Introducción

La máquina de inducción es denominada así porque su funcionamiento se basa en la interacción de campos magnéticos, producidos por corrientes eléctricas, sin la intervención de imanes permanentes. La corriente del devanado inducido (el rotor) se debe a la f.e.m. inducida en un circuito cerrado. También se la conoce como máquina asíncrona porque la velocidad de giro del rotor no viene impuesta por la red, sino que hay un pequeño deslizamiento entre ambas. Su uso general es como motor, aunque es posible usarlo como generador, asumiendo el problema de que no se puede regular la potencia reactiva.

Constitución y Tipología

Núcleo exterior (Estator)

Al núcleo exterior se le denomina estator, ya que es el núcleo que permanece fijo y está conectado a la fuente de alimentación o red eléctrica. Utiliza un sistema inductor: se encarga de inducir un campo magnético giratorio, con una velocidad de rotación proporcional a la frecuencia de las corrientes (ej. 50 Hz).

Núcleo interior (Rotor)

Al núcleo interior se le denomina rotor, ya que es la parte del núcleo que gira. Este rotor puede ser de dos tipos: de jaula de ardilla o de rotor bobinado (de anillos rozantes). El rotor se mueve debido a la interacción del campo magnético producido por el inductor con el producido por las corrientes que circulan por el inducido, generándose un par magnético que lo obliga a girar en el sentido del campo magnético.

Tipos de Rotor

Rotor de jaula de ardilla: Su principal inconveniente es que absorbe una corriente de arranque muy intensa (4 a 7 veces la nominal), con un bajo factor de potencia. Antiguamente también tenían el inconveniente de que su velocidad no era regulable, pero hoy en día, asociados a variadores de velocidad electrónicos, permiten un gran control sobre sus características de salida.

Rotor bobinado o de anillos rozantes: Este tipo de rotor tiene ranuras como el estator, dentro de las cuales se alojan devanados idénticos a los del estator (trifásico). Una parte de sus fases se conecta a un punto común (acoplamiento en estrella) y la otra parte de las fases se conecta a un colector fijado al eje de tres anillos (uno por fase), y estos a sus correspondientes escobillas, que se conectan a un reóstato trifásico. Los de rotor bobinado se utilizan para aquellos casos en que la transmisión de potencia sea muy elevada (a partir de 200 kW).

Funcionamiento

Velocidad de Sincronismo

Según el número de pares de polos (p) por fase que tenga el motor, la velocidad (n) variará: n = (f * 60) / p.

¿Por qué es asíncrono?

El rotor debe girar a una velocidad (n₂) distinta de la velocidad del campo giratorio provocado por el estator (n₁), porque si n₁ y n₂ fueran iguales, este se frenaría. Esto nos sirve tanto para disminuir la velocidad de la máquina como para aumentar su par (M). Sabiendo que la potencia (P) es el par (M) por la velocidad de giro (ω), para la misma potencia, a menor velocidad de giro, el par aumentará: P = M * ω, por lo tanto, M = P / ω.

Placa de Características de un Motor Asíncrono

La placa de características de un motor asíncrono típicamente incluye:

• Tipo de motor.
• Potencia nominal útil entregada en su eje (mecánica).
• Tipo de conexiones soportadas.
• Voltajes y corrientes nominales, según el tipo de conexión del motor.
• Grado de protección frente a la entrada de agentes externos (Código IP).
• Factor de Potencia (F.P.).
• Velocidad nominal del eje del motor.
• Normativa de construcción.

Placa de Bornes del Motor (Conexionado)

La placa de bornes indica cómo realizar las conexiones internas de los devanados del motor (por ejemplo, para configuraciones estrella o triángulo).

