Motor de Inducción Jaula de Ardilla: Funcionamiento, Características y Control de Velocidad

Motor Jaula de Ardilla

El rotor está constituido por un bloque cilíndrico de material ferromagnético. En su periferia, paralelas al eje del cilindro y aisladas eléctricamente del mismo, se ubican barras de material conductor (cobre o aluminio). Estas barras se unen todas entre sí, por ambos extremos, con aros del mismo material conductor.

En la jaula de ardilla se aprecia que entre dos barras conductoras cualesquiera conectadas por los aros de los extremos puede formarse una espira en cortocircuito. Cuando el rotor se encuentra dentro del estator donde se ha establecido un campo magnético rotante, esta espira (y todas las demás que forman la jaula) se comportará como se ha descrito anteriormente; es decir, en cada barra de la jaula de ardilla aparecerá una fuerza electromotriz inducida y, al estar en cortocircuito, circulará una corriente. La interacción de esta corriente con el campo magnético rotante generará una fuerza que impulsará al rotor a girar.

Resbalamiento

Si su velocidad de giro fuera idéntica a la del campo magnético rotante, sería como si el campo estuviera estático desde la perspectiva del rotor, desapareciendo la fuerza electromotriz inducida y, por tanto, la causa que lo mantiene en movimiento. Por lo tanto, es necesario que el rotor gire a una velocidad distinta (inferior) a la del campo magnético rotante. Tal velocidad, denominada velocidad asíncrona

es menor que la velocidad de sincronismo

. A la diferencia relativa entre ambas velocidades, referida a la sincrónica, se la denomina resbalamiento (r).

Curvas Características del Motor de Inducción

Al igual que en muchas otras máquinas eléctricas, el comportamiento del motor eléctrico puede ser descrito mediante sus curvas características. Una correcta interpretación de estas curvas para un motor específico proporciona información valiosa sobre su comportamiento bajo diversas condiciones de operación. Las curvas más relevantes para los motores de inducción son:

• Característica de velocidad: Representa la velocidad (ω o n) en función de la potencia útil (P_U) manteniendo constantes la tensión de alimentación (V) y la frecuencia (f) ( = f(P_U); V=cte; f=cte). Generalmente, se observa que la velocidad disminuye ligeramente con el aumento de la carga (entre un 2% y un 5% por debajo de la velocidad de sincronismo). Se dice que la característica de velocidad es dura.
• Característica de consumo: Representa la intensidad de corriente (I) que la máquina absorbe de la red en función de la potencia útil (P_U), manteniendo constantes la tensión (V o U) y la frecuencia (f) (I = f(P_U); V=cte; f=cte). La corriente en vacío suele estar comprendida entre el 25% y el 50% de la corriente nominal.
• Característica del factor de potencia: Representa la variación del factor de potencia (cos φ) en función de la potencia útil (P_U). Cuanto mayor es la carga mecánica aplicada al eje del motor, mejor es su factor de potencia. Sin embargo, esto puede entrar en conflicto con el rendimiento (η), ya que este tiende a disminuir si la carga mecánica excede ciertos límites óptimos. El fabricante debe buscar una solución de compromiso durante el diseño y la construcción del motor para equilibrar estos factores.
• Característica mecánica (Par-Velocidad): También conocida como curva par-velocidad, esta es quizás la característica más importante de un motor. Representa la variación del par motor (C_m o T_m) en función de la velocidad (ω o n), manteniendo constantes la tensión (V) y la frecuencia (f) (C_m = f(ω); V=cte; f=cte). A continuación, se analiza esta curva con más detalle.

Comportamiento del Motor según la Característica Par-Velocidad

La velocidad de operación de un motor depende tanto de su propia característica par-velocidad como de la característica par-velocidad de la carga que acciona. En la figura (referida en el texto original, no incluida aquí) se ilustra esta situación: las curvas A y B representan características típicas de cargas, mientras que la curva restante corresponde a un motor de inducción. Tomando como referencia estas curvas, se analizan puntos clave de funcionamiento:

• Arranque: En el instante inicial del arranque, la velocidad del rotor es cero (ω₂ = 0). El valor C_rA o C_rB representa el par resistente de arranque de la carga (A o B), que es el par mínimo necesario para iniciar el movimiento. Análogamente, C_mAr es el par de arranque del motor. Para que el sistema se ponga en movimiento, es imprescindible que C_mAr > C_rA/B. Se considera que un par de arranque adecuado debe estar entre 1.25 y 2.5 veces el par nominal (C_mN). Bajo estas condiciones, la corriente de arranque (I_a) puede alcanzar valores entre 5 y 8 veces la intensidad nominal (I_n).
• Funcionamiento en vacío: Si el motor arranca sin carga (en vacío), el punto de funcionamiento (P en la figura referida) se sitúa donde el par resistente es prácticamente nulo (en realidad, debe vencerse un pequeño par debido a los rozamientos internos y la ventilación). La velocidad en vacío (ω₂) es muy cercana a la velocidad de sincronismo.

