7/24/2019 PI 2015-2 Motor AC Jaula de Ardilla

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Institucin Universitaria Antonio Jos Camacho. Nuez Oscar, Paz Yeison, Varela Henry. Motor AC Jaula de Ardilla. 1

Resumen Este trabajo representa el proyectointegrador para el periodo 2015-2 desarrollado porestudiantes de tercer semestre de las carreras entecnologa electrnica, mecatrnica einstrumentacin industrial de la institucinUniversitaria Antonio Jos Camacho, el mismomuestra el proceso para la fabricacin de un

prototipo de un motor AC jaula de ardilla, con susrespectivos clculos y caractersticas fsicas.

Abstrac This work represents the project integratorfor the period 2015-2 developed by students of thirdsemester of the careers in electronics technology,mechatronics and industrial instrumentation of theUniversity Institution Antonio Jose Camacho, thesame shows the process for the fabrication of aprototype of an AC motor squirrel cage, with theirrespective calculations and physical characteristics.

Palabras claves Motor, Bobina, Corriente alterna,contactos elctricos, eje, fuerza, torque.

I.

INTRODUCCIN

Con la revolucin industrial del siglo XIX, sepopularizaron las mquinas de vapor (locomotoras),prensas hidrulicas, maquinas elctricas como losgeneradores, transformadores y motores elctricos,de estas tres mquinas el motor elctrico va ser el

centro de atencin para el desarrollo de nuestrotrabajo.

Desde este principio el motor es el ayudante perfectopara la produccin industrial y el confort ya que seencuentra presente en la mayora deelectrodomsticos y pequeas maquinas utilizadas en

el hogar como ventiladores, taladros de mano, airesacondicionados, licuadoras etc.

Es innegable que los motores elctricos forman parteimportante dentro de las mquinas de produccin, ypor tal razn es importante para el profesional que sedesempea en esta rea tener un conocimientoamplio a cerca de las caractersticas bsica,

funcionamiento, ventajas y desventajas de estamquina elctrica. El desarrollo de este proyecto estorientado a la fabricacin de un prototipo de motorAC jaula de ardilla monofsico que cumpla con unascaractersticas mnimas de torque y eficiencia y sepresentan los pasos de diseo, ensamble, ajuste yprueba del prototipo, obteniendo un producto finalque opere bajo las condiciones establecidas en elproceso de diseo.

II. OBJETIVO

Objetivo general

Construccin de un prototipo funcional de unmotor AC Jaula de ardilla.

Objetivos especficos

Determinar las caractersticas fsicas deconstruccin del motor.

Estimacin de las caractersticas fsicas(Fuerza y potencia elctrica)

Simulacin del modelo elctrico equivalente

del motor en funcionamiento. Medida de los resultados obtenidos tanto

fsicos como elctricos por medio depruebas al prototipo del motor fabricado.

Presentacin de la ficha tcnica del prototipodel motor fabricado.

Proyecto integrador 2015-2 MOTOR AC JAULADE ARDILLA

Nez Oscar, Paz Yeison, Varela HenryInstitucin Universitaria Antonio Jos Camacho

Facultad de ingenierasCali, Colombia

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III.

JUSTIFICACIN

El uso de tecnologas que permitan una formacinbasada en la teora y en la prctica que busca generaruna base de conocimientos, se realiza el diseo

y construccin de prototipo funcional de

motor AC jaula de ardilla, como requisito delproyecto integrado 2015-2 para estudiantes de tercersemestre de tecnologa en Instrumentacinindustrial, electrnica y mecatrnica de la institucinuniversitaria Antonio Jos Camacho.

Con el desarrollo de este proyecto se enriquece laformacin del conocimiento prctico de los futurostecnlogos, en las reas de la electricidad yespecficamente los motores de induccin para suseleccin, arranque, control y proteccin.

El conocimiento logrado mediante este proyectogenerar en el estudiante una mayor confianza a lahora de enfrentarse al uso de los motores para lasoluciones de problemas de ingeniera.

Con base en este proyecto se podr identificar laimportancia que tiene la construccin de un motorAC Jaula de ardilla.

Dentro del universo de motores elctricos, el motorjaula de ardilla es el ms comn y de uso msgeneralizado por diversas razones como:

Bajo costo, bajo mantenimiento, fcil de adquirir,alto grado de proteccin, pocos componentes,robusto, por carecer de chispas internas puedeinstalarse en ambientes de riesgo.

Con el avance de la electrnica de potencia, hoy enda es el motor ms prctico para realizaraplicaciones en donde se requiere variacin develocidad, llegando incluso a desplazar el motor decorriente continua.

IV. MARCODEREFERENCIA

Qu es un motor?

Un motor elctrico es una mquina que trasformaenerga elctrica en energa mecnica, es decir enmovimiento [2]

Figura 1. Seccin de motor elctrico.

Motor Jaula de ardilla

El motor jaula de ardilla es una mquina quefunciona por el principio de induccin elctrica quese crea por el paso de la corriente en los devanadosdel motor que se encuentran ubicados estator, estos

crean una fuerza que produce el movimientogiratorio en el rotor; este tipo de motor puede sermonofsicos o trifsicos y dependen del sucomposicin y devanados.

Rotor de jaula de ardilla. En su forma instalada, es uncilindro montado en un eje. Internamente contienebarras conductoras longitudinales de aluminio o decobre con surcos y conectados juntos en ambosextremos poniendo en cortocircuito los anillos queforman la jaula.

El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaulade anillos y barras y la rueda de un hmster (ruedasprobablemente similares existen para las ardillasdomsticas). La base del rotor se construye de unapilado hierro de laminacin.

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Motor Monofsico

Los motores monofsicos son aquellos que solocuentan con una fase de alimentacin y un neutro,con corriente alterna como alimentacin, cuentanadems con dos devanados, un devanado principal yuno de arranque.

El voltaje comercial para un motor monofsico es de120V y 220V con una tolerancia dc 5% dealimentacin.

El devanado principal y el de arranque se encuentranen el estator que es la parte fija del motor

Devanado principal y de arranque

Estos dos devanados conocidos tambin comobobinas, la particularidad de la bobina de arranque esque est construida de un alambre de calibre msgrande que el de la bobina de trabajo o bobinaprincipal, es decir que la bobina de arranque eslongitudinalmente ms grande o tiene ms vueltasque la bobina de trabajo, la bobina de arranque comosu nombre lo indica es solo para el arranque, por talrazn solo trabaja durante unos pocos segundos hastaque entra la bobina principal cuando alcance ciertosRPM.

El campo magntico producido por una corrientemonofsica en una bobina est siempre sobre el ejede la misma (es decir no se produce un campomagntico giratorio), aunque est constantementevariando su valor y sentido.

Para que se produzca un campo alterno giratoriotienen que haber por lo menos dos bobinasdesfasadas entre s 90.

La velocidad del campo giratorio viene dada, al igualque en los motores trifsicos por el nmero de polosy por la frecuencia de la red.

Figura 2. Formacin de campo giratorio.

El desfase entre las corrientes del bobinado principaly el de arranque se consigue por medio de unacapacitancia, de una resistencia activa o por la mayorinductividad del bobinado auxiliar, si se intercalaalguno de estos elementos en el bobinado auxiliar delmotor de induccin monofsico se obtienen uncampo giratorio.

Los motores monofsicos con inductancia se utilizan

poco por su reducido par de arranque.Aspectos de construccin

Fundamentalmente los motores monofsicos deinduccin cuentan con un estator construido dematerial ferromagntico (por ejemplo, chapas dehierro al silicio) sobre el que se colocan las bobinasprincipales, tantas como polos tenga el motoradems, un rotor de caractersticas similares alestator, rodeado de barras conductoras

cortocircuitadas en los extremos por anillosformando una jaula de ardilla tpica de los motoresde induccin.

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Figura 3. Bobinas en el estator.

Estas sencillas mquinas conservan la propiedadfundamental de no poseer contactos elctricosrasantes lo que les confiere una durabilidad muy altay muy bajo mantenimiento.

Los motores de induccin monofsicos llevan unestator en cuyo paquete de chapas van alojados dosbobinados de Cobre. El bobinado principal, que suele

denominarse arrollamiento principal va colocado en2/3 de las ranuras del estator y sus conexiones llevanlas designaciones Ul, U2. El arrollamiento auxiliar(bobinado auxiliar) Zl, Z2 va alojado en el terciorestante de ranuras, desfasado en el espacio 90.

En cuanto a la construccin del motor monofsico deinduccin, hay que sealar que el rotor de cualquiermotor monofsico de induccin es intercambiablecon algunos polifsicos de jaula de ardilla.

No hay conexin fsica entre el rotor y el estator, yhay un entrehierro uniforme entre ellos.

Funcionamiento

Los motores monofsicos de induccinexperimentan una grave desventaja. Puesto que slohay una fase en el devanado del estator, el campomagntico en un motor monofsico de induccin norota. En su lugar, primero pulsa con gran intensidad,

luego con menos intensidad, pero permanecesiempre en la misma direccin. Puesto que no haycampo magntico rotacional en el estator, un motormonofsico de induccin no tiene par de arranque.

Si pensamos en un motor de un solo par de polos,podemos ver fcilmente que el campo generado porel devanado principal al conectarse a una fuente detensin alterna, tiene una direccin fija y un signocambiante en forma sinusoidal. Los motores de

induccin requieren un campo magntico rotantepara inducir las corrientes adecuadas en el rotor yproducir un par mecnico. Si el campo magntico esfijo en el espacio y alterno en el tiempo y el rotor sehalla detenido (por ejemplo al intentar arrancarlo) elcircuito electromagntico resultante se asemejamucho al de un transformador en cortocircuito,donde el rotor hara las veces de secundario. Paracomprender el funcionamiento de stas mquinasdebemos imaginar que el campo magntico alternoes en realidad la composicin de dos campos demdulos constantes pero rotantes en sentidosopuestos.

Si por algn medio, en cambio, se impulsara el rotoren un sentido cualquiera se inducirainstantneamente un par en el eje que acelerara lamquina hasta alguna velocidad de equilibrio con elpar resistente (en vaco, las prdidas mecnicaspropias). Entonces el motor monofsico puedepensarse como dos motores trifsicos opuestos en losque uno prevalece sobre el otro al definirseexternamente un sentido de giro.

De sta forma los rotores no giran ya que en un casoideal los momentos inducidos a cada lado del eje soniguales y opuestos. Como ya se conoce de la teorade motores trifsicos, los campos magnticosrotantes inducen un momento en los rotores que varacon la velocidad de stos ltimos.

La curva de torques que generan el campo 1 y 2 seilustra en la figura (3) donde se puede ver que alsumarse los efectos (zona sombreada) no se obtieneningn par resultante con el rotor detenido.

As llegamos a la caracterstica principal de losmotores de induccin monofsicos: no puedenarrancar por s solos.

Motor de fase partida arranque por capacitor

Como medio de mejorar el par relativamente bajo delmotor de fase partida por resistencia se agrega uncapacitor al devanado auxiliar para producir unarelacin casi real de 90 entre las corrientes de losdevanados de arranque y de marcha, en lugar deaproximadamente 30, elevando el par de arranque alos lmites normales del par nominal. La figura

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muestra el diagrama de conexiones del motor dearranque por capacitor, cuya diferencia implica laadicin de un capacitor en el devanado auxiliar. Sepuede advertir tambin a partir de la figura, elmejoramiento del torque de partida debido a lainclusin del capacitor.

Figura 3. Motor monofsico con condensador departida.

Debido a su mayor par de arranque, que es de 3.5 a4.5 veces el par nominal, y a su reducida corriente dearranque para la misma potencia al instante delarranque, el motor de arranque por capacitor sefabrica hoy en tamaos de caballaje integral hasta de7.5 hp.

El condensador suele ir montado en la carcasa delmotor. Si el arrollamiento auxiliar no es de tipodividido, el condensador se conecta antes del

arrollamiento auxiliar, y en el caso de arrollamientoauxiliar partido, va situado entre sus bobinasparciales.

Partes del motor

Estator

Constituye la parte mecnicamente fija del motor. Enl se encuentra el sistema inductor. Est formado porel devanado principal (inductor), el ncleomagntico, la carcasa, el aislamiento y la caja deconexiones. [1]

Devanado principal (inductor): al tratarse de unmotor de induccin monofsico est formado por dosdevanados de cobre, uno para el devanado principaly el otro para el devanado de arranque. Sudistribucin en el ncleo magntico depende delnmero de ranuras del estator y del nmero de polos.El nmero de espiras de cada bobina es fijado segnlas caractersticas de la mquina, a su vez paradisear el devanado se tiene en cuenta el nmero deconductores y su seccin. Todos los conductores sonrecubiertos por una capa de aislante para evitar elcontacto elctrico entre hilos.

