República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder
Popular para la Educación
Instituto Universitario de Tecnología
“Dr. Federico Rivero Palacio”
PNF-Electricidad Sección II
Cátedra: Teoría Electromagnética
Instituto Universitario de Tecnología
“Dr. Federico Rivero Palacio”
PNF-Electricidad Sección II
Cátedra: Teoría Electromagnética
EL MOTOR
ASINCRÓNICO
Facilitador: Ing. José Muñoz | Alumnos: Castro Ada, C.I. 13.250.142 Fermín Carlos, C.I. 13.076.449 Fermín Jesús, C.I. 10.381.913 |
Caracas, 24 de Septiembre de 2011
INDICE
Contenido | |
INTRODUCCION | |
DESARROLLO TEORICO | |
Motor Asincrónico Trifásico | |
Representación de los Motores Asincrónicos | |
Motor de Inducción Jaula de Ardilla | |
Motor de Inducción Rotor Devanado | |
Funcionamiento del Motor Asincrónico | |
Definición del Deslizamiento d | |
Valores del Deslizamiento | |
Medida del Deslizamiento | |
Estudio de los Flujos-Analogía con el transformador | |
Determinación de los Parámetros del Esquema Equivalente | |
Ensayo en vacío para determinar | |
Ensayo en Corto Circuito | |
Rendimiento del motor asincrónico | |
Diseños Normalizados | |
Arranque de Motores de Inducción | |
Clasificación por el tipo de Carcasa | |
Protección de los motores | |
Control de Velocidad de los Motores Asincrónicos | |
DESARROLLO PRÁCTICO | |
Práctica en laboratorio | |
Conclusión | |
Bibliografía |
INTRODUCCION
El presente trabajo tiene como finalidad el estudio de los fenómenos físicos en el funcionamiento de los motores asincrónicos. Para ello, estudiaremos su constitución; su funcionamiento y los tipos existentes. También enfocaremos el concepto de deslizamiento y su función en el desempeño del motor asíncrono.
Estudiaremos la relación de las ecuaciones de Maxwell con los efectos que se presencian en el desempeño de estos motores. Presentaremos las formas de determinar los parámetros de estas máquinas mediante el ensayo en vacío y en cortocircuito. Determinaremos el cálculo de su rendimiento.
También estudiaremos los diseños normalizados de este tipo de máquinas; las formas de arranque; los controles utilizados para la variación de la velocidad y la práctica normalizada para obtener los datos característicos de estas máquinas.
Al finalizar seremos capaces de entender el funcionamiento físico de la máquina asincrónica, sus usos y todos los parámetros que se deben variar para optimizar su funcionamiento y en especial el fenómeno electromagnético presentes.
DESARROLLO TEORICO
Motor Asincrónico Trifásico
Un motor asincrónico es un motor a inducción, es decir a corriente alterna sin colector, en el cual una parte del motor está conectada a la red y la otra trabaja por inducción; en otras palabras el voltaje del rotor es inducido por lo que no necesita corriente de campo para su funcionamiento.
El motor asincrónico está constituido por un arrollamiento trifásico llamado estator o circuito primario y por un arrollamiento móvil polifásico llamado rotor que puede ser bobinado (como en el alternador) o bien constituido por conductores corto-circuitados a sus extremos “jaula de ardilla”. El número de fases del estator y del rotor son independientes. Los rotores bobinados lo son en trifásico por razones prácticas (buen coeficiente de bobinaje).
Representación de los Motores Asincrónicos
Motor de Inducción Jaula de Ardilla
Los devanados rotóricos están ubicados en las ranuras de la periferia externa del rotor, con sus extremos en cortocircuitos por medio de anillos. Los devanados se construyen de cobre o de aleación de cobre con otros materiales.
Motor de Inducción Rotor Devanado
El rotor posee un embobinado trifásico, las tres bobinas de las tres fases están conectadas en Y, cuyos extremos están conectados en anillos de rozamiento sobre el eje del motor, a través de escobillas. Por medio de las escobillas se tiene acceso al circuito del rotor. Está característica sirve para modificar la característica momento de torsión – velocidad.
En general el funcionamiento normal el rotor esta corto-circuitado sobre el mismo, bien sea por construcción (jaula de ardilla) o por un reóstato rotórico.
Funcionamiento del Motor Asincrónico
El estator estando constituido por tres bobinas alimentadas por corrientes de pulsación W, producirá un campo giratorio de la misma pulsación. Si el rotor está constituido por espiras cortocircuitadas, el flujo del campo giratorio inducirá una corriente i(t) en las espiras del rotor (Ley de Faraday) por lo que estas espiras estarán sometidas a una fuerza dada por la Ley de Laplace = . El sentido de esta fuerza está dada por la Ley de Lenz y se opone a la causa que le dio origen, de donde el rotor girará a una velocidad W´ > W.
