7.1. Aspectos constructivos: generalidades

Transcripción

1 Universidad de Oviedo Tema VII: La máquina asíncrona Dpto. Dpto. de de Ingeniería Ingeniería Eléctrica, Eléctrica, Electrónica Electrónica de de Computadores Computadores yy istemas istemas

2 7.1. Aspectos constructivos: generalidades OTO Conjunto de espiras en cortocircuito De Al De jaula de fundido ardilla De barras {soldadas soldadas {Bobinado ETATO Devanado trifásico distribuido en ranuras a 10º { Preformado Aleatorio: de hilo esmaltado CICUITO MAGNÉTICO Conjunto de chapas de Fe aleado con i aisladas y apiladas

3 7.. Aspectos constructivos: rotor II Barras Anillo otor de anillos oldados Anillos Fotografías as realizadas en los talleres de ABB ervice - Gijón otor de aluminio Fundido

4 Chapa magnética Anillo de cortocircuito 7.. otor III Catá Catálogos comerciales Barra de cobre Plato final rotor Fijación chapa magnética Despiece de un rotor de jaula con barras de cobre soldadas

5 7..1 otor bobinado: anillos rozantes L. errano: Fundamentos de máquinas eléctricas rotativas Anillos rozantes El rotor se cierra en cortocircuito desde el exterior a través de unas escobillas y anillos rozantes Anillos rozantes Escobillas L. errano: Fundamentos de máquinas eléctricas rotativas

6 7.3. Aspectos constructivos: estator Evitar contacto entre conductores a distinta tensión Fotografías as realizadas en los talleres de ABB ervice - Gijón Fotografías as realizadas en los talleres de ABB ervice - Gijón DEVANADO PEFOMADO Tensión>300v DEVANADO DE HILO Tensión<600V Los materiales empleados en los aislamientos son generalmente orgánicos

7 Diferencias entre devanados de hilo y devanados preformados Devanados de Hilo Forma constructiva de los devanados Devanados de pletina Baja tensión < kv Potencia < 600CV Devanado aleatorio dentro de la ranura Pletinas de cobre aisladas Alta tensión y potencia Colocación de bobinas ordenada

8 7.3.. Elementos del aislamiento estatórico en motores con devanados preformados I Bobina superior Bobina inferior Cuña Núcleo del estator Conductor elemental Aislamiento Bobinas del estator Espira Habitualmente se colocan dos bobinas por ranura. Cada espira puede estar constituida por varios conductores elementales El aislamiento entre con- ductores elementales es distinto del aislamiento frente a masa

9 7.3.. Elementos del aislamiento estatórico en motores con devanados preformados II MUO AILANTE: elemento de mayor espesor que separa al conjunto de la bobina del exterior. Debe estar dimensionado para soportar la tensión correspondiente al nivel de aislamiento de la máquina. AILAMIENTO ENTE EPIA Y ENTE CONDUCTOE ELEMENTALE: las espiras pueden estar formadas conductores individuales para reducir las pérdidas. Es necesario que exista aislamiento entre ellas y entre conductores. CINTA Y ECUBIMIENTO DE POTECCIÓN: se utilizan cintas y recubrimientos protectores para proteger las bobinas en las zonas de ranura.

10 7.3.. Elementos del aislamiento estatórico en motores con devanados preformados III Fotografías as realizadas en los talleres de ABB ervice - Gijón Cabeza de bobina Zona de ranura Aislamiento entre conductores ección de la bobina

11 Aislamiento entre espiras El número de espiras de una bobina varía entre y 1. El número de conductores elementales varía entre y 6. y conductores Las tensiones soportadas por los conductores elementales son muy bajas. Los conductores elementales se aíslan por separado, posteriormente se agrupan en el número necesario para formar una espira. e pliegan para conformar cada espira y finalmente se aplica a la espira el aislamiento correspondiente. Las principales solicitaciones que aparecen sobre este tipo de devanado son de tipo térmico y mecánico (durante el conformado de las espiras).

12 Materiales aislantes para los conductores elementales Hasta los años 40 barnices Fibras de amianto Desarrollo de materiales sintéticos oporta Tª hasta 0ºC Motores de hasta 4kV Poliimida (Kapton) o Poliamida en forma de película Uso Uso de de barnices solos y combinados Motores de más de 4kV Poliimida (Kapton) o Poliamida en forma de película Fibra de vidrio con poliéster (Daglas( Daglas)

13 Materiales aislantes para el muro aislante Catálogos comerciales Muchos compuestos Material de base Mica ilicato de alumnio ilicato de alumnio { La mica en polvo o escamas se aglutina con un material aglomerante También se puede depositar sobre un material soporte impregnando el conjunto con aglomerante Muy buenas propiedades dieléctricas y térmicas Malas propiedades mecánicas Necesario utilizar material soporte o aglomerante

14 Aglomerantes y materiales soporte I Hasta los años 60 Material soporte papel fibras de algodón, etc. {Material aglomerante compuesto asfáltico Tª Máxima 110ºC CLAE B COMPOTAMIENTO TÉMOPLÁTICO Elevadas Temperaturas Nuevos soportes: Fibra de vidrio Poliéster Poliéster esinas epoxy A partir de los años 50 AGLOMEANTE TEMOETABLE

15 Aglomerantes y materiales soporte II Fotografías as realizadas en los talleres de ABB ervice - Gijón

16 ecubrimientos de protección ecubrimiento de reparto Bobina con el recubrimiento externo dañado ecubrimiento conductor en la zona de ranura Fotografías as realizadas en los talleres de ABB ervice - Gijón ecubrimientos de protección

17 7.4. Procesos de fabricación actuales I POCEO ICO EN EINA La mica en forma de láminas se deposita sobre un material impregnado con una resina epoxy que polimeriza a alta temperatura (cinta preimpregnada). e recubre la bobina con este material. e introduce en un molde al que se le aplica presión y calor: la temperatura y la presión logran una impregnación homogénea en toda la bobina. El proceso final de polimerización de la resina termoestable se consigue sometiendo el motor a elevadas temperaturas en un horno.

