UD. 4

MAQUINAS ELECTRICAS

Descripción: Principios de electromagnetismo y funcionamiento y aplicaciones de las diferentes

máquinas eléctricas.

ELECTROTECNIA APLICADA A LA INGENIERIA MECÁNICA

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MÁQUINA ASÍNCRONA: MOTOR DE INDUCCIÓN

Tema 4.2.

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Tema 4.2. Máquina asíncrona

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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.

• Principio de funcionamiento:

Tema 4.2. Máquina asíncrona

Intensidad

Campo magnético

Fuerza

Tema 4.2. Máquina asíncrona

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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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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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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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•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.

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

• 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.

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• 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 − 𝑚𝐶 ∗ 𝑅𝐶 ∗ 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 Tema 4.2. Máquina asíncrona

PCu1 PCu2

PFe P1 Pmi

ESTATOR ROTOR EJE P1 Pa Pmi

PCu1 PFe PCu2 Pm

Pu

• Par motor: • 𝑀 = 𝑃𝑚𝑚

𝜔= 𝑃𝑚𝑚

2𝜋 𝑛 60⁄= 𝑃𝑚𝑚

2𝜋 𝑛160⁄ (𝐶−𝑠)

= 𝑚1∙𝑅2∙𝐼2

2∙𝜋∙ 𝑛1 60⁄ ∙𝑠

• 𝐼 = 𝑉1

𝑅1+𝑅2𝑠

2+𝑋𝑐𝑐2

𝑀 =𝑚1∙∙

𝑅′2𝑠 ∙𝑉21

2∙𝜋∙𝑛160 𝑅1+𝑅2𝑠

2+𝑋𝑐𝑐2

Tema 4.2. Máquina asíncrona

• Par motor: • 𝑑𝑑

𝑑𝑠= 𝐼 → 𝑠𝑚 = 𝑅′2

𝑅21+𝑋2𝑐𝑐

• 𝑀𝑑𝑀𝑋 = 𝑚1∙∙𝑉214∙𝜋∙𝑛160 𝑅1 2+𝑋𝑐𝑐2

Tema 4.2. Máquina asíncrona

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.

• 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.

Tema 4.2. Máquina asíncrona

Tabla 4.5.1 Datos de catálogo para motores4.5

Motores de inducción trifásicos

Datos a definir Observaciones

Requisitos eléctricosTipo de corriente Tensión de funcionamiento, para losCorriente trifásica, motores multitensión indicar todoscorriente monofásica V valores y tolerancias posiblesFrecuencia Hz

Datos de catálogoDesignación de tipo Especificaciones del fabricanteValor nominal Para motores con varias

velocidades, valor por velocidadVelocidad Para motores con varios polos,

velocidad por potencia de salidaIntensidad nominal A Especificaciones del fabricanteIntensidad nominal/ Especificaciones del fabricantearranque mínimaPar Nm Para aplicaciones especialesPar nominal/mínimo Especificaciones del fabricantePar nominal/desincronización Especificaciones del fabricantePar nominal/arranque Especificaciones del fabricantemáximoMomento de inercia kgm2 Especificaciones del fabricanteRendimiento η % Especificaciones del fabricanteTiempo de bloqueo máx. s Especificaciones del fabricanteTiempo de arranque máx. s Especificaciones del fabricanteTolerancias Establecidas por normas

Tipo de diseñoConmutación Para arranque estrella-triángulo,Triángulo, estrella especificar siempre triánguloTipo de rotorRotor de jaula, rotor bobinadoModelo IM.. IEC 34-7, Pieza 7Tipo de protección IP.. IEC 34-7, Pieza 7Tipo de enfriamientoEnfriamiento interno naturalEnfriamiento automático exteriorEnfriamiento de circuito cerradoindependienteTipo de aislamientoB, F, H Indicar límite temp., si es necesario

Amplitud de vibración Normal o reducidaNivel de ruido dbNormas especiales Normas eléctricas y mecánicasCaja de bornas Indicar tipo de protección

y diseño, si es necesarioExtremos axiales Indicar tipo de protección

y diseño, si es necesarioComponentes exteriores e Indicar interruptor o enchufe, si esinteriores necesarioFrenos, tacogeneradorCalentador de espacios,ventilación independienteHerramientas medidoras Para rodamientos ode temperatura bobinados del estator- Protección del termistor- Interruptor bimetálico Contactos de conexión o corte- Resistores PTC

Tabla 4.6.1 Datos importantes para el diseño del motor

Motores de inducción trifásicos

4.6

Datos para definirse Observaciones

Par antagonista Nm Convertir para eje de motor, si- constante es necesario- aumento cuadrático- curva especial Hablar con fabricante, si es

necesario

Momento de inercia de kgm2 Convertir para máx. velocidad del la carga motor

Tipo de arranque- estrella-triángulo 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 odinámico

Modo de funcionamientoS1 Funcionamiento continuoS2 min Servicio temporalS3 % Tipo de servicio periódico

intermitente sin arranqueS4 %, c/h Servicio periódico intermitente

con arranqueS5 %, c/h Servicio periódico intermitente

con arranque y frenado eléctricoS6 % Tipo de servicio de funcionamiento

contínuoS7 c/h Servicio de funcionamiento continuo

con arranque y frenado eléctricoS8 %, c/h Servicio periódico de funcionamien

to continuo con cambios de carga/velocidad relacionados

S9 Servicio con variaciones de carga y velocidad no periódicas

Temperatura ambiente oCAltura metros sobre el nivel del mar

Sentido de rotación a la dcha., a la izda. o ambosAjuste de velocidad método y desde...a...

Influencias climáticas Considerar también humedad relativa

Carga de rodamiento y axialFuerza axial N Dirección de fuerza respecto a

posición de ejeFuerza radial N Indicar distancia respecto al saliente

del ejeFuerzas rotativas N