Definición del Deslizamiento d
El campo giratorio tiene una velocidad W y el rotor gira a una velocidad W´ lo que se traduce por un deslizamiento del rotor con respecto al campo giratorio del estator, que expresado en valor relativo nos da:
ó en %:
Valores del Deslizamiento
En vacío | Valores de Deslizamiento |
· Para motores grandes | 0.1 a 0.2% |
· Para motores pequeños | 0.3 a 0.5% |
En carga | Valores del Deslizamiento |
· Para motores grandes | 1 a 3% |
· Para motores pequeños | 10 a 20% |
Medida del Deslizamiento
El deslizamiento, siendo una variable importante del motor asincrónico, y de cuya medida dependen muchos otros, es necesario utilizar un método preciso para su medida, debido al pequeño valor de este parámetro.
Método del estroboscopio: El motor funcionando en asincrónico se varía la frecuencia del estroboscopio para observar la raya del eje del motor fija W´. Luego se pasa el motor a sincronismo y se cuenta el número de vueltas que da la raya durante un minuto de donde se deduce d.
N1 = Número de vueltas de la raya blanca = W – W´
NT = Velocidad de sincronismo
- d = Medida de la frecuencia rotórica
Procedimiento:
Se conecta un maperímetro magneto eléctrico (desviación proporcional a la corriente) y se cuenta el número de oscilaciones por minuto lo que da f – f´ (frecuencia de las corrientes rotóricas), ver figura 3.
Fig.3: Conexión del maperímetro |
Estudio de los Flujos-Analogía con el transformador
Fig.4: Flujos en el estator y rotor
Teniendo en cuenta la hipótesis de máquina no saturada podremos adicionar los flujos parciales para obtener un flujo total.
Flujos totales del estator:
Flujos totales del rotor:
donde:
Operando de la misma forma en el secundario tendremos las caídas de tensión dados por:
El esquema correspondiente es el mostrado en la figura 5:
Fig.5: Esquema del motor asincrónico |
Las fórmulas son las mismas del transformador salvo que las pulsaciones serán diferentes en el rotor y en el estator.
Tomando los términos cuya composición de flujo da el flujo resultante y produce la F.E.M. (Fuerza Electromotriz) tendremos
Además de las pérdidas por efecto Joule tenemos pérdidas mecánicas y pérdidas en el hierro las cuales son constantes para tensiones y velocidades constantes y se representan por una resistencia en paralelo por la que circula una corriente Ioa
Io: Corriente en vacío.
De donde el esquema equivalente completo del motor asincrónico se puede observar en la figura 6:
Fig.6: Esquema Equivalente del motor asincrónico |
De la ecuación del rotor tenemos:
Lo que equivale a tener en el secundario una resistencia R2
Además podemos pasar todos los elementos al estator para tener el esquema final del motor, mostrado en la figura 7.
Fig.7: Esquema final del motor asincrónico |
Donde m es la relación de transformación.
Determinación de los Parámetros del Esquema Equivalente
Ensayo en vacío para determinar
La potencia disipada corresponde a pérdidas mecánicas y en el hierro, disipada en el circuito en paralelo, ver figura 8.
Fig.8: Parámetros en vacío |
La medida de potencia activa de la potencia disipada en R viene dada por:
Po: Potencia total trifásica
V1
R: Resistencia de una fase
La medida de potencia reactiva da:
Para un solo arrollamiento, para el cálculo de la trifásica es:
Ensayo en Corto Circuito
El rotor se cortocircuita y se bloquea con la mano, para esto se le aplica una tensión pequeña del orden de 20V. En esta manipulación las pérdidas mecánicas son nulas y toda la potencia disipada corresponde a las pérdidas por efecto Joule.
Donde R es la resistencia equivalente del conjunto rotor – estator.
Donde R es la resistencia equivalente del conjunto rotor – estator.
Fig.9: Circuito ensayo cortocircuito |
El montaje utilizado es el mostrado en la figura 10:
Fig.10: Rotor bloqueado |
Rendimiento del motor asincrónico
La potencia transferida del estator al rotor es C W. La potencia útil del rotor es C W´ despreciando las pérdidas mecánicas de donde el rendimiento esta dado por:
Podemos observar que para tener un buen rendimiento es necesario que el deslizamiento sea pequeño.
Diseños Normalizados
Según NEMA (National Electrical Manufacturers Association) e IEC (international Electrotechnical Conmission):
Diseño Clase A
Momento de arranque normal, corriente de arranque normal y bajo deslizamiento. El Deslizamiento a plena carga debe ser menor del 5%.