18 7.4. Procesos de fabricación actuales II POCEO VPI EN BOBINA ( Vacuumm Pressure Impregnation ) Inicialmente sólo se aplica la cantidad de resina termoestable imprescindible para aglomerar la mica (cinta porosa). El resto del aglomerante se introduce después de haber creado el vacío dentro del tanque en el que se encuentra la bobina. El vacío y posteriormente un gas a presión consiguen que la resina termoestable impregne por completo a la bobina. Una vez impregnadas las bobinas se extraen y se les aplica presión para ajustar su forma y tamaño. El curado se realiza a alta temperatura sobre el motor completo.

19 7.4. Procesos de fabricación POCEO VPI GLOBAL actuales III Las bobinas se montan en las ranuras antes de haber realizado el proceso de curado de la resina epoxy. Como material soporte se utilizan cintas porosas con bajo contenido en resina epoxy. Una vez colocadas todas las bobinas en sus alojamientos y realizadas las conexiones se introduce el estator en un tanque. A continuación, se hace el vacío con lo que el tanque se inunda de resina epoxy. El estator se pasa a otro tanque donde se aplica gas a alta presión y temperatura para producir la polimerización de la resina.

20 Procesos VPI Precalentar el conjunto y hacer vacío en el tanque Proceso VPI de Vonoll-Isola Catálogos comerciales Transferir resina impreg- nación debido al vacío Esperar tiempo de impreg- nación y eliminar vacío Transferir resina al tanque y hacer curado en horno

21 7.5. Aspecto físico de los mo- tores asíncronos Catálogos comerciales Catálogos comerciales Motor de 5kW, 00V para el accionamiento de una bomba. Fabricado en Pittsburg por Westinghouse en 1900 en funcionamiento hasta 1978 Motor de inducción de 1000 kw,, 4 kv y 3600 PM para el accionamiento de un compresor. Fabricado por Westinghouse en la actualidad

22 7.5. Aspecto físico II: motores de BT Catá Catálogos comerciales

23 7.6. Aspecto físico III: formas constructivas normalizadas Catálogos comerciales

24 7.7. Conexión de los devanados U1 V1 W1 U1 V1 W1 Caja de conexiones W U V Conexión en estrella U U1 V V1 W W1 Pletina de cobre U1 V1 W1 W U V Conexión en triángulo U V W Devanados del motor Cajas de terminales Catálogos comerciales

25 7.8. Despiece de un motor de MT efuerzos carcasa Catálogos comerciales Núcleo magnético estator Cabezas de bobina Núcleo magnético rotor Fijación cojinetes efuerzos rotor

26 7.9. Despiece de un motor de BT Catálogos comerciales

27 7.10. Principio de funcionamiento I T otor Estator Origen de ángulos EL ETATO DE UN MOTO AÍNCONO ETÁ FOMADO PO 3 DEVANADO EPAADO EN EL EPACIO 10º. En la figura se representa sólo una espira de cada uno de los devanados (,, TT ) T I I max Cos( ϖ 1 t) ) I I max Cos( ϖ 1 t 10 º ) I T I max Cos( ϖ 1 t 10 º ) 1 LO 3 DEVANADO ETÁN ALIMENTADO MEDIANTE UN ITEMA TIFÁICO DE TENIONE. PO TANTO, LA COIENTE QUE CICULAN PO LA EPIA ON ENOIDALE Y ETÁN DEFAADA 10º

28 7.10. Principio de funcionamiento II N N f 60 Velocidad de P sincronismo f π Estator P otor otor t F ucesivas posiciones del campo Avance del campo N α Campo giratorio El campo magnético resultante de las tres corrientes de fase es un campo que gira en el espacio a 60*f/P PM.. Donde P es el núme- ro de pares de polos del estator (depende de la forma de conexión de las bobinas que lo forman) y f la frecuencia de alimentación.

29 7.10. Principio de funcio- namiento III: simulación T0.340 s T0.35 s T0.370 s

30 7.10. Principio de funcio- namiento III: simulación MOTO DE PAE DE POLO T1 T1,015

31 7.10. Principio de funcionamiento IV Motor asíncrono Estator otor Devanado trifásico a 10º alimentado con sistema trifásico de tensiones Espiras en cortocircuito istema Trifásico Devanado trifásico a 10º Campo giratorio 60f/P Circulación de corriente por las espiras del rotor Espiras en corto sometidas a tensión FEM inducida por el campo giratorio en las espiras del rotor Ley de Biot y avart Fuerza sobre las espiras del rotor Par sobre el rotor Giro de la Máquina

