CURSO DE MOTORES 04/05/09 MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

Transcripción

1 CURSO DE MOTORES 04/05/09 Impartido por: Rafael Díaz Villarejo Índice Conceptos de motor Los motores de corriente continua se clasifican según la forma como estén conectados, en: Motor Eléctrico Sin Escobillas o Brushless Además de los anteriores, existen otros tipos que son utilizados en electrónica: Motor Paso a Paso Servomotor Motor Sin Núcleo Motores de corriente alterna: Devanado inductor está en el estator Devanado inducido en el rotor Motor asíncrono monofásico Motores de jaula de ardilla Motor de doble bobinado Motor dahlender Motores con tres velocidades Arranque directo y protecciones motores ac Inversión de giro Arranque estrella-triangulo Arrancadores progresivos Variadores de velocidad Para la Selección de Motores (NEMA, ICE, CE, CEM)

2 Conceptos de Motor Fundamentos Máquina destinada a producir movimiento a expensas de otra fuente de energía. Motor eléctrico, térmico, hidráulico asíncrono. 1. m. Mec. motor cuya velocidad de rotación no se corresponde exactamente con la frecuencia de la corriente que lo alimenta. motor de arranque. 1. m. Mec. motor eléctrico auxiliar que pone en marcha a otro, generalmente de combustión interna. motor de explosión. 1. m. Mec. El que funciona por la energía producida por la combustión de una mezcla de aire y un carburante, como la gasolina, el gasóleo, etc. motor de reacción. 1. m. Mec. motor de combustión que origina un movimiento contrario al del chorro de los gases expulsados. motor diésel. (De R. Diesel, , ingeniero alemán; marca reg.). m. Mec. El de explosión que utiliza gasóleo como carburante, el cual se inflama por la compresión a que se somete la mezcla de aire y combustible en el cilindro, sin necesidad de bujías.

3 Fundamentos Regla de la mano derecha En el rotor de un motor cc no hay solamente un conductor sino muchos. Si se incluye otro conductor exactamente al otro lado del rotor y con la corriente fluyendo en el mismo sentido, el motor no girará pues las dos fuerzas ejercidas para el giro del motor se cancelan. Par motor en azul Fuerza en violeta Conductor con corriente entrante en el gráfico azul y rojo Imanes: N (norte) y S (sur) Las corrientes que circulan por conductores opuestos deben tener sentidos de circulación opuestos consiguiendo que el motor gire por la suma de la fuerza ejercida en los dos conductores. A mayor tensión, mayor corriente y mayor par motor. Aplicaciones Sectores Autom ovil Plastico Textil Técnica edificios Distribución Qimica Contrucción maquinaria Ind.Papel im prenta Alim entación Madera

4 Aplicaciones Ventiladores Bombas Cintas transporte Compresores Aplicaciones estándar Ventiladores Mezcladoras Fresadoras Molinos Aplicaciones de altas prestaciones

5 Partes de un Motor CC Estator. Generalmente en los motores de CC más pequeños, el estator está compuesto de imanes para crear un campo magnético y en los más grandes se logra con devanados de excitación de campo. Rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor cc y está compuesto de devanado. La corriente continua es suministrada al rotor por medio de las "escobillas" generalmente fabricadas de carbón. Motor Serie Un motor serie es un tipo de motor eléctrico de corriente continua en el cual el devanado de campo (campo magnético principal) se conecta en serie con la armadura. Este devanado está hecho con un alambre grueso porque tendrá que soportar la corriente total de la armadura. Flujo magnético proporcional a la corriente de armadura. Cuando el motor tiene mucha carga, el campo de serie produce un campo magnético mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsión mucho mayor. La velocidad de giro varía dependiendo del tipo de carga que se tenga (sin carga o con carga completa). Estos motores desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden acelerar cargas pesadas rápidamente

6 Motor Shunt El motor shunt o motor de excitación paralelo es un motor de corriente continua cuyo bobinado inductor principal está conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducido e inductor auxiliar. Las bobinas principales están constituidas por muchas espiras y con hilo de poca sección, por lo que la resistencia del bobinado inductor principal es muy grande. En el instante del arranque, el par motor que se desarrolla es menor que el motor serie, (también uno de los componentes del motor de corriente continua). Al disminuir la intensidad absorbida, el régimen de giro apenas sufre variación Motor Compound Motor de corriente continua cuya excitación es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar. Para impedir que la corriente absorbida en el arranque tome un valor excesivo, es preciso intercalar, en serie con el circuito del inducido, un reostato de arranque, cuya resistencia esté calculado para que la intensidad de corriente en el arranque se encuentre dentro de los valores reglamentado.

