Alumno: Víctor García Ramírez Carrera: Ingeniería Electromecánica Asignatura: Maquinas Eléctricas Semestre: 6° Tema: Unidad 5 (Motores de Corriente Alterna) Docente: Dr. Gerardo Lara Arriaga 10/06/2022 1 Contenido 5.1. Estudio de las partes constitutivas de los motores de corriente alterna asíncronos. ..............................................................3 5.2. Generación del campo magnético giratorio en un estator trifásico...................................................................................................6 5.3. Análisis de las características de funcionamiento del motor de inducción. ........................................................................................8 5.4. Estudio de la corriente del rotor para la obtención de la reactancia de magnetización y de dispersión. .............................10 5.5. Obtención de las Pérdidas en el cobre y deslizamiento del rotor. .....................................................................................................11 5.6. Obtención del circuito equivalente del motor de inducción. ..............................................................................................................13 5.7. Conexiones normalizadas en los motores de inducción. .....15 5.8. Características de arranque del motor de inducción de rotor devanado al modificarle la resistencia óhmica en el circuito del rotor. .....................................................................................................16 5.9. Aplicaciones de los motores de inducción polifásicos. ........19 5.10. Principios de los motores monofásicos. .................................21 5.11. Tipos de motores monofásicos. ...............................................23 Fuentes de Consulta...........................................................................25 2 5.1. Estudio de las partes constitutivas de los motores de corriente alterna asíncronos. El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estator, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120º, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday: Entonces se da el efecto Laplace (o efecto motor): todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (o efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión. El campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estator, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción. La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre 3 dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor. La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnético se denomina deslizamiento. La diferencia del motor asíncrono con el resto de los motores eléctricos radica en el hecho de que no existe corriente conducida a uno de sus devanados (normalmente al rotor). La corriente que circula por el devanado del rotor se debe a la fuerza electromotriz inducida en él por el campo giratorio; por esta razón, a este tipo de motores se les designa también como motores de inducción. La denominación de motores asíncronos obedece a que la velocidad de giro del motor no es la de sincronismo, impuesta por la frecuencia de la red. Hoy en día se puede decir que más del 80% de los motores eléctricos utilizados en la industria son de este tipo, trabajando en general a velocidad prácticamente constante. No obstante, y gracias al desarrollo de la electrónica de potencia (inversores y ciclo convertidores), en los últimos años está aumentando considerablemente la utilización de este tipo de motores a velocidad variable. La gran utilización de los motores asíncronos se debe a las siguientes causas: construcción simple, bajo peso, mínimo volumen, bajo coste y mantenimiento inferior al de cualquier otro tipo de motor eléctrico. 4 Hay dos tipos básicos de motores asíncronos: Motores de jaula de ardilla: el devanado del rotor está formado por barras de cobre o aluminio, cuyos extremos están puestos en cortocircuito por dos anillos a los cuales se unen por medio de soldadura o fundición. Motor de rotor bobinado: el devanado del rotor de estos motores está formado por un bobinado trifásico similar al del estator, con igual número de polos. Las máquinas asíncronas también se pueden utilizar como generador y como freno electromagnético. Para ser usadas como motor deben suministrar potencia mecánica, consumir potencia eléctrica y el deslizamiento debe ser 0<s<1. 1. Tapa frontal 2. Caja de conexiones 3. Placa de datos 4. Rotor 5. Ventilador 6. Tapa del ventilador 7. Tapa de la caja de conexiones 8. Estator 9. Tornillos de sujeción 10. Rodamientos 11. Empaques 12. Tapa posterior 13. Tornillos de sujeción 5 5.2. Generación del campo magnético giratorio en un estator trifásico. Al repartir sobre un cilindro de ferromagnético de hierro (estator para las máquinas eléctricas asíncronas) unas bobinas, se separan las entradas y salidas 120º entre sí y se alimentan con una corriente alterna, se obtiene por el efecto de la corriente conducida a través de ellas un campo magnético pulsante. Si se colocan otras dos bobinas predispuestas igual que la primera, pero de modo que los planos que las contienen se sitúan a 60º a izquierda y a la derecha de la primera bobina y se alimenta cada grupo. Tres posiciones del giro, con la distribución de potencia del campo resultante. Si cada grupo de bobinas tiene un número escaso de éstas, el campo magnético creado tendrá una onda de forma cuadrada. Para aproximarla a una senoide lo que se hace es aumentar el número de bobinas en cada grupo (fase), y distribuirlas lo máximo posible en el estator. 6 La velocidad de rotación del campo magnético o velocidad de sincronismo está dada por donde es la frecuencia del sistema, en Hz, y es el número de par de polos en la máquina. Estando así la velocidad dada en revoluciones por minuto (rpm). El voltaje indica ruu donde : velocidad de la barra en relación con el campo magnético : vector de densidad de flujo magnético : longitud del conductor en el campo magnético : representa la operación "producto vectorial" Lo que produce el voltaje inducido en la barra del rotor es el movimiento relativo del rotor en comparación con el campo magnético del estator. 7 5.3. Análisis de las características de funcionamiento del motor de inducción. Se suspende un imán permanente de un hilo sobre una tornamesa de cobre o aluminio que gira en un cojinete colocado en una placa fija de hierro. El campo del imán permanente se completa así a través de la placa de hierro. El pivote debería estar relativamente sin fricción y el imán permanente debe tener la suficiente densidad de flujo. Cuando gira el imán en el hilo, se observará que el disco que está debajo gira con él, independientemente de la dirección de giro del imán. El disco sigue el movimiento del imán, como se muestra en la figura debido a las corrientes parásitas inducidas que se producen por el movimiento relativo de un conductor (el disco) y el campo magnético. Por la ley de Lenz, la dirección del voltaje inducido y de las corrientes parásitas consecuentes produce un campo magnético que tiende a oponerse a la fuerza o movimiento que produjo el voltaje inducido. Las corrientes parásitas que se producen tienden a producir a su vez un polo S unitario en el disco en un punto bajo el polo N 8 giratorio del imán y un polo N unitario en el disco bajo el polo S giratorio del imán. Por lo tanto, siempre que el imán continúe moviéndose, continuará produciendo corrientes parásitas y polos de signo contrario en el disco que está abajo. El disco, por lo tanto, gira en la misma dirección que el imán. pero debe girar a velocidad menor que la del imán. Si el disco girara a la misma velocidad que la del imán, no habría movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético y no se producirían corrientes parásitas en el disco. 9 5.4. Estudio de la corriente del rotor para la obtención de la reactancia de magnetización y de dispersión. En un motor de inducción tipo jaula ardilla, cuando se le suministra tensión al devanado del estator, se induce un voltaje en el rotor de la máquina. Por lo general a mayor movimiento relativo entre los campos magnéticos del inductor y del inducido, mayor será el voltaje resultante del rotor y la frecuencia de este. Cuando el rotor de la máquina es bloqueado, se presenta el mayor movimiento relativo entre los campos magnéticos de rotor y estator, de tal forma que se induce un mayor voltaje y frecuencia en el rotor de la máquina. La magnitud y la frecuencia de voltaje inducido en la parte rotatoria de la máquina son directamente proporcionales al deslizamiento del rotor. De tal forma que, si se representa la magnitud de la tensión inducida del rotor a rotor bloqueado como ER0, la magnitud de la tensión inducida con cualquier deslizamiento. La reactancia del rotor de un motor de inducción depende de la inductancia del rotor y de la frecuencia de la tensión además de la corriente en el rotor. Si consideramos una inductancia del rotor LR. Combinando esta ecuación con la de frecuencia del voltaje inducido con cualquier deslizamiento tenemos siendo XR0 la reactancia del rotor bloqueado. 