32 7.10. Principio de funcionamiento V EL MOTO AÍNCONO IEMPE GIA A VELOCIDAD INFEIO A LA VELOCIDAD DE INCONIMO: EN CAO CONTAIO NO E INDUCIÍA FUEZA ELECTOMOTIZ EN EL OTO DE LA MÁQUINA Y, PO TANTO, NO HABÍA PA MOTO CUANDO TABAJA EN VACÍO GIA MUY PÓXIMO A LA VELOCIDAD DE INCONIMO. EN EE CAO, EL ÚNICO PA MOTO DEAOLLADO PO LA MÁQUINA E EL NECEAIO PAA COMPENA LA PÉDIDA

33 7.11. Ventajas de los motores de inducción VENTAJA DE LO MOTOE AÍNCONO La única alimentación eléctrica que reciben se hace a través de la línea trifásica que alimenta al devanado estatórico. NO HAY ECOBILLA O ELEMENTO OZANTE. El rotor de jaula es muy robusto ya que no incluye sistema aislante. Tienen par de arranque. No tienen problemas de estabilidad ante variaciones bruscas de la carga. Aumento del par de carga educción de la velocidad de giro Mayor FEM Mayor corriente rotor Mayor par motor Estabilidad

34 7.11. Inconvenientes de los motores de inducción INCONVENIENTE DE LO MOTOE AÍNCONO La corriente de arranque es mucho mayor que la corriente de funcionamiento nominal. Entre 3 y 6 veces mayor. En mucho casos es necesario disponer procedimientos especiales de limitación de la corriente de arranque. La variación de su velocidad implica la variación de la frecuen- cia de la alimentación: es necesario disponer de un convertidor electrónico que convierta la tensión de red en una tensión de frecuencia variable. EQUIPO ECTIFICADO TIFÁICO 3 FAE 50 Hz BU DE CC EQUIPO ITEMA INVEO DE TIFÁICO FILTADO ONDA ECALONADA 3 FAE DE f VAIABLE f VAIABLE

35 7.1. Deslizamiento en las máquinas asíncronas Velocidad de deslizamiento N des N N m N Velocidad mecánica del rotor f 60 P Deslizamiento N des N N m (%) N N 0 Velocidad de sincronismo {1 otor parado (%) ω ω ω m 100 N m LO MOTOE DE INDUCCIÓN TABAJAN IEMPE CON VALOE MUY BAJO DE : <5% N N 1 m 1 ( ) N ( ) N N ω m 1 ) ( 1 ω

36 7.13. Frecuencia en el rotor de las máquinas asíncronas I Frecuencia FEM inducida en el rotor La misma que la velocidad relativa del campo respecto al rotor () educción velocidad giro Aumento velocidad giro > velocidad relativa campo respecto rotor < velocidad relativa campo respecto rotor Aumento frecuencia inducida rotor Disminución frecuencia inducida rotor f rotor f estator En el límite: 1; 1; N m 0 En el límite: 0; 0; N m N s f rotor 0

37 7.13. Frecuencia en el rotor de OTO BLOQUEADO: N m 0 GIO EN VACÍO: N m N f rotor f estator f rotor 0 estator} f rotor f estator Para cualquier velocidad entre 0 y N las máquinas asíncronas II f rotor N Nm f estator N f rotor N P Nm 60 N f 60 P estator

38 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona I I 1 X s s eactancia dispersión estator esistencia estator U 1 E 1 E eactancia magnetizante estator X I bloq esistencia eactancia rotor dispersión rotor eactancia magnetizante rotor U } [ ] 1 CICUITO EQUIVALENTE DEL ETATO PAA CUALQUIE VELOCIDAD DE GIO 1 s jx I 1 E [ ] 1 ALIMENTADO A f 1 frecuencia de red EQUIVALENTE PO FAE CICUITO EQUIVALENTE OTO CON LA MÁQUINA BLOQUEADA}EQUIVALENTE PO FAE jx I E [ ] bloq ALIMENTADO A f 1 frecuencia de red CON OTO BLO- QUEADO: f rotor f estator f rotor f estator

39 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona II LA FEM INDUCIDA EN EL OTO E POPOCIONAL A LA VELOCIDAD DEL CAMPO EPECTO AL OTO () La FEM inducida en el rotor para una velocidad cualquiera N (corres- pondiente a un deslizamiento ) LA EITENCIA OTÓICA NO VAÍA CON LA FECUENCIA Y, PO TANTO, TAMPOCO CON Y, PO TANTO, TAMPOCO CON LA EACTANCIA X VAÍA CON : CUANDO EL DELIZAMIENTO E, PAA E *X X X PAA E *X Con el rotor bloqueado se induce E En vacío se induce 0 *E A una velocidad en- tre 0 y N, es decir a un des- lizamiento *E *X I eactancia dispersión rotor E INDUCE: *E Circuito equivalente para el rotor con deslizamiento esistencia rotor ALIMENTADO A: A: f *f 1

40 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona III CICUITO EQ. OTO A DELIZAMIENTO *E *X I eactancia dispersión rotor esistencia rotor ALIMENTADO A: A: f *f 1 I E [ jx ] I s E s jx E jx e puede obtener la misma corriente en el mismo circuito alimentado a f 1 con sólo cambiar por / X E POIBLE OBTENE EL CICUITO EQUIVALENTE DE LA MÁQUINA AÍNCONA TABAJANDO ÓLO CON LA FECUENCIA DEL ETATO. BATA IMULA EL EFECTO DEL GIO CON LA EITENCIA / EITENCIA / I E ALIMENTADO A: f 1