7 Motor Eléctrico Sin Escobillas o Brushless Un motor eléctrico sin escobillas es un motor eléctrico que no emplea escobillas para realizar el cambio de polaridad en el rotor. Los motores eléctricos solían tener un colector de delgas o un par de anillos rozantes. Estos sistemas, que producen rozamiento, disminuyen el rendimiento, desprenden calor y ruido, requieren mucho mantenimiento y pueden producir partículas de carbón que manchan el motor de un polvo que, además, puede ser conductor. Motor Eléctrico Sin Escobillas o Brushless Los primeros motores sin escobillas fueron los motores de corriente alterna asíncronos. Hoy en día, gracias a la electrónica, se muestran muy ventajosos, ya que son más baratos de fabricar, pesan menos y requieren menos mantemiento, pero su control era mucho más complejo. Esta complejidad prácticamente se ha eliminado con los controles electrónicos. El inversor debe convertir la corriente alterna en corriente continua, y otra vez en alterna de otra frecuencia. Otras veces se puede alimentar directamente con corriente continua, eliminado el primer paso. Por este motivo, estos motores de corriente alterna se pueden usar en aplicaciones de corriente continua, con un redimiento mucho mayor que un motor de corriente continua con escobillas. Algunas aplicaciones serían los coches y aviones con radiocontrol, que funcionan con pilas. Además de los anteriores, existen otros tipos que son utilizados en electrónica: Motor paso a paso Servomotor Motor sin núcleo

8 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Motores Universales Trabajan con voltajes de corriente continua o corriente alterna. Se utiliza en sierra eléctrica, taladro, utensilios de cocina, ventiladores, sopladores, batidoras y otras aplicaciones donde se requiere gran velocidad con cargas débiles o pequeña velocidad. Estos motores para corriente alterna y directa, incluyendo los universales se distinguen por su conmutador devanado y las escobillas. El circuito eléctrico tiene solamente una vía para el paso de la corriente, porque el circuito está conectado en serie. Tiene un torque excelente, No está construido para uso continuo o permanente. Las chispas del colector (chisporroteos) producen ruido. Esto se puede reducir por medio de los condensadores de paso, de 0,001 μf a 0,01 μf, conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando ésta a masa. Estos motores tienen la ventaja que alcanzan grandes velocidades pero con poca fuerza.

9 Motores Síncronos Símil motor síncrono Si hacemos girar un imán en forma de U a la velocidad ns alrededor de una aguja enmantada, esta girará a una velocidad n = ns motor _ síncrono 1 Motores Síncronos Los motores síncronos son un tipo de motor eléctrico de corriente alterna. Su velocidad de giro es constante y viene determinada por la frecuencia de la tensión de la red a la que esté conectado y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo"

10 Motores Síncronos Motores Síncronos En pequeños motores (<10kVA) Devanado inductor está en el estator Devanado inducido en el rotor formando tres fases con salida al exterior mediante anillos rozantes

11 Motores Síncronos En motores (desde 10kVA hasta 1500MVA) Devanado inductor está en el rotor, bien de forma concentrada (polos salientes) o bien en forma distribuida en ranuras (polos lisos o rotor cilíndrico). Devanado inducido en el estator formando tres fases. Motores Asíncronos Símil motor asíncrono Si hacemos girar un imán en forma de U a la velocidad ns alrededor de una masa circular metálica, esta girará a una velocidad n < ns motor _ asíncrono 2

12 Motores Asíncronos Motor asíncrono monofásico de baja potencia (de hasta 1CV) El estator se alimenta con una única tensión = no es posible generar un campo magnético giratorio (campo magnético pulsante) Teorema de Leblanc polos ficticios que giran en sentidos opuestos Polos concordantes giran en el sentido del rotor polos inversos giran en sentido inverso Motor monofásico no arranca por si solo debido a que el par inicial es el mismo en ambos sentidos Motores Asíncronos Arranque motor asíncrono monofásico Crear un campo giratorio bifásico aproximadamente disponiendo de dos devanado formando un ángulo de 90º y haciendo que las corrientes IA e I que pasan por los devanados estén desfasadas 90º.