10 5.5. Obtención de las Pérdidas en el cobre y deslizamiento del rotor. Como se indicó en el apartado anterior la relación de los campos magnéticos determinan el voltaje inducido en la barra del rotor. La diferencia entre la velocidad síncrono y la velocidad del rotor se conoce como velocidad de deslizamiento y el deslizamiento a su vez nos permite describir el movimiento relativo de los campos y es igual a la velocidad relativa expresada como una fracción de la unidad o un porcentaje. Las pérdidas que se producen en un motor de inducción son muy similares a la de un transformador eléctrico con la única diferencia de que en un motor de inducción la potencia de entrada es una potencia eléctrica y la potencia de salida es una potencia mecánica, en la figura 5.7 se aprecian las pérdidas que ocurren en la máquina antes de la entrada de potencia hasta su salida. Se puede observar como las primeras pérdidas son pérdidas eléctricas producidas en los devanado del estator y conocidas como pérdidas en el cobre, después aparecen las pérdidas de hierro también conocidas como pérdidas en el núcleo y que obedecen a la cantidad de potencia perdida por histéresis y corrientes parásitas en el estator, después la potencia es transferida al rotor de la máquina a través del entre hierro existente entre rotor y estator hasta potencia se le conoce como potencia en el entrehierro. 11 Posteriormente se producen las pérdidas en el cobre del rotor y las pérdidas mecánicas provocadas por la fricción y rozamiento de los elementos en movimiento, finalmente se consideran las pérdidas misceláneas para obtener así la potencia de salida en el eje por rotor de la máquina. 12 5.6. Obtención del circuito equivalente del motor de inducción. Cuando se le registra un motor de inducción trifásico las intensidades de corriente son iguales en magnitud y tienen una diferencia de fase 120° eléctricos. Lo mismo ocurre en las corrientes de los devanados del rotor. Debido a que los devanados del estator y del rotor están acoplados magnéticamente, un motor de inducción es muy similar a un transformador trifásico con la única diferencia que en un motor se tendría el secundario giratorio. Por lo anterior expuesto el motor trifásico puede representarse por fase mediante un circuito equivalente con cualquier deslizamiento. En la figura 5.8 se muestra un circuito equivalente por fase que representa el funcionamiento de un motor de inducción [3], si se observa es el mismo circuito equivalente para un transformador eléctrico, sólo que en este caso R1 y jX1 representa la resistencia del estator y la reactancia de dispersión del estator, Rc y JXm representan las pérdidas magnéticas en el núcleo del motor. El transformador ideal representa el entre hierro entre rotor y estator. Rr y JXr representan la resistencia y la reactancia del rotor. 13 Figura 5.8 Circuito equivalente por fase de un motor de inducción trifásico, B.S La figura 5.9 se muestra el circuito equivalente del motor de inducción referido al lado del estator, tal como se hizo con los circuitos equivalentes del transformador, finalmente en la figura 5.10 se muestra precipite equivalente de la figura 5.9 modificado para representar la resistencia del rotor y de la carga. Figura 5.9 Circuito equivalente por fase de un motor de inducción trifásico referido al lado del estator, B.S. Figura 5.10 Circuito equivalente de la figura5.9 modificado para mostrar las resistencias del rotor y de la carga, B.S 14 5.7. Conexiones normalizadas en los motores de inducción. Los motores eléctricos de inducción trifásicos pueden conectarse en estrella o bien delta, el uso de una u otro tipo de conexión es decisión del fabricante del equipo. Sin embargo, como sabemos, una de las desventajas principales de este tipo de motor es que su velocidad se mantiene constante independientemente de la carga conectada al motor. Normas técnicas para la fabricación de motores eléctricos como son la IEC y NEMA, estas normas además de establecer criterios para la fabricación de motores también establecen la marcación de terminales de estos. NEMA utiliza para el marcado números que van desde el 1 hasta el 12, mientras que IEC combina las letras U, V, W y los números desde el 1 hasta el 6. La marcación de los números obedece a nivel de tensión con el cual podrá ser el legislador motor o bien cuando se desea un motor con dos o más velocidades. 15 5.8. Características de arranque del motor de inducción de rotor devanado al modificarle la resistencia óhmica en el circuito del rotor. El motor de corriente alterna tipo rotor devanado, opera bajo los mismos principios que los motores de jaula de ardilla, pero difieren en la construcción del rotor. En este tipo de motor como su nombre lo indica el rotor está devanado con un propósito muy definido. Unas del de las limitantes del motor con rotor tipo jaula de ardilla es que durante su funcionamiento no hay forma de influir desde el exterior sobre la corriente del circuito en el rotor, en cambio en un motor con rotor devanado si es posible variar la resistencia del circuito del rotor conectando resistencias adicionales, pues el rotor es excitado externamente mediante anillos rozantes. Si se introduce en el circuito del rotor del motor de inducción una resistencia, se aumenta el deslizamiento de la máquina para cualquier valor dado del par. Para valores pequeños de deslizamiento, el par es prácticamente proporcional a la corriente del rotor y al flujo en el entrehierro. El flujo en el entre hierro de un motor de inducción es prácticamente constante, ya que la atención a las terminales, y 16 por lo tanto la fem, son casi constantes. Si se introduce en el circuito del rotor una resistencia, su impedancia se incrementa. Para valores bajos del deslizamiento, que es donde normalmente el motor funciona, la reactancia del inducido es pequeña comparada con la resistencia, siguiendo la impedancia, por lo tanto, casi toda la resistencia. Si él deslizamiento se mantiene constante, la fem inducida del rotor no cambia. La corriente del inducido, que es igual a esta fem dividida por la impedancia del rotor, disminuye, debido al aumento de resistencia dando como resultado que el par también disminuya. Para volver a llevar el par a su valor inicial, se debe aumentar la corriente del inducido, y para aumentar esta corriente, se debe aumentar la fem inducida.Debido a que el flujo del entrehierro es constante, el aumento de la fem sida sólo se puede obtener haciendo que los conductores del rotor corten al flujo a mayor velocidad, por lo tanto, para un par dado, el deslizamiento aumenta cuando se intercala una resistencia del circuito del rotor. En la figura 5.21 se observa que se obtiene el par a plena carga con un deslizamiento mayor cuando la resistencia del rotor se aumenta. La magnitud del par máximo no se modifica, pero el deslizamiento que corresponde este par se desplaza hacia el punto de velocidad cero, es decir, que el par máximo se obtiene para un valor mayor del deslizamiento. El rotor gira a 17 menor velocidad, pero esta disminución de velocidad cero se tiene a expensas del rendimiento, ya que las pérdidas I2R en el circuito del rotor aumentan. Figura 5.21 efecto producido sobre las curvas par-deslizamiento al intercalar una resistencia en el rotor. 18 5.9. Aplicaciones de los motores de inducción polifásicos. Debido al bajo costo en su construcción y el mínimo mantenimiento que requiere para su operación, el motor de corriente alterna de inducción trifásica es el de mayor uso en las aplicaciones industriales. A continuación, se indican a manera de ejemplo alguna de las aplicaciones de los motores trifásicos de corriente alterna de inducción tipo jaula de ardilla y de rotor devanado: Ascensores. Bombas centrífugas. Bombas de desplazamiento alternativo. Bandas transportadoras. Trituradoras. Ventiladores. Máquinas herramientas. Embotelladoras. Compresoras de arranque sin carga. Hiladoras. Voladoras garrotillo. Desmenuzadoras de alimentos. Esmeriladoras 19 Máquinas para labrar madera. Roscadoras. Sierras. Cepilladoras. Amoladoras. Grúas Montacargas. Sopladoras. Molinos. Industria de alimentos. Industria del caucho. Industria papelera. Industria petrolera. Industria textil 20 5.10. Principios de los motores monofásicos. Los motores monofásicos de corriente alternan tiene una construcción idéntica al motor trifásico de inducción, sólo que tienen una gran limitación ya que sólo tienen una fase en el devanado del estator y por lo tanto el campo magnético en estos motores monofásicos no gira, sino únicamente oscila, haciéndose primero más grande y luego más pequeño, pero manteniéndose siempre en la misma dirección. Esta limitante hace que motor monofásico inducción no tenga par de arranque propio y si se hace girar el rotor en cualquier dirección mientras el devanado monofásico este excitado, el motor desarrollará un par en esa dirección. Existen dos teorías para explicar funcionamiento del motor de inducción