41 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona IV PAA OBTENE EL CICUITO EQUIVALENTE COMPLETO E UNIÁN LO CICUITO EQUIVALENTE DE OTO Y ETATO E PLANTEAÁ QUE LA MÁQUINA AÍNCONA E EQUIVALENTE A UN TANFOMADO (EstatorPrimario, otorecundario elación Transf.r t ) E EDUCIÁ EL ECUNDAIO (otor) AL PIMAIO (Estator) X s s I X I 1 U 1 E 1 E ' E t ' E r E 1

42 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona V X s s I X I 1 U 1 E 1 E ' E t ' E r E 1 COMO E 1 E E PUEDEN UNI EN COTOCICUITO

43 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona VI X s s I X I 1 U 1 E t ' E r E 1 ' ϕ0 I µ Componente magnetizante I 0 Componente I fe de pérdidas I fe I 0 I fe fe I 0 I µ X µ

44 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona VII X s s I 0 X I I 1 I µ I fe ' U 1 X µ fe ' 1 ' ' LA EITENCIA VAIABLE E PUEDE DIVIDI EN DO COMPONENTE

45 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona VIII eactancia dispersión estator Tensión de fase (Estator) I 1 U 1 esistencia cobre estator X s eactancia magnetizante s Corriente de vacío eactancia dispersión rotor X I I 0 I µ I fe X µ fe 1 ' esistencia pérdidas hierro esistencia cobre rotor esistencia potencia mecánica entregada Todos los elementos del circuito con están referidos al estator El circuito equivalente se plantea por fase y con conexión en estrella

46 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona IX X s s X I I 0 I 1 I µ I fe Cosϕ U 1 (T. DE FAE) X µ fe 1 ' Potencia entregada Con la carga nominal ( bajo) el circuito el factor de potencia a la entrada es alta (0,8 aprox) En vacío (0) la rama del rotor queda en circuito abierto: el circuito es principalmente inductivo fdp 0,1-0, aprox En un motor asíncrono la corriente de vacío no es despreciable

47 7.15. Cálculo de las pérdidas en la máquina asíncrona I 3V I Cos ϕ P1 1 1 POTENCIA ABOBIDA DE LA ED ELÉCTICA Cu est 3 I 1 PÉDIDA EN LO CONDUCTOE DEL ETATO (Cu) Cu ot 3 ' I ' PÉDIDA EN LO CONDUCTOE DEL OTO (Cu) E 1 PÉDIDA EN EL HIEO. UELEN CONIDEAE CON- fe 3 CENTADA EN EL ETATO. EN EL OTO LA f E MUY fe BAJA g P 1 P Cuest P POTENCIA QUE ATAVIEA EL ENTEHIEO DE fe LA MÁQUINA P P P P P mi P g P curot P g e disipa en la resis- tencia variable ' 3 I ' 1 3 ' I' La potencia que atraviesa el entrehierro es la que disipa en la resistencia total de la rama del rotor ( /) rama del rotor ( /) POTENCIA MECÁNICA INTE- NA: ATAVIEA EL ENTEHIE- O Y PODUCE TABAJO

48 7.15. Cálculo de las pérdidas en la máquina asíncrona II P mi P P P P 1 g curot g g [ ] P g OTA FOMA DE CALCULA- LA A PATI DEL DELIZA- MIENTO T i P Ω mi [ 1 ] Ω P g P g Ω PA INTENO: EL PA TOTAL DEAOLLADO INTENA- MENTE PO LA MÁQUINA Velocidad angular de giro del rotor Velocidad angular de sincronismo P U P Pérdidas mecánicas y rotacionales mi T U P Ω U PA ÚTIL: : EL PA QUE E CAPAZ DE DEAOLLA EL MOTO EN EL EJE

49 7.16. Cálculo del par de una máquina asíncrona I I 1 jx s s jx A I U 1 jx µ e puede despreciar fe ' CALCULANDO EL EQUIVALENTE THEVENIN ENTE A y B B I 1 V th jx th th jx A B ' I V th Z th U 1 jx j µ [ X X µ ] µ [ jx ] j µ jx µ [ X X µ ] µ µ

50 I 1 P Cálculo del par de una V th g máquina asíncrona II jx th th jx ' 3 I ' A B th T i f() ) 3 V ' th ' ' I I I ' [ X X ' ] T i th P Ω g 3 Ω ' th th th V th ' j X V ' V th ' th [ th X ' ] th [ X X ' ] th ' th [ X X ' ] th

51 Curvas de respuesta mecánica par - velocidad I Par >1 0<<1 <0 Freno Motor Generador Par máximo Par Nominal Par de Arranque Velocidad de sincronismo T i f() ) 1 0 Deslizamiento Zona de funcionamiento estable como motor T T T T nom 1, arr max nom 1, 8, 7

52 Curvas de respuesta mecánica par - velocidad II La característica mecánica de los motores de inducción es prácticamente lineal entre vacío y plena carga El par máximo suele ser de a 3 veces el nominal El par de arranque tiene que ser superior al nominal para permitir que el motor se ponga en marcha Para un determinado deslizamiento el par varía con el cuadrado de la tensión

53 7.17. Curvas de respuesta mecánica par - velocidad III Banda de dispersión Catálogos comerciales

54 7.17. Curvas de respuesta mecánica par - velocidad IV Catálogos comerciales

55 7.18. Par máximo de un motor de inducción I I 1 V th jx th th jx A B I ' El par será máximo cuando P g sea máxima, es decir cuando se transfiera a / la máxima potencia ' [ X X ' ] th th th th TEOEMA TANFEENCIA MÁX. POT TMAX ' th ' th [ X X ] th T max Ω th 3 V th th [ X ] th X '

56 7.18. Par máximo de un motor de inducción II T max TMAX Ω 3 V th th ' th th ' th [ X X ] th [ X ] th X ' Par El par máximo NO depende de la resistencia rotórica esistencia rotórica creciente EL deslizamiento al que se produce el par máximo Í DEPENDE DE Esta propiedad se usa para el arran- que mediante inserción de resisten- cias en máquinas de rotor bobinado TMAX3 TMAX TMAX1

57 7.19. Ensayo de rotor libre Condiciones ensayo: Motor girando sin carga V y f nominales U 1 (t) I 0 (t) W1 A W Z 0 I 0 U 1 En vacío 0: 1 - i 0 : ' X s s X µ I µ X I fe fe Z 0 jx Al no circular corriente por puede considerarse que en este ensayo las pérdidas en el Cu son sólo las del estator P W 1 W P P P 0 cu est mec fe 0 0 Impedancia por fase del motor Z 0 V 3 I Línea 0 0 P 3 I 0 0 {0 X Z X s X µ

58 7.0. Ensayo de rotor bloqueado I Condiciones ensayo: otor bloqueado V reducida e I nominal U cc (t) I 1n (t) W1 A El ensayo se realiza subiendo gradualmente la tensión de ali- mentación hasta que la corrien- te circulante sea la nominal X s s X V W Z cc I 1n U cc 3 e puede despreciar la rama paralelo Tensión de ensayo muy reducida Corriente por Xµ X despreciable Muy pocas pérdidas Fe e elimina rama paralelo fe despreciable Z jx X cc cc cc ' cc s X X ' cc s

59 7.0. Ensayo de rotor bloqueado II Z cc I 1n U cc 3 X s s X e puede despreciar la rama paralelo P cc W 1 W P P U cc Z 3 P cc cc I 1n I 1 W Pcuest P curot 1n cc 3 1 n CÁLCULO PAÁMETO CICUITO EQUIVALENTE e obtiene por medición directa sobre los devanados del estator X yxx egla empírica según tipo de motor MOTO CLAE A: MOTO CLAE B: MOTO CLAE C: MOTO CLAE D: X X X X X ' 0, 4 0, 3 X ' 0 [ X X ' ] 0 [ X X ' ] 0, [ X X ' ] 0, [ X X ' ] X ' 6 X ' 7

60 7.0. Ensayo de rotor bloqueado III CÁLCULO PAÁMETO CICUITO EQUIVALENTE X µ Después de aplicar la egla empírica anterior para obtener las reactancias de rotor y estator se aplica el resultado del ensayo de vacío X X X µ X0 X e obtiene restando a CC (Ensayo de rotor bloqueado) el valor de (medición directa) ' cc

61 7.1. Características funcionales de los motores asíncronos I Corriente nominal Corriente Corriente A A Corriente Corriente absorbida absorbida en en función función de de la la velocidad velocidad Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kw Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 PM Polos: PM PM Velocidad de sincronismo Corriente de vacío

62 7.1. Características funcionales de los motores asíncronos II Potencia Potencia W Potencia Potencia eléctrica eléctrica absorbida absorbida en en función función de de la la velocidad velocidad Potencia eléctrica consumida plena carga Fabricante: EMOD 8000 Potencia: 7,5 kw 8000 Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 PM 5000 Polos: PM PM Velocidad de sincronismo

63 7.1. Características funcionales de los motores asíncronos III endimiento a plena carga 0,900 0,900 0,800 0,800 endimiento endimiento % 0,700 0,700 0,600 0,600 0,500 0,500 0,400 0,400 0,300 0,300 0,00 0,00 0,100 0,100 endimiento endimiento en en función función de de la la velocidad velocidad Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kw Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 PM Polos: 6 0,000 0, PM PM Velocidad de sincronismo endimiento en vacío

64 7.1. Características funcionales de los motores asíncronos IV fdp a plena carga 0,9 0,9 0,8 0,8 Factor Factor de de potencia potencia 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0, 0, 0,1 0,1 Factor Factor de de potencia potencia en en función función de de la la velocidad velocidad Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kw Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 PM Polos: PM PM Velocidad de sincronismo fdp en vacío

65 7.1. Características funcionales de los motores asíncronos V Par (Nm) Par (Nm) Característica Característica mecánica mecánica en en zona zona estable estable Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kw Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 PM Polos: PM PM Velocidad de sincronismo

66 7.1. Características funcionales de los motores asíncronos VI NÚMEO DE POLO VELOCIDAD INCONIMO (PM) VELOCIDADE DE GIO TÍPICA Fuente: ABB Guide for selecting a motor VELOCIDAD TÍPICA PLENA CAGA

67 7.1. Características funcionales de los motores asíncronos VII Tª 114 ºC: Motor Clase F: Tª max 155 ºC Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kw Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 PM Polos: 6 Evolución de la temperatura de los devanados desde el arranque hasta el régimen permanente térmico

68 7.. Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor I Par esistencia rotórica creciente i la resistencia rotórica es elevada el par de arranque del motor también lo es i la resistencia rotórica es elevada el par máximo del motor aparece con deslizamiento elevado TMAX3 TMAX TMAX1 i el deslizamiento es elevado la potencia mecánica interna es baja EL ENDIMIENTO DEL MOTO E BAJO P mi [ ] P g 1

69 7.. Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor II Motor con elevada Motor con baja { Buen par de arranque Bajo rendimiento { Bajo par de arranque Buen rendimiento }OLUCIÓN MOTO DE OTO BOBINADO: VAIACIÓN DE LA EITENCIA OTÓICA DIEÑO DE UN OTO CON CAACTEÍTICA ELÉCTICA VAIABLE EGÚN LA VELOCIDAD DE GIO

70 7.. Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor II Barras de pequeña sección Alta resistencia, baja reactancia de dispersión A menor sección mayor Barras de ranura profunda esistencia baja elevada reactancia de dispersión Doble jaula Combina las propiedades de las dos anteriores }Pueden usarse dos tipos de material con diferente resistividad La sección y geometría de las barras rotóricas determina sus propiedades eléctricas y la forma de variación de éstas con la velocidad de giro de la máquina

71 7.. Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor III anura estatórica Circuito equivalente de una barra rotórica La reactancia de dispersión aumenta con la profundidad que el flujo de dispersión Flujo de dispersión: se concentra hacia el interior esistencia eactancia dispersión

72 AANQUE VALOE ELEVADO f rotor ELEVADA Efecto de la reactancia de dispersión (πf rotor *L dispersión ) (πf rotor *L dispersión ) MUY ACUADO Aumento del par de arranque educción sección útil: aumento La corriente circula sólo por la parte más externa de la barra CONDICIONE NOMINALE VALOE BAJ0 f rotor BAJA Efecto de la reactancia de dispersión (πf rotor *L dispersión ) (πf rotor *L dispersión ) MUY POCO ACUADO Mejora del rendimiento Aumento sección util: educción y Par La corriente circula por toda la sección de la barra

73 imulación del efecto real A A 60.69% 60.69% 41.93% 41.93% Itotal Isup Itotal Isup Iinf Nº Iinf Nº barra barra A A 75.65% 75.65% 4.35% 4.35% Itotal Itotal Isup Isup Iinf Iinf Nº Nº barra barra DUANTE EL AANQUE CICULA UN 41,93% DE LA COIENTE PO LA ZONA OJA DE LA BAA MOTO IMULADO Fabricante: IEMEN Potencia: 11 kw Tensión: 380 V Corriente: A Velocidad : 1450 PM Polos: 4 DUANTE EL FUNCIONA- MIENTO EN CONDICIO- NE NOMINALE CICU- LA UN 4,35% DE LA COIENTE PO LA ZONA OJA DE LA BAA

74 imulación del campo real durante un arranque Las líneas de campo se concentran en la superficie LÍNEA DE CAMPO DUANTE EL AANQUE LÍNEA DE CAMPO EN FUNCIONA- MIENTO NOMINAL

75 7.3. Clasificación de los motores según el tipo de rotor: Normas NEMA I 3,5 1,5 T/Tnom Tnom Clase C Clase D Clase A Clase B MOTO CLAE A Par de arranque bajo Par nominal con <5% Corriente arranque elevada 5 8 In endimiento alto Uso en bombas, ventiladores, máquina herramienta, etc, hasta 5,5 kw Para potencias > 5,5 kw se usan sistemas de arranque para limitar la corriente

76 7.3. Clasificación de los motores según el tipo de rotor: Normas NEMA II MOTO CLAE B Par arranque similar clase A Corriente arranque 5% < clase A Par nominal con <5% endimiento Alto Aplicaciones similares al clase A pero con < I arranque on LO MÁ UTILIZADO MOTO CLAE D MOTO CLAE C (Doble jaula) Par arranque elevado ( veces Tnom aprox.) Corriente de arranque baja Par nominal con <5% endimiento Alto Aplicaciones que requieren alto par de arranque Tmax < clase A Par arranque muy elevado (> 3 Tnom) Corriente de arranque baja Par nominal con elevado (7 17%) endimiento bajo Aplicación en accionamientos intermitentes que requieren acelerar muy rápido

77 7.4. Características mecánicas de las cargas más habituales de T K*N los motores de inducción Bombas centrífugas Compresores centrífugos Ventiladores y soplantes Centrifugadoras T K*N Prensas Máquinas herramientas T K/N Bobinadoras Máquinas fabricación chapa T T K Máquinas elevación Cintas transportadoras Machacadoras y trituradoras Compresores y bombas de pistones T K * N T K * N T K T K/N N

78 7.5. El arranque de los motores asíncronos I

79 Corriente máxima Duración del arranque Corriente máxima Corriente de vacío tras alcanzar velocidad máxima LA COIENTE MÁXIMA NO DE- PENDE DE LA CAGA Corriente nominal tras alcanzar velocidad máxima Arranque en vacío Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kw Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 PM Polos: 6 Arranque a plena carga Duración del arranque

80 7.5. El arranque de los motores asíncronos II El reglamento de BT establece límites para la corriente de arranque de los motores asíncronas. Por este motivo, es necesario { disponer procedimientos específicos para el arranque Arranque directo de la red en las centrales eléctricas Arranque mediante inserción de resistencias en el rotor bobinado y anillos rozantes Métodos de Arranque estrella triángulo arranque Arranque con autotransformador el arranque mediante ólo válido en motores pequeños o ólo válido en motores de rotor El método más barato y utilizado educción de la tensión durante el arranque mediante autotrafo Arranque con arrancadores estáticos Gobierno del motor durante el arranque por equipo electrónico

