MOTORES ELECTRICOS PARTE I ELECTRICIDAD INDUSTRIAL - MOTORES ELECTRICOS ( MOTORES ) Motores asincronicos trifasicos de Baja Tensión

Transcripción

1 MOTORES ELECTRICOS ( MOTORES ) PARTE I Motores asincronicos trifasicos de Baja Tensión Clasificación Principio de funcionamiento Curvas características

2 Tipos de motores eléctricos Velocidad constante (independiente)de la variación de la carga) Son los más utilizados, porque la distribución de energía eléctrica es hecha en corriente alterna. Velocidad variable (dependiendo de la variación de la carga) Son motores con costo más elevado pues necesitan de una fuente de corriente continua, o de un dispositivo que convierta la corriente alterna en corriente continua. Este tipo de motor se utiliza en casos especiales

3 Funcionamiento Transformación de Energía

4 Partes constructivas de un Motor

5 Partes constructivas de un Motor

6 Partes constructivas de un Motor

7 Partes constructivas de un Motor Estator Devanado trifásico Distribuido en ranuras de 120 Tienen tres devanados ó bobinados en el estator. Bobinado Rotor devanado: los bobinados del rotor son similares a los del estator con el que está asociado. Rotor Jaula de ardilla (en cortocircuito) Los conductores o barras del rotor están igualmente distribuidos por la perisferia del rotor. Los extremos de estos conductores están cortocircuitados por lo tanto no hay posibilidad de conexión de conexión del rotor con el exterior La diferencia principal entre los dos tipos reside en la estructura del rotor; para ser más precisos, en el primer tipo el rotor está constituido por varios devanados como los del estator, presenta una estructura más compleja y delicada (escobillas que rozan con el rotor, con la posible interposición de resistencias para el control de la fase de arranque) con necesidad de mantenimiento periódico y dimensiones generales elevadas, mientras que el segundo tipo tiene un rotor constituido por barras cerradas en cortocircuito, por lo que, gracias a una mayor simplicidad constructiva, da origen a un tipo de motor muy simple, robusto y económico

8 Estator El estátor se puede definir como el conjunto de las partes fijas cuya función es sostener, al menos parcialmente, la máquina, pero fundamentalmente constituye la parte del circuito magnético que contiene los devanados inductores alojados en las ranuras adecuadas a ese fin y en correspondencia con su superficie interna. Está constituido por láminas de una aleación de acero al silicio o de acero macizo aisladas entre sí. De su estructura depende todo lo concerniente a los flujos magnéticos variables en el tiempo que provocan pérdidas por histéresis (ligadas a la magnetización no lineal del material) y por corrientes parásitas inducidas. En las ranuras adecuadas en la estructura de las láminas se insertan tres devanados primarios (cada uno de ellos constituido por más devanados interconectados de distinta forma), a los que se aplica la tensión de alimentación y que generan el campo magnético. Los devanados estatóricos trifásicos pueden conectarse en estrella o en triángulo.

9 Rotor jaula de ardilla ó en cortocircuito El rotor, está alojado en el interior del estátor y constituye el circuito inducido de la máquina. Para un motor de jaula de ardilla, el rotor, está constituido por un sistema de barras conductoras (de cobre o aluminio) paralelas al eje de rotación, inyectadas directamente en las ranuras practicadas a lo largo de toda la periferia externa del núcleo ferromagnético. Las barras se cierran en cortocircuito con dos anillos conductores posicionados en los extremos, que constituyen también una fijación mecánica para las propias barras. Se obtiene así un rotor extremadamente compacto y robusto, al que se fija también el eje del motor. El campo magnético inducido, que constituye el principio funcional del motor, hace girar el eje del motor convirtiendo así la energía eléctrica en energía mecánica.

