MAQUINAS ELECTRICAS - electrotecnia aplicada a la ing

ELECTROTECNIA APLICADA A LA
INGENIERIA MECÁNICA
UD. 4
MAQUINAS ELECTRICAS
Descripción: Principios de electromagnetismo y
funcionamiento y aplicaciones de las diferentes
máquinas eléctricas.
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Tema 4.2.
MÁQUINA ASÍNCRONA: MOTOR DE
INDUCCIÓN
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Tema 4.2. Máquina asíncrona
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO:
• La máquina asíncrona es una máquina eléctrica rotativa basada
en los mismos principios de inducción electromagnética que el
transformador, además de la ley de Laplace.
• Partes:
• Estator: Contiene el devanado
inductor en el que se introduce la
corriente alterna. Se corresponde con el
primario.
• Rotor: Está compuesto por 3 fases o
por barras cortocircuitadas formando un
devanado multifase. Se corresponde con
el secundario.
• Carcasa: Es la envolvente del motor,
contiene estator, rotor, caja de bornes,
eje y otras partes mecánicas.
• Eje: Es el elemento mecánico por el que
extraemos la energía del motor.
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Tema 4.2. Máquina asíncrona
• Principio de funcionamiento:
Intensidad
Campo
magnético
Fuerza
Tema 4.2. Máquina asíncrona
ESTATOR: está constituido por un
apilamiento de chapas de acero con
ranuras en el interior donde se aloja un
devanado trifásico.
Devanado: El devanado es la disposición de las fases que se haga en las
ranuras del estator. Llamaremos polo a cada espira que tenga una fase y las
espiras siempre serán pares.
El objetivo es
conseguir un flujo
magnético giratorio
distribuido
senoidalmente por el
entrehierro.
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Tema 4.2. Máquina asíncrona
Devanado de dos polo:
Cada fase forma dos espiras opuestas 180º en el estator.
Devanado de 4 polos: Cada fase forma 4 espiras distribuidas por el estator:
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Tema 4.2. Máquina asíncrona
ROTOR: Existen dos tipos de rotor:
•Devanado: Consta de un devanado trifásico similar al del estator conectado en
estrella y con salida a unos anillos en el eje.
•Jaula de ardilla: Consta de dos anillos laterales unidos por barras conductoras.
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Tema 4.2. Máquina asíncrona
El número de fases del rotor puede
variar, pero el número de polos debe ser
igual al del estator. En el caso del
devanado es una característica
constructiva pero en el caso de jaula de
ardilla las barras dan lugar a un m2
fases. La necesidad de igualar el número
de polos hace que:
m2=nºbarras/nºpolos
•Devanado:
•La posibilidad de incluir resistencias entre los anillos permite el ajuste del par
del motor.
•Tiene mayores pérdidas mecánicas.
•Su construcción es más compleja.
•Jaula de ardilla:
•Las barras están cortocircuitadas por lo que no hay ajuste de la resistencia.
•Su construcción es sencilla.
•Es el más utilizado.
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Tema 4.2. Máquina asíncrona
• Circuito equivalente:
– El circuito equivalente del motor de inducción es
muy similar al del transformador aunque hay que
tener ciertos aspectos en cuenta:
• La velocidad relativa entre estator y rotor hace que la
frecuencia en ambos circuitos no sea la misma.
• Además del número de espiras, pueden ser diferentes
el número de fases y el factor de devanado.
Tema 4.2. Máquina asíncrona
• Ensayos:
– Ensayo de vacío: Con el eje del motor libre, se aplica la tensión
nominal al estator. Se mide P0 e I0
• A diferencia del transformador, en el motor de inducción
también existen pérdidas mecánicas además de las del cobre
y las del hierro:
– 𝑃0 = 𝑃𝐹𝐹 + 𝑃𝑚 +𝑃𝐶𝐶𝐶
- Las pérdidas del cobre se determinan midiendo la resistencia del
estator.