81 7.5. El arranque de los motores asíncronos III T i P Ω g 3 Ω PA DE AANQUE I ' th th V th ' V ' th ' [ X X ' ] T th [ X X ' ] th th Arranque P Ω g 3 Ω Par de un motor asíncrono. 0 En el arranque 0 V th [ ' ] [ X X ' ] th Corriente rotórica. ' th 0 En el arranque 0 T Arranque 3 Ω ' I ' Arranque I ' arranque V [ ] [ ] th ' X th X' th th th

82 7.5. El arranque de los motores asíncronos V: arranque por inserción de resistencias rotóricas Par 3 esistencia rotórica creciente 1 Para el arranque de la máquina se introducen resistencias entre los anillos rozantes que se van eliminando conforme aumenta la velocidad de giro ólo vale para los motores de rotor bobinado y anillos rozantes

83 7.5. El arranque de los motores asíncronos VI: arranque mediante T C1 autotrafo Para el arranque de la máquina se introduce un autotransformador reductor (rt>1) C C3 Inicialmente C1 y C están cerrados: el motor arranca con la tensión reducida En las proximidades de plena carga C se abre: el motor soporta una tensión ligeramente inferior a la red debido a las caídas de tensión en el devanado del autotrafo M e cierra C3: el motor soporta toda la tensión de la red

84 Fases del arranque con autotransformador T C1 T C1 T C1 Ligera caída de tensión C3 C C M M M

85 7.5. El arranque de los motores asíncronos VII: arranque estrella - X s s X Iarr Iarr X V Vlínea 3 e desprecia la rama en paralelo 1 Circuito equivalente del motor durante el arranque triángulo I arr V línea 3 Z cc I arranque El arranque estrella - triángulo consiste en conectar los devanados del motor en estrella para arrancar la máquina conmutando a conexión en triángulo una vez que la máquina ha elevado su velocidad El motor conectado en estrella consume menos corriente y entrega menos par. De este modo, se limita la corriente de arranque. V 3 Z línea CC

86 7.5. El arranque de los motores asíncronos VII: arranque estrella - V línea I arr-estrella V línea 3 Z cc triángulo V línea I arr-triángulo Z cc I arr triángulo 3 Z cc Z cc Z cc T I arr estrella V 3 Z línea CC T arr triángulo Z cc I 3 V Z línea CC I arr estrella I arr triángulo 3

87 T Arranque 3 Ω ' Arranque Esta relación es válida para las dos conexiones. La corriente que aparece en ella es la que circula por Z cc ' I I arr-estrella I arr-triángulo I arr triángulo 3 V línea V línea 3 Z cc V línea Z cc Z cc Z cc Z cc T T Arr estrella 3 Ω ' I ' Arr estrella I arr estrella T I T Arr triángulo arr triángulo 3 3 Ω I ' Z cc ' Arr triángulo 3 T 3T arr triángulo 3 arr estrella

88 Catálogos comerciales Arrancadores estáticos con microprocesador de potencias hasta 500 kw 700V Arrancador 90 kw 690V Arrancadores estáticos Arrancador 4 kw Arrancador para aplicaciones navales y militares Catálogos comerciales

89 7.6. El frenado eléctrico de los motores asíncronos I Existen aplicaciones en las que es necesario poder aplicar un par r de frenado al motor que permita detenerlo rápidamente: ascensores, grúas, cintas transportadoras, tracción eléctrica, etc. En este caso, las propiedades eléctricas de la máquina se utilizan para lograr el frenado. { FENADO EGENEATIVO O PO ECUPEACIÓN DE ENEGÍA TIPO DE FENADO FENADO PO CONTACOIENTE O ELÉCTICO CONTAMACHA FENADO DINÁMICO (Por inyección de CC)

90 7.6. El frenado eléctrico de los motores asíncronos II Par Curva de funcionamiento con P polos Curva de funcionamiento con P polos N f 60 P 60 f 60 f P P s P P N s P N s P Par resistente Velocidad (PM) FENADO EGENEATIVO N sp Zona de funcionamiento como freno N sp Para frenar se modifican las conexiones del estator pasando de P polos a P polos. El frenado se consigue al convertirse el motor en generador.. La energía generada se disipa en resistencias o se devuelve a la red P

91 7.6. El frenado eléctrico de los motores asíncronos III T M T M N N N N 1 N N N N Funcionamiento normal: giro en un sentido >1 Corriente ZONA DE FENO Frenado a contracorriente: inver- sión del sentido de giro Giro horario Par resistente > 1 LIMITACIONE Giro anti- horario Par de frenado bajo Frenado en zona inesta- ble de la curva Par- Corriente durante el fre- nado muy alta olicitación del rotor muy elevada Necesario construcción especial

92 7.6. El frenado eléctrico de los motores asíncronos IV El FENADO DINÁMICO consiste en dos acciones sobre el funcionamiento del motor: eliminación de la alimentación en alterna e inyección de CC por el estator. La inyección de CC provoca la aparición de un campo de eje fijo que genera un par de frenado Catálogos comerciales Equipo para el frenado de motores asíncronos por inyección de CC (Potencia 315 kw) esistencias para frenado reostático de motores Catálogos comerciales

