Motores de inducción

Electrónica de potencia. Características. Funcionamiento. Motores de diseño. Clasificación. Corriente contínua. Componentes. Cambios de frecuencia

  • Enviado por: Ricardo
  • Idioma: castellano
  • País: Venezuela Venezuela
  • 53 páginas
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Motores de Inducción

San Cristóbal 13 de julio de 2005

Introducción

El presente informe contiene datos, gráficos, tablas de las diversas pruebas realizadas a un motor de inducción.

Entre las pruebas tenemos, pruebas en vacío, en cortocircuito, pruebas a velocidad sincrónica así como puesta en marcha del motor bajo carga. Además contiene especificaciones para la determinación del comportamiento frente a los diversos métodos de arranque.

Los ensayos principales se realizaron para condiciones nominales, lo que permite obtener las perdidas producto del hierro y del rozamiento para condiciones de funcionamiento normal en un motor de inducción. A su vez también se denotan los parámetros del circuito equivalente obtenidos a partir del ensayo en vacio. Tanto los resultados como los comportamientos de las variables cotejadas son analizadas, exponiendo de manera idónea las explicaciones pertinentes en cada punto de interés. Se agrego la información necesaria a fin de obtener de parte suya la óptica percepción de los parámetros y métodos desarrollados durante la práctica

El trabajo recoge información de las experiencias prácticas que fueron debidamente tabuladas, analizadas y explicadas a través de gráficos y cálculos de los parámetros más trascendentes originados en las pruebas.

Objetivos

  • Establecer contacto preliminar con una maquina de inducción para observa sus aspectos constructivos, estableciendo diferencias entre el rotor devanado y rotor jaula de ardilla.

  • Conocer las características de placa de las maquinas en estudio

  • Verificar el aislamiento que debe presentar la maquina.

  • Determinar la resistencia efectiva de los devanados del estator y del rotor para un motor de inducción.

  • Realizar el ensayo en vacío o rotor libre para un motor de inducción

  • Realizar un ensayo en vacío, girando a velocidad sincrónica por medio de un motor auxiliar.

  • Determinar las perdidas nominales del hierro y de roce mecánico que presentan los motores.

  • Determinar las características de magnetización de un motor de inducción.

  • Determinar la reactancia de magnetización y resistencia equivalente del núcleo del motor de inducción.

  • 10. Realizar un ensayo en cortocircuito para u motor de inducción.

    11. Determinar mediante ensayo en cortocircuito (rotor bloqueado) los parámetros del circuito equivalente de los motores de inducción ensayados.

    12. Usando la característica de cortocircuito determinar la posible corriente en el arranque si se aplica plena tensión.

    13. Determinar las pérdidas nominales del cobre que presentan los motores.

    14. Determinar las características de funcionamiento de un motor asincrónico con carga.

    15. Para distintos valores de carga del motor determinar, potencia de entrada, potencia de salida, perdidas del cobre, deslizamiento, par desarrollado, rendimiento o eficiencia.

    16. Estudiar algunos métodos de arranque de los motores de inducción.

  • observar el comportamiento de un motor de inducción cundo se ve sometido a funciones anormales de funciona

  • Contenido

    Pagina

  • Introducción……………………………………………………2

  • Objetivos……………………………………………………….3

  • Marco teórico………………………………………………….5

  • Desarrollo ……………………………………………………..19

  • Conclusiones…………………………………………………..51

  • Bibliografía……………………………………………………..53

  • Marco Teórico

    Bobina: Es un enrollamiento de un cable conductor alrededor de un cilindro sólido o hueco, cuya especial geometría le confiere importantes características magnéticas.

    Corriente alterna: Es la corriente la cual varía a partir de cero a un máximo positivo hasta cero a un máximo negativo hasta cero, un número de veces por segundo, el número siendo expresado en ciclos por segundo de Hertzios (HZ).

    Escobillas: Un elemento de conducción, usualmente de grafito cobre, el cual mantiene el deslizamiento del contacto eléctrico entre un elemento estacionario y un elemento en movimiento.

    Generador: Un nombre general para un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. La energía eléctrica puede ser corriente continua (CC) o corriente alterna (AC).

    Rotor: El elemento rotante de un generador o motor.

    Motores de corriente alterna:

    Se diseñan dos tipos básicos de motores para funcionar con corriente alterna polifásica: los motores síncronos y los motores de inducción. El motor síncrono es en esencia un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, y las bobinas de la armadura están divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna trifásica. La variación de las tres ondas de corriente en la armadura provoca una reacción magnética variable con los polos de los imanes del campo, y hace que el campo gire a una velocidad constante, que se determina por la frecuencia de la corriente en la línea de potencia de corriente alterna.

    La velocidad constante de un motor síncrono es ventajosa en ciertos aparatos. Sin embargo, no pueden utilizarse este tipo de motores en aplicaciones en las que la carga mecánica sobre el motor llega a ser muy grande, ya que si el motor reduce su velocidad cuando está bajo carga puede quedar fuera de fase con la frecuencia de la corriente y llegar a pararse. Los motores síncronos pueden funcionar con una fuente de potencia monofásica mediante la inclusión de los elementos de circuito adecuados para conseguir un campo magnético rotatorio.

    El más simple de todos los tipos de motores eléctricos es el motor de inducción de caja de ardilla que se usa con alimentación trifásica. La armadura de este tipo de motor consiste en tres bobinas fijas y es similar a la del motor síncrono. El elemento rotatorio consiste en un núcleo, en el que se incluyen una serie de conductores de gran capacidad colocados en círculo alrededor del árbol y paralelos a él. Cuando no tienen núcleo, los conductores del rotor se parecen en su forma a las jaulas cilíndricas que se usaban para las ardillas. El flujo de la corriente trifásica dentro de las bobinas de la armadura fija genera un campo magnético rotatorio, y éste induce una corriente en los conductores de la jaula. La reacción magnética entre el campo rotatorio y los conductores del rotor que transportan la corriente hace que éste gire. Si el rotor da vueltas exactamente a la misma velocidad que el campo magnético, no habrá en él corrientes inducidas, y, por tanto, el rotor no debería girar a una velocidad síncrona. En funcionamiento, la velocidad de rotación del rotor y la del campo difieren entre sí de un 2 a un 5%. Esta diferencia de velocidad se conoce como caída.

    MOTORES DE INDUCCION DE JAULA DE ARDILLA CLASE A

    El motor clase A es un motor de jaula de ardilla normal o estándar fabricado para uso a velocidad constante. Tiene grandes áreas de ranuras para una muy buena disipación de calor, y barras con ranuras ondas en el motor. Durante el periodo de arranque, la densidad de corriente es alta cerca de la superficie del rotor; durante el periodo de la marcha, la densidad se distribuye con uniformidad. Esta diferencia origina algo de alta resistencia y baja reactancia de arranque, con lo cuál se tiene un par de arranque entre 1.5 y 1.75 veces el nominal ( a plena carga). El par de arranque es relativamente alto y la baja resistencia del rotor producen una aceleración bastante rápida hacia la velocidad nominal. Tiene la mejor regulación de velocidad pero su corriente de arranque varía entre 5 y 7 veces la corriente nominal normal, haciéndolo menos deseable para arranque con línea, en especial en los tamaños grandes de corriente que sean indeseables.

    MOTORES DE INDUCCION DE JAULA DE ARDILLA CLASE A

    A los motores de clase B a veces se les llama motores de propósito general; es muy parecido al de la clase A debido al comportamiento de su deslizamiento-par. Las ranuras de su motor están embebidas algo más profundamente que el los motores de clase A y esta mayor profundidad tiende a aumentar la reactancia de arranque y la marcha del rotor. Este aumento reduce un poco el par y la corriente de arranque.

    Las corrientes de arranque varían entre 4 y 5 veces la corriente nominal en los tamaños mayores de 5 HP se sigue usando arranque a voltaje reducido. los motores de clase B se prefieren sobre los de la clase A para tamaños mayores.

    Las aplicaciones típicas comprenden las bombas centrífugas de impulsión, las máquinas herramientas y los sopladores.

    MOTORES DE INDUCCION DE JAULA DE ARDILLA CLASE C

    Estos motores tienen un rotor de doble jaula de ardilla, el cual desarrolla un alto par de arranque y una menor corriente de arranque.

    Debido a su alto par de arranque, acelera rápidamente, sin embargo cuando se emplea en grandes cargas, se limita la disipación térmica del motor por que la mayor parte de la corriente se concentra en el devanado superior.

