Para empezar a tratar el tema de la potencia en el motor de inducción, iniciarás con la potencia total requerida para mover cierta carga. Seguro recordarás que la potencia en un elemento rotacional está dada por la relación de par y velocidad angular.

Esta es la potencia que el motor va a estar entregando. La potencia útil que puedes extraer de este para mover una carga acoplada a la flecha del motor. Pero esa energía, al pasar por el motor, está asociada a cierta eficiencia y por tanto a ciertas pérdidas. Estas pérdidas obligan a que la potencia de entrada sea mayor a la potencia de salida. Observa la figura 1.

Figura 1. Potencia

La flecha que está a la izquierda representa la potencia de entrada al motor. Recordando que el motor es una máquina que convierte potencia eléctrica a potencia mecánica, esta flecha es la magnitud de la potencia eléctrica que entra al motor.

La flecha que está a la derecha representa la potencia mecánica disponible en la flecha.

Podrás notar que la parte gris, se hace más pequeña a medida que te acercas a la potencia de salida. Esto se debe a que de la potencia que entra, se va perdiendo potencia por distintos conceptos. Estos son:

1. Pérdidas en los devanados del estator: Al circular corriente por los devanados del estator, y al tener estos inevitablemente un valor de resistencia, se producirán pérdidas de magnitud I²R.
2. Pérdidas en el estator: El campo magnético producido por los devanados del estator, debe viajar por el estator hacia el entrehierro y después hacia el rotor. En su paso por el estator, se generan pérdidas por histéresis y corrientes de Eddy.
3. Pérdidas de cobre en el rotor: La corriente inducida que circular en el rotor, también genera pérdidas de magnitud I²R.
4. Pérdidas en el rotor: El campo magnético de la máquina genera pérdidas por histéresis y corrientes de Eddy en las laminaciones del rotor.
5. Pérdidas rotacionales: Estas pérdidas son aquellas que se asocian a conceptos variados en el motor, tales como: pérdidas por ventilación, pérdidas por fricción con el aire y pérdidas por rodamientos. A mayor velocidad del motor, estas pérdidas son mayores.

La potencia disponible después de restar estas pérdidas a la potencia de entrada es la potencia en la flecha de salida. Recordando que la eficiencia es la relación de potencia de salida entre potencia de entrada, se tiene que:

En la figura 1 podrás observar una línea roja. Esta línea representa la potencia de conversión, es decir, la potencia disponible en el rotor antes de considerar las pérdidas rotacionales y pérdidas misceláneas. El par disponible en el rotor para realizar trabajo está asociado a esta potencia de conversión. Esta relación está dada por:

Donde Pag es la potencia disponible en el entrehierro y w es la velocidad a la cual gira el campo magnético del estator. Esta velocidad es constante.

Reducir las pérdidas en un motor, aumenta la potencia disponible a la salida.

Es importante recordar que el par generador en el rotor es proporcional a la corriente que circular por el estator. A mayor corriente, mayor par rotacional.

El comportamiento del motor, tal como su velocidad de giro, la corriente que demanda y el par que tiene disponible varía en función de la carga que esté conectada al mismo y la velocidad a la cual esté girando.

La magnitud del campo magnético neto presente en el estator, no depende de la carga que haya en el mismo, solo depende del voltaje aplicado.

La corriente en el motor depende del deslizamiento del rotor con respecto al estator. El deslizamiento depende la magnitud de la carga en flecha. Es decir, la corriente depende del deslizamiento.

Las siguientes figuras definen el comportamiento de los parámetros más importantes del motor:

Figura 2. Relación de corriente contra porcentaje de velocidad rotacional

Para la figura 2 es muy importante notar lo siguiente:

• La corriente es máxima cuando la velocidad es cero. Esto quiere decir, que en el arranque, el motor de inducción demanda la máxima cantidad de corriente.
• La corriente de arranque de un motor de inducción puede ser hasta de ocho veces la corriente nominal.
• A medida que incrementa la velocidad, la corriente disminuye.
• Si la velocidad rotacional fuera igual a la velocidad del campo rotativo, la corriente sería cero y el motor no podría girar.

Figura 3. Relación de par torsional contra porcentaje de velocidad rotacional

Para la figura 3 es muy importante notar lo siguiente:

• Al igual que con la corriente, si la velocidad del rotor fuera igual que la velocidad de giro del campo magnético, el par inducido sería cero y el motor no giraría.
• El par incrementa a medida que incrementa la velocidad. Encuentra su valor máximo alrededor del 80% de la velocidad de giro del campo magnético. Este es el punto preferido de operación para el motor de inducción.
• Un par mayor no necesariamente está relacionado a una mayor corriente. Hay otros factores que influyen en la magnitud del par rotacional.

Si observas los datos de placa de un motor de inducción, de inmediato te podrás dar cuenta de los valores nominales del mismo, o si tienes un motor cuya placa de datos no puedes leer o no se encuentra disponible pero deseas conocer las capacidades de ese motor, ¿qué se puede hacer?

Un arreglo muy utilizado para encontrar las capacidades de un motor de inducción es el siguiente:

Figura 4. Arreglo en un motor de inducción

En la figura 4 observarás los siguientes componentes:

1. El rectángulo azul representa el motor de inducción del cual quieres obtener sus características.
2. El rectángulo verde representa un generador de corriente directa.
3. La figura gris representa una flecha común, es decir, acopla los ejes del motor de inducción y del generador de corriente directa. Las dos máquinas girarán a la misma velocidad en todo momento.
4. La figura naranja es un banco de resistencias que se alimentará con la corriente que sale del generador de corriente directa.

Todo el proceso consiste en conversión de energía, por lo que, la energía que se disipe en la última parte de nuestro banco de pruebas (las resistencias) será relacionada con la energía que entra al motor de inducción.

1. El motor de inducción convierte la energía eléctrica a energía mecánica.
2. La potencia mecánica viaja a través de la flecha y llega al generador de corriente directa.
3. El generador convierte esa potencia mecánica a potencia eléctrica.
4. La potencia eléctrica se disipa en las resistencias en forma de calor.

De modo que puedes afirmar lo siguiente:

La potencia disipada en las resistencias (Pr) es la potencia de salida del generador de CD. Si divides la potencia de salida del generador de CD entre la eficiencia del generador, puedes encontrar la potencia de entrada al generador de CD. La potencia de entrada al generador es la potencia disponible en flecha T_FW_F y es la potencia de salida del generador.

De modo que variando la potencia que entra a las resistencias, puedes variar la potencia de salida de nuestro motor de inducción. Si además cuentas con un instrumento que pueda medir las revoluciones por minuto (RPM) a la que está girando la flecha, puedes trazar una curva que muestra cómo se comporta el motor bajo diferentes condiciones de carga. Esta curva tendrá una forma parecida a la que se mostró en la figura 3.

La potencia necesaria para mover un automóvil depende del tipo de automóvil, pérdidas por fricción, inclinación o pendiente del camino, entre otras. Afortunadamente, existen simples leyes físicas que determinan la potencia.

Los motores eléctricos son, sin lugar a dudas, uno de los mayores consumidores de energía eléctrica a nivel industrial. En una industria típica, su consumo ronda el 60% del total, incluso alcanzando en ciertas actividades niveles cercanos al 85%. Los costos de operación y de mantenimiento de los motores de inducción pueden ser reducidos sustancialmente, si son seleccionados apropiadamente para la tarea específica que desempeñarán, junto a elegir el accionamiento adecuado para comandarlo.

Revisa a continuación el Checkpoint: