Tema 7 Motores de Corriente Alterna.ppt
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TEMA 7 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA1. Introducción
1.1 Motores monofásicos y trifásicos
1.2 Motores síncronos y asíncronos o de inducción2. Motores asíncronos trifásicos
2.1 Constitución2.2 Funcionamiento2.3 Velocidad de giro2.4 Intensidad de
arranque y par motor2.5 Rendimiento y
potencia2.6 Placa de bornes y
placa de características2.7 Control de la
velocidad de giro2.8 Cambio del sentido de
giro2.9 Sistemas de paro y
freno
3. Motores de corriente continua3.1 Constitución3.2 Funcionamiento3.3 Arranque de un motor
asíncrono monofásico4. Motores universales
5. Averías y daños
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1. INTRODUCCIÓN1.1 Motores monofásicos y trifásicos
Los motores de CA son los más utilizados tanto en el ámbito doméstico como en la industria. Los motores de CC son superiores a los de CA en cuanto a trabajo a velocidades variables, pero aún así es preferible utilizar los de CA dado su sencillez como por la accesibilidad y trabajo para grandes cargas.Clasificación, según el nº de líneas o fases:
Monofásicos: alimentados por una solo línea, pueden funcionar a diferentes voltajes.
Bifásicos: alimentados por dos líneas, funcionan a 230 V.Trifásicos: tres líneas trabajan a 380 V.
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VIDEOS y WEB’s:Electromagnetismo, generación de CA:http://youtu.be/nRMZ3K2pzcEDemostración tres fases en motor de CA:http://youtu.be/P-eTLmJC2cQFuncionamiento y partes de un motor asíncrono trifásico:http://youtu.be/Lv9_04UlV4sAlimentación de motores en ferrocarriles:http://es.wikipedia.org/wiki/Catenaria_%28ferrocarril%29Tres videos sobre el funcionamiento de los motores trifásicos para entender el movimiento rotatorio del campo magnético:http://fermoya.com/electrotecnia/recursos/162-motores-trifasicos-de-corriente-alterna.htmlAnimación en flash para entender el movimiento rotatorio del campo magnético:http://www.edumedia-sciences.com/es/a499-motor-a-corriente-alterna
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1.2 Motores síncronos o asíncronos de inducciónLos motores y generadores se pueden clasificar según la relación
entre la velocidad del campo magnético generado en el estator y la velocidad de giro del rotor: Síncronos y Asíncronos.Generadores y motores síncronos:•Cuando la velocidad de giro del campo magnético del estator es igual a la velocidad de giro del rotor.•Velocidad de rotación=cte, depende del la f (Hz)•El rotor es el inductor alimentado en CC, el estator el inducido en CA•Generadores síncronos: centrales de producción de EE, aviones, barcos…•Motores síncronos: no se utilizan casi en la industria dado que pocas aplicaciones utilizan v=cte, tampoco dado su ↓ par de arranque.Generadores y motores asíncronos:•Cuando la velocidad de giro del campo magnético del estator es superior a la velocidad de giro del rotor.•No tienen colector, el estator conectado a la red actúa como inductor, el rotor trabaja por inducción, no recibe corriente.•Generadores asíncronos: no se utilizan.•Motores asíncronos: los que más se utilizan en la industria (90%), trabajan a v=cte, aunque electrónicamente se puede variar la velocidad.
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2. Motores asíncronos trifásicosLos más utilizados por las máquinas industriales, reciben EE en 3 fases.Uso industrial generalizado dado por: robustez, poco peso, construción sencilla, poco volumen, fácil mantenimiento y bajo precio.
2.1 ConstituciónEstator: parte fija, dispone de una carcasa donde en el interior se dispone una corona de chapas de acero con ranuras longitudinales donde se arrollan tres bobinas inductoras desfasadas 120º, y los extremos de las cuales están conectadas a la placa de bornes, desde donde se conecta a la red trifásica.
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Rotor: parte móvil, situado al interior del estator, es el inducido, montado en cortocircuito. Hay dos tipos:
• Jaula de ardilla, con barras de cobre o Al, acopladas sobre dos coronas del mismo material, que son anillos de cortocircuito; aspecto del cual parece una jaula, el interior se disponen de unas chapas ferromagnéticas apiladas (para ↑ en campo). Montaje más sencillo que en los motores de CC
• Bobinado, el devanado está formado por un bobinado trifásico parecido al del estator, con idéntico nº de polos y conectados en cortocircuito. Es más caro y menos robusto pero las características del circuito eléctrico se pueden modificar desde el exterior, tanto el Voltaje como la I, de manera que electrónicamente se puede varias la velocidad.
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2.2 Funcionamiento motores CAEl principio científico de funcionamiento es el mismo que en los de CC•1º- La corriente alterna trifásica se conecta a motor por las bobinas inductoras del estator para generar el campo magnético, que en este caso (CA) es giratorio.•2º- En los conductores que forman el rotor aparecen corrientes eléctricas inducidas, como consecuencia del campo magnético giratorioDisponemos de un campo magnético giratorio y en su interior unos conductores recorridos por una corriente eléctrica inducida, y en consecuencia en estos conductores se ejercerán fuerzas electromagnéticas.En cada bobina se crea un campo que crece y disminuye, en cada bobina desfasadas; en consecuencia se crea un campo variable que va girando. Fig:
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2.3 Velocidad de giroSe distinguen dos velocidades de giro: la del campo magnético y la del rotor.
•La velocidad de giro del campo magnético, n1:
n1= 60·f/pn1 (rpm)60 (para pasar a minutos)f (frecuencia en Hz)P (nº del par de polos del motor)
•La velocidad de giro del rotor, n2:
No puede ser n1=n2, pues no se ejercerían fuerzas electromagnéticas sobre los conductores del rotor, por eso se llama asíncronos. En consecuencia se produce lo que se llama deslizamiento:Absoluto D:
D=n1-n2
Relativo d:d= (n1-n2)/n1 · 100
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2.4 Intensidad de arranque y par motor
•En el instante del encendido: v~0, Ia=6In, Ma=1’5Mn•Durante el periodo de aceleración: ↓I progresivamente, el M ↓ al inicio pero luego se hace máximo al 75% de la velocidad.•Cuando se llega al valor nominal de velocidad: In~0 y Mn~0.El arranque de este tipo de motores de CA puede ser:Arranque directo, las bobinas del estator se conectan directamente a la red, así el par de encendido es elevado, pero la Ia en el momento del arranque puede ocasionar distorsiones en la red.Arranque indirecto, se intercalan entre las bobinas inductoras (estator) y la red elementos que hagan ↓I en el arraque, como R, C, autotransformadores. Con ello se evitan distorsiones en la red pero por el contrario ↓ M de arranque, una vez encendido se elimina la conexión de estos elementos y la conexión es directa.
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Características de un motor asíncrono trifásico:
•Son sencillos, robustos, de fácil mantenimiento y baratos.•Pueden arrancar con plena carga, ya que en este instante desarrollan un par motor muy elevado.•Poseen un par de arranque elevado con el encendido directo aunque se absorbe una I elevada (Ia=6·In). Para disminuirla hay que arrancar con encendido indirecto pero el par disminuye.•Poseen un buen rendimiento.
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2.5 Rendimiento y potenciaRendimiento:
η=Eu/Eabs = Pu/Pabs
En el caso de los motores de CA, el calculo de la potencia implica el estudio del triangulo de potencias formado por tres componentes: potencia activa, reactiva y aparente.La potencia activa o absorbida: representa la capacidad de un circuito en transformar la EE en trabajo, es la que realmente consumen en los circuitos los elementos resistivos.
P=√3·UL·IL·cosφ (W)Potencia reactiva: aparece cuando existen bobinas o condensadores, no produce trabajo útil y no se consume; es la necesaria para producir los campos magnéticos y electricos.
Q=√3·UL·IL·sinφ (VAR)Potencia aparente, total o compleja: es la suma vectorial de la potencia activa y la reactiva. Es la energía que disipa en circuito en un determinado tiempo en forma de calor o trabajo. NO se consume excepto cuando el factor de potencia=1 (cosφ=1).
S=P+Q=√3·UL·IL
S=√P2+Q2 cosφ=P/S
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Pérdidas de potencia
Pérdidas en un motor: perdidas eléctricas (estator y rotor), perdidas magnéticas, perdidas mecánicas y pérdidas adicionales.Pérdidas eléctricas, PCu (1-estator 2-rotor): en el cobre, debidas al calentamiento por efecto Joule:
Pcu1= 3·I12·R1 Pcu2= 3·I2
2·R2
Pérdidas magnéticas, PFe: en el hierro por fenómenos de histéresi (mag. del Fe). También se conocen como pérdidas en vacío. PFe1 PFe2
Potencia electromagnética, Pem (Pei), en el rotor o potencia síncrona, Ps:
Pem= Ps = Pabs- Pcu1 - PFe1
Pérdidas mecánicas, Pmec: por rozamiento y ventilación.
Pmec = Ps- Pcu2 – PFe2
Pérdidas adicionales, Padic: despreciables son de aprox. 1%.
Potencia perdida → Pp=Pcu+Pfe+Pmec+Padic
Pabs = Pu+Pcu+Pfe+Pmec+Padic = Pu+Pp
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2.6 Placa de bornes y placa de características
La placa de bornes dispone de 6 conexiones: U-V-W y X-Y-Z que corresponden a los extremos iniciales y finales de las bobinas inductoras del estator.Para arrancar hay que conectarlas entre sí para efectuar la conexión a la red, estas conexiones se pueden hacer de dos maneras:•Conexión en estrella: U-V-W a la red y X-Y-Z entre sí. En este caso las corrientes de fase y las corrientes de línea son iguales y los voltages de línea son √3 veces más grandes que los voltages de fase y están avanzados 30º, por tanto entre las bobinas hay 120º
IL=IF UF=UL/√3Pabs=3·UF·IF·cosφ Pabs=√3·UL·IL·cosφ
•Conexión en triángulo: se conecta el final de cada bobina con el inicial de la siguiente (X con V, Y con W, Z con V) y después cada conexión a la red. En este caso los voltages de fase línea son iguales y las corrientes de fase son √3 veces más pequeños que las corrienes de línea y están avanzados 30º, por tanto entre las bobinas hay 60º
UL=UF IF=IL/√3Pabs=3·UF·IF·cosφ Pabs=√3·UL·IL·cosφ
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Placa de característicasNos indica los valores nominales de funcionamiento en condiciones normales.También se puede presentar en forma de tabla, indicando: Nº polos, Potencia (Kw), velocidad (rpm), par motor Ma, Mn (N·m), rendimiento (ƞ).
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2.7 Control de la velocidad de giroLos motores de CA asíncronos tienen las mismas prestaciones que los de CC pero con un mantenimiento y consumo menor, por estas razones el control es prioritario.Recordemos: la velocidad de giro del campo magnético, n1:
n1= 60·f/p
Partiendo de la velocidad de giro del campo magnético, se puede actuar de diferentes maneras:•Modificando la frecuencia: mediante un convertidor o variador electrónico de la frecuencia, estático y alimentado por la red de CA 3F. El convertidor también puede variar el Voltaje aplicado de manera que ajusta el par M necesario en cada momento para evitar sobrecalentamientos. De esta manera se consigue una variación de la velocidad continua y controlada.•Modificando el número de par de polos: si ↑ nº de par de polos → ↓velocidad. Para ello se utilizan conexiones conmutablespara cambiar el nº de polos. Lo normal es tener dos velocidades: una conexión corta (nº de polos fijo) y una larga (con el doble nº de polos).•Modificando el valor de deslizamiento: con conexiones especiales (cascada,Kramer,..) o reduciendo el voltaje del estator con semiconductores, autotransformadores, resistencias …•Modificando la resistencia en el rotor: caso único para los rotores bobinados, mediante la introducción de R externas para disipar energía.
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2.8 Cambio del sentido de giroEl cambio de giro se efectúa cambiando dos de las fases en la placa de bornes, de esta manera, la rotación del campo magnético se invierte y en consecuencia el rotor.
2.9 Sistemas de paro y frenoDos sistemas:•Frenada dinámica o reostática: utiliza una R o un grupo de R externasen el variador de frecuencia para absorber el exceso de EE y disiparla en forma de calor. Sencillo y robusto.•Frenada regenerativa, el motor cambia a producir EE, actuando como generador, que se vuelve a la red de alimentación para ser consumida por otros receptores.
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3. Motores asíncronos monofásicosLos más utilizados por electrodomésticos y pequeñas maquinas herramienta de poca potencia, reciben EE en 2 hilos y la transforman en E mecánica.3.1 ConstituciónSimilar a los motores asíncronos trifásicos, en general disponen de un rotor de jaula de ardilla y un estator con las bobinas inductoras (una sola?).
3.2 FuncionamientoExperiencia: si en un motor CA asíncrono trifásico funcionando en plena carga a velocidad del rotor n2, si en ese momento desconectamos la alimentación de una fase, el motor continúa girando a n2 → hemos convertido ese motor trifásico en monofásico. Pero si el motor trifásico está parado y desconectamos una fase el motor no arranca.
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3.3 Encendido de un motor asíncrono monofásicoDe la experiencia anterior de deducimos que para ponerse en marcha necesitan de un elemento auxiliar, estos elementos pueden ser de dos tipos: bobinado auxiliar o espira en cortocircuito.Bobinado auxiliar:•Estos motores disponen de dos bobinas, una principal de trabajo T, conectada a la red, y una auxiliar A que permite el arranque.•Cuando el motor a arrancado y el rotor adquiere su velocidad nominal, el bobinado auxiliar se desconecta•Para motores de poca potencia: veniladores, bombas centrífugas…•Para motores de potencia superior (0.15 ~0.75 kW) se conecta un condensador en serie con el bobinado auxiliar A para conseguir un par de arranque más alto.
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Espira en cortocircuito:•Estos motores disponen de un rotor el jaula de ardilla y un estator con polos salientes (cabezas similares a los de CC).•Cada uno de los polos tiene su bobina inductora B más un espira en cortocircuito E, donde se producen corrientes inducidos que permiten el arranque.•De potencia y par reducidos.•Para electrodomésticos con poca carga como ventiladores, secadores…
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4 Motores universalesPueden conectarse indistintamente a la red de CC o CA.Su constitución es similar a la de un motor serie de CC.Ventajas:•Funcionan indistintamente a la red de CC o CA•Elevado par de arranque, permiten conectarlos a plena carga, aunque no se embala•La velocidad se adapta a la carga: a más carga menor velocidad. rpm elevadas•Para cualquier velocidad de giro con potenciómetro•Una variante el la del motor universal con imán permanente (juguetes)
5 Averías y daños•Alteraciones del suministro eléctrico•Trabajo mecánico asociado al motor•Condiciones de la instalación eléctrica•Problemas inherentes a la construcción del motor•Protección: relés térmicos, magnetotérmicos, contactores