10 Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico. Sistema trifásico: El sistema trifásico consiste de 3 sinusoides de tensión, la amplitud de las cuales están desplazadas 120. La frecuencia del sistema es indistintamente 50 o 60 Hz, dependiendo de cada país. Motor asincrónico trifásico: Como resultado de aplicar una tensión al bobinado estatórico circula una corriente y se genera un campo magnético. Este campo magnético es transmitido desde el núcleo estatórico bobinado al núcleo del rotor atravesando el entrehierro. El campo rotante estatórico induce una tensión en el rotor en cortocircuito o jaula de ardilla Como consecuencia de la tensión inducida al rotor circula una corriente por sus conductores El campo rotante del estator conjuntamente con el campo rotórico generan un torque. El eje del motor gira. En estos principio está basado el Motor llamado de inducción

11 Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico Funcionamiento - Campo magnetico rotante Con la corrientes alterna trifasicas puede obtenerse un campo magnetico giratorio. Tres bobinas desplazadas120 unas de otras y recorridas por corrientes trifasicas dan lugar a un campo giratorio

12 Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico Funcionamiento - Rotor en cortocircuito o jaula F = x I x L x z F : fuerza sobre conductor : inducción magnetica I : corriente eléctrica L : longitud concatenada z : cantidad de conductores Variación del flujo ( variación campo rotante ) Inducción de fuerza electromotriz Espira (circuito cerrado) se forma una corriente Interacción entre: campo de I y campo rotante (regla mano izquierda) Fuerzas mecánicas PAR o CUPLA Sobre el rotor de un motor asincronico trifásico aparece un par o cupla que actúa en el sentido del campo giratorio. El rotor girará con una velocidad de giro menor que la del campo o sea asincronicamente

13 Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico Funcionamiento - Campo magnetico rotante Bobinado del estator motor de 2 polos Grafica de I que circulan por los conductores Tomando instantes determinados podemos ver los sentido que en ese instante tienen las corrientes quedan definidos 2 polos demuestra la existencia de un campo rotante

14 Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico Deslizamiento Velocidad de deslizamiento n d Cuando: n = n s n d = n s - n n s velocidad sincronica ( campo giratorio) n velocidad del motor ( rotor ) No habrá variación de flujo en la espira No habra f.e.m inducida La base de la existencia de la cupla motora es la diferencia de velocidad entre el campo rotante y el rotor Para que exista cupla es necesario que la velocidad del rotor sea inferior a la de sincronismo del campo rotante por ello se llama asincronico No habra corriente No hay Cupla s = n s - n. n s Se denomina Deslizamiento S también llamado resbalamiento al cociente entre la velocidad de deslizamiento y la velocidad del campo giratorio n s (sincronica).

15 Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico Velocidad sincronica Número de Polos n s = f x 60 p n S = velocidad sincrónica f = frecuencia de la red p = número de pares de polos Al conectar el devanado estatórico de los motores asincrónicos trifásico a corrientes trifásicas se creará un campo magnético giratorio cuya velocidad de giro ns depende de la frecuencia de la corriente f (en Hz ) y del numero de pares de polo p del campo N de polos N de pares de polos n S a 50 Hz n S a 60 Hz rpm 3600 rpm rpm 1800 rpm rpm 1200 rpm rpm 900 rpm También se expresa la velocidad en min-1 El número de polos de un motor indica la velocidad.

16 Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico Sentido de giro El sentido de giro del rotor de un motor asincrónico trifásico solo se puede invertirse cambiando el sentido de giro del campo El sentido de giro del campo se invierte cuando se modifica el orden de sucesión de fases. El sentido de giro puede ser invertido cambiando la conexión de dos de los conductores activos (fases).

17 Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico Funcionamiento Deslizamiento s = n s - n. 100 % n s Deslizamiento s (en tanto por ciento de la velocidad de giro del campo) Cuando: Motor con rotor bloqueado n = 0 s = n s - 0 Deslizamiento 1 motor rotor velocida sincronica n s = n ns s = 0 Deslizamiento 0 n s M M ma x M arraq ue M Motor M nomi nal M car ga 0 Velocidad campo : 0 Rotor : parado Deslizamiento: 1 ( 100%) n n s Velocidad campo : máxima (sincronica) Rotor : velocidad sincronica Deslizamiento: 0

18 Funcionamiento - Características Curva: Par (Torque) - Velocidad en Motor Jaula de ardilla M N Cupla otorque nominal M M Par Motor M L Torque de la carga M B Torque de aceleración M A Par de arranque del motor M K Par máximo ó torque de ruptura M S Par mínimo n N Velocidad nominal n S Velocidad sincrónica Par de arranque (Ma) es el par mínimo que desarrolla el motor partiendo del estado de reposo, estando el rotor en la posición más desfavorable, a la tensión y frecuencia nominales, una vez terminados los procesos de compensación. Par mínimo (Ms) es el par más pequeño en la gama de velocidades comprendida entre el estado de reposo y el par máximo, a la tensión y frecuencia nominales. Par máximo (Mk) es el mayor par que desarrolla un motor durante el proceso de arranque a la tensión y frecuencia nominales.

