Motores de Inducción de Rotor Devanado: Diseño, Ventajas y Aplicaciones de Velocidad Variable

Un motor de inducción de rotor devanado presenta un estator idéntico al de un motor de jaula de ardilla, pero su rotor contiene devanados aislados que salen a través de anillos rozantes y escobillas. Aunque nunca se suministra potencia a los anillos rozantes, estos cumplen un papel crucial durante el arranque: permiten insertar una resistencia en serie a través de los devanados del rotor. Una vez que el motor alcanza la velocidad de operación, esta resistencia se cortocircuita, haciendo que el rotor se comporte eléctricamente como un rotor de jaula de ardilla.

Motor de inducción de rotor devanado

¿Por qué se inserta una resistencia en serie con el rotor?

Los grandes motores de jaula de ardilla pueden consumir 500-1000 % de la corriente a plena carga durante el arranque. La resistencia añadida reduce drásticamente la corriente de rotor bloqueado y, más importante, aumenta el par de arranque. A medida que la resistencia del rotor aumenta de R₀ a R₁ a R₂, el pico de par de ruptura se desplaza hacia la izquierda, alcanzando su máximo a velocidad cero. Este alto par en reposo es esencial para arrancar cargas de alta inercia.

Pico de par de ruptura desplazado a velocidad cero al aumentar resistencia del rotor

Aunque la resistencia en serie reduce el par disponible a plena velocidad, esta se elimina una vez que el rotor ha acelerado. El calor generado durante el arranque se disipa entonces externamente en la resistencia de arranque, manteniendo el cuerpo del motor más frío.

Un inconveniente de los motores de rotor devanado es la complejidad añadida y el mantenimiento requerido para escobillas y anillos rozantes.

Esta configuración de motor es ideal para arrancar cargas pesadas de alta inercia. Con una alta resistencia de arranque, el par máximo de salida está disponible inmediatamente a velocidad cero —a diferencia de un motor de jaula de ardilla, cuyo pico de par solo aparece cerca del 80 % de la velocidad síncrona.

Control de Velocidad

Al reintroducir una resistencia variable en el circuito del rotor tras el arranque, la velocidad del motor puede controlarse. Aumentar la resistencia reduce la corriente del rotor, bajando la velocidad. Sin embargo, el alto par de arranque y el par de ruptura desplazado solo están presentes a bajas velocidades. A velocidades mayores, el motor se comporta de forma similar a uno de jaula de ardilla.

Los valores típicos de resistencia se denotan R₀, R₁, R₂ y R₃, con el valor aumentando de cero al máximo. Una resistencia mayor en R₃ puede reducir aún más la velocidad. La regulación de velocidad es óptima en el rango 50-100 % de velocidad plena, y funciona bien con cargas de velocidad variable como elevadores y prensas de impresión.

Resistencia del rotor controla la velocidad de un motor de inducción de rotor devanado

Generador de Inducción Doblemente Alimentado (DFIG)

Cuando un motor de rotor devanado se acciona por encima de la velocidad síncrona, puede actuar como generador. Como tanto el estator como el rotor son eléctricamente accesibles, esta máquina se conoce como generador de inducción doblemente alimentado, a diferencia de la versión simplemente alimentada que solo se conecta al estator.

Resistencia del rotor permite operación sobrevelocidad de generador de inducción doblemente alimentado

El DFIG puede variar su velocidad en un rango de ±30-50 % respecto a la velocidad síncrona. Al insertar resistencia en el circuito del rotor, el exceso de energía se absorbe cuando la máquina sobrevelocidad, mientras que resistencia negativa puede suministrar energía adicional cuando infravelocidad. En la práctica, la resistencia es reemplazada por un convertidor de potencia que alimenta o extrae energía del rotor, mejorando la eficiencia global.

Convertidor recupera energía del rotor del generador de inducción doblemente alimentado

Convertidor toma energía de la red para el rotor del generador doblemente alimentado, permitiendo operación eficiente bajo y sobre velocidad síncrona

En esta configuración, el rotor puede efectivamente "tomar prestada" o suministrar potencia al estator, permitiendo al generador mantener una salida de 60 Hz incluso cuando su velocidad se desvía de la síncrona. Teóricamente, un DFIG sin pérdidas entregaría exactamente el 100 % de la potencia mecánica a la red; en la práctica, la contribución del rotor puede elevar la salida aparente a alrededor del 130 % de la entrada mecánica, con la energía extra absorbida o suministrada por el convertidor.

Cualidades Clave de Motores de Inducción de Rotor Devanado

• Alto par de arranque para cargas pesadas e inerciales.
• Corriente de arranque menor que motores de jaula de ardilla.
• La velocidad puede regularse entre 50 % y 100 % de velocidad plena mediante resistencia del rotor.
• Requiere escobillas y anillos rozantes, aumentando mantenimiento frente a diseños de jaula de ardilla.
• Cuando se usa como generador, la máquina se convierte en generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) de velocidad variable.

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