Contexto
Cualquier máquina en este mundo, sin importar si opera con energía mecánica, eléctrica, térmica, etcétera., está sujeta a ciertas pérdidas. Esto quiere decir que la energía que entra a la máquina necesariamente tiene que ser mayor que la energía que sale. En el caso de los motores de inducción estas pérdidas derivan de los efectos electromagnéticos que precisamente hacen posible su funcionamiento.
A menor eficiencia, mayor gasto de energía. En un automóvil, es extremadamente importante tener una alta eficiencia ya que el suministro de energía es limitado. Aunque esto represente un mayor costo en los motores que se van a instalar, resulta en un vehículo más eficiente y con mejor aprovechamiento de recursos.
Pregunta detonadora o de reflexión:
Explicación
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:
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:
Figura 3. Relación de par torsional contra porcentaje de velocidad rotacional
Para la figura 3 es muy importante notar lo siguiente:
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:
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.
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 TFWF 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.
Cierre
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:
Asegúrate de comprender
Referencias
Chapman, S. (2012). Máquinas eléctricas (5ª ed.). México: McGraw-Hill. Interamericana Editores S.A de C.V.