    En condiciones de arranque frecuente, el rotor tiene tendencia a sobre calentarse se adecua mejor a grandes cargas repentinas pero de tipo de baja inercia.

    Las aplicaciones de os motores de clase C se limitan a condiciones en las que es difícil el arranque como en bombas y compresores de pistón

    MOTORES DEINDUCCION DE JAULA DE ARDILLA CLASE D

    Los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla clase D se conocen también como de alto par y alta resistencia.

    Las barras del rotor se fabrican en aleación de alta resistencia y se colocan en ranuras cercanas a la superficie o están embebidas en ranuras de pequeño diámetro. La relación de resistencia a reactancia del rotor de arranque es mayor que en lo motores de las clases anteriores.

    El motor está diseñado para servicio pesado de arranque, encuentra su mayor aplicación con cargas como cizallas o troqueles, que necesitan el alto par con aplicación a carga repentina la regulación de velocidad en esta clase de motores es la peor.

    MOTORES DE INDUCCIÓN DE JAULA DE ARDILLA DE CLASE F

    También conocidos como motores de doble jaula y bajo par. Están diseñados principalmente como motores de baja corriente, porque necesita la menor corriente de arranque de todas las clases. Tiene una alta resistencia del rotor tanto en su devanado de arranque como en el de marcha y tiende a aumentar la impedancia de arranque y de marcha, y a reducir la corriente de marcha y de arranque.

    El rotor de clase F se diseño para remplazar al motor de clase B. El motor de clase F produce pares de arranque aproximadamente 1.25 veces el par nominal y bajas corrientes de arranque de 2 a 4 veces la nominal. Los motores de esta clase se fabrican de la capacidad de 25 hp para servicio directo de la línea. Debido a la resistencia del rotor relativamente alta de arranque y de marcha, estos motores tienen menos regulación de voltaje de los de clase B, bajan capacidad de sobrecarga y en general de baja eficiencia de funcionamiento. Sin embargo, cuando se arrancan con grandes cargas, las bajas de corrientes de arranque eliminan la necesidad de equipo para voltaje reducido, aún en los tamaños grandes.

    Corte de un motor de jaula de  ardilla  

    'Motores de inducción'

    Motor de Inducción - Jaula de Ardilla

    Simplicidad, Bajo Costo, Adaptabilidad
    Horizontal y vertical, estado sólido
    Con potencias por fase de 100 hasta 20.000 HP
      

    'Motores de inducción'

      Horizontal

     

     'Motores de inducción'

    Vertical

     

    El motor de inducción con rotor tipo jaula de ardilla es el más ampliamente utilizado para accionamiento de bombas, ventiladores y compresores. Entre sus principales ventajas se incluyen su inherente simplicidad de construcción del rotor y controles; su bajo costo y, obviamente, su adaptabilidad a ambientes más agresivos.

    Motor de Inducción - Rotor Devanado

    Partida suave, Velocidad de ajuste
    Horizontal y vertical, con potencias entre 300 y 20.000 HP

    'Motores de inducción'

     

    Los motores de inducción con Rotor Devanado, a pesar de costos mas elevado, son comparados con los motores de jaula de ardilla, porque hacen posibles importantes ventajas de aplicación por encima de estos.

    Históricamente han sido utilizados para partir cargas de alta inercia o que exijan conjugados de partida elevados, o aunada, cuando el sistema de accionamiento requiere partidas suaves. Con reóstato líquido o con un sistema estático de control de velocidades, los motores anteriores son una importante alternativa donde se requieren fases limitadas de control de velocidades.

    EL MOTOR DE INDUCCIÓN

    'Motores de inducción'

    'Motores de inducción'

    COMPONENTES

    1. Rotor y eje del motor
    2.Chaveta
    3.Escudo delantero
    4.Junta caja de Bornes IP55
    4a.Junta caja de Bornes IP65
    4b.Junta caja de Bornes IP65
    5.Tapa caja de Bornes IP55
    5a.Tapa caja de Bornes IP65
    5b.Tapa caja de Bornes IP65
    6. Tornillos caja de bornes

    13b.Rodamiento posterior
    14a.Carcasa B3
    14b.Carcasa B5
    15.Tornillos capot ventilador
    16a.Retén anterior
    16b.Retén posterior
    17.Tapa exterior del rodamiento delantero
    18.Tapa interior del rodamiento delantero
    19.Tapa exterior del rodamiento trasero

    7.Prensaestopa
    8.Escudo posterior
    9.Ventilador de refrigeración
    10.Tapa del ventilador
    11.Abrazadera del ventilador
    12.Arandela ondulada de acero para compensación
    13a.Rodamiento anterior

    20.Tapa interior del rodamiento trasero
    21.Bobinado del estator
    22.Brida B5
    23.Brida B14
    24.Placa de bornes con componentes de metal
    25.Arandela espaciadora
    26.Espárragos y tuercas

    Par torsor o par motor: representa la capacidad que tiene un motor para producir trabajo, mientras que la potencia es la medida de la cantidad de trabajo realizado por el motor en un determinado tiempo.

    Deslizamiento: La pérdida de velocidad angular del motor (necesaria para que sea producido un par electromagnético), expresada por unidad de velocidad síncrona, se llama deslizamiento.

    Control y regulación de la velocidad en motores asincrónicos trifásicos

    A - Cambio de frecuencia 

    La preferencia actual por la regulación a frecuencia variable se debe a la posibilidad de utilizar el sencillo y robusto motor de jaula de ardilla; cuyo mantenimiento es mucho mas fácil que el de un motor de contactos deslizantes, lo que resulta muy importante en máquinas que operan bajo condiciones ambientales difíciles. Además este tipo de motor eléctrico resulta más económico y compacto que los restantes.
    Asimismo, este método permite transformar fácilmente un equipo de velocidad fija en un accionamiento de velocidad variable, sin realizar grandes modificaciones.

    Con este tipo de regulación se puede obtener un amplio control de velocidades, con el máximo par disponible en todas las frecuencias con un elevado rendimiento. Si se prolonga la característica al cuadrante generador se puede obtener un frenado muy eficiente por reducción de frecuencia, con una recuperación de energía hacia la red de alimentación.

    Si bien pueden utilizarse distintos tipos de convertidores de frecuencia rotativos (semejantes al sistema Ward-Leonard), en la actualidad la modificación de la frecuencia se realiza fundamentalmente por medio de variadores estáticos electrónicos que ofrecen una regulación suave, permitiendo un aumento en la vida útil de todas las partes involucradas y originando un ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran des­gastes.

    Los mismos se construyen generalmente con tiristores gobernados por un microprocesador que utiliza un algoritmo de control vectorial del flujo, y consisten básicamente en un convertidor estático alterna-alterna (ciclo convertidor) ó alterna-continua-alterna (convertidor de enlace), que permiten la modificación progresiva de la frecuencia aplicada, con la consiguiente modificación de la corriente y el par motor. En algunos casos se agregan filtros de armónicas.

    B - Cambio del número de polos

    Si el motor estuviera provisto de dos arrollamientos de estator con diferente número de polos, y si el rotor fuera preferentemente del tipo jaula de ardilla (para no tener que realizar ningún tipo de conexiones en el secundario), fácilmente se podrían obtener dos velocidades de sincronismo.

    También, con un solo arrollamiento provisto de conexiones especiales pueden obtenerse dos diferentes números de polos, o incluso tres, mediante una simple reconexión. 
    En todos los casos no se logra una regulación progresiva, sino escalonada, y además sólo pueden obtenerse velocidades menores que la de sincronismo, con una gama de regulación que difícilmente supere la relación 8:1, pues con mayores relaciones resultarían motores muy voluminosos. Las conmutaciones habitualmente se implementan mediante circuitos de contactores que pueden incluir también la inversión del sentido de giro.

    Veamos como se realiza todo esto. En los motores con conmutación del número de polos, el arrollamiento de cada fase está constituido generalmente por dos partes idénticas conectadas en serie, en una de las cuales se hace variar el sentido de la corriente por conmutación de estas partes en paralelo. Esta conmutación modifica la distribución de las fuerzas magnetomotrices, disminuyendo el número de polos a la mitad y por consiguiente duplicando la velocidad de sincronismo del motor (conexión Dahlander) a potencia constante o a par constante.


