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6.6 Variaciones en las características par-velocidad del motor de inducción 259 6.6 VARIACIONES EN LAS CARACTERÍSTICAS PAR-VELOCIDAD DEL MOTOR DE INDUCCIÓN La sección 6.5 contiene la deducción de la característica par-velocidad de un motor de inducción. De hecho, se mostraron varias curvas de la característica, dependiendo de la resistencia del rotor. El ejemplo 6-5 ilustra el dilema de un diseñador de motores de inducción: si se diseña un rotor con alta resistencia, entonces el par de arranque del motor es bastante alto, pero el deslizamiento también es bastante alto en condiciones normales de operación. Recuérdese que P conv 5 (l − s)P EH , de tal manera que mientras más grande sea el deslizamiento, menor será la fracción de potencia en el entrehierro que en realidad se convierte a su forma mecánica, y entonces menor será la eficiencia del motor. Un motor con una alta resistencia del rotor tiene un buen par de arranque pero una eficiencia pobre en condiciones normales de operación. Por otro lado, un motor con una baja resistencia del rotor tiene un par de arranque bajo y una corriente de arranque alta, pero su eficiencia en condiciones normales de operación es bastante alta. El diseñador de motores de inducción se ve forzado a elegir entre estos requerimientos en conflicto de un alto par de arranque y una buena eficiencia. En la sección 6.5 se sugirió una solución posible para superar este problema: utilizar un motor de inducción con rotor devanado e insertar resistencia extra en el rotor durante el arranque. Esta resistencia extra se puede eliminar por completo durante la operación normal para mejorar la eficiencia. Desafortunadamente, los motores con rotores devanados son más caros, necesitan más mantenimiento y requieren un circuito de control automático mucho más complejo que los motores con rotores de jaula de ardilla. Además, a veces es importante sellar por completo el motor cuando se ubica en un ambiente peligroso o explosivo, lo que se logra de manera más fácil con un rotor de una sola pieza. Sería bueno encontrar alguna forma de añadir una resistencia extra del rotor en el arranque y de retirarla durante la operación normal sin anillos corredizos y sin intervención de un operador o de un circuito de control. En la figura 6-24 se observan las características del motor deseado. Esta figura muestra dos características de un motor con rotor devanado, una con alta resistencia y otra con baja resistencia. Si los deslizamientos son altos, el motor deseado se debería comportar de acuerdo con la curva de un motor con rotor devanado de alta resistencia; si los deslizamientos son pequeños, se debería comportar de acuerdo con la curva de un motor con rotor devanado de baja resistencia. Afortunadamente, es posible lograr este efecto aprovechando la ventaja de la reactancia de dispersión en el diseño del rotor de los motores de inducción. t ind Se parece a la de alta R 2 Alta R2 Curva deseada Baja R 2 Se parece a la de baja R 2 FIGURA 6-24 Curva característica par-velocidad que combina los efectos de alta resistencia a bajas velocidades (deslizamiento alto) con efectos de baja resistencia a altas velocidades (deslizamiento bajo). n m Control de las características del motor mediante el diseño del rotor de jaula de ardilla En el circuito equivalente de un motor de inducción, la reactancia X 2 representa la forma referida de la reactancia de dispersión del rotor. Recuérdese que la reactancia de dispersión se debe a las líneas de flujo del rotor que no se acoplan con los devanados del estator. En general, mientras más lejos del rotor se encuentre la barra o parte de la barra del rotor, mayor será la reactancia de dispersión, puesto que un menor porcentaje del flujo de la barra llegará al estator. Por lo tanto, si las barras de un rotor de jaula de ardilla se ubican cerca de la superficie del rotor, tendrán sólo un pequeño flujo disperso y la reactancia X 2 será pequeña en el circuito equivalente. Por otro lado, si las barras del
260 CAPÍTULO 6 Motores de inducción rotor se ubican más adentro de la superficie del rotor, habrá más dispersión y será mayor la reactancia del rotor X 2 . Por ejemplo, en la figura 6-25a) se puede ver la fotografía de un rotor laminado que muestra la sección transversal de las barras en el rotor, que en la figura son bastante grandes y están ubicadas cerca de la superficie del rotor. Este diseño tiene una baja resistencia (debido a su gran sección transversal) y una baja reactancia de dispersión y X 2 (debido a la ubicación de las barras cerca del estator). En función de la baja resistencia del rotor, el par máximo será muy cercano a la velocidad síncrona [véase ecuación (6-53)] y el motor será bastante eficiente. Recuérdese que P conv 5 (1 − s)P EH (6-33) a) b) c) d) FIGURA 6-25 Laminados de rotores de jaula de motor de inducción típicos que muestran la sección transversal de las barras del rotor: a) diseño NEMA clase A, barras largas cerca de la superficie; b) diseño NEMA clase B, barras de rotor profundas y largas; c) diseño NEMA clase C, diseño de rotor de doble jaula; d) diseño NEMA clase D, barras pequeñas cerca de la superficie. (Cortesía de MagneTek, Inc.) por lo que se perderá muy poca potencia en el entrehierro en la resistencia del rotor. Sin embargo, ya que R 2 es pequeño, el par de arranque del motor será pequeño y la corriente de arranque será alta. Este tipo de diseño se llama diseño clase A de la National Electrical Manufacturers Association (NEMA). Es más o menos igual a un motor de inducción típico y sus características son básicamente las mismas que las de un motor con rotor devanado sin resistencia extra. En la figura 6-26 se puede observar su característica par-velocidad. La figura 6-25d) muestra la sección transversal del rotor de un motor de inducción con barras pequeñas ubicadas cerca de la superficie del rotor. Puesto que el área de la sección transversal de las barras es pequeña, la resistencia del estator es relativamente alta. Debido a que las barras están
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