19 Curva: Par (Torque) - Velocidad en Motor Jaula de ardilla M = f (n) La velocidad a la que se mueve un motor depende tanto de su propia característica par-velocidad como de la característica par-velocidad de la carga. En la figura se aprecia esta situación, la curva M MOTOR corresponde a un motor de inducción y la curva restante M CARGA representa la característica típicas de carga. A continuación, y tomando como referencia estas curvas, analizaremos algunos puntos especialmente como son: el arranque, el funcionamiento en vacío y el estable con carga. En el momento del arranque la velocidad es cero ( n = 0 ). El valor Mra es el par resistente de arranque y corresponde al valor que debe aplicarse a la carga para ponerla en movimiento, análogamente, M ARRANQUE es el par interno de arranque del motor, es evidente que para que el sistema se ponga en movimiento debe ser: M ARRANQUE > Mra Se considera que el par de arranque debe ser entre 1,25 y 2,5 veces el valor del par nominal (M NOMINAL ), en estas condiciones la corriente en el arranque Ia tomara un valor entre 5 y 8 veces la intensidad nominal In Funcionamiento en vacío Si el motor arranque en vacío el punto de funcionamiento es el P, en el que el par suministrado es nulo (en realidad debe vencerse un par propio relacionado con los roces internos y el momento de inercia del rotor) y la velocidad de vacío (n = no) está cercana a la velocidad de sincronismo. Funcionamiento estable con carga Cuando el motor funciona con carga, el punto de funcionamiento (M NOMINAL, nnominal) corresponde a aquel en el que se cortan las curvas características de la carga y del motor, es decir, la velocidad en la que el par motor se iguala al par resistente.

20 Par Nominal de giro El par motor nominal del eje expresado en Nm dado por la formulas : P potencia nominal en kw n velocidad en RPM Los motores con rotor de jaula se arrancan preferentemente en directo (arranque directo)

21 Distintos estados de carga Los motores se utilizan para una gran variedad de aplicaciones, tanto en el arranque como en régimen. Estas diferentes aplicaciones representan un estado de carga distinto para el motor en cada caso. Hay dos factores fundamentales a tener en cuenta a la hora de analizar una aplicación y son los siguientes: torque de la carga, también conocido como cupla resistente, y momento de inercia. Torque de la carga Es una fuerza que se manifiesta en el eje del motor e intenta frenarlo. Para acelerar, el motor debe ser más fuerte que la carga. La diferencia entre el torque disponible del motor y el torque de la carga es el torque de aceleración y es quien va a decir si el motor puede arrancar o no. Muchos métodos de arranque reducen el torque del motor y por lo tanto también el torque de aceleración, por consiguiente, el tiempo de arranque se incrementará. Torque de aceleración = Torque disponible del motor Torque de la carga La curva de la carga puede tener diferentes características dependiendo de la aplicación. Algunos de los tipos más comunes se pueden apreciar: Habitualmente en muchas aplicaciones pesadas se hace un arranque sin carga y luego esta se aplica cuando el motor alcanza la velocidad nominal. De este modo se puede reducir entre un 50 y 90% la cupla resistente que debe vencer el motor para arrancar comparado con un arranque a plena carga. Momento de inercia Es una representación teórica que involucra la masa de la carga conectada al eje del motor en forma de volante. Normalmente a las aplicaciones con un bajo momento de inercia se la conoce como arranque normal y a las que tienen un momento de inercia alto se las denomina arranque pesado. En un arranque normal el momento de inercia de la carga es bajo y el tiempo que el motor se toma hasta alcanzar su velocidad nominal es corto, en general inferior a los 10 segundos, por eso normalmente se protegen con relés de sobrecarga de clase de disparo 10 para tiempos de arranque cortos. Los arranques pesados,deben enfrentar grandes momentos de inercia y por lo tanto, el tiempo de arranque necesario para alcanzar la velocidad nominal será elevado. Será necesario tener una protección de sobrecarga con clase de disparo 30

