INSTITUTO NACIONAL TECNOLÓGICO DIRECCIÓN GENERAL DE FORMACION PROFESIONAL DEPARTAMENTO DE CURRÍCULO

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1 INSTITUTO NACIONAL TECNOLÓGICO DIRECCIÓN GENERAL DE FORMACION PROFESIONAL DEPARTAMENTO DE CURRÍCULO MANUAL PARA EL PARTICIPANTE DEVANADO DE MOTORES TRIFASICO ESPECIALIDAD: Electricidad INSTRUCTOR: Roberto José Oviedo Díaz MODO DE FORMACION: Aprendizaje Marzo,

2 INSTITUTO NACIONAL TECNOLÓGICO (INATEC) DEPARTAMENTO DE CURRÍCULUM Unidad de Competencia: Devanado de Maquinas Eléctricas Elementos de Competencias: Devanado de Motores Trifásicos Marzo,

3 ÍNDICE Introducción... 5 Objetivo General... 5 Objetivos Específicos... 5 Recomendaciones Generales... 6 UNIDAD I: INTRODUCCION AL DEVANADO DE MOTORES TRIFASICOS INTRODUCCION FUNCIONAMIENTO Y ESTRUCTURA DEL MOTOR TRIFASICO CLASIFICACION DE LOS MOTORES ASINCRONICOS TRIFASICOS Motores de rotor tipo jaula de ardilla Motores de rotor bobinado y anillos rozantes CONEXION DE MOTORES TRIFASICOS PARA VARIAS TENSIONES Bobinado en conexión triángulo (A) Bobinado en conexión estrella COMPONENTES DE UN ARROLLAMIENTO DATOS PARA LA EJECUCION DE UN ARROLLAMIENTO Etapas del bobinado de una máquina rotativa Plan de arrollamiento TIPOS DE BOBINADO Devanados Concéntricos: Tipo Semicorona Devanados excéntricos (Imbricados): Tipo corona Conexión de los bobinados Conexión por polos consecuentes Conexión por polos normales CÁLCULO Y DISTRIBUCION DE LOS BOBINADOS DE MOTORES TRIFASICOS Cálculo y distribución de un arrollamiento de motor trifásico con devanado concéntrico (bobinado semi-corona): Cálculo y distribución de un arrollamiento de motor trifásico con devanado excéntrico (Bobinado corona) CALCULO DE UN MOTOR TRIFASICO A PARTIR DEL HIERRO Definición de la potencia nominal de un motor asincrónico trifásico Método # 1 (con placa de característica) Datos de la placa y dimensiones del núcleo Calcular el número de conductores por ranuras Para calcular la sección del conductor Método # 2 (sin placa de característica) Fundamentos Selección de los parámetros de cálculo Factor de potencia: Pérdidas en el hierro: Capacidad de sobrecarga: Densidad eléctrica total Proceso de cálculo MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS DE VARIAS VELOCIDADES Fundamentos de la conexión para un motor de dos velocidades con un solo bobinado (Motor en conexión Dahlander) Normas para la ejecución de un bobinado en conexión Dahlander Hay dos posibilidades para conectar los devanados en altas y en bajas velocidades Motor de dos devanados independientes en el estator

4 Motores de dos arrollamientos independientes conectados cada uno en conexión Dahiander MOTORES TRIFASICOS CON BOBINADO FRACCIONARIOS Bobinados simétricos Proceso de cálculo para un bobinado fraccionario EJERCICIOS DE AUTO EVALUACIÓN GLOSARIO BIBLIOGRAFÍA