13 Motores Asíncronos Motores Asíncronos Método de Fase Partida Se emplean dos devanados en el estator, devanado auxiliar y principal, ambos desfasados 90º eléctricos. Devanado principal: Cubre 2/3 de las ranuras, posee gran reactancia y baja resistencia Devanado auxiliar: Cubre 1/3 del estator, posee gran resistencia y baja reactancia conectándose en serie con un interruptor centrifugo situado en el eje del motor. No es capaz de soportar un funcionamiento continuo al estar realizado con un hilo delgado. En la práctica el ángulo alfa es próximo a los 30º y como los arrollamientos están desfasados 90º se produce un campo giratorio de naturaleza elíptica. Este campo produce el despegue del motor y cuando el motor alcanza el 70% de la velocidad nominal se desconecta el interruptor centrífugo.

14 Motores Asíncronos Mejora método de Fase Partida La mejora consiste en colocar un condensador en serie con el devanado auxiliar el cual consigue que las corrientes estén casi desfasadas 90º. Una vez arrancado el motor se puede desconectar el condensador( con un interruptor centrífugo montado en el eje por ejemplo) Motores Asíncronos Método de Espira de Sombra Se usa para motores muy pequeños. Estator de polos salientes Polos salientes divididos en dos partes, una de ellas con una bobina que lo abraza (espira de sombra) Las bobinas que abrazan una parte de los polos debilitan el campo cuando este crece y aguantan la magnitud del campo cuando este diminuye. El efecto que produce es el desplazamiento de los campos 45º produciendo un débil campo giratorio que facilite el arranque del motor. Diferentes fases del flujo resultante

15 Motores Asíncronos Campo magnético creado: Motores Asíncronos Motores de jaula de ardilla En un motor de jaula de ardilla, la velocidad de sincronismo (ns) y la velocidad asíncrona (n), se obtiene como: 60 f n s = r. p. m. p f: frecuencia de red 60 f n = ( 1 s ) r. p. m. p: nº de pares de polos p s: deslizamiento Para variar la velocidad se puede variar cualquiera de estos valores.

16 Motores Asíncronos Nº de pares de polos Con distintos arrollamiento en el estator, se pueden obtener 3 ó 4 velocidades distintas y constantes. Solo se obtienen velocidades múltiplos de la frecuencia de red. Deslizamiento El deslizamiento depende de la resistencia rotórica. Al aumentar la R se aumenta s y por tanto se disminuye la velocidad, pero se pierde potencia. Solo es posible en motores de rotor bobinado. Frecuencia de red Se realiza con convertidores estáticos de frecuencia. Es posible una variación lineal en un amplio margen, independientemente de la carga del motor. Motores Asíncronos Motor trifásico-monofásico Consideraciones a tener en cuenta : La potencia reduce un 20 % y 10 % de la nominal del motor. La capacidad del condensador debe ser aproximadamente de 70 uf por Kw. A una tensión de 220 V. La tensión de servicio del condensador será de 1,25 veces la nominal. El par de arranque se reduce entre el 40 y el 50 % del que tiene el motor en su conexión trifásica. En trifásico, el factor de potencia es bueno. Salvo lo indicado, el motor funciona como si fuera trifásico

17 Motores Asíncronos Motores Asíncronos

18 Motores Asíncronos Motor de doble bobinado Se instalan en las ranuras estatóricas dos devanados independientes y con diferente número de pares de polos. Motores Asíncronos Motor Dahlender: Motor de dos velocidades con un solo bobinado por fase, pero dividido en dos mitades iguales con una toma intermedia. Según la conexión que se realice en la placa de bornes, se crean p ó 2 pares de polos, y por tanto se obtiene dos velocidades con una relación 2:1.

19 Motores Asíncronos Variantes en la conexión Dahlender: - λλ (triángulo - doble estrella) Es el más utilizado El par es constante en las dos velocidades Si la placa de bornes lo permite (9 bornes), es posible un arranque λ - a velocidad baja λλ - (doble estrella - triángulo) Se consigue una potencia constante en las dos velocidades λ - λλ (estrella - doble estrella) El par aumenta con n2 La potencia aumenta con n3 Se utiliza típicamente en ventiladores En todas las variantes la relación de velocidades es siempre 2:1 Motores Asíncronos Motores con tres velocidades: Se pueden conseguir tres velocidades con tres arrollamientos separados. No es habitual. Solo si se necesita que no exista relación entre n1, n2 y n3. Lo más normal para conseguir tres velocidades, es un arrollamiento simple, más un arrollamiento en conexión Dahlanader. Existen tres posibilidades La conexión simple suele ir en estrella. La placa de bornes debe tener al menos 9 conexiones. Dos velocidades (conexión Dahlander) estarán en relación 2:1 Ejemplos 3000/1500/1000 rpm 2/4/6 pares de polos D2/D1/S 1500/1000/750 rpm 4/6/8 pares de polos D2/S/D1 1500/1000/500 rpm 4/6/12 pares de polos S/D2/D1

