúa como carga mecánica en el motor de inducción. Primero, configure el límite de corriente de la fuente de alimentación de CC en 1.8 amperios, luego apáguelo. Esta prueba de CC mide la resistencia solo del devanado del estator, ya que solo se puede acceder a los terminales del estator para un motor de inducción de jaula de ardilla. Conecte la salida de la fuente de alimentación a través de los terminales A y B del estator. Encienda la fuente de alimentación y registre su voltaje y corriente de salida. Repita este procedimiento para las otras combinaciones bifásicas B y C, y C y A. Para cada una de las combinaciones de fases, calcule la resistencia dividiendo el voltaje de salida por la corriente de salida. El resultado es para dos fases en serie, por lo que la resistencia por fase, R1, es la mitad de este valor. La resistencia del devanado del estator depende de la potencia nominal del motor y es de seis ohmios para este motor.

Pruebe el motor de inducción sin carga para obtener las mediciones necesarias para cálculos posteriores. Primero, desconecte todos los terminales del generador de CC, o dinamómetro, para que no genere energía y no proporcione carga mecánica al motor de inducción. Con la fuente de alimentación trifásica apagada, ensamble el aparato. Ajuste el variac a 0% de salida y conéctelo a la toma de corriente trifásica. Encienda la alimentación trifásica y aumente rápidamente la salida variac hasta que cada uno de los medidores de potencia digitales lea unos 208 voltios. Registre las mediciones de potencia, voltaje y corriente de ambos medidores. La suma de la potencia medida por los dos medidores de potencia digitales es la potencia consumida por las tres fases que actúan juntas. 1/3 de esto es la potencia en una fase. Registre el par del motor y asígnelo t-zero, el par sin carga. Si el aparato de medición de par no está bien calibrado, es posible que t-cero no sea necesariamente igual a cero. A continuación, use una luz estroboscópica para medir la velocidad de rotación del motor sin carga, que está cerca de su velocidad síncrona de 1,800 RPM. Ajuste el curso y busque las perillas de frecuencia hasta que el eje parezca estacionario. La velocidad del motor suele estar entre la velocidad nominal en la placa de identificación y la velocidad síncrona. Convierta la frecuencia de luz estroboscópica de RPM a la velocidad de rotación angular sin carga, omega cero. Vuelva a poner el variac en 0% de salida y, a continuación, apague la alimentación trifásica. Deje el resto del aparato intacto.

La prueba de rotor bloqueado mide los parámetros eléctricos cuando el motor está fijo y no puede girar. En este estado, se produce la mayor diferencia de movimiento entre el rotor y el campo del estator. Para esta prueba, utilice la configuración de la prueba sin carga y desconecte todos los terminales del generador o dinamómetro de CC. Con la alimentación trifásica apagada y el variac al 0% de salida, bloquee el rotor en el lado del motor de CC con la abrazadera mecánica. A excepción del rotor bloqueado, el aparato es el mismo que para la prueba sin carga. Encienda la alimentación trifásica y el motor de inducción. Aumente lentamente la salida variac a la corriente nominal en los medidores de potencia digitales. Registre la potencia, el voltaje y la corriente de ambos medidores. Para finalizar, vuelva a poner el variac en 0% y, a continuación, apague la alimentación trifásica.

Efectivamente, el devanado del estator realiza la misma función que la bobina primaria de un transformador, y el rotor es equivalente al devanado secundario. Por lo tanto, el motor se puede modelar utilizando un circuito equivalente similar al de un transformador. Sin embargo, el circuito se simplifica para eliminar la parte ideal del transformador y se refiere a los componentes del rotor como un reflejo del estator. El circuito equivalente por fase incluye la resistencia del devanado del estator, R1, calculada a partir de la prueba de CC. El estator también exhibe oposición a los cambios en la corriente y el voltaje, lo que se denomina reactancia X1. Los parámetros del rotor se reflejan desde el estator, incluida la resistencia reflejada, R2 prime, y la reactancia reflejada del rotor, X2 prime. La reactancia de magnetización mutua, parámetro XM es un equivalente para el flujo magnético en el espacio de aire entre el rotor y el estator. Finalmente, se produce una pérdida de potencia entre el estator y el rotor, y se modela como la resistencia equivalente a la pérdida del núcleo, RC. Todos estos valores se pueden calcular a partir de las pruebas demostradas y se detallan en el protocolo de pruebas.

Los motores de inducción de CA se utilizan ampliamente en una variedad de aplicaciones, debido a su simplicidad, robustez y confiabilidad. Un motor de inducción a menudo se selecciona en función de su velocidad de par lineal bajo una carga mecánica cambiante. La prueba de carga traza la característica de velocidad de par lineal a medida que cambia la carga mecánica. Para esta prueba, se conecta un generador de CC, o dinamómetro, al motor de inducción para que proporcione una carga controlada en el rotor. El aparato se ensambla con una resistencia de carga, R-L, de 300, 200 o 100 ohmios. Las mediciones de potencia, voltaje y corriente se registran desde los medidores conectados. A continuación, se miden la lectura del par y la velocidad de rotación con y sin la resistencia de carga. Un gráfico de las características de la velocidad de par del motor de inducción será como estas curvas para las cuatro clases de motores NEMA. Un microscopio electrónico requiere una cámara evacuada para contener la muestra y utiliza una bomba de vacío que puede tener un pequeño motor de inducción. El vacío en la cámara permite la transmisión de electrones a la muestra y de la muestra al aparato de imagen. Finalmente, los tornos y otros equipos de taller mecánico pueden usar motores de inducción trifásicos más potentes. Debido a su simplicidad y falta de conmutación mecánica, los motores de inducción pueden soportar un uso intensivo con una probabilidad reducida de falla. Esta robustez es una clara ventaja a la hora de fabricar piezas metálicas.

Acabas de ver la introducción de Jove a los motores de inducción de CA. Ahora debe comprender el principio básico de funcionamiento y cómo realizar las pruebas para determinar sus parámetros de circuito equivalentes.