5 Introducción El manual del participante Devanado de Motores Trifásicos, pretende que los(as) participantes adquieran las destrezas y habilidades necesarias para devanar máquinas rotativas o motores trifásicos en la practica, aplicando procedimientos técnicos. El manual contempla dos unidades modulares, presentadas en orden lógico lo que significa que inicia con los elementos más sencillos hasta llegar a los más complejos. El manual del participante está basado en sus módulos y normas técnicas respectivas y corresponde a la unidad de competencia Devanador de Maquinas Eléctricas de la especialidad de técnico en electricidad y se abordará en un total de 320 horas. Se recomienda realizar las actividades y los ejercicios de auto evaluación para alcanzar el dominio de la competencia: Devanador de motores trifásicos. Para lograr los objetivos planteados, es necesario que los(as) y las participantes tengan en cuenta los tipos de devanado que se efectúan en un motor Trifásico y las diferentes operaciones de trabajo que se realizan para lograr la objetividad de acuerdo a las normas técnicas y de seguridad establecidas. Objetivo General Realizar devanado de motores monofásicos de uso industrial de acuerdo a sus aplicaciones técnicas Objetivos Específicos Explicar correctamente principio de funcionamiento del motor monofásico a partir de aplicación de los fenómenos electromagnético. Enumerar correctamente partes en que está compuesto un motor monofásico de acuerdo a su estructura y funcionamiento. Calcular correctamente devanado de un motor monofásico, aplicando métodos normalizados. Devanar correctamente bobinados de motores Monofásicos, aplicando normas y procesos estandarizados. 5

6 Recomendaciones Generales Para iniciar el estudio del manual, debe estar claro que siempre tu dedicación y esfuerzo te permitirá adquirir la unidad de competencia a la cual responde el Módulo Formativo de devanado de motores trifasicos. Al iniciar el estudio de los temas que contiene el manual, debe estar claro que tu dedicación y esfuerzo te permitirá adquirir la competencia a la cual responde el módulo formativo. Al comenzar un tema, debes leer detenidamente los objetivos y recomendaciones generales. Trate de comprender las ideas y analícelas detenidamente, para la realización objetiva de los ejercicios de auto evaluación. Consulte siempre al instructor, cuando necesite alguna aclaración. Amplíe sus conocimientos con la bibliografía indicada u otros textos que estén a su alcance. A medida que avance en el estudio de los temas, vaya recopilando sus inquietudes o dudas sobre éstos, para solicitar aclaración durante las sesiones de clase. Resuelva responsablemente los ejercicios de auto evaluación. 6

7 UNIDAD I: INTRODUCCION AL DEVANADO DE MOTORES TRIFASICOS 1.- INTRODUCCION Los motores asíncronos o motores de inducción son las máquinas de impulsión eléctrica más utilizadas, ya que son sencillos, seguros y baratos. El mayor campo de aplicación de estos motores es en el accionamiento de: Taladradoras tornos, cepilladoras, sierras circulares, fresadoras, etc. 2. FUNCIONAMIENTO Y ESTRUCTURA DEL MOTOR TRIFASICO En los motores asincrónicos trifásicos, la energía eléctrica se suministra al bobinado del motor, el cual está colocado en un núcleo de chapas de hierro dulce o de acero al silicio. Estas máquinas se componen básicamente de las siguientes partes: A) La carcasa: La cual contiene un paquete de chapas magnéticas (núcleo) en cuyas ranuras se coloca el devanado formado por una serie de bobinas separadas o despiezadas entro sí 120 eléctricos en el paquete de chapas magnéticas del estator. B) Bobinado: En dicho devanado formado por tres grupos de bobinas desplazadas por 120 grados eléctricos se genera la corriente eléctrica trifásica suministrada por la red de alimentación que representa las tres corrientes alternas con desfasamiento temporal de 120 grados eléctricos encadenados creando un campo de rotación electromagnético. Dicho campo de rotación gira con un número de revoluciones que depende del número de polos en el estator y de la frecuencia de la red. A la vez el sentido de giro de este campo depende del orden de sucesión de lar; fases con respecto a las corrientes en las bobinas, puse este sentido de giro se puede invertir cuando se intercambian dos fases de alimentación. 7

