Ensayos de Motor Asíncrono Trifásico: Determinación de Características y Diagrama del Círculo

Práctica 17: Ensayos de un Motor Asíncrono y Construcción del Diagrama del Círculo

1. Introducción

Esta práctica consiste en la determinación indirecta de las características operacionales de un motor asíncrono trifásico, utilizando una potencia considerablemente menor a la potencia nominal del motor. Para lograr esta caracterización, se empleará el modelo gráfico conocido como Diagrama del Círculo.

2. Fundamento Teórico y Esquema de Ensayos

Para la determinación y construcción del Diagrama del Círculo es imprescindible realizar dos pruebas fundamentales: un ensayo en vacío y un ensayo en cortocircuito. Además, es necesario conocer la resistencia por fase del estator (R₁) para poder discriminar las pérdidas mecánicas de las pérdidas en el hierro.

2.1. Ensayo en Vacío

Para efectuar el ensayo en vacío, se aplica al motor la tensión nominal (U_n) y se le permite girar libremente, es decir, sin carga alguna. Durante esta operación, se determinan simultáneamente la intensidad (I₀) y la potencia absorbida (P₀).

Con los datos obtenidos, se puede determinar el factor de potencia en vacío (cos φ₀) mediante la siguiente relación:

$$\cos \phi_0 = \frac{P_0}{\sqrt{3} \cdot U \cdot I_0}$$

Dado que la potencia útil es nula en este ensayo, toda la potencia absorbida se traduce en pérdidas, según la expresión:

$$P_0 = P_{Fe} + P_m + 3 \cdot R_1 \cdot I_0^2$$

Donde:

• P_Fe: Pérdidas en el hierro (pérdidas en el núcleo).
• P_m: Pérdidas mecánicas y de ventilación.
• $3 \cdot R_1 \cdot I_0^2$: Pérdidas en el cobre del estator en vacío.

Las pérdidas en el cobre del rotor son despreciables, ya que por él únicamente circulará la corriente (I₂)₀ necesaria para que el motor desarrolle el par que compensa las pérdidas mecánicas y de ventilación.

Si se supone conocida la resistencia por fase del estator (R₁), la cual debe haberse determinado mediante una medida previa, de la expresión anterior puede deducirse la suma de las pérdidas mecánicas y del hierro:

$$P_{Fe} + P_m = P_0 - 3 \cdot R_1 \cdot I_0^2$$

2.2. Ensayo en Cortocircuito

Para el ensayo en cortocircuito, el rotor debe permanecer en reposo. Se aplica una tensión reducida (U_cc) que provoque la circulación por el devanado del estator de una corriente igual a la nominal del motor (I_1n). La potencia medida en estas condiciones será la potencia de cortocircuito (P_cc).

Las gráficas obtenidas durante el ensayo permitirán determinar la corriente de cortocircuito (I_cc) y la potencia de cortocircuito correspondiente a la tensión nominal.

El factor de potencia en cortocircuito (cos φ_cc) se determinará mediante la fórmula:

$$\cos \phi_{cc} = \frac{P_{cc}}{\sqrt{3} \cdot U \cdot I_{cc}}$$

Donde U representa la tensión compuesta nominal de la red e I_cc la corriente de cortocircuito.

También, a partir de la potencia de cortocircuito, podrá determinarse la resistencia de cortocircuito (R_cc):

$$R_{cc} = \frac{P_{cc}}{3 \cdot I_{cc}^2}$$

Una vez obtenidos todos los valores necesarios (I₀, P₀, I_cc, P_cc, R₁), se procederá a la construcción gráfica del Diagrama del Círculo.

3. Material Necesario

Para la realización de esta práctica, se requiere el siguiente equipo:

• Una fuente de tensión de corriente continua (CC).
• Un voltímetro de CC.
• Un amperímetro de CC.
• Una fuente de tensión de corriente alterna (CA) trifásica regulable.
• Un motor asíncrono trifásico.
• Un voltímetro para CA.
• Un amperímetro para CA.
• Dos vatímetros.