22 Curva característica del par resistente Para comprobar los procesos de arranque y de frenado, y para seleccionar la velocidad del motor a utilizar, se necesita conocer la curva del par resistente de la máquina accionada (par de carga), en dependencia de la velocidad de rotación. Las formas básicas representativas de los pares resistentes se reproducen en la figura inferior izquierda. En la figura inferior derecha se muestra el curso correspondiente de la potencia necesaria. 1.Par resistente prácticamente constante, potencia proporcional a la velocidad de rotación. Se establece normalmente, en mecanismos elevadores, bombas y compresores de émbolo que impulsen venciendo una presión constante, laminadores, cintas transportadoras, molinos sin efecto ventilador, máquinas herramientas con fuerza de corte constante. 2.El par resistente crece proporcionalmente con la velocidad de rotación y la potencia aumenta proporcionalmente con el cuadrado de la velocidad. 3.El par resistente crece proporcionalmente con el cuadrado de la velocidad de rotación, y la potencia con el cubo de la velocidad de rotación. Rige normalmente para bombas centrífugas ventiladores y soplantes centrífugos, máquinas de émbolo que alimenten una red de tuberías abiertas 4.El par resistente decrece en proporción inversa con la velocidad de rotación, permaneciendo constante la potencia. Solamente se considerará este caso para procesos de regulación, presentándose en los tornos y máquinas herramientas similares, máquinas bobinadoras y descortezadoras. Si la transmisión se ejecuta con correas o engranajes, el par resistente se reducirá a la velocidad de rotación del motor

23 Curva: Corriente velocidad en Motor Jaula de ardilla I = f (n) Durante un arranque directo el motor toma normalmente entre seis y ocho veces la corriente nominal, Esto se puede apreciar claramente en un gráfico corriente/velocidad. Aquí se observa cómo la corriente es inicialmente alta y va disminuyendo a medida que el motor acelera. Para cuando el motor alcanza la velocidad de régimen, la corriente se establece en el valor de corriente nominal. La corriente nominal que podemos encontrar en la chapa característica de un motor es la corriente que el motor toma de la red cuando está completamente cargado (entregando plena potencia ) y andando a velocidad nominal. Si la carga del motor es menor, la corriente también lo será y si el motor está sobrecargado, la corriente aumentará.

24 Curva: Corriente de arranque en Motor Velocidad I = f (n) I ~ U Tensión y corriente de arranque: Mediante la reducción de la tensión es posible adaptar la corriente de arranque a las características de la red (en tanto y en cuanto la carga lo permita). Curva: Tensión - par en Motor Jaula de ardilla M = f (U) M ~ U 2 Tensión y Par: Mediante la reducción de tensión, el arranque puede optimizarse de acuerdo a la aplicación posibilitando adaptar la curva de arranque del motor a la curva de la carga

25 Curva par motor - velocidad de un motor asincrónico ( por variación de velocidad )

26 Factor de potencia [ cos ] Rendimiento [ ] Curvas caracteristicas - Motor asincronico trifasico En los motores la potencia útil en el eje, la cupla desarrollada y la velocidad, son los factores preponderantes en todo análisis del funcionamiento Se presenta las principales curvas características en función de la cupla desarrollada en el eje M Intensidad de corriente [ I ] Par o Cupla [ M ]

27 Curvas caracteristicas - Motor asincronico trifasico Factor de potencia ( cos ) Bajas cargas FP (cos ) bajo No conviene hacer trabajar a los motores asincronicos trifasicos en vacio o con bajas cargas Par o Cupla La velocidad cae con el aumento de la cupla por lo que puede afirmarse que el motor es de poca variación de velocidad con la carga. Motor de características duras Cuando el motor cede mucho su velocidad al exigirle Cupla o potencia Motor de características blandas