    C - Cambio del resbalamiento

    El resbalamiento s varía con la carga, pero la variación de la carga no proporciona un método práctico de control de la velocidad. Sin embargo, es posible cambiar la característica par/velocidad de varias maneras, de modo que para cada par de carga se necesita un valor de s distinto. 
    Estos métodos proporcionan una mala utilización de la potencia y capacidad del motor, pero el control suele ser sencillo y justificable en algunas aplicaciones.

    En el caso de variación de la tensión se pueden utilizar tiristores conectados en serie con el estator para interrumpir el paso de la corriente durante una fracción del período (control de fase) o en algunos períodos completos (encendido alternado), reduciéndose así la tensión media aplicada. 
    El control de fase produce armónicos de orden elevado, mientras que el encendido intermitente puede generar subarmónicos que podrían entrar en resonancia con el sistema mecánico.

    En el caso de variación de la resistencia rotórica se aprovecha la propiedad de los motores asincrónicos de modificar la velocidad a la que se produce la máxima cupla variando la resistencia del circuito rotórico. En este método, por medios manuales o automáticos, en forma continua o escalonada, se va modificando la resistencia rotórica mediante un reóstato conectado a los anillos rozantes del motor de rotor bobinado. 

    La regulación permite disminuir la velocidad nominal y la utilización óptima del motor se produce en caso de regulación a par constante. La gama de regulación no es constante y resulta muy sensible a las variaciones de la carga. Asimismo, el inconveniente de este sistema de variación está en las grandes pérdidas de energía.


    D - Regulación por impulsos

    La regulación por impulsos de la velocidad generalmente se aplica en motores de pequeña potencia, y básicamente consiste en provocar variaciones periódicas y de corta duración de los parámetros del motor, de tal manera y a una frecuencia tal, que la velocidad requerida se obtiene como una velocidad promedio de las aceleraciones y desaceleraciones producidas durante el ciclo completo de variación de los parámetros. Estas variaciones pueden realizarse mediante contactores o tiristores que conectan y desconectan la alimentación de los distintos arrollamientos, cortocircuitan alternativamente ciertas impedancias o invierten periódicamente la polaridad del suministro. La exposición de estos métodos tan especiales está más allá de los alcances de este artículo.

    Maquina de inducción como generador

    La mayoría de turbinas eólicas del mundo utilizan un generador asíncrono trifásico (de jaula bobinada), también llamado generador de inducción, para generar corriente alterna. Fuera de la industria eólica y de las pequeñas unidades hidroeléctricas, este tipo de generadores no está muy extendido; aunque de todas formas, el mundo tiene una gran experiencia en tratar con ellos: Lo curioso de este tipo de generador es que fue inicialmente diseñado como motor eléctrico. De hecho, una tercera parte del consumo mundial de electricidad es utilizado para hacer funcionar motores de inducción que muevan maquinaría en fábricas, bombas, ventiladores, compresores, elevadores, y otras aplicaciones donde se necesita convertir energía eléctrica en energía mecánica. Otra de las razones para la elección de este tipo de generador es que es muy fiable, y comparativamente no suele resultar caro. Este generador también tiene propiedades mecánicas que lo hace especialmente útil en turbinas eólicas (el deslizamiento del generador, y una cierta capacidad de sobrecarga).

    'Motores de inducción'

    El dibujo ilustra los principios básicos de un generador síncrono. En realidad, sólo la parte del rotor se ve diferente en un generador asincrónico.

    'Motores de inducción'

    Este es el rotor que hace que el generador asíncrono sea diferente del generador síncrono. El rotor consta de un cierto número de barras de cobre o de aluminio, conectadas eléctricamente por anillos de aluminio finales.

    En el dibujo del principio de la página puede verse el rotor provisto de un núcleo de "hierro", utilizando un apilamiento de finas láminas de acero aisladas, con agujeros para las barras conductoras de aluminio. El rotor se sitúa en el centro del estator, que en este caso se trata de nuevo de un estator tetrapolar, conectado directamente a las tres fases de la red eléctrica.

    Arranque a voltaje reducido con resistor o reactor primarios.

    Si se introduce un resistor en serie con cada una de las conexiones del estator o primarias de la línea, la gran corriente de arranque produce una reducción inmediata de voltaje aplicado a las terminales del estator, pero la corriente de línea se reduce solo en proporción a la reducción del voltaje de línea. Empleando una resistencia o reactancia en el primario la reducción en el voltaje estator aumenta debido a la reducción en el voltaje del estator al momento de arrancar se produce la reducción en el par de arranque que se indica.

    El arranque a voltaje reducido mediante una resistencia en serie con el estator mejora el factor de potencia al arranque, pero se producen pérdidas algo mayores; y el par máximo no es tan grande para la misma impedancia en serie con un factor equivalente.

    Arranque a voltaje reducido con auto transformador

    Se pueden poner en marcha los motores trifásicos comerciales de inducción de jaula de ardilla a voltaje reducido empleando un auto transformador trifásico único o compensador, o bien con tres auto transformadores monofásicos.

    Las salidas del transformador varían del 50 al 80% del voltaje nominal. Si el motor no puede acelerar la carga a voltaje mínimo, se puede probar con salidas de mayor voltaje hasta que se obtenga el par adecuado y deseado de arranque; el interruptor de tres polos doble tiro se lleva a la posición de arranque y se deja ahí hasta que el motor ha acelerado la carga casi hasta la velocidad nominal. A continuación se pasa rápidamente a la posición de marcha, en la cual queda conectado el motor en la línea directamente.

    El arrancador compensador solo se utiliza durante el periodo de arranque y su capacidad de corriente se basa en ese trabajo intermitente, y por lo tanto es algo menor que la de un transformador de capacidad equivalente que podría emplearse para suministrar un motor de inducción en forma continua desde una fuente de mayor voltaje.

    El auto transformador funciona de dos maneras:

  • Para reducir la corriente de arranque del motor mediante una reducción de voltaje.

  • Reduciendo la corriente de arranque mediante la relación de vuelta del transformador bajo la cual la corriente de línea es menor que la del secundario del motor. Dado que la relación de vueltas representa también la relación de voltaje, por lo tanto se reduce la corriente de arranque de la línea, por consiguiente en proporción al cuadrado de la relación de vueltas.

  • Ya que el interruptor se usa solo en forma intermitente, se tiene un ahorro (eliminación de un transformador) si se usan dos transformadores en delta abierta. Este arreglo produce un ligero desbalance de corriente en la toma central de un 10 a 15% de la corriente de arranque, pero este desbalance no es excesivo y no afecta materialmente al funcionamiento del motor.

    Arranque en estrella - delta

    La mayor parte de los motores polifásicos se devanan con sus estatores conectados en delta. Existen fabricantes que ofrecen motores de inducción con el principio y el final de cada devanado de fase en forma saliente, con fines de conexión externa. En el caso de motores trifásicos se pueden conectar a la línea ya se a en estrella o en delta cuando se conectan en estrella, el voltaje que se imprime al devanado es 1/ ð3, (57.8%) del voltaje de línea.

    Por tanto es posible arrancar un motor con poco más de la mitad de su voltaje nominal y a continuación hacerlo trabajar en delta, con el voltaje nominal de línea y fase aplicados. Como el par varia de acuerdo con el cuadrado del voltaje impreso al estator la reducción del voltaje cuando se conecta en estrella producirá aproximadamente la tercera parte del par de arranque a pleno voltaje.

    La conmutación de estrella a delta se debe hacer tan rápidamente como sea posible para eliminar grandes corrientes transitorias debidas a la pérdida momentánea de potencia. Por este motivo, se emplean interruptores de tres polos doble tiro con tensión de resorte y acción instantánea, en lugar de interruptores de cuchillas.

    Desarrollo

  • valores de placa del motor de inducción

  • =1800 r.p.m.

    I=7.5 A

    V=220 V

    P=1600 W

    Clase: F

    Nº=715958/0.2

    Tipo: C8L

  • Verificación del aislamiento:

  • Tabla #1 Verificación del aislamiento

    Puntos de prueba

    Devanados estator y carcaza

    Devanados estator y rotor

    Devanados rotor y carcaza

    Devanados UX y VY

    Devanados VY y WZ

    Anillos rozantes y eje

    Medida M

    90

    "

    "

    20

    20

    "

  • Determinación de la resistencia efectiva de los devanados de MI.

  • Tabla #2 Determinación de la resistencia de los devanados de un MI.

