Optimización del rotor y devanados de arranque en el diseño de motores asíncronos: V. I: Teoría

Abstract

Diseñar una máquina eléctrica es determinar totalmente su configuración, sus dimensiones físicas y sus parámetros electromecánicos, para que satisfaga ciertas especificaciones previas al diseño. Estas especificaciones o requerimientos son la razón de ser del diseño y, en lo posible, deben ser cumplidas a cabalidad. En el diseño de un motor asíncrono, las cinco especificaciones fundamentales son: corriente de arranque, torque de arranque, corriente nominal, torque nominal y torque máximo. Se puede afirmar que un motor es mejor que otro si, a igual tensión de alimentación, el primero toma una corriente menor y produce un torque mayor. Pero las especificaciones se contraponen mutuamente. Una menor corriente de arranque, por ejemplo, se logra a expensas de un torque de arranque menor, de tal modo que debe optarse por una solución que preserve el mínimo torque exigido en el arranque, pero sin sobrepasar la máxima corriente admisible. Evidentemente, no existirá solución cuando las especificaciones opuestas sean demasiado exigentes. Las Normas Oficiales de los diversos países garantizan la factibilidad de los motores que se fabrican en grandes series. Pero si el diseño responde a requerimientos especiales, su factibilidad tiene que ser demostrada. ¡Los procedimientos de diseño más difundidos son el de "prueba y error" y e! de "síntesis". El primero es descrito así por C.G. Veinott: "... un método muy popular y efectivo es el de suponer un diseño de prueba siguiendo las pautas del diseño comparable más cercano que se conozca. Se efectúa los cálculos hasta terminarlos ó hasta que re suite evidente que no serán satisfactorios. Se estudia el diseño de prueba en forma crítica, viendo cómo mejorarlo, y se ensaya un nuevo diseño... A veces resulta una mejora mayor que la anticipada, otras veces menor... Tal procedimiento es frecuentemente denominado "meto do de prueba y error". Es decir que se ensaya o "prueba" una solución y se determina su "error"..." Para un diseñador con gran experiencia e información el método de "prueba y error' es suficientemente rápido y seguro. Juan Corrales Martín dice: "el cálculo de máquinas eléctricas, pese a lo trabajada que ha si do su racionalización, no es todavía una ciencia exacta y requiere aún la experiencia y el "ojo clínico" del constructor para llegar a resultados óptimos, aunque sean tantas las recomendaciones basadas en construcciones anteriores que se ofrecen... para acertar sin perder mucho tiempo". Aun contando con experiencia e información, se requiere una cantidad variable de "pruebas y errores" para obtener un buen diseño. Naturalmente cuanto menos experiencia e información se tenga, tanto mayor será el número de cálculos a realizar. Y si está en duda la factibilidad de un diseño, se precisará de muchas iteraciones fallidas para afirmar que no hay solución. Los métodos llamados de "síntesis" constituyen valiosos esfuerzos por llegar directamente a la solución, sin efectuar correcciones sucesivas. Para ello se ha tratado de establecer un conjunto de fórmulas en las cuales se reemplace las especificaciones deseadas y se obtenga el diseño. Sin embargo, como señala C.G. Veinott: "son tantas las variables que es virtualmente imposible incorporar a todas en simples ecuaciones ... el diseñador tiene que hacer algunas suposiciones". El método que presentamos puede inscribirse como uno de prueba y error" con dos mejoras esenciales que lo aproximan a uno de síntesis". Estas mejoras son: 1- La certeza de que es matemáticamente posible (o imposible) satisfacer un conjunto dado de especificaciones. 2- Si el diseño es posible, su factibilidad queda supeditada a la obtención real de valores calculados. Pero estos valores constituyen ya una buena guía para efectuar con seguridad los cálculos de "prueba y error", encaminándolos adecuadamente. Desde un punto de vista teórico, la interpretación geométrica de la influencia de las especificaciones sobre los parámetros, contribuye grandemente a facilitar la comprensión del tema. Esto se aprecia en los diseños concretos que presentamos. Los dos autores de la presente tesis hacemos constar que juntos efectuamos tanto el desarrollo matemático como las aplicaciones del mismo. Es decir, que los dos somos autores de la parte teórica y de los tres diseños basados en ella. La división en dos volúmenes, de responsabilidades virtualmente separadas es formal, pues tuvo que hacerse para su presentación a la Universidad.