- Para determinar las perdidas del hierro, deberán tomarse
medidas adicionales:
- Realizar el ensayo a diferentes tensiones (30%-100% de V1n)
y determinar PFe+Pm:
- 𝑃𝐹𝐹 + 𝑃𝑚 = 𝑃0 − 𝑚1 ∗ 𝑅1 ∗ 𝐼𝐼2
- El resultado de estos ensayos al dibujar PFe+Pm respecto de
V1 es una parábola cuyo punto de corte con el eje vertical
corresponde con las pérdidas mecánicas (constantes durante
los ensayos ya que la velocidad es constante).
• Una vez que se ha calculado Pfe se calcula Rfe y Xμ tal y como
se hacía en el transformador
Tema 4.2. Máquina asíncrona
• Ensayos:
– Cortocircuito: Se bloquea el eje del motor, siendo por tanto la
velocidad 0 y la resistencia de carga del circuito equivalente también 0.
En este caso, el motor se comporta exactamente como un
transformador y el ensayo se realiza de manera identica logrando
obtener los valores de la rama en serie del circuito equivalente.
Tema 4.2. Máquina asíncrona
• Diagrama de potencias
PCu1
PCu2
Pmi
PFe
P1
PCu1
P1
PFe
ESTATOR
PCu2
Pa
ROTOR
Pm
Pmi
EJE
Pu
Tema 4.2. Máquina asíncrona
• Par motor:
• 𝑀=
• 𝐼=
𝑃𝑚𝑚
𝜔
=
𝑃𝑚𝑚
2𝜋 𝑛⁄60
𝑉1
𝑅 2
𝑅1 + 𝑠2 +𝑋𝑐𝑐 2
=
𝑃𝑚𝑚
𝑚1∙ 𝑅2∙ 𝐼 2
=
2𝜋 𝑛1⁄60(1−𝑠) 2∙𝜋∙ 𝑛𝑛⁄60∙𝑠
𝑀=
𝑛
2∙𝜋∙ 601
𝑅′
𝑚1∙ ∙ 𝑠 2 ∙𝑉 2 1
𝑅2 2
𝑅1 + 𝑠 +𝑋𝑐𝑐 2
Tema 4.2. Máquina asíncrona
• Par motor:
•
•
𝑑𝑑
𝑑𝑑
= 0 → 𝑠𝑚 =
𝑅′ 2
𝑅 2 1 +𝑋 2 𝑐𝑐
𝑀𝑀𝑀𝑀 =
𝑚1∙ ∙𝑉 2 1
𝑛
4∙𝜋∙ 601 𝑅1 2 +𝑋𝑐𝑐 2
Es posible modificar el punto
de maximo par del motor
añadiendo una resistencia al
rotor (rotores de devanado).
Este cambio, no afecta al par
máximo.
Tema 4.2. Máquina asíncrona
• Régimen motor:
•
•
0<s<1
Pto 0: s=0=>M=0
– N=n1=> IMPOSIBLE
•
Pto A: s=sn=>M=Mn (nominal)
–
S= (3-8%)
•
•
Pto C: Par máximo s=(15-30%)
Pto D: Arranque s=1; M=Ma.
•
La curva a la izquierda de C es
INESTABLE, ya que al aumentar la
velocidad aumenta el par. La
parte izquierda es ESTABLE.
Cuanto más vertical sea la parte
estable, más estable será la
velocidad de rotación.
•
Tema 4.2. Máquina asíncrona
• Arranque en estrella triángulo:
– El hecho de que la impedancia del
motor sea muy baja a bajas
velocidades provoca elevadas
intensidades de arranque. Una
manera de reducirlas es el arranque
en estrella-triángulo:
– Al conectarse en estrella, el par y la
intensidad son un tercio de los que
se obtienen en triángulo.
