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TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICASDISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICASDISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICASDISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS
Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Introducción
Detalles de construcción:Estator; Rotor; Forma de las ranuras del rotor.
Pauta de cálculo:Inducción en el entrehierro (B);Capa de corriente (A); Número de polos (p);
1/28
Número de polos (p); Diámetro (D); Longitud (L);Longitud del entrehierro (g).
Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Devanado.
Cálculo del estator:
Cálculo del rotor:
Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Anillo de cortocircuito.
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
EstimarConductores/ranura Ncrs
Elección del número ranuras del estator nrs
Dimensionamientodel estator
EstimarConductores/ranura Ncrr
Elección del número ranuras del rotor nrr
Dimensionamientodel rotor
Cálculo del rotor:
2/28
Dimensionar ranuras del estator (bs;hs)
Dimensionar conductores (scs ; lc ; Lesp_s ; rcs)
Elección J (A/mm2)
Dimensionar dientes del estator (ts -bs)
B satisfactorias
Dimensionar ranuras del rotor (br;hr)
Dimensionar conductores (scr ; lc ; Lesp_r ; rcr)
Elección J (A/mm2)
Dimensionar dientes del rotor (tr -br)
B satisfactoriasNo Si No Si
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor:Especificaciones
Dimensionamiento(D2L) y D
Tomar (Bmedia)Teórica
Dimensionamientodel estator
3/28
del estator
Dimensionamientodel rotor
ObtenciónParámetros del circuito equivalente
Cumple las especificaciones Diseñomecánico
No SiFabricación
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor:
Consideraciones previas
Imposibilidad de alcanzar una distribución senoidal en el entrehierro.Armónicos espaciales:
- Armónicos de devanado (concentran FMM en un nº finito de ranuras)
- Armónicos de ranuras (el entrehierro no es liso)
4/28
- Armónicos de ranuras (el entrehierro no es liso)
- Saturación (deformación aplanada de B)
- Excentricidad mecánica
Los armónicos de flujo originan un conjunto de polos superpuestos al fundamental, lo que implica la aparición de características T-n no deseadas.
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor: Armónicos de devanado
fps
n60
=55
605
sn
fps
n −=−=77
607
sn
fps
n ==
F (θ) = (4/π) Fm [Cos θ - 1/3 cos 3θ + 1/5 cos 5θ - 1/7 cos 7θ ...]
Fn (θ,t) = 3/2 FM [ Cos (ωt – p ωmt ) + 1/5 Cos (ωt + 5p ωm t ) + 1/7 Cos (ωt -7p ωm t )]
Para 1-devanado:
DEVANADO TRIFÁSICO:
For 3-phase balanced machines, the ranks of the remaining harmonics are of the form:
5/28
For 3-phase balanced machines, the ranks of the remaining harmonics are of the form:
The negative values of h correspond to backward waves while the positive ones correspond to the forward waves. The pulsations of the harmonic currents in rotor bars are:
Where s is the slip of the fundamental wave and s ω is the pulsation of the stator currents.
1 - 5 -11 -17
7 13 19
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor: Armónicos de devanado
θ
fps
n60
=55
605
sn
fps
n −=−=77
607
sn
fps
n ==
- n /5
F (θ) = (4/π) Fm [Cos θ - 1/3 cos 3θ + 1/5 cos 5θ - 1/7 cos 7θ ...]
Fn (θ,t) = 3/2 FM [ Cos (ωt – p ωmt ) + 1/5 Cos (ωt + 5p ωm t ) + 1/7 Cos (ωt -7p ωm t )]
Para 1-devanado:
DEVANADO TRIFÁSICO:
6/28
2
NIFm =
θ = ωmtN
S
θ0º
θπF4 m
ns0
ns/7
- ns/5
I
T,I
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor: Armónicos de ranura
θ0º
tsbs
Bdienteℜ < ℜ’
7/28
Bmedio
B
θ
fr = 2 m nr/2p
B = Be
Bmax
℘> ℘’ℜ < ℜ’
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor:
Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Anillo de cortocircuito.
Reglas de selección de combinaciones ranuras rotor/estator
Se trata de minimizar o eliminar las componentes armónicas del flujo en el entrehierro tratando de conseguir una característica T-n suave.
Las reglas generales son:
n – n ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±
8/28
nrs – nrr ≠ 0 , ± 2p , ± 4p , ± 6p , ± 10p , ±1, ±2 , ±(2p ±1) , ± (2p ±2)
Evitar pérdida de sincronismo
Evitar enclavamiento magnético
Evitar ruido y vibraciones
En general: la relación entre ranuras será de 15 a 30 %
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Cálculo del rotor:
Número de ranuras.
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Cálculo del rotor: Número de ranuras.
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor:Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Anillo de cortocircuito.
En la práctica se han utilizado satisfactoriamente para 50 Hz.
scr_total/ scs_total= 0,5 ÷ 0,8
11/28
Con D pequeños no siempre es posible utilizar la combinación de ranuras deseado. En este caso se puede reducir la componente armónica mediante:
Inclinación de ranuras
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor:Número de ranuras
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Cálculo del rotor:Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Anillo de cortocircuito.