20 Motores Asíncronos Características de un motor Incluso el mismo fabricante dispone de diferentes diseños de placas: Características mecánicas: Motor trifásico de JAULA DE ARDILLA (1LA). Protección mecánica: IP 55. Forma constructiva: IM B5. Norma de construcción europea: IEC/EN Tipo de aislamiento: Th. Cl. F. Características eléctricas: El resto de datos de la placa, corresponden a normativas y nomenclatura propia del fabricante. El tipo de motor que es en realidad, no lo indica la placa, es decir, estamos obligados a consultar sus catálogos. Control de motores Función Control en servicio Intensidad limitada Velocidad variable Velocidad constante Control en arranque y parada Intensidad limitada Convertidor de frecuencia Arrancador suave ON / OFF Arrancador estrella-triángulo Arrancador-inversor Arrancador directo Arranque por resistencias estatóricas o rotóricas Arranque por autotransformador Precio

21 Control de Motores Arranque directo y protecciones motores ac Control de Motores Inversión de giro

22 Control de Motores Arranque estrella-triangulo Control de Motores Arranque estrella-triangulo

23 Control de Motores Arranque por resistencias estatóricas Control de Motores Arranque por resistencias estatóricas

24 Control de Motores Arranque por resistencias rotóricas Arranque manual: Control de Motores Arranque por resistencias rotóricas Arranque con contactores (más inversión de giro):

25 Control de Motores Arranque por resistencias rotóricas Arranque con contactores (más inversión de giro): Control de Motores Arranque por autotransformador

26 Control de Motores Arrancadores progresivos Altas Prestaciones Estándar Impartido por: Rafael Díaz Villarejo 2008 Control de Motores Motivo Necesidades del control de arranque y velocidad de los motores Eliminación de picos de corriente y golpes de par en el arranque Optimización de costes (Protecciones, desgastes) Funciones de protección (por ej. Sobrecarga del motor ) Comunicaciones (por ej. Profibus DP) Variadores de frecuencia

27 Control de Motores Variadores de Frecuencia Altas Prestaciones Estándar Impartido por: Rafael Díaz Villarejo Control de Motores Selección de Motores y Variadores PAR PAR LINEAL CRECIENTE V/F PAR VARIABLE CRECIENTE PAR VARIABLE DECRECIENTE PAR CONSTANTE HZ

28 Características Para la Selección de Motores (NEMA, ICE, CE, CEM) Características Para la Selección de Motores IEC (International Electrotechnical Commission) NEMA (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (E.U.)) Estándares de protección NEMA e IP NEMA 4. Sellado contra el agua y polvo. Los gabinetes tipo 4 están diseñados especialmente para su uso en interiores y exteriores, protegiendo el equipo contra salpicaduras de agua, filtraciones de agua, agua que caiga sobre ellos y condensación externa severa. Son resistentes al granizo pero no a prueba de granizo (hielo). Deben tener ejes para conductos para conexión sellada contra agua a la entrada de los conductos y medios de montaje externos a la cavidad para el equipo. NEMA 4. Sellado contra agua y resistente a la corrosión. Los gabinetes tipo 4 tienen las mismas características que los tipo 4, además de ser resistentes a la corrosión. NEMA 12. Uso industrial. Un gabinete diseñado para usarse en industrias en las que se desea excluir materiales tales como polvo, pelusa, fibras y filtraciones de aceite o líquido enfriador.

29 Características Para la Selección de Motores El resto de los tipos de NEMA pueden denominarse a grandes rasgos: Características Para la Selección de Motores NEMA VS IP La siguiente es una referencia cruzada para comparar los estándares IP y NEMA. Es una comparación aproximada solamente y es la responsabilidad del usuario verificar el nivel de protección necesario para cada aplicación.