8 3.- CLASIFICACION DE LOS MOTORES ASINCRONICOS TRIFASICOS Los motores asincrónicos se clasifican según el tipo de rotor: a) Motores de rotor tipo jaula de ardilla b) Motores de motor bobinado y anillos rozantes Motores de rotor tipo jaula de ardilla El motor asíncrono trifásico con rotor en cortocircuito se conoce también como motor trifásico con rotor de jaula o como motor trifásico con inducido en cortocircuito. En el paquete de chapas magnéticas del inducido se tienen varillas de cobre o aluminio puestas en cortocircuito en las salidas correspondientes del paquete de chapas por medio de un anillo de cortocircuito; las varillas y el anillo de cortocircuito forman una jaula. El campo de rotación del estator induce una tensión en las varillas del rotor. Debido a los anillos de cortocircuito, circula por el rotor una corriente de inducción. La corriente del rotor forma con el campo rotatorio del estator un par motor. El número de revoluciones del rotor es siempre menor que él del campo rotatorio al ceder el par motor, es decir, los dos números de revoluciones son asincrónicos. De lo anterior deducimos lo siguiente: Sobre el rotor de un motor aparece un par que actúa en el sentido del campo giratorio; girando este con una frecuencia menor que la del campo magnético (asincrónicamente). Dicho sentido de giro del rotor solo puede invertirse cambiando el sentido de giro del campo magnético 8

9 3.2.- Motores de rotor bobinado y anillos rozantes El motor de anillos rozantes también pertenece al grupo de los motores asíncronos trifásicos. La estructura y el funcionamiento concuerdan con la estructura y funcionamiento de las máquinas asíncronas trifásicas, exceptuando la estructura del rotor. En el paquete de chapas magnéticas se encuentra el carrete del rotor. Consta, casi siempre, de tres devanados en conexión en estrella. El punto-estrella está conectado en el interior del carrete. Los extremos de los devanados se conducen por tres anillos colectores montados aisladamente sobre el eje del 9

10 rotor. Por medio de tres escobillas de carbón y sus correspondientes líneas, los anillos rozantes están conectados con el tablero de bornes del rotor montado adicionalmente. Las caracterizaciones de conexión son K, L y M. Las máquinas-herramientas pesadas y muy pesadas con regulación limitada del número de revoluciones o los accionamientos con alto momento de arranque, tales como funiculares aéreos, centrifiguradoras, aparejos y grandes ventiladores, se equipan con motores trifásicos de anillos rozantes. Con el correspondiente arranque, se puede lograr que la corriente de arranque sea casi igual a la corriente de servicio; por tanto, el campo de aplicación son accionamiento en redes que no permiten altas corrientes de arranque. Como ventaja de este tipo de motor, sobre el motor de rotor en cortocircuito es el hecho de que es posible variar la velocidad, variando la resistencia del circuito del rotor, conectando resistencias adicionales los principios del devanado del rotor o sea a los terminales K, L y M. ya que estos son accesibles desde el exterior a través de los anillos rozantes. 4.- CONEXION DE MOTORES TRIFASICOS PARA VARIAS TENSIONES Básicamente para la conexión de un motor trifásico existen dos formas de conectar su bobinado; estas son: - Bobinado en conexión triángulo (Delta). - Bobinado en conexión estrella Bobinado en conexión triángulo (A) Esta conexión consiste en conectar las fases del motor de la forma siguiente. 10

11 El comportamiento de las magnitudes de la tensión y la intensidad es la siguiente: Para la tensión eléctrica tenemos: Se dice que la tensión de línea en un motor trifásico en conexión triángulo es igual a la tensión de fase. Para la intensidad de corriente eléctrica tenemos: Se dice que la corriente eléctrica de línea en un motor trifásico igual a 1.73 veces por la intensidad de fase. en conexión delta es 11