Inclinación de ranuras
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Cálculo del rotor:Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
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Cálculo del rotor:Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronasCálculo del rotor:
Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
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Cálculo del rotor:Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
Design B- Par normal de arranque
NEMA MG-1
Design A- Par normal de arranque- Corriente normal de arranque- Bajo deslizamiento
17/28
- Par normal de arranque
- Baja corriente de arranque- Bajo deslizamiento
Design C-Alto par de arranque-Baja corriente de arranque
Design D motors,-Alto par de arranque- Alto deslizamiento
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Cálculo del rotor:Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
Design B motors used on standard motors for general-purpose pplications
NEMA MG-1Design A motors used on applications that require high breakdown (pull-out) torque, such as injection molding machines.
18/28
motors for general-purpose pplications
Design C motors are selected for applications that require high starting (locked-rotor) torque, such as inclined conveyors
Design D motors, also called “highslip” motors, are sometimes used topower hoists and cycling loads, suchas oil well pump jacks and low-speedpunch presses.
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor: Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
Ejemplo PARAMETRIC STUDY OF ROTOR SLOT SHAPE ON A CAGE INDUCTION MOTOR
Motor 90 kW
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Cálculo del rotor: Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
Ejemplo PARAMETRIC STUDY OF ROTOR SLOT SHAPE ON A CAGE INDUCTION MOTOR
Motor 90 kW -> Mejorar las características de arranque
ωσµδ
⋅⋅= 2
Profundidad de penetración:
20/28
s = 1 s = sn
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor: Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
Ejemplo PARAMETRIC STUDY OF ROTOR SLOT SHAPE ON A CAGE INDUCTION MOTOR
Motor 90 kW
r3
r2
AREA_1 = Ab - (AREA_2 + AREA_3)π
1_AREA1r =
21/28
Fig.1. Geometric parameterisation.
AREA_3
d3 d2d1
w1AREA_2 AREA_1
-> Ab = cte -> reducir el área de efecto pelicularAbδ
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor: Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
Ejemplo PARAMETRIC STUDY OF ROTOR SLOT SHAPE ON A CAGE INDUCTION MOTOR
Motor 90 kW
Rotor slot types r 2 d3 r1
Original (0) 4.005 mm 29 mm 4 mm
(+) Increment d (+d ) 4.005 mm (29+4) mm 2.944 mm
r2
r1
22/28
(+) Increment d3 (+d3) 4.005 mm (29+4) mm 2.944 mm
(−) Decrement d3 (−d3) 4.005 mm (29−4)mm 4.824 mm
(+) Increment r2 (+r2) (4.005+0.5) mm 29 mm 3.721 mm
(−) Decrement r2 (−r2) (4.005−0.5) mm 29 mm 4.225 mm
d3
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor: Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
Ejemplo PARAMETRIC STUDY OF ROTOR SLOT SHAPEON A CAGE INDUCTION MOTOR
Motor 90 kWd3
r2
r1
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor: Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
Diferentes tipos de ranuras
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor: Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
Ranura rectangular, semicerrada con conductor macizo
Penetración del campo: Distribución de corriente
Ranura profunda, semicerrada con conductor macizo
25/28
Ranura circular, semicerrada con conductor macizo
Ranura doble jaula , semicerrada con conductor macizo
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor: Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
Ranura rectangular, semicerrada con conductor macizo
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
(a)
26/28
0.00E+00
5.00E-02
1.00E-01
1.50E-01
2.00E-01
2.50E-01
3.00E-01
3.50E-01
4.00E-01
0 20 40 60 80 100 120Vacío: 0,1 Hz f = 50 Hz
(a) (b)
0.00
0.50
0 20 40 60 80 100 120
(b)
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor: Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
20
25
30
Dis
tanc
ia m
edid
a de
sde
la b
ase
Ranura profunda, semicerrada con conductor macizo
(a)(b)
27/28
Vacío: 0,1 Hz f = 50 Hz
0
5
10
15
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
Densidad de corriente (MA/m2)
Dis
tanc
ia m
edid
a de
sde
la b
ase
(a) (b)
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor: Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
Ranura circular, semicerrada con conductor macizo
0.70
0.80
0.90
28/28
Vacío: 0,1 Hz f = 50 Hz
(a) (b)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor: Número de ranuras y dimensiones de las mismas;
Ranura doble jaula , semicerrada con conductor macizo
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
(a)
29/28
Vacío: 0,1 Hz f = 50 Hz
(a) (b)
0.00
0.20
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00
(b)
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor:
Barras del rotor y anillo de cortocircuito
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Tema IV Diseño de máquinas asíncronas
Cálculo del rotor:
Barras del rotor y anillo de cortocircuito
31/28
8 barras
2 polos4 fases
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Cálculo del rotor:
Barras del rotor y anillo de cortocircuito
8 barras
2 polos4 fases
360º / 4 = 90º
360º / 8 = 45º
Angulo geométrico-barras
Angulo eléctrico
32/28
360º / 4 = 90º
90ºt
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