    Ptos de medida

    Fase 1

    U-X

    Fase 2

    V-Y

    Fase 3

    W-Z

    Estrella

    U-V

    Estrella

    U-W

    Estrella

    V-W

    Triangulo

    U-V

    Triangulo

    U-W

    Triangulo

    V-W

    Rmedida 

    Rotor devanado

    0.77

    0.63

    0.63

    1.48

    1.48

    1.50

    0.54

    0.46

    0.46

    Calculo tipo de los valores de fase de las resistencias:

  • En estrella U-V:

  • R= (1/2) Rmy

    R= (1/2)*1.48= 0.74

    Después de hacer los mismos cálculos pares U-W y V-W se obtiene la resistencia promedio de los devanado conectados en estrella (en frió).

    Rprom.=0.743

  • En delta U-V:

  • R= (3/2) Rm

    R= (3/2) 0.54=0.81

    Después de hacer los mismos cálculos pares U-W y V-W se obtiene la resistencia promedio de los devanado conectados en delta (en frió).

    Rprom.= 0.73

  • Medición indirecta de los devanados del estator:

  • 'Motores de inducción'

    Figura #1 medición indirecta de los devanados del estator

    Tabla #3 Medición indirecta de la resistencia (voltímetro amperímetro).

    V(V)

    2.31

    2.94

    3.5

    4.1

    4.5

    Idc(A)

    4

    5

    6

    7

    8

    R=V/I ()

    0.5775

    0.588

    0.583

    0.5857

    0.5625

    Grafica # 1 corriente Vs voltaje (medición indirecta de la resistencia).

    Leyenda: la pendiente que señala la grafica es el inverso de la resistencia promedio en caliente, siendo R=1/m, donde m es la pendiente, así entonces R=1/1.7957=0.56.

    Análisis de los resultados obtenidos por ambos métodos (frío y caliente):

    Se observa que la resistencia en frío fue mayor que la resistencia en caliente, manifestando esta incongruencia con posibles errores de factor humano en la medición de la resistencia en frío o en las lecturas de los instrumentos que señalaban los parámetros con los cuales se obtenía la variable en cuestión. Por demás se acota el margen estrecho que presentaba una respecto a la otra, no sobrepasando de 0.15 de diferencia.

    Otro motivo que explique esta discordancia radica en que el puente de Wheatstone no halla sido calibrado adecuadamente para la medición de la resistencia en frió de allí que se obtuvieran datos erróneos.

    Calculo del valor de la resistencia efectiva:

    Rac= 1.3 Rdc

    Rac= 1.3*0.56=0.738

    Análisis de la resistencia efectiva de un devanado

    ¿Porque es diferente el valor de la resistencia de un conductor al paso de la corriente continua con respecto a la resistencia que presenta en corriente alterna?

    Por que la corriente alterna introduce un parámetro que cambia de manera notable la excitación de los electrones, dicho parámetro es la frecuencia.

    ¿Qué efecto produce la temperatura y la frecuencia de la corriente (efecto pelicular)?

    Al aumentar la temperatura se aumenta la energía cinética que poseen los electrones propiciándose este fenómeno como un obstáculo para el paso de los mismos a través de un conductor.

    Al aumentar la frecuencia se produce el fenómeno de disminución del área transversal por la cual circulan los electrones, al disminuir el área los electrones chocaran entre si y esto formara un obstáculo al paso de los mismos, es decir, se aumenta la resistencia. Es importante señalar que el área donde no circulan los electrones tiene la forma de círculo, mientras que la región por donde circulan es un anillo de espesor definido que rodea al círculo antes mencionado.

    ¿Que instrumento resultaría mas adecuado pera la medición en frío de la resistencia de los devanados de la maquina? ¿Por qué?

    Es el puente de Wheatstone digital, las mediciones más precisas de la resistencia se obtienen con un circuito llamado puente de Wheatstone. Este circuito consiste en tres resistencias conocidas y una resistencia desconocida, conectadas entre sí en forma de diamante. Se aplica una corriente continua a través de dos puntos opuestos del diamante y se conecta un galvanómetro a los otros dos puntos. Cuando todas las resistencias se nivelan, las corrientes que fluyen por los dos brazos del circuito se igualan, lo que elimina el flujo de corriente por el galvanómetro. Variando el valor de una de las resistencias conocidas, el puente puede ajustarse a cualquier valor de la resistencia desconocida, que se calcula a partir de los valores de las otras resistencias.

    Dibuje y explique brevemente las partes constructivas del M.I. de doble jaula de ardilla

    Rotor de doble jaula:

    El rotor tiene dos secciones, la exterior está diseñada con un material de resistencia más elevada que la interior. Cuando el motor esta funcionando a baja velocidad (mientras arranca), la frecuencia de deslizamiento es alta y la corriente del rotor tiende a circular por la cara exterior (debido al efecto piel), con lo que la resistencia efectiva es mayor y en consecuencia aumenta el par de arranque. Cuando la velocidad del rotor aumenta, la frecuencia de deslizamiento decrece, y la corriente del rotor circula por la zona de baja resistencia del rotor, de forma que las pérdidas energéticas son menores.

    El rotor de "doble cubierta" o doble jaula de ardilla, se diseñó para crear un motor de inducción con mejores características de arranque en línea. Dependiendo de la potencia, se emplean diversas variaciones de construcción del rotor.

    Por lo tanto, en el arranque, cuando la frecuencia del rotor es alta y es la misma que la de la línea. La impedancia del devanado inferior es mucho mayor que la del devanado superior. En consecuencia, la mayor parte de la corriente en el rotor se induce en el devanado superior, que está diseñado para que su alta resistencia sea igual a su reactancia en el arranque, desarrollando así un par de arranque máximo. Sin embargo, cuando el motor acelera, disminuyen la frecuencia del rotor y la impedancia del devanado inferior o interior, originando a su vez que se induzca más y más corriente en el devanado interior. Por lo tanto, a valores pequeños del deslizamiento, cuando el motor esta en su rango normal de plena carga, la mayor parte de la corriente pasa en el devanado interior de baja resistencia dando una alta
    eficiencia: baja pérdida en el cobre del rotor y buena regulación de velocidad (deslizamiento proporcional a la resistencia).

    El estator:

    Está formado por un devanado de cobre trifásico arrollado a un núcleo de hierro laminado, se encarga de generar el campo magnético. En el motor de inducción el devanado del estator es esencialmente igual al devanado de una máquina sincrónica. Sin embargo, el devanado del rotor está en cortocircuito eléctrico y con frecuencia no tiene conexiones al exterior; las corrientes se inducen en él por la acción de transformador procedente del devanado del estator.

    El estator se construye con acero perforado y montado como un cilindro hueco, la parte interior es un armazón de hierro fundido o aluminio (ver figura 2). Unas bobinas distribuidas en tres fases se distribuyen en las ranuras del interior de la circunferencia.

    Cada una de las tres bobinas del estator tiene dos mitades, colocadas en posiciones diagonalmente opuestas respecto al estator. Las bobinas estén desfasadas 120° entre sí. El sentido de arrollamiento de las bobinas es talque, cuando la corriente pasa a través de ellas, se induce un campo magnético a través del rotor.

    'Motores de inducción'

  • Realización de la practica del ensayo en vacío (a rotor libre) de un MI.

  • 'Motores de inducción'

    Figura #2 ensayo en vacio.

    Tabla #4 Ensayo en vacío a rotor libre de un MI

    Vo

    60

    80

    120

    160

    200

    220

    Io

    3.1

    2.4

    2.4

    2.9

    3.6

    4.1

    Wo

    210

    180

    210

    210

    240

    270

     (rpm)

    1620

    1700

    1740

    1735

    1770

    1775

    Cosø

    0.65

    0.54

    0.42

    0.26

    0.1924

    0.1728

    Calculo tipo del factor de potencia de la primera medición:

    FP= W/ [(3)1/2VI]

    FP= 210/[(3)1/2*60*3.1]=0.65

    Nota: el cálculo del FP de las demás mediciones se hizo de manera similar al ejemplo descrito anteriormente.

    Perdidas totales en vació:

    Para condiciones nominales las perdidas son:

    P= PFe+Proce= 270 W

    Nota: la K que correspondía al vatìmetro trifásico era de 30

    Grafica # 2 perdidas totales Vs voltaje (método grafico para la obtención de las perdidas por roce)

    Leyenda: el corte con el eje de las abscisas representan las perdidas por roce siendo las mismas de Proce= 185.01W.