El momento de torsión máximo está entre 200 y 300% del momento de torsión a plena carga.
El momento de torsión de arranque para motores grandes es 200% más del momento de torsión nominal. Para motores pequeños la corriente de arranque está entre 500 y 800% de la corriente nominal. Para potencias mayores de 7.5HP debe utilizarse el arranque bajo voltaje reducido.
En los últimos años han sido reemplazados por los motores de diseño Clase B.
Las aplicaciones típicas de estos motores son los ventiladores, bombas, tornos y máquinas pequeñas.
Diseño Clase B
Momento de torsión de arranque normal, corriente de arranque más baja y deslizamiento más bajo.
Produce aproximadamente el mismo momento de arranque de los motores de Clase A, con un 25% menos de corriente. El momento de torsión máximo es mayor o igual al 200% del momento de carga nominal, pero menor que el diseño de Clase A.
Diseño Clase C
Momento de torsión de arranque alto, corriente de arranque bajo y bajo deslizamiento (menos del 5%) a plena carga.
El momento de torsión de arranque llega hasta 250% del momento a plena carga. Estos motores se fabrican con rotores de doble jaula de ardilla por lo que son más costosos que las clases anteriores.
Se usan para cargas que requieren alto momento de arranque, tales como compresores y bandas transportadoras.
Diseño Clase D
Momento de torsión de arranque muy alto (275% ó más del momento de torsión nominal), corriente de arranque baja y bajo deslizamiento alto a plena carga.
El rotor se construye con una alta resistencia para que el momento de torsión máximo se presente a muy baja velocidad.
Se usan en aplicaciones que requieran la aceleración de cargas de tipo inercia extremadamente alta, grandes volantes usados en prensa y grúas.
Arranque de Motores de Inducción
En muchos casos se pueden arrancar conectándolo directamente a la línea. Sin embargo no se recomienda, ya que puede causar caídas de voltajes en la línea.
Arranque a bajas corrientes
Insertando resistencias adicionales en el rotor de manera que disminuye la corriente y aumenta el momento de torsión de arranque.
Corriente de Arranque
Los motores tienen una letra código para el arranque (no confundir con la letra de clase de diseño). La letra código establece el límite de la corriente de arranque, este límite se expresa en términos de la potencia aparente de arranque en función de sus caballos de fuerzas.
Tabla NEMA de letras de códigos que indica los kilovoltios amperios por caballo de fuerza nominales:
Letra Código | kVA - HP |
A | 0 – 3.15 |
B | 3.15 – 3.55 |
C | 3.55 – 4.00 |
D | 4.00 – 4.50 |
E | 4.50 – 5.00 |
F | 5.00 – 5.60 |
G | 5.60 – 6.30 |
H | 6.30 – 7.10 |
J | 7.10 – 8.00 |
K | 8.00 – 9.00 |
L | 9.00 – 10.00 |
M | 10.00 – 11.20 |
N | 11.20 – 12.50 |
P | 12.50 – 14.00 |
R | 14.00 - 16.00 |
S | 16.00 – 18.00 |
T | 18.00 – 20.00 |
U | 20.00 – 22.40 |
V | 22.40 – en adelante |
1. Se lee el voltaje nominal, los HP y la letra código de la placa de identificación.
2. Se calcula la potencia reactiva:
3. Se calcula la corriente de arranque con la siguiente expresión:
Clasificación por el tipo de Carcasa
1. Motores Abiertos: Estos poseen aberturas de ventilación a través de los cuales el aire externo se pone en contacto con los devanados.
2. Motores totalmente Cerrados: Estos se construyen para cortar el libre intercambio de aire dentro y fuera.
3. Motor con ventilador totalmente cerrado.
4. Motor a prueba de explosión.
5. Motor a prueba de agua.
6. Motores enfriados por tubos y agua totalmente cerrados.
Protección de los motores
1. Protección contra cortocircuito.
2. Protección contra sobrecarga.
3. Protección contra bajos voltajes.
4. Protección contra la elevación de temperatura (termistores y termocuplas).
Control de Velocidad de los Motores Asincrónicos
Las máquinas de inducción están siendo utilizadas en sistemas donde se requieren controles de la velocidad. Entre las técnicas que se usan se encuentran:
1. Variando la velocidad sincrónica.
1.1. Control de Velocidad por medio del cambio de polos.
1.1.1. El método de los polos consecuentes.
Se basa en el hecho de que el número de polos de los embobinados del estator pueden cambiarse fácilmente por un factor 2:1 simplemente con cambios en las conexiones de las bobinas.