30 Características Para la Selección de Motores Montaje con patas NEMA IEC,Code I IEC,Code II F-1 IMB3 IM 1001 F-2 IMB3 IM 1001 Características Para la Selección de Motores Montaje con bridas

31 Características Para la Selección de Motores Dimensiones Standarizadas-> Permite el intercambio entre distintas marcas Toda la información necesaria para acoplar el motor mecánicamente a la máquina accionada Características Para la Selección de Motores Vida Útil / Ciclos de trabajo Depende del Servicio y del Entorno Influencias: Arranques Frecuentes Variaciones de Velocidad Oscilaciones Pendulares Inversiones del sentido de giro Sobrecargas Térmicas Oscilaciones de Temperatura Condiciones Ambientales: Suciedad, Humedad, Altitud, Atmósferas Explosivas o Agresivas, Sacudidas Componentes con vida limitada: Bobinados Cojinetes o rodamientos Anillos rozantes / Colectores de delgas Paquete magnético

32 Características Para la Selección de Motores Tipos de aislamiento Características Para la Selección de Motores Tipos de servicios normalizados Servicio permanente S1: Carga constante, Duración suficiente para alcanzar el equilibrio térmico. Servicio de corta duración S2: Carga constante, Duración no suficiente para alcanzar el equilibrio térmico. Parada muy larga. Servicio intermitente sin influencia del arranque S3 Servicio intermitente con influencia del arranque S4: Las pérdidas y su duración hacen que la fase de arranque no pueda ignorarse. Servicio intermitente con influencia de frenado y arranque S5: Frenado eléctrico con devolución del potencia a la red Servicio intermitente con giro permanente y ciclos alternados de la máquina en carga y en vacío S6 Servicio ininterrumpido con arranques y frenados eléctricos S7 Servicio ininterrumpido con variaciones periódicas de velocidad S8

33 Características Para la Selección de Motores Selección Inicial Datos necesarios: Par resistente de la máquina accionada Inercia de la máquina accionada Rango de velocidades Variaciones cíclicas de potencia Rendimiento de la máquina accionada Sentido de giro Condiciones ambientales del lugar de instalación Número de arranques por hora. Tiempo de conexión Tensión de alimentación (230V / 400Vλ; 400V / 690Vλ; 500Vλ, 500V ). Capacidad de la red y limitación de la corriente de arranque Coste energético de la energía activa y reactiva Características Para la Selección de Motores Selección Inicial Maquinas textiles ligeras, mezcladoras Vehículos de transporte de personas Ventiladores de potencia pequeñas, bombas centrifugas, cintas trasportadoras ligeras Ventiladores, elevadores, turbocompresores, cintas almacenadoras Prensas rotativas, accionamientos de ejes de maquinas herramientas, maquinas de papel Mezcladoras hormigón tambores secado, bombas alternativas, compresores de baja irregularidad, molinos de cemento, sierras Irregularidad de par resistente 1.poco oscilante 2.muy oscilante 3.golpes de par 4.fuertes golpes de par Frecuencia de arranque 1.ocasionales 2.frecuentes 3.muy frecuentes Inercia 1.pequeña 2.media 3.grande 4.muy grande Lavadoras, ejes de barcos, extrusoras, bornes giratorios Cambios de rodillos de trenes de laminación Mecanismos de elevación y giro en grúas, manipuladores, trenes de laminación reversibles, líneas de corte de chapa, bobinadoras de cable Astilladotas de madera, bombas alternativas de alta irregularidad, molinos de martillos, accionadotes válvulas Cilindros de secado y alisado, calandras de papel, martillos, laminadoras de goma, sierras circulares Prensas, mecanismos de translación de grúas Bobinadoras de papel, sierras transversales Machacadores de piedra, compresores alternativos sin volante Caminos de rodillos pesados, trenes blooming-stabbing Maquinas de envasar, maquinas de embotellar Accionamientos de posición de maquinas herramientas, aproximación de rodillos de laminar

34 Características Para la Selección de Motores Selección Inicial Catálogos de fabricantes Placa de características Designación de bornes y conexión Corriente consumida (nominal) Potencia nominal Clase de aislamiento Calentamiento nominal Velocidad a plena carga Nombre del fabricante Número de serie y año de fabricación Características Para la Selección de Motores Selección Inicial

35 Características Para la Selección de Motores Despiece Motor ELECCIÓN Tabla 1 características de los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla de acuerdo con la clasificación en letras NEMA. Clase NEMA Par de arranque (# de veces el nominal) Corriente de Arranque Regulación de Velocidad (%) Nombre de clase Del motor A B C D F , 8-13 mayor de 5 Normal De propósito general De doble jaula alto par De alto par alta resistencia De doble jaula, bajo par y baja corriente de arranque.

36 Cálculos Potencia Movimiento Rotativo Bomba Centrífuga Ventilador CURSO DE MOTORES 26/02/08 Gracias por su atención