    Calculo de Rp, Xm, deslizamiento “S” para condiciones nominales

    Rp= (vo) 2/3Wo

    Xm= (vo) 2/3((VoIo)2-Wo)1/2

    Rp= (127)2/270=59.73

    Xm=(127)2/((127*4.1)2-(270)2)=36.22

    S= (1- 2)/ 1=(1800-1775)/1800=0.01388

    Calculo de Rp, Xm para condiciones nominales descontando las perdidas del roce obtenidas por el método grafico

    Proce= 185.01W

    Rp= (vo) 2/3PFe

    Xm= (vo) 2/3((VoIo) 2- PFe) 1/2

    PFe= Wo- Proce

    PFe=270-185.01=85W

    Rp= (127)2/85=189.75 Xm=(127)2/((127*4.1)2-(85)2)1/2=31.3

    Análisis: las pérdidas debido al roce son significativas ya que acaparan el 68% de las pérdidas totales, por tanto resulta ilógico despreciarlas. Al tomarse en cuenta los resultados de los parámetros del circuito equivalente vemos que el valor de Rp se incrementaba en mas del 100% cuando se le sustraían las perdías del roce a las perdidas totales, para el caso de Xm, el margen de disminución no resulto tan abrupto pero si hay que tomarlo en cuento, se deduce que es imperativo calcular las perdidas del roce para obtener los parámetros verdaderos de Rp y Xm en un motor de inducción.

    Grafica # 3 voltaje Vs Corriente (ensayo de vacío)

    Grafica # 4 Voltaje Vs Factor de Potencia (ensayo en vacío)

    Análisis de las dos graficas anteriores: en la primera grafica se destaca la alta corriente que se produce en el arranque del MI, además se acota que la corriente se va incrementando a partir del segundo voltaje hasta un valor máximo de voltaje.

    En el segundo grafico se observa que el FP disminuye conforme se aumenta el voltaje, debido a que el FP es inversamente proporcional al voltaje.

    Tabla #5 Valores nominales obtenidos en el ensayo en vacío

    V (volt)

    Io

    (A)

    WO

    (W)

    PFe

    (W)

    Proce

    (W)

    Rm

    ()

    

    (rpm)

    Xm

    ()

    Cosøo

    220

    4.1

    270

    85

    185.01

    189.75

    1775

    31.39

    0.1728

  • Ensayo a velocidad de sincronismo

  • 'Motores de inducción'

    Figura 3 ensayo a velocidad de sincronismo

    Tabla #6 Ensayo en vacío de un MI a velocidad sincrónica

    Vo (V)

    40

    80

    120

    160

    200

    220

    Io (A)

    1.1

    2

    2.9

    4

    5

    5.4

    WO (W)

    0

    0

    0

    7.5

    30

    60

    Cosø

    0

    0

    0

    0.0067

    0.017

    0.029

    Cálculo de las pérdidas del roce en condiciones nominales

    Proce= Wo (rotor libre)-Wo (velo. sincrónica.)

    Proce=270-60=210W

    Cálculo de Rp, Xm para condiciones nominales

    PFe= 60W

    Rp= (127) 2/60=268.82

    Xm=(127)2/[(127*4.1)2-(60)2]1/2=31.18

    Calculo de las diferencias porcentuales para Rp y Xm

    Rp%= [(R1- R2)/ R1]*100

    Rp%= (268.82-189.75)/268.82=29.42%

    Xm%= [(X1- X2)/ X1]*100

     Xm%=(31.18-31.39)/31.18 *100=0.66%

    Análisis: se observa que esta diferencia tiene su fundamento en el hecho de que se trabajo con vatímetros analógico que no son muy sensibles para detectar con precisión las perdidas que emanan de las pruebas realizadas, de allí, que por ejemplo cundo se acotaron los valores de la potencia del hierro detectada por el vatimetro cuando el motor trabajaba a velocidad sincrónica los mismos no se podían leer fácilmente, se observa entonces que las perdidas pudieron haber sido tanto de 60W como de 90W, siendo para este ultimo valor el margen de error bastante pequeño.

    Tabla #7 Valores nominales obtenidos del ensayo a rotor libre y a velocidad sincrónica

    Ensayo

    V (volt)

    Io

    (A)

    WO

    (W)

    PFe

    (W)

    Proce

    (W)

    Rm

    ()

    Xm

    ()

    Cosøo

    A rotor libre

    220

    4.1

    270

    85

    185

    189.75

    31.39

    0.1728

    A vel. Sincrónica

    220

    5.4

    270

    60

    210

    268.82

    31.18

    0.029

    Diferencia porcentual

    24

    0

    41.6

    11.9

    29.42

    0.66

  • Ensayo a rotor bloqueado o en cortocircuito

  • 'Motores de inducción'

    Fig. #4 Ensayo a rotor bloqueado

    Tabla #8 Ensayo a rotor bloqueado o en cortocircuito de un motor de inducción

    Vcc (V)

    50

    43

    35.8

    28.9

    20.7

    14.2

    4.1

    Icc

    7

    6

    5

    4

    3

    2

    1

    Wcc

    240

    180

    180

    120

    60

    30

    0

    Cosøcc

    0.395

    0.4028

    0.5805

    0.599

    0.557

    0.609

    1

    Nota: se modificaron lo valore de potencia para las corriente de 2A y 1A, debido que los FP sobrepasaban la unidad.

    Calculo de Req y Xeq para condiciones nominales

    Req=PCu/3(Icc)2

    Xeq= Zcc*Senø

    Zcc= Req/Cosø

    Req= 240/3*(7)2=1.63

    Zcc=1.63/0.395=4.13

    Xeq= 4.13*Sen (1.164)=3.7

    Perdidas nominales en el cobre

    Pcu= 240W

    Calculo de las perdidas del cobre del estator y del rotor

    PCue=3Ie2Re

    Ie=7A Re= 0.73

    PCue= 3*(7)2*0.73 = 107.31W

    PCur= Pcu- PCue=240-107.31=132.69W

    Grafica #5 Voltaje Vs corriente de cortocircuito

    Calculo de la corriente de cortocircuito si se aplicara plena tensión

    Nota: La Pendiente de la grafica es igual a la resistencia R=7.5393,

    V=220V, entonces:

    Iarr=V/R=220/7.5393=29.18 A

    Comentarios:

    Se puede notar de la grafica, que con muy poca tensión de suministro se obtiene la corriente nominal en la prueba de cortocircuito, a su vez se destaca también que si se suministra el voltaje nominal la corriente es alta y sobrepasara de manera tasita la corriente nominal que soporta el motor y puede producir daños irreversibles en el mismo.

    Tabla #9 Valores obtenidos a corriente nominal del ensayo a rotor bloqueado de un MI

    motor

    Vcc (volt)

    Icc (A)

    Wcc (Watts)

    PCue (Watts)

    PCur (Watts)

    Req ()

    Xeq ()

    Cosøcc

    Rotor bobinado

    50

    7

    2.40

    107.31

    132.69

    1.63

    3.79

    0.3958

    ¿Como se puede limitar la corriente en el arranque en un motor tipo jaula de ardilla?

    Con el uso de un arrancador se puede limitar la corriente de armadura que fluye cuando el motor se conecta. El arrancador se usa para llevar al motor a su velocidad normal y luego se retira del circuito. El aparato de control ajusta entonces la velocidad del motor según sea necesario.

    ¿Qué es el efecto pelicular?

    El efecto pelicular se produce en un conductor debido a que la corriente circula más fácilmente por los filetes más próximos a la periferia, repartiéndose desigualmente a través de la sección del conductor, dando lugar a que la densidad de corriente en el mismo no sea constante. El efecto es el mismo que si la sección fuese más pequeña cuando el conductor está recorrido por c.a. y, debido a esto, la resistencia real u óhmica de dicho conductor es mayor en c.a. que en corriente continua (c.c.), y el aumento es tanto más grande cuando más elevada sea la frecuencia de aquella y mayor la sección del conductor. Este efecto es prácticamente despreciable para las frecuencias industriales, en conductores de diámetro inferior a 15 mm. y que estén construidos por un material no magnético como Cu y Al.

