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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.
Tema 4.2. Máquina asíncrona
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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:
Tema 4.2. Máquina asíncrona
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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.
Tema 4.2. Máquina asíncrona
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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.
Tema 4.2. Máquina asíncrona
• 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