Circuito Equivalente del Motor Asíncrono de Jaula de Ardilla: Ensayos, Regulación de Velocidad, Motor Monofásico y Doble Jaula

Circuito equivalente del motor asíncrono de jaula de ardilla

Circuito equivalente aproximado y ensayos

Para determinar los parámetros que componen el circuito equivalente aproximado del motor, se realizan dos ensayos: el ensayo de vacío (rama paralela) y el ensayo de cortocircuito (rama serie).

a) Ensayo de vacío o rotor libre

Consiste en hacer funcionar el motor sin ninguna carga mecánica en el eje (rotor libre). Por tanto, el motor gira a una velocidad muy cercana a la de sincronismo. Se debe aplicar la tensión asignada al primario U_1n, midiendo la potencia absorbida P₀ e I₀. Se cumplirá que:

P₀ = P_f + P_m + P_cu1

• Para calcular P_cu1 (pérdidas de cobre en el estator) se miden las resistencias R₁ de cada una de las fases del estator.
• Para determinar P_f (pérdidas en el hierro) y P_m (pérdidas mecánicas) es preciso alimentar al motor con una tensión variable U₁, reduciéndola en cada escalón y midiendo P₀, I₀ y U₁. A partir de esto:

P_f + P_m = P₀ - P_cu = P₀ - m₁·R₁·I₀²

Con P_f se obtiene:

• cos φ₀ = P_f / (m₁·U_1n·I₀)
• I_f = I₀·cos φ₀
• I_μ = I₀·sen φ₀
• R_f = U_1n / I_f
• X_μ = U_1n / I_μ

b) Ensayo en cortocircuito

Consiste en bloquear el rotor, impidiendo que gire (n = 0; s = 1; R_c' = 0). Al estator se le aplica una tensión creciente (desde 0) hasta que la intensidad absorbida sea la asignada (I_cc1 = I_1n).

• cos φ_cc = P_cc / (m₁·U_1cc·I_1n)
• R_cc = R₁ + R₂' = (U_1cc / I_1n)·cos φ_cc
• X_cc = X₁ + X₂' = (U_1cc / I_1n)·sen φ_cc

Circuito equivalente de un motor asíncrono trifásico

Parámetros R₀, X₀ y R_c':

• R₀ es la resistencia equivalente en vacío: es una resistencia ficticia tal que, al ser recorrida por I_0f, disipa la misma cantidad de calor que las pérdidas mecánicas y en el hierro del motor real, por fase.
• X₀ es la reactancia equivalente de vacío: disipa la potencia reactiva necesaria para la magnetización del motor en vacío, por fase.
• R_c' = R₂'(1 - s)/s es la resistencia equivalente de carga: es una resistencia ficticia que, al ser atravesada por I_2f', disipa en forma de calor la misma energía que el motor real produce en el eje, por fase: P_ej = 3·I_2f'²·R_c'. En cortocircuito s = 1 → R_c' = 0; y en sincronismo s = 0 → R_c' = ∞.

Regulación de la velocidad

Existen diversos métodos para regular la velocidad. Partiendo de la expresión n = n_s(1 - s) = (60f / p)(1 - s), la velocidad dependerá del número de pares de polos, del deslizamiento y de la frecuencia.

- Regulación por variación del número de polos

Variando el número de polos cambia la velocidad del campo giratorio y, en consecuencia, la velocidad de rotación del motor. Para que esto sea posible, el rotor debe ser de jaula de ardilla, ya que este tipo de rotor adapta automáticamente su número de polos al existente en el estator. Cada fase del devanado consta de dos partes iguales que pueden conectarse en serie o en paralelo, dando lugar a una reducción del número de polos a la mitad del original, con lo que la velocidad del rotor se duplica. Es una regulación escalonada (ventiladores, ascensores, etc.).

- Regulación por variación del deslizamiento

Podemos variar el deslizamiento cambiando la tensión aplicada al motor, aunque el par se ve afectado (T = f(V²)). También se puede variar el deslizamiento cambiando la resistencia del rotor, lo que ocasionaría grandes pérdidas por efecto Joule; se realiza en el reostato de regulación.

- Regulación por variación de la frecuencia

Se realiza mediante rectificadores de silicio o tiristores. Se debe mantener constante el flujo durante la variación de la frecuencia para que el par se conserve y la máquina disponga de la capacidad de sobrecarga suficiente.

Principio de funcionamiento y circuito equivalente del motor monofásico

Para máquinas de potencia inferior a 1 CV (lavadoras, ventiladores, etc.), se emplea el motor de inducción monofásico, que es el motor trifásico desconectando una fase. Está formado por un rotor de jaula (igual que el trifásico) y un estator con un devanado alimentado por corriente alterna monofásica.

Al introducir la corriente alterna en el devanado del estator se produce una fuerza magnetomotriz (FMM) en el entrehierro distribuida sinusoidalmente. Esta FMM produce un campo giratorio que crea corrientes en el rotor; al estar éstas bajo la acción de un campo se originan pares de rotación opuestos, por lo que el par resultante es nulo.

La ausencia de par inicial de arranque es la particularidad de estas máquinas. Para arrancarlas necesitamos un par exterior superior al par resistente.

De acuerdo con la teoría de Le Blanc, consideramos que tenemos dos campos que giran en sentidos opuestos a n = ±60f/p. Una vez impulsado el rotor en un sentido, se descompondrán los campos, reforzando uno y disminuyendo otro, produciendo un par que mantendrá el giro. Para cada sentido de giro tendremos una característica par-deslizamiento. Los deslizamientos serán:

• s_d = 1 - n/n₁ = s (sentido directo)
• s_i = 1 + n/n₁ = 2 - s (sentido inverso)

Circuito equivalente: es equivalente a dos motores trifásicos cuyo rotor está en el mismo eje y los estatores en serie (los campos giran en sentido contrario).

Motor de doble jaula de ardilla

Es un motor asíncrono que utiliza el fenómeno de desplazamiento de la corriente en el devanado del rotor para mejorar las propiedades de arranque. El estator (trifásico) es convencional y el rotor está constituido por dos jaulas de ardilla:

• Jaula exterior (cerca del entrehierro): tendrá una resistencia alta y una reactancia baja.
• Jaula interior: tendrá una resistencia más baja y una reactancia más elevada.

Las intensidades en cada jaula son:

I₂' = (s·E₂) / √(R₂² + (s·X₂)²)    I₂'' = (s·E₂) / √(R₂² + (s·X₂)²)

Funcionamiento

• En el arranque, la frecuencia del rotor es igual a la del estator. Las reactancias son superiores a las resistencias, y la corriente circula por la jaula de menor reactancia (la externa). Así, en el arranque se consigue alta R, y por tanto alto par y poca intensidad.
• A velocidad nominal, la frecuencia del rotor es despreciable; predominan las resistencias y la corriente circula por la jaula de menor resistencia (la interna). Se consigue baja R y, por tanto, un buen rendimiento.

Inconveniente: cuando estos motores funcionan a media carga, la corriente circulará por ambos circuitos y se tendrán altas pérdidas por efecto Joule.

Aplicaciones: grúas, ascensores, ventiladores, bombas centrífugas.