Por motivos de construccin la divisin entre el reaocupada por los conductores y el rea de la ranura nopuede superar el 0,4. A diferencia de un motortrifsico, en un motor monofsico el devanadoprincipal, al ser conectado, no crea un campomagntico giratorio sino uno pulsante, es por eso quese necesita el devanado de arranque.[1]

b) Ncleo magntico: consiste en un nmero dechapas magnticas apiladas. Estas chapas tienenforma de corona y con ranuras para poderintroducirles el devanado necesario.

c) Carcasa: es una estructura, normalmente dealuminio, la cual asla y sostiene el motor y tiene unpapel muy importante para ayudar a la disipacin decalor del mismo. Normalmente suelen ser con aletaspara as ampliar la superficie de ventilacin ymejorar la disipacin de calor del motor.

d) Aislamiento: es necesario para evitar el contacto

elctrico entre el ncleo magntico y losconductores.

e) Caja de conexiones: parte del motor donde seencuentran los bornes de los devanados del estatorpara ser conectados a la lnea, en el caso de losmotores monofsicos se conectan directamente a lalnea de 230V.

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Rotor

Parte mvil del motor, normalmente es la parteinterior del motor todo y que puede ser la exterior,que es inducida por el sistema inductor. Est formadopor el ncleo magntico, barras conductoras, anillo ieje. Tambin si fuera necesario se aadira unventilador acoplado al eje para ayudar a disipar elcalor del motor proveniente de las prdidas.

a) Ncleo magntico: est compuesto, como elestator, por un conjunto de chapas magnticas conranuras. En estas ranuras se les inyecta generalmentealuminio, pero tambin algunos de sus derivadoscomo podra ser el Silumin (87% Al + 13% Si). Sudimetro es un poco ms pequeo que el dimetrointerior del estator (depender del ancho delentrehierro).

b) Barras conductoras: estas barras van inyectadas enlas ranuras del rotor, usualmente de aluminio, algnderivado o de algn otro material conductor, cuyasbarras sern inducidas por el campo inductor queforma el devanado principal del estator.

c) Anillo: encargado de conectar todas las barrasconductoras del rotor por un mismo extremo,poniendo de esta manera en cortocircuito todas lasbarras.

d) Eje: usualmente de acero inoxidable, gira con elrotor y lo sostiene mediante cojinetes fijados a lacarcasa. En algunos casos tambin se puedeencontrar fijado el ventilador del motor.

e) Ventilador: se aade un ventilador al eje si esnecesario para la evacuacin de calor de la mquinagenerada por las prdidas.

V.

METODOLOGIA

En los conductores del rotor, el campo giratorioinducir unas fuerzas electromagnticas, que al estarel devanado en cortocircuito darn lugar a unascorrientes. stas en presencia de un campomagntico, determinan que sobre los conductoresacten unas fuerzas, las cuales producen un par, que

de acuerdo a la ley de Lenz, hace que el rotor tiendaa seguir el campo del estator.

Potencia, tensin de lnea y frecuencia

Valores totalmente necesarios para definir las

dimensiones del motor:

- Potencia, P (W)- Tensin de lnea, V (V)- Frecuencia, f (Hz)Velocidad sncrona, polos y par nominal

Sabiendo la velocidad sncrona a la cual va a trabajarel motor, se puede encontrar el nmero de polos dela mquina. [5]

Velocidad de sincronismo:

Donde,

nsyn: velocidad de sincronismo [r.p.m]ns : velocidad de sincronismo [r.p.s]

Polos:Donde,p: polosf: frecuencia [Hz]ns : velocidad de sincronismo [r.p.s]

Par nominal:

Donde,T: par nominal [Nm]P: potencia [W]nsyn: velocidad de sincronismo [r.p.m][5]

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VI.

REFERENCIASBIBLIOGRFICAS

[1]Gilberto Enriquez Harper, El ABC de lasmquinas elctricas, Volumen 2, EditorialLimusa 1987, 416 paginas.

[2]

Nstor Navarrete, Atlas bsico de tecnologa

(edicin ilustrada), grupo editorial norma 2002,96 pginas.[3]

Gilberto Enrquez Harper, El libro prctico delos generadores, transformadores y motoreselctricos, Editorial Limusa, 2005, 252 pginas

[4]

Gilberto Enrquez Harper, Curso detransformadores y motores de induccin,Edicin reimpresa, Editorial Limusa, 2000, 569pginas

[5]

Andres Alfonso Martin, Diseo de un motor deinduccin monofsico; Trabajo final de grado,

UPC Universidad Politcnica de Catalunya,Barcelona 11 Junio 2014.