Fundamentos y Funcionamiento del Motor Asíncrono Trifásico: Componentes y Cálculo de Deslizamiento

Principios de Funcionamiento del Motor Asíncrono

El funcionamiento del motor asíncrono se basa en la acción del flujo giratorio generado en el circuito estático (estator) sobre las corrientes inducidas por dicho flujo en el circuito del rotor. La velocidad de rotación del rotor ($N$) es siempre inferior a la velocidad de sincronismo ($N_s$).

La velocidad de estos motores debe ser una velocidad fija, ligeramente menor que la velocidad de sincronismo.

Componentes Principales de un Motor de Inducción

Estator

Es la parte fija del motor, compuesta por:

• Carcasa de acero: Contiene al núcleo magnético y sirve para proteger y disipar el calor.
• Núcleo Estatórico: Compuesto por un conjunto de chapas apiladas. En el interior del núcleo existen ranuras donde se bobinan los devanados inductores.

Rotor

Es la parte móvil del motor. Acoplado al eje, se sitúa el núcleo rotórico (que interactúa con el campo magnético del estator).

Refrigeración

Si se acopla un ventilador al eje de giro, este enfría al motor llevando el calor al exterior. Este método se denomina autoventilación. También existen motores con ventilación forzada, utilizados en aplicaciones de alta exigencia.

Caja de Bornes

Alojamiento para los terminales de los devanados, facilitando su conexión a la red eléctrica. Existen dos terminales por devanado y un devanado por fase.

Entrehierro

Es el espacio de aire que separa al rotor del estator. Es crucial, ya que es donde se produce la transferencia de energía mediante el campo magnético rotatorio.

Inducción, Campo Magnético y Deslizamiento

El núcleo magnético del estator tiene en su interior ranuras donde se alojan los bobinados inductores. Cada bobinado tiene un par de polos opuestos que, al circular corriente por ellos, crean un flujo magnético que atraviesa el rotor y retorna por el estator. Este flujo tendrá dirección ascendente o descendente según la dirección de la corriente.

Velocidad de Sincronismo ($N_s$)

La velocidad de rotación del flujo magnético es directamente proporcional a la frecuencia ($f$) de la red. A esta velocidad se la denomina velocidad de sincronismo ($N_s$).

La fórmula para calcular la velocidad de sincronismo es:

$$N_s = \frac{120 \cdot f}{P}$$

Donde $P$ es la cantidad de polos, o alternativamente:

$$N_s = \frac{60 \cdot f}{p}$$

Donde $p$ es la cantidad de pares de polos.

Principio de Inducción y Par Motor

Al situar una espira en cortocircuito en el interior del estator, la variación de dicho flujo induce una fuerza electromotriz (FEM) que crea una corriente en el rotor. Para que se induzca corriente y se genere par motor, debe existir movimiento relativo entre el flujo rotatorio y el rotor.

Si el rotor girase a la misma velocidad que el flujo ($N = N_s$), desaparecería la corriente inducida y, por lo tanto, el par de fuerzas. Esta velocidad es la velocidad de sincronismo.

Cálculo del Deslizamiento ($s$)

A la diferencia entre la velocidad de sincronismo y la velocidad real del rotor la llamamos deslizamiento ($s$). El deslizamiento es un parámetro fundamental que define la operación del motor asíncrono.

$$s = \frac{N_s - N}{N_s}$$

Rendimiento y Curva Característica

Los motores asíncronos se definen por una serie de parámetros que establecen las condiciones óptimas de funcionamiento de la máquina. A estos parámetros se los denomina parámetros nominales:

• Potencia Nominal: Es la potencia desarrollada en estas condiciones.
• Tensión e Intensidad Nominal: Son un par de valores (según se conecten en estrella o triángulo) que no se deben sobrepasar para garantizar la vida útil del motor.
• Frecuencia de la Red.
• Velocidad Nominal ($N$).
• Par Nominal: Par de fuerzas desarrollado a velocidad nominal.
• Factor de Potencia Nominal ($\cos\phi$).

Es importante destacar que el motor no puede desarrollar más potencia que la nominal de forma continua. Sin embargo, los motores asíncronos tienen una capacidad de sobrecarga transitoria.

Métodos de Arranque Especiales

Arranque con Autotransformador

Este método se utiliza para reducir la corriente de arranque. El autotransformador se conecta al punto medio para cerrar el circuito secundario, ya que, si no se realiza correctamente, los autotransformadores pueden sobrecalentarse. (Ver diagrama de conexión)

Rotor con Ranuras Profundas

Este diseño se obtiene mediante un rotor con ranuras profundas, ocupadas por barras altas y profundas. La geometría de estas ranuras provoca que la corriente se distribuya de forma diferente en el arranque (alta resistencia, alto par) y en el funcionamiento de trabajo (baja resistencia). Esto mejora el par de arranque sin necesidad de resistencias externas. (Ver diagrama de sección del rotor)