  • 'Motores de inducción'
    Ensayo bajo carga de un motor de inducción

  • Fig. #5 Ensayo bajo carga de un motor de inducción

    Tabla #10 Ensayo bajo carga de un motor de inducción

    Posición del freno

    1

    2

    3

    4

    IE (A)

    7

    6

    5

    4

    IR (A)

    7.73

    5.32

    1.34

    0.65

    W (Watts)

    1440

    1200

    720

    360

    T (Nw-m)

    5.26

    4.47

    2.19

    0.29

    ð (r.p.m.)

    1633.33

    1653.33

    1700

    1758.33

    Tabla #11 Cálculos para el motor de inducción bajo carga

    Posición del freno

    1

    2

    3

    4

    Pent.

    1440

    1200

    720

    360

    PCue

    107.31

    78.84

    54.75

    35.04

    PCur

    161.63

    76.41

    4.84

    1.14

    Pfijas

    270

    270

    270

    270

    Psal

    901

    774.75

    390.41

    53.82

    %

    63

    64

    54

    14.9

    S

    0.09259

    0.08148

    0.05555

    0.02315

    Cosø

    0.539

    0.524

    0.3779

    0.2362

    T (Nw-m)

    5.26

    4.47

    2.19

    0.29

    Formula empleadas para los cálculos:

    PCue=3Ie2Re

    Rr=Req-Re

    PCur= 3Ir2Rr

    Pmu=Pemt-Pperd

    = Psal/ Pent.

    Cosø= Pent./(3)1/2VI

    T=9.549Pmu/2

    S= (1-2)/1

    Cálculos tipo hechos para la primera medición:

    PCue= 3*(7)20.73=107.31W

    Rr= 1.63-0.73=0.9

    PCur= 3*(7.75)2*0.9= 161.63W

    Pmu=1440-(270+161.63+107.31)=901W

    ð%=901/1440=63%

    Cosø= 1440/(3)1/2220*7=0.5398

    T=9.549*901/1633.33=5.26Nw-m

    S=(1800-1633.33)/1800=0.09259

    Grafica #6 Velocidad Vs Potencia mecánica útil (bajo carga)

    Comentario: en esta grafica se puede notar que al variar la posición del freno (de mayor a menor) disminuía la potencia mecánica útil del eje, lo que trajo como consecuencia el aumento de las revoluciones ya que se disminuía la fuerza de frenado a la que estaba sometido.

    Grafica #7 par Vs potencia mecánica (bajo carga)

    Comentario: el comportamiento lineal que establece la grafica es comprensible debido a la proporcionalidad existente entre los parámetros cotejados. Se verifica que a medida que disminuía la fuerza de frenado disminuía tanto la potencia como el par necesario para mantener el eje girando a unas revoluciones de operación. En sucinto al disminuir la potencia mecánica útil disminuía el par aplicado al eje.

    Grafica #8 Deslizamiento Vs Potencia mecánica útil (bajo carga)

    Comentario: es natural el comportamiento que manifiesta la grafica, ya que al sacar conclusiones de la grafica del par Vs deslizamiento se observo que el deslizamiento teóricamente aumentaba conforme aumentaban las revoluciones de salida.

    Grafica #9 Corriente de entada Vs Potencia mecánica útil (bajo carga)

    Comentario: cuando se obtuvo la potencia nominal bajo carga se percibe la máxima potencia entregada por el motor, es decir, el motor se encuentra en la posición mas exigente de trabajo para mantener el eje girando a las revoluciones de operación, conforme se redujo la fuerza de frenado de redujo también la corriente absorbida a la entrada del motor.

    Grafica #10 Rendimiento Vs Potencia mecánica útil (bajo carga)

    Comentario: debido a que las perdidas del hierro y de roce se mantienen constantes y son independiente de cualquier carga, entonces, si se tiene una carga que necesita escasa potencia para mantener las revoluciones de giro, luego las perdidas fijas reduce notablemente la potencia de salida, por u parte si se trabaja con una carga que absorbe gran potencia para mantener las revoluciones de giro las perdidas fijas formaran una proporción de menor calibre dentro de la potencia de entrada para esta situación.

    Grafica #11 Factor de potencia Vs Potencia mecánica útil (bajo carga)

    Comentario: al aumentar la potencia de salida la proporción de la potencia reactiva que se consume es menor en comparación con una potencia de salida baja.

    Grafica #12 Par Vs Velocidad (bajo carga)

    Comentario: al comparar la grafica experimental con la teórica se observa una similitud marcada por el comportamiento que establecen las mismas entre el intervalo de 1600 a 1800 r.p.m. en consecuencia se observa que para este intervalo las revoluciones aumentan conforme se reduce el par aplicado.

    13. Grafica par Vs Velocidad (Teórico)

    'Motores de inducción'

    Grafica #14 Par Vs Deslizamiento (bajo carga)

    Comentario: el comportamiento que adopta la grafica es acorde con el comportamiento teórico en el intervalo graficado, el mismo corresponde para funcionamiento estable donde la grafica tiene una conducta ascendente.

    Maquina de inducción como generador

    ¿Qué es lo que ocurre si hacemos girar el rotor de forma manual a, exactamente, la velocidad síncrona del generador, por ej. 1500 r.p.m. para el generador síncrono tetrapolar? La respuesta es: nada. Dado que el campo magnético gira exactamente a la misma velocidad que el rotor, no se produce ningún fenómeno de inducción en el rotor, por lo que no interaccionará con el estator.

    ¿Y si aumentamos la velocidad por encima de las 1500 r.p.m.? En ese caso el rotor se mueve más rápidamente que el campo magnético giratorio del estator, lo que significa que, una vez más, el estator inducirá una gran corriente en el rotor. Cuanto más rápidamente hagamos girar el rotor, mayor será la potencia transferida al estator en forma de fuerza electromagnética, y posteriormente convertida en electricidad suministrada a la red eléctrica.

    Existe un par máximo inducido posible en el modo de operación como generador, este par se conoce como par máximo del generador. Si un motor primario aplica un par mayor que el máximo del generador de inducción al eje de este, el generador adquirirá una velocidad excesiva. Como generador la maquina de inducción tiene severas limitaciones. Debido a que carece de un circuito de campo separado, un generador de inducción no puede producir potencia reactiva. En efecto, el generador de inducción consume potencia reactiva y se le debe conectar una fuente externa de potencia reactiva todo el tiempo para mantener su campo magnético estatorico. Esta fuente externa de potencia reactiva también debe controlar el voltaje en los terminales del generador.

    Frecuencia en el generador de inducción

    Debido a la naturaleza de la característica par-velocidad en un M.I., la frecuencia de un generador de inducción varía con los cambios de la carga pero puesto que la característica par-velocidad es muy pendiente en el rango de operación normal, la variación total de la frecuencia esta limitada usualmente a menos de 5%. Esta variación puede ser afectable en muchas aplicaciones de generación particular o de emergencia

    Velocidad y Deslizamiento del generador

    La velocidad de un generador asíncrono variará con la fuerza de giro (momento, o par torsor) que se le aplique. En la práctica, la diferencia entre la velocidad de rotación a potencia máxima y en vacío es muy pequeña, alrededor de un 1 por ciento. Esta diferencia en porcentaje de la velocidad síncrona es el llamado deslizamiento del generador. Así pues, un generador tetrapolar girará en vacío a 1500 r.p.m. si se conecta a una red con una corriente de 50 Hz. Si el generador está funcionando a la máxima potencia, girará a 1515 r.p.m. El hecho de que el generador aumente o disminuya ligeramente su velocidad si el par torsor varía es una propiedad mecánica muy útil. Esto significa que habrá menor rotura y desgaste en la caja multiplicadora (menor par torsor máximo). Esta es una de las razones más importantes para la utilización de generadores asíncronos, en lugar de generadores síncronos, en aerogeneradores directamente conectados a la red eléctrica

    Método de variación de la velocidad en un motor de inducción

    Regulación por impulsos

    La regulación por impulsos de la velocidad generalmente se aplica en motores de pequeña potencia, y básicamente consiste en provocar variaciones periódicas y de corta duración de los parámetros del motor, de tal manera y a una frecuencia tal, que la velocidad requerida se obtiene como una velocidad promedio de las aceleraciones y desaceleraciones producidas durante el ciclo completo de variación de los parámetros. Estas variaciones pueden realizarse mediante contactores que conectan y desconectan la alimentación de los distintos arrollamientos, cortocircuitan alternativamente ciertas impedancias o invierten periódicamente la polaridad del suministro. La exposición de estos métodos tan especiales está más allá de los alcances de este artículo.