monofásico, la teoría del doble campo rotatorio y la teoría del campo cruzado. Enseguida se analizará de manera general la teoría del doble campo rotatorio. De acuerdo con esta teoría, un campo magnético que varía en el tiempo pero que se encuentra estacionario en el espacio, se puede descomponer en dos campos magnéticos rotatorios de igual magnitud, pero con direcciones de giro opuestas. Si consideramos, la condición del rotor en reposo; sabemos que el campo magnético que produce motor pulsa hacia arriba y 21 abajo con el tiempo, y en cualquier momento su magnitud está dada por B =B m cos ωt , donde Bm es la densidad de flujo máximo en el motor. Esencia de flujo puede descomponerse en dos componentes llamados B1 y B2 de tal forma que la magnitud de igual a la magnitud de Suponiendo que B1 B2 . Luego B1 es B1=B2=0.5 B. gira en el sentido de las manecillas del reloj, el sentido de giro de B 2 será opuesto tal como se observa en la ilustración 27. Por lo tanto, se tienen dos campos rotatorios de igual magnitud y constantes elegirán de manera sincrónica, pero en sentidos opuestos. Se induce así una fem en el circuito del rotor debido a cada campo rotatorio. La polaridad de esta fem inducida en el rotor se encontrará en posición a la del otro. Por lo tanto, las corrientes del rotor inducidas por estos campos rotatorios circularán en direcciones opuestas, es decir el par de arranque desarrollado en cada campo rotatorio es de igual magnitud. Como las direcciones de par son opuestas el par neto resultante es igual a cero. 22 5.11. Tipos de motores monofásicos. Motor monofásico. Este tipo de motor es muy utilizado en electrodomésticos porque pueden funcionar con redes monofásicas algo que ocurre con nuestras viviendas. En los motores monofásicos no resulta sencillo iniciar el campo giratorio, por lo cual, se tiene que usar algún elemento auxiliar. Dependiendo del método empleado en el arranque, podemos distinguir dos grandes grupos de motores monofásicos: Motor monofásico de inducción. Su funcionamiento es el mismo que el de los motores asíncronos de inducción. Dentro de este primer grupo disponemos de los siguientes motores: 1. De polos auxiliares o también llamados de fase partida. 2. Con condensador. 3. Con espira en cortocircuito o también llamados de polos partidos. Motor monofásico de colector. Son similares a los motores de corriente continua respecto a su funcionamiento. Existen dos clases de estos motores: 1. Universales. 2. De repulsión. 23 Motor monofásico de fase partida. Este tipo de motor tiene dos devanados bien diferenciados, un devanado principal y otro devanado auxiliar. El devanado auxiliar es el que provoca el arranque del motor, gracias a que desfasa un flujo magnético respecto al flujo del devanado principal, de esta manera, logra tener dos fases en el momento del arranque. Al tener el devanado auxiliar la corriente desfasada respecto a la corriente principal, se genera un campo magnético que facilita el giro del rotor. Cuando la velocidad del giro del rotor acelera el par de motor aumenta. Cuando dicha velocidad está próxima al sincronismo, se logran alcanzar un par de motor tan elevado como en un motor trifásico, o casi. Cuando la velocidad alcanza un 75 % de sincronismo, el devanado auxiliar se desconecta gracias a un interruptor centrífugo que llevan incorporados estos motores de serie, lo cual hace que el motor solo funcione con el devanado principal. Este tipo de motor dispone de un rotor de jaula de ardilla como los utilizados en los motores trifásicos. El par de motor de estos motores oscila entre 1500 y 3000 r.p.m., dependiendo si el motor es de 2 ó 4 polos, teniendo unas tensiones de 125 y 220 V. La velocidad es prácticamente constante. Para invertir el giro del motor se intercambian los cables de uno solo de los devanados (principal o auxiliar), algo que se puede realizar fácilmente en la caja de conexiones o bornes que viene de serie con el motor. 24 Fuentes de Consulta. BR. JUAN GERARDO DOMINGUEZ GOMEZ. (marzo 22, 2018). 383535428-Unidad-5-Motores-de-Corriente-Alterna.docx. junio 10, 2022, de Instituto Tecnológico de Monterrey Sitio web: https://www.coursehero.com/file/51356034/383535428-Unidad-5Motores-de-Corriente-Alternadocx/#question PEREZ HERNANDEZ ERIK FIDEL. (febrero 3, 2020). MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA.docx. junio 10, 2022, de Instituto Tecnológico de Monterrey Sitio web: https://www.coursehero.com/u/file/61750839/MOTORES-DECORRIENTE-ALTERNAdocx/?justUnlocked=1#question 25