• Funcionamiento estable con carga:

  
  Cuando el motor opera con carga, el punto de funcionamiento estable (C_m, ω₂) se encuentra en la intersección de la curva característica del motor y la curva característica de la carga (punto Q en la figura referida). En este punto, el par motor desarrollado se iguala al par resistente de la carga.

Regulación de Velocidad

En un motor de inducción estándar alimentado directamente de la red, la velocidad está fuertemente ligada a la frecuencia de alimentación y al número de polos, y varía poco con la carga. Por ello, se considera un motor de velocidad prácticamente constante. No obstante, existen diversas alternativas para controlar o regular su velocidad:

1. Variación de la tensión de alimentación: Al disminuir la tensión de alimentación, la curva par-velocidad del motor se modifica (el par es proporcional al cuadrado de la tensión). Esto desplaza el punto de funcionamiento estable para una carga dada, reduciendo la velocidad. Sin embargo, este método reduce significativamente el par motor y es poco eficiente, usándose principalmente para cargas con bajo par resistente a bajas velocidades (ej. ventiladores).
2. Variación de la resistencia rotórica (Motores de rotor bobinado): Este método solo es aplicable a motores de inducción con rotor bobinado (no jaula de ardilla). El rotor posee tres bobinados conectados en estrella, cuyos extremos libres son accesibles a través de anillos rozantes y escobillas. Conectando resistencias variables (reóstatos) en serie con el bobinado rotórico, se modifica la característica par-velocidad. Aumentar la resistencia rotórica desplaza el par máximo hacia velocidades más bajas y aumenta el par de arranque, permitiendo controlar la velocidad. Sin embargo, introduce pérdidas adicionales en las resistencias (baja eficiencia).
3. Cambio del número de polos (Motores Dahlander): Existen motores diseñados con bobinados especiales (conexión Dahlander) que permiten cambiar el número de pares de polos mediante una conmutación externa en sus bornes. Dado que la velocidad de sincronismo depende de la frecuencia y del número de polos (n_s = 60f/p), cambiar el número de polos permite obtener diferentes escalones fijos de velocidad (generalmente dos velocidades en relación 1:2).
4. Variador electrónico de frecuencia (VFD): Es el método más moderno, eficiente y flexible. Un variador de frecuencia (también llamado convertidor de frecuencia o VFD – Variable Frequency Drive) ajusta tanto la frecuencia (f) como la tensión (V) aplicadas al estator del motor, permitiendo un control continuo y preciso de la velocidad en un amplio rango, manteniendo usualmente una relación V/f constante para conservar el par motor. Los VFD típicamente constan de las siguientes etapas:
   • Etapa Rectificadora: Convierte la tensión alterna de la red (AC) en tensión continua (DC) mediante puentes rectificadores (diodos o tiristores).
   • Etapa Intermedia (Bus DC): Incluye condensadores (y a veces inductancias) para filtrar y suavizar la tensión continua rectificada, almacenando energía y reduciendo el rizado.

   • Etapa Inversora (Inverter): Convierte la tensión continua del bus DC en una tensión alterna de frecuencia y amplitud variables. Utiliza transistores de potencia (comúnmente IGBTs – Insulated Gate Bipolar Transistors) que conmutan a alta frecuencia para generar una forma de onda de salida pseudo-sinusoidal mediante técnicas como la Modulación por Ancho de Pulsos (PWM).

   • Etapa de Control: Un microprocesador o DSP controla la conmutación de los IGBTs para generar la salida deseada (tensión y frecuencia), gestiona las señales de control (arranque, paro, referencia de velocidad), monitoriza el estado del motor y del variador, e implementa funciones de protección y comunicación. La técnica de modulación más extendida es la PWM. Los variadores más comunes utilizan puentes de diodos no controlados en la etapa rectificadora.