Potencia de los Motores Trifásicos

Conexión en Triángulo (Δ)

• Tensión de fase (V_f) = Tensión de línea (V_L)
• Corriente de fase (I_f) = Corriente de línea (I_L) / √3
• Corriente de línea (I_L) = Corriente de fase (I_f) * √3

Conexión en Estrella (Y)

• Tensión de fase (V_f) = Tensión de línea (V_L) / √3
• Corriente de fase (I_f) = Corriente de línea (I_L)
• Tensión de línea (V_L) = Tensión de fase (V_f) * √3

Potencia de Línea y de Fase

La potencia total trifásica (P_total) se puede calcular de dos maneras:

• Sumando las potencias de cada fase: P_total = 3 * P_f, donde la potencia por fase (P_f) = V_f * I_f * cos(α).
• Utilizando valores de línea: P_total = √3 * V_L * I_L * cos(α).

(Donde α es el ángulo de desfase entre tensión y corriente de fase).

Balance de Potencias y Rendimiento

Rendimiento (η): El rendimiento de un motor de inducción es la relación entre la potencia mecánica útil (P_u) y la potencia eléctrica absorbida en los terminales de entrada del estator (P₁): η = P_u / P₁. Por lo tanto, varía según la potencia suministrada. Generalmente, a mayor potencia suministrada (carga), mayor es el rendimiento, hasta alcanzar un punto óptimo; a cargas muy bajas, el rendimiento disminuye.

Par y Corriente de los Motores Trifásicos

En el arranque, la corriente es muy superior a la nominal debido al alto deslizamiento inicial.

Conforme aumenta la velocidad, disminuye el deslizamiento y, por lo tanto, también la corriente, hasta alcanzar la velocidad de funcionamiento. En este punto, el par motor entregado y el par resistente de la carga se igualan, y la corriente se estabiliza en su valor nominal, mucho menor que la de arranque.

Respuesta a las Variaciones de Tensión o Frecuencia

Efectos de la Conexión (Estrella vs. Triángulo) a Tensión de Línea Constante

Al alimentar un motor con la misma tensión de línea (V_L):

Intensidad

Si un motor diseñado para operar en triángulo a V_L se conecta en estrella a la misma V_L: la tensión de fase (V_f) se reduce en un factor de √3 (V_f,Y = V_L/√3). Asumiendo que la impedancia de fase (Z_f) permanece constante, la corriente de fase en estrella (I_f,Y = V_f,Y/Z_f) también se reduce en un factor de √3 en comparación con la corriente de fase que tendría en triángulo (I_f,Δ = V_L/Z_f). Como en estrella I_L,Y = I_f,Y, y en triángulo I_L,Δ = √3 * I_f,Δ, la corriente de línea en estrella (I_L,Y) será 3 veces menor que la corriente de línea en triángulo (I_L,Δ) si el motor estuviera conectado en triángulo a la misma V_L y Z_f.

Par

El par motor es aproximadamente proporcional al cuadrado de la tensión de fase (M ∝ V_f²). Dado que V_f,Y = V_f,Δ / √3, el par desarrollado en la conexión estrella (M_Y) será aproximadamente 3 veces menor que el par en conexión triángulo (M_Δ) para la misma tensión de línea. (M_Y ∝ (V_L/√3)² = V_L²/3; M_Δ ∝ V_L²).

Velocidad

La velocidad síncrona del motor no se ve directamente afectada por el tipo de conexión (estrella o triángulo), ya que depende de la frecuencia de la red y del número de polos. Sin embargo, el deslizamiento y la velocidad real pueden variar debido a los cambios en el par disponible y la carga.

Efectos de los Cambios de Frecuencia

Intensidad

Al variar la frecuencia (f) de alimentación, varía el valor de la reactancia inductiva del motor (X_L = 2πfL). Si la tensión se mantiene constante, al aumentar la frecuencia, aumenta la impedancia total (Z) del motor, lo que generalmente provoca una disminución de la corriente, y viceversa.

Par

Si se aumenta la frecuencia manteniendo la tensión constante, la relación V/f disminuye, lo que generalmente reduce el par máximo disponible del motor. Para mantener un par constante o controlado sobre un rango de velocidades, los variadores de frecuencia suelen ajustar la tensión proporcionalmente a la frecuencia (control V/f constante).

Velocidad

La velocidad síncrona (n_s) del motor es directamente proporcional a la frecuencia de alimentación: n_s = (f * 60) / p. Por lo tanto, variar la frecuencia es el método principal para controlar la velocidad de los motores de inducción.