  • Arranque usando resistencia adicional al motor

  • 'Motores de inducción'

    Fig. #6 Arranque de un M.I.R.B agregando resistencias al rotor

    Tabla #12 Arranque usando resistencia adicional al motor

    Posición del reóstato

    5

    4

    3

    2

    1

    Iarr(A)

    16

    14

    11

    9

    3.2

    Iestab.(A)

    2.6

    2.65

    2.6

    2.7

    2.7

    2 (r.p.m)

    1763.33

    1760

    1758.33

    1750

    100

    Una forma de lograr la variación de velocidad en maquinas de inducción de rotor bobinado es mediante el uso de resistencias adicionales en el rotor, sin embargo esto se hace con poca frecuencia y para periodos cortos de funcionamiento ¿Por qué?

    La inserción de resistencias extras en el circuito del rotor de un MI reduce bastante la eficiencia de la maquina. Tal método de control de la velocidad se utiliza solo durante periodos cortos debido a los problemas de eficiencia que conlleva.

    Grafica #15 Revoluciones de salida Vs posición del reóstato

    Leyenda: se percibe que a medida que la resistencia se hace mas pequeña las revoluciones se hacen mas grandes tendiendo hacia un valor máximo de velocidad de sincronismo (aproximadamente 1800r.p.m.). Se destaca un pequeño salto en la segunda posición producto de un efecto visual marcado por la curva de unión de los puntos, aclarando que los mismos van en orden creciente y no corresponden con el trayecto de 2-3.

    Comentarios sobre el control de la velocidad en los motores de inducción

    Una gran parte de los equipos utilizados en la industria moderna funcionan a velocidades variables, como por ejemplo los trenes laminadores, los mecanismos de elevación, las máquinas-herramientas, etcétera. En los mismos se requiere un control preciso de la velocidad para lograr una adecuada productividad, una buena terminación del producto elaborado, o garantizar la seguridad de personas y bienes.

    El estudio de este fenómeno para cada caso particular tiene una gran importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los motores y variadores a instalar para un servicio determinado, requieren el conocimiento de las particularidades de éste proceso.

    La regulación de velocidad puede realizarse por métodos mecánicos, como poleas o engranajes, o por métodos eléctricos. 

  • Arranque mediante el uso de reactancias en serie con los devanados del estator

  • 'Motores de inducción'

    Fig. #7 Arranque de un M.I. agregando resistencias en serie al estator

    Tabla #13 Arranque agregando resistencias al estator

    R ()

    Iarr (A)

    Iestb (A)

    2 (r.p.m.)

    R1

    10

    2.5

    1765

    R2

    13

    2.6

    1765

    R3

    15

    2.65

    1765

    R4

    16

    2.7

    1765

  • Arranque a tensión reducida mediante auto transformador

  • 'Motores de inducción'

    Fig. #8 Arranque de un M.I. mediante el uso de un auto transformador

    Tabla #14Arranque a tensión reducida mediante auto transformador

    Voltaje (V)

    75

    100

    125

    150

    175

    Iarr (A)

    11.5

    14

    15

    15.5

    16

    Iestb (A)

    1.2

    1.5

    1.7

    2.3

    3.1

    2 (r.p.m.)

    1738.33

    1753.33

    1760

    1763.33

    1765

    Grafica #16 Voltaje Vs Corriente de arranque (auto transformadores)

    Comentario:

    Para la grafica de voltaje y corriente de arranque se nota un comportamiento definido por la proporcionalidad existente entre el voltaje variado de la fuente trifásica y la corriente de arranque en el MI que para este caso dobla la corriente nominal del mismo llegando a un valor máximo de 16 A

    Grafica #17 Voltaje Vs Corriente estable (auto transformadores)

    Comentario:

    Se observa un comportamiento ohmnico entre la corriente de estabilización y la tensión de arranque fijada de la red trifásica

    Grafica #18 Voltaje Vs Velocidad (auto transformadores)

    Comentario:

    Al arrancar el motor a tensión reducida se observa que las revoluciones de salida disminuyen en cierto grado, a medida que se fue aumentando paulatinamente la tensión de arranque se verifica experimentalmente el incremento de la revoluciones de salida en el eje.

    Desventajas del arranque a tensión reducida mediante el uso del auto transformador

  • El par de arranque disminuye con el cuadrado del voltaje aplicado.

  • Una desventaja es que las conmutaciones de los escalonamientos de voltaje se realizan bruscamente, produciendo en algunas ocasiones daños perjudiciales al sistema mecánico o a la máquina accionada. Por ejemplo, desgaste prematuro en los acoplamientos (correas, cadenas, engranajes o embragues de acoplamiento) o en casos extremos roturas por fatiga del eje o rodamientos del motor, producidos por los grandes esfuerzos realizados en el momento del arranque.

  • Arranque mediante conexión triangulo-estrella

  • Tabla #15 Arranque mediante conexión triangulo-estrella

    

    Y

    V=100V

    27

    15

    Iarr (A)

    5.2

    1.7

    Iestb (A)

    1765

    1751.61

    (r.p.m.)

    Comparaciones y comentarios entre los distintos tipos de arranques

    Al cotejar los tipos de arranque se tiene que si el motor arranca a plena carga, el bobinado tiende a absorber una cantidad de corriente muy superior a la nominal, lo que hace que las líneas de alimentación incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una caída de tensión. La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor. Su principal ventaja es el elevado par de arranque: 1,5 veces el nominal.

     Aunque para motores que no necesiten una gran cupla de arranque. El método consiste en producir en el momento del arranque una tensión menor que la nominal en los arrollamientos del motor. Al reducirse la tensión se reduce proporcionalmente la corriente, la intensidad del campo magnético y la cupla motriz. El arranque estrella-triángulo es el procedimiento más empleado para el arranque a tensión reducida debido a que su construcción es simple, su precio es reducido y tiene una buena confiabilidad. Por su parte el uso de un auto transformador cumple la misma función del anterior, sirviendo el mismo para trabajar con Cargas de mayor inercia, pero es más costoso.

     

    Es preciso notar que los arranques a tensión reducida disminuyen en un porcentaje dado el par generado por el M.I. con relación al método de arranque a través de agregación de resistencias en el rotor se destaca la inoperatividad del mismo debido a su baja eficiencia

    Ventajas de la conexión estrella triangulo

  • Disminución de la corriente de arranque.

  • Su construcción es simple.

  • Precio reducido.

  • Buena confiabilidad.

  • Desventajas de la conexión estrella triangulo

  • Reducción del par de arranque.

  • tiene el inconveniente de que la cupla de arranque que se obtiene a veces no es suficiente para hacer arrancar máquinas con mucho momento de inercia.

  • Arranque mas usado

    El mas usado es el triangula-estrella debido a las ventajas que presenta en contraposición a los demás métodos de arranque.

  • Condiciones anormales de funcionamiento

  • Tabla #16 condiciones anormales de funcionamiento

    IL(A)

    VL(V)

    2 (r.p.m.)

    Observación

    Con 3 fases

    2.65

    160

    1765

    Con 2 fases

    4.3

    160

    1763.33

    Suena mas

    Tabla #17 Reducción de la tensión de alimentación

    V (V)

    200

    180

    160

    140

    120

    I (A)

    4.8

    4.9

    5

    5.1

    6.1

     (r.p.m.)

    1708.33

    1693.33

    1673.33

    1638.33

    1566.66

    Grafica #19 Voltaje Vs Corriente (condiciones anormales)

    Comentario:

    Debido a que en las lecturas de corriente tomadas en las primeras fijaciones de voltaje las mismas tendían a ser muy parecidas entre si, alejándose un poco cuando se presento un voltaje de reducción de 80 V, de allí el comportamiento que la grafica manifiesta.

    Grafica #20 Voltaje Vs Velocidad (condiciones anormales)

    Comentario:

    Se observa que a medida que se disminuía el voltaje suministrado al motor partiendo de una condición estable se generaban funcionamientos anormales de la maquina, produciendo una disminución relativa de las revoluciones de salida

    Grafica #21 Corriente Vs Velocidad (condiciones anormales)

    ¿Por qué en un motor en funcionamiento normal, bajo carga la corriente aumenta al disminuir la tensión de alimentación?

    Al mantener el motor bajo una carga constante y reducir el voltaje de alimentación la corriente se incrementa para mantener la potencia entregada antes de la reducción de tensión.