Motores de inducción trifásicos
Datos a definir
Observaciones
Requisitos eléctricos
Tipo de corriente
Corriente trifásica,
corriente monofásica
Frecuencia
Tensión de funcionamiento, para los
motores multitensión indicar todos
valores y tolerancias posibles
V
Hz
Datos de catálogo
Designación de tipo
Valor nominal
Velocidad
Intensidad nominal
A
Intensidad nominal/
arranque mínima
Par
Nm
Par nominal/mínimo
Par nominal/desincronización
Par nominal/arranque
máximo
Momento de inercia
kgm2
Rendimiento η
%
Tiempo de bloqueo máx.
s
Tiempo de arranque máx.
s
Tolerancias
Tipo de diseño
Conmutación
Triángulo, estrella
Tipo de rotor
Rotor de jaula, rotor bobinado
Modelo
IM..
Tipo de protección
IP..
Tipo de enfriamiento
Enfriamiento interno natural
Enfriamiento automático exterior
Enfriamiento de circuito cerrado
independiente
Tipo de aislamiento
B, F, H
Amplitud de vibración
Nivel de ruido
Normas especiales
Caja de bornas
Extremos axiales
Componentes exteriores e
interiores
Frenos, tacogenerador
Calentador de espacios,
ventilación independiente
Herramientas medidoras
de temperatura
- Protección del termistor
- Interruptor bimetálico
- Resistores PTC
Tabla 4.5.1
4.5
Especificaciones del fabricante
Para motores con varias
velocidades, valor por velocidad
Para motores con varios polos,
velocidad por potencia de salida
Especificaciones del fabricante
Especificaciones del fabricante
Para aplicaciones especiales
Especificaciones del fabricante
Especificaciones del fabricante
Especificaciones del fabricante
Especificaciones del fabricante
Especificaciones del fabricante
Especificaciones del fabricante
Especificaciones del fabricante
Establecidas por normas
Para arranque estrella-triángulo,
especificar siempre triángulo
IEC 34-7, Pieza 7
IEC 34-7, Pieza 7
Indicar límite temp., si es necesario
Normal o reducida
db
Normas eléctricas y mecánicas
Indicar tipo de protección
y diseño, si es necesario
Indicar tipo de protección
y diseño, si es necesario
Indicar interruptor o enchufe, si es
necesario
Para rodamientos o
bobinados del estator
Contactos de conexión o corte
Datos de catálogo para motores
Motores de inducción trifásicos
Datos para definirse
Observaciones
Par antagonista
- constante
- aumento cuadrático
- curva especial
Nm
Momento de inercia de
la carga
kgm2
Hablar con fabricante, si es
necesario
Tipo de arranque
- estrella-triángulo
Convertir para máx. velocidad del
motor
Arranque de estrella-triángulo
intensificado, si es necesario
- arranque a plena carga
- arranque sin carga
- otros métodos
Arrancador suave o controlador
de carga, si es necesario
Frenado eléctrico
Frenado de contramarcha o
dinámico
Modo de funcionamiento
S1
S2
S3
min
%
S4
%, c/h
S5
%, c/h
S6
%
S7
c/h
S8
%, c/h
S9
Temperatura ambiente
Altura
Convertir para eje de motor, si
es necesario
Funcionamiento continuo
Servicio temporal
Tipo de servicio periódico
intermitente sin arranque
Servicio periódico intermitente
con arranque
Servicio periódico intermitente
con arranque y frenado eléctrico
Tipo de servicio de funcionamiento
contínuo
Servicio de funcionamiento continuo
con arranque y frenado eléctrico
Servicio periódico de funcionamien
to continuo con cambios de
carga/velocidad relacionados
Servicio con variaciones de carga
y velocidad no periódicas
oC
metros sobre el nivel del mar
Sentido de rotación
Ajuste de velocidad
a la dcha., a la izda. o ambos
método y desde...a...
Influencias climáticas
Considerar también humedad
relativa
Carga de rodamiento y axial
Fuerza axial
N
Fuerza radial
N
Fuerzas rotativas
N
Tabla 4.6.1
4.6
Dirección de fuerza respecto a
posición de eje
Indicar distancia respecto al saliente
del eje
Datos importantes para el diseño del motor