93 7.7. Cálculo de tiempos de arranque y frenado J Momento de inercia de un cuerpo de masa m respecto a Kg m un eje. r es la distancia al eje r dm T d ω T [ ] Jmot Jc arg dt Ecuación de la dinámica de rotación: T es el par motor, T el par resistente J mot el momento de inercia del motor, J carg el de la carga y ω la pulsación n de giro t arranque ω nominal 0 J mot J T T c arg d ω Integrando la ecuación se obtiene el tiempo de arranque t frenado 0 T T freno J mot J [ c arg ] dω T T Tfreno ω nominal freno es el par resistente total si se incluye un procedimiento adicional de frenado

94 7.8. La variación de velocidad de los motores asíncronos I Variación de la velocidad de giro de la máquina Variación de la velocidad del campo giratorio N 60 P f Control de velocidad en cualquier rango para cualquier motor Equipo eléctrónico para variar frecuencia de red Variar f Variar P Motores con devanados especiales ólo posible o 3 velocidades distintas Variación discreta de la velocidad Cambio en la conexión del estator

95 7.8. La variación de velocidad de los motores asíncronos II: métodos particulares Par esistencia rotórica creciente Par educción tensión 3 1 Vn 0,8V n Variación de la velocidad Variación de la velocidad VAIACIÓN DE LA VELOCIDAD PO INECIÓN DE EITENCIA OTÓICA EN MOTOE DE OTO BOBINADO BAJO ANGO DE VAIACIÓN VAIACIÓN DE LA VELOCIDAD PO EDUCCIÓN DE LA TENIÓN BAJO ANGO DE VAIACIÓN EDUCCIÓN DEL PA MOTO

96 7.8. La variación de velocidad de los motores asíncronos III: Variación de la frecuencia N f 60 P Par educción frecuencia VAIANDO DE FOMA CONTINUA LA FECUENCIA E PUEDE VAIA DE FOMA CONTÍNUA LA VELOCIDAD 0,5f n 0,75f n f n Al reducir la frecuencia aumenta el flujo. Para evitar que la máquina se sature es necesario mantener la relación V/f constante: : al disminuir f se aumenta V y viceversa 0,5N 0,75N N VAIACIÓN DE LA VELOCIDAD PO VAIACIÓN DE LA FECUENCIA

97 7.8. La variación de velocidad de los motores asíncronos III: variación de la frecuencia istema eléctrico trifásico ectificador Filtro Inversor Motor de Inducción INVEO PWM V T1 T3 T5 V V T T4 T6 T mot mot T mot

98 Funcionamiento del inversor I V T1 T3 T5 V V T T4 T6 T mot mot T mot Tensión del rectificador sin filtro Tensión del rectificador con filtro La tensión después del condensador es continua

99 Funcionamiento del inversor II Bus de tensión contínua mot mot T mot El inversor haciendo conmutar los IGBT s trocea la tensión continua con la que es alimentado El disparo de los IGBT s se realiza utilizando una técnica conocida como PWM (Pulse width modulation) que consiste en comparar una señal (portadora) triangular con una señal (moduladora) senoidal De esta comparación se obtiene una señal similar a la senoidal pero escalonada para cada una de las fases del inversor Variando la amplitud y frecuencia de moduladora y portadora es posible obtener señales de distinta frecuencia y tensión a la salida del inversor

100 Funcionamiento del inversor III 1 0 A eñales modula- dora y portadora Bus de tensión contínua 1 mot mot T mot /f 1 1/f B Cuando triangular < senoidal dispara el 1 TENIÓN DE ALIDA EN LA FAE /f 1 1/f m

101 Catálogos comerciales Convertidor para motor de CC Inversor,kW 0 400Hz de propósito general Inversor 0,75 kw 0 10 Hz para control de máquina herramienta Inversor 55 kw Hz para motor asíncrono con control vectorial Variadores de velocidad

102 7.9. elección de un motor para una aplicación específica ELECCIONA CACAA Y NIVEL DE POTECCIÓN (IP) ELECCIONA FOMA NOMALIZADA DE MONTAJE EN FUNCIÓN DE UBICACIÓN ELECCIÓNA POTENCIA EN FUCIÓN DE LA POTENCIA NECEAIA PAA AATA LA CAGA ELECCIONA CLAE DE AILAMIENTO EN FUNCIÓN Tª EPEADA Y AMBIENTE DE TABAJO ELECCIONA VELOCIDAD (P) EN FUNCIÓN VELOCIDAD CAGA ABB Guide for selecting a motor ELECCIONA CAACTEÍTICA MECÁNICA EN FUNCIÓN DE PA DE AANQUE Y EITENTE DE LA CAGA

103 7.30. La máquina asíncrona como generador La máquina asíncrona se puede utilizar como generador Los generadores asíncronos se utilizan en sistemas de generación donde la fuente primaria es muy variable: energía eólica e hidraúlica En la actualidad existen máquinas con doble alimentación rotor estator para mejorar el rendimiento en generación eólica e hidráulica Por encima de la velocidad de sincronismo el par se vuelve resistente y entrega energía eléctrica La máquina asíncrona convierte energía mecánica en eléctrica siempre que trabaja por encima de la velocidad de sincronismo. NO E NECEAIO QUE GIE A VELOCIDAD CONTANTE