    ¿Por qué al desconectar una de las fases del motor no arranca?, mientras que estando en funcionamiento normal, si desconectamos una de sus fases el motor sigue funcionando

    Debido a que no existe la fuerza necesaria para romper el estado de inercia de la carga, el motor se ve impedido de arrancar. Por otra parte si desconectamos una fase en pleno funcionamiento vemos que es necesaria menos fuerza que en el arranque, por tal caso solo debe mantenerse la fuerza mínima para que el motor continué girando. Esto produce un aumento del ruido que el motor genera.

    Descripción del arranque de un M.I. mediante el método de tensión reducida estrella triangulo:

    El arranque estrella-triángulo es el procedimiento más empleado para el arranque a tensión reducida debido a que su construcción es simple, su precio es reducido y tiene una buena confiabilidad.

     

    El procedimiento para reducir la tensión en el arranque consiste en conmutar las conexiones de los arrollamientos en los motores trifásicos previstos para trabajar conectados en triángulo en la red de 3 x 380 V.

     

    Los bobinados inicialmente se conectan en estrella, o sea que reciben la tensión de fase de 220 V, y luego se conectan en triángulo a la tensión de línea de 380 V; es decir que la tensión durante el arranque se reduce 1,73 veces.

     

    Por ser ésta una relación fija, y dado que la influencia de la tensión sobre la corriente y la cupla es cuadrática, tanto la corriente como el par de arranque del motor se reducen en tres veces.

    Características que debe presentar el motor:

    Es necesario que el motor esté construido para funcionar en triángulo con la tensión de la línea (380 / 660 V). Si no es así, no se lo puede conectar.

    Además el estator debe tener sus seis bornes accesibles (situación que no se da en todos los motores, como por ejemplo en las bombas sumergibles). Para ello se abren los circuitos de las bobinas del estator y se las conecta al conmutador. En este caso al motor ingresan 6 cables, más el de puesta a tierra.

     

    Esquema de arranque estrella triangulo

    'Motores de inducción'

    Leyenda:

    QM1- Interruptor magnetotérmico
    KM1- Contactor principal
    KM2- Contactor Triángulo
    KM3- Contactor Estrella
    FR1- Relé térmico
    M1- Motor
    SB1- Pulsador de parada
    SB2- Pulsador de marcha
    KT1- Temporizador
    HL1- Señalización motor en marcha
    HL2- Señalización disparo relé térmico

    Condiciones que debe presentar un motor de doble jaula de ardilla en el momento del arranque:

    En condiciones de arranque, solo es efectiva la barra pequeña y la resistencia retórica es bastante alta. Esta alta resistencia resulta en un gran par de arranque.

    ¿Qué sucede cuando el motor doble jaula de ardilla entra en marcha?

    A velocidades normales de operación, ambas barras son efectivas y la resistencia es casi tan baja como en un rotor de barra profunda.

    Conclusión

    Al llegar a este punto se destacan varios comportamientos experimentales que resumimos así:

    En el momento del calculo de las resistencias (frío y caliente), se acota que la resistencia en frío dio mayor que la resistencia en caliente, explicándose este defecto experimental a posibles errores humanos, o desperfectos y mala graduación del puente de Wheatstone, instrumento este utilizado en la medición de las resistencias en frío.

    De igual forma se indica que en las mediciones de corriente hechas en vacío, no cumple exactamente con la ley de ohm, pues se observo, grafica y analíticamente, que la corriente de arranque era mayor que varias de las corrientes tomadas a partir de voltajes mayores al inicial, debido al fenómeno del MI y condiciones especiales de esta maquina eléctrica.

    Otra de las variables de vital trascendencia corresponden a las perdidas totales, perdidas del roce y perdidas del hierro, puesto que se examinaron los valores que adoptaban los parámetros del circuito equivalente tanto para el caso en que se despreciaron las perdidas del roce como en el que no se despreciaron, arrojando márgenes bastante pronunciados de diferencia en cuanto a los parámetros se refiere.

    Se evidencia que las perdidas de roce representan una importante característica que es preferible no despreciar si se quieren obtener parámetros reales de funcionamiento.

    En el ensayo a velocidad sincrónica se produjeron ciertas disparidades en los resultados correspondientes a las perdidas del hierro obtenidas a través de este método cotejadas con el método grafico. Estas divergencias suscitadas tienen su esencia preponderantemente en la lectura de los vatímetros, pues hay que resaltar que estos instrumentos eléctricos son analógicos y por tal tienden a ser menos precisos, debido principalmente a su baja sensibilidad para medir vatiajes pequeños, las lecturas tomadas para esta prueba corresponden a esa categoría , de allí que no se hubiese percibido con claridad un valor un poco mas alto de vatiaje que manifestara diferencias casi nulas entre los métodos en comparación.

    El ensayo a rotor bloqueado se realizo satisfactoriamente, a través del mismo se obtuvieron los parámetros del circuito equivalente, por su parte la corriente de arranque a tensión nominal para este método manifestaba un valor aproximadamente cuatro veces la corriente nominal. Se obtuvieron todas las perdidas involucradas con este ensayo acotando los mismos, valores lógicos y congruentes con los teóricamente esperados. Al examinar el comportamiento de un motor bajo carga se verifica que cuanto mayor sea la carga, es decir, mayor fuerza de frenado la potencia se incrementa, resaltando el aumento de corriente absorbida a través de la línea para mantener el motor bajo unas revoluciones de giro. Al cotejar a través de los gráficos se perciben varias cosas, entre ellas el aumento de la eficiencia conforme aumentaba la fuerza de frenado explicándose esto por las perdidas del hierro que mantienen una proporción mayor en caso de potencias pequeñas en comparación con potencias grandes.

    Tanto la potencia como la corriente se incrementaban con la posición de mayor fuerza de frenado, esto debido a la compensación que debe hacer el motor para suplir las revoluciones bajo condiciones de carga, es entonces que se ve obligado a adquirir mayor corriente y en su defecto mayor potencia.

    El comportamiento de la curva característica par Vs velocidad fue acorde según los lineamientos teóricos, pues en el rango cotejado se manifestaron similares.

    Al examinar las respuestas que ofrece el motor ante los diversos métodos de arranque se acotan varios comportamientos, primeramente se destaca que al utilizar resistencias adicionales en el rotor, se evidencio la disminución de la corriente de arranque a expensas de un decremento del par de arranque y baja eficiencia durante el funcionamiento del M.I. El comportamiento que se detecto al adicionar resistencias al estator fue similar a la anterior, por cuanto se redujo la corriente de arranque , aunque el par también decreció conforme se aumentaba la resistencia en cuestión, mas al implantar el arranque a tensión nominal se obtuvieron los mayores pares de arranque conjuntamente con la mayor corriente de arranque que método alguno pueda suscitar, es importante ver entonces la factibilidad de usar el arranque a tensión nominal por el alto torque que genera, apercibiéndose de los altos riesgos contraídos al implementar este método, ya que la corriente de encendido puede elevarse incluso a ocho veces la nominal.

    En los restantes arranques hechos a baja tensión se denotan dos, el empleo del auto transformador y la implantación de la conexión estrella triangulo, de estas dos la ultima es la mas usada a nivel general incluyendo las nombradas previamente, previéndose este uso por sus ventajas de bajo costo y confiabilidad que lo cataloga como el método mas solicitado, su principal inconveniente radica en su bajo par de arranque, esto puede generar un problema cuando se opera con cargas de gran momento de inercia, es conveniente que en esta situación se emplee el auto transformador que es mas acorde para esta eventualidad.

    Los regimenes que sufrieron los motores para observar los comportamientos bajo carga fueron suscitados deliberadamente, en ello se destaca la alta confiabilidad que ofrecen las maquina eléctricas dinámicas en casos tales como caída de alguna fase o reducción drástica del voltaje suministrado, pues se percibió que aunque con cierto esfuerzo y aumento de ruido, el motor mantenía su movimiento, esta condición solo se observo durante el funcionamiento mas no durante el arranque donde imperaba la inercia.

    Bibliografía

    www.html.rincondelvago.com/motores_9.html

    www.anser.com.ar/motoreselectricos1.htm

    www.dliengineering.com/ vibman-spanish/motoresainduccin.htm

    www.monografias.com/trabajos10/motore/motore.shtml

    www.igi.uni.edu.pe/indextecnia/02-1.htm

    www.paginadigital.com.ar/articulos/ 2002rest/2002terc/tecnologia/sica71.html

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