Fig.11: Cambios en las conexiones de las bobinas |
1.1.2. Estatores con bobinados múltiples.
Se cambia el número de polos. Ver los siguientes ejemplos:
Fig.12: Ejemplo 1 de bobinados múltiples |
Fig.13: Ejemplo 2 de bobinados múltiples |
Fig.14: Ejemplo 3 de bobinados múltiples |
1.1.3. Modulación de la amplitud polar.
2. Variar el deslizamiento del motor para una carga determinada.
DESARROLLO PRÁCTICO
Práctica en laboratorio
1. Hacer el ensayo en vacío. Medir la potencia activa W, V1, Q1, Vo.
2. Medir R y L1
3. Hacer el ensayo en cortocircuito – Rotor parado. Medir la potencia activa y V1
4. Conectar una carga variable R en la generatriz. Variar la potencia suministrada a la resistencia y trazar la gráfica C = f(d) par en función del deslizamiento. El par esta medido por medio de la dinamo balanza C=mld.
El deslizamiento es medido contando las oscilaciones de la corriente rotórica.
1. Trazar la característica
2. Conclusiones
De está manera se estudian las características del motor asincrónico.
CONCLUSIONES
Al finalizar el presente llegamos a las siguientes conclusiones:
a) Un motor asincrónico es un motor a inducción, es decir a corriente alterna sin colector en el que el voltaje del rotor es inducido por lo que no necesita corriente de campo para su funcionamiento, esto lo hace más económico por lo que es el motor más utilizado en campo.
b) El motor asincrónico está constituido por un arrollamiento trifásico llamado estator o circuito primario y por un arrollamiento móvil polifásico llamado rotor que puede ser bobinado.
c) Se clasifican en motor de Inducción Jaula de Ardilla y los motores de rotor devanado.
d) El estator estando constituido por tres bobinas alimentadas por corrientes de pulsación W, producirá un campo giratorio de la misma pulsación. Si el rotor está constituido por espiras cortocircuitadas, el flujo del campo giratorio inducirá una corriente i(t) en las espiras del rotor (Ley de Faraday) por lo que estas espiras estarán sometidas a una fuerza dada por la Ley de Laplace = . El sentido de esta fuerza está dada por la Ley de Lenz y se opone a la causa que le dio origen, de donde el rotor girará a una velocidad W´ > W.
e) Un motor asincrónico opera a una velocidad muy cercana a la de sincronismo, pero nunca puede operar a esa velocidad. Siempre debe haber algún movimiento relativo para inducir voltaje en el circuito de campo del motor de inducción. El voltaje en el rotor, inducido por el movimiento relativo entre el rotor y el campo magnético del estator , produce una corriente en el rotor, la cual interactúa con en el campo magnético del estator para producir el par inducido en el motor.
f) En un motor de inducción, el deslizamiento o velocidad al cual ocurre el par máximo puede ser controlado variando la resistencia del rotor. El valor del par máximo puede ser controlado variando la resistencia del rotor. El valor del par máximo puede ser controlado variando la resistencia del rotor. El valor del par máximo es independiente de la resistencia del rotor. Si la resistencia del rotor es alta, disminuye el valor de la velocidad a la cual ocurre el par máximo e incrementa el par de arranque del motor. Sin embargo, este para de arranque tiene pobre regulación de velocidad en el rango normal de operación. Por otro lado, una resistencia rotórica baja reduce el par de arranque del motor en tanto que mejora su regulación de velocidad. Todo diseño normal del motor de inducción debe equilibrar estos dos requerimientos en conflicto.
g) En los motores de inducción, el control de velocidad se puede realizar cambiando el numero de polos de la maquina, cambiando la frecuencia eléctrica aplicada, cambiando el voltaje aplicado a los terminales o cambiando la resistencia del rotor, en el caso de los motores de inducción de rotor devanado.
h) La repartición de los flujos es similar a la de un transformador: la corriente I en el circuito primario (estator) produce un flujo del cual un parte atravesará el circuito secundario (rotor) y una parte que corresponden a las fugas, son líneas de flujo que se van a cerrar en el vacío sin tocar el secundario. De la misma manera por el secundario circula la corriente I2 que produce un flujo del cual una parte atraviesa el circuito primario y una parte se cierra en el vacío sin atravesar al circuito primario V1 y V2 ‹ 1
BIBLIOGRAFIA
· WIKIPEDIA. Autodefinida como un esfuerzo colaborativo por crear una enciclopedia gratis, libre y accesible por todos. Permite revisar, escribir y solicitar artículos. (2011). Ley de Faraday (Documento en línea). Disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Faraday (Consulta: 2011 Agosto 9).
· Chapman Stephen J., (1987). Máquinas Eléctricas. Australia