12 4.2.- Bobinado en conexión estrella Esta conexión en un motor trifásico consiste en unir los finales de las fases (U2, V2, W2), (4, 5, 6); (X, Y, Z) en un solo punto quedando libre los principios (U1, V1, W1); (1, 2, 3); (U, V, W) los cuales se conectaran a la red de alimentación trifásica. El comportamiento de las magnitudes de la tensión y la intensidad es la siguiente: Para la tensión eléctrica tenemos: Se dice que la tensión de línea en un motor trifásico en conexión estrella es igual a: 12

13 5.- COMPONENTES DE UN ARROLLAMIENTO Los arrollamientos están formados por el conjunto menos complejos. Están compuestos a la vez por otras partes más conductor elemental que en la mayoría de los casos de esmalte de aislante. Bobinas: En la práctica el elemento del arrollamiento más sencillo es la bobina simple. Una bobina simple esta constituida por un hilo conductor provisto por un aislante, que es arrollado sobre si mismo un número previsto de veces (vueltas, espiras). Es característica de una bobina, simple que el conductor o su forma es continuo, solamente tiene un principio y un final; sin ninguna conexión intermedia, o añadiduras. Una bobina consta de dos terminales, dos lados de bobina y dos cabezas de bobinas. Lados de bobina: Son los dos extremos que se incrustan en la ranura del rotor o del estator, ambos lados tienen el mismo lado de conductores y coinciden con el número de vueltas, es en este lugar donde se genera tensión eléctrica en el caso de los generadores. Cabezas de bobinas: Son las partes salientes de las bobinas y las cuales tienen como función unir los lados de las bobinas exclusivamente con lo cual se logra la suma de las tensiones generales (caso del generador) o se transmite corriente a la siguiente espira en el caso de los motores. 13

14 Conexiones entre bobinas: Al igual que cualquier conductor dos o más bobinas se pueden conectar en serie, en paralelo o con derivación central para más de una velocidad. 6.- DATOS PARA LA EJECUCION DE UN ARROLLAMIENTO Etapas del bobinado de una máquina rotativa El proceso de bobinado de una máquina eléctrica rotativa consta en la mayoría de os casos en tres (3) etapas bien diferenciadas. A) Construcción de las bobinas y de los grupos que compondrán el arrollamiento total. B) Preparación y aislamiento de las ranuras de las máquinas, donde se alojaran los lados de las bobinas. C) Colocación de las bobinas y conexión de las mismas. Para poder realizar cada una de las etapas mencionadas el bobinador precisa conocer una serie de datos previos al arrollamiento, tales como: Diámetro de los conductores y clase de aislamiento que lleva Número de conductores por bobina Dimensiones de las bobinas y forma geométrica Número de bobinas y grupos de bobinas Paso del devanado Esquema de las conexiones a realizar y distribución del bobinado Dimensiones de las ranuras Plan de arrollamiento Es una representación esquemática dibujada en un plano de las ranuras del rotor o del estator donde se han de insertar los devanados. Así como las de las bobinas y grupo tal como quedarán dispuestas al concluir el arrollamiento, indicando también las conexiones pertinentes Clasificación de los arrollamientos de corriente alterna Los devanados de estator de los motores de inducción pueden clasificarse en dos categorías básicas: - Devanados para ranuras semicerradas - Devanados para ranuras abiertas Puede decirse que se tiende a favorecer el uso de ranuras semicerradas, con lo cual se obtiene un mejor aprovechamiento del material magnético, mientras que desde el punto de vista de la fabricación podría considerarse que es más fácil el embobinado cuando las ranuras están completamente abiertas, y que resulta más sencilla la colocación de las bobinas. 14

15 En la práctica se emplea el primer tipo de devanado en motores hasta de 300 hp. que trabajen a baja tensión, lo cual lo hace el tipo más ampliamente aplicado. En motores de mayor capacidad o para tensiones superiores a 600 y. es necesario utilizar bobinas preformadas con la particularidad de que solo pueden insertarse en ranuras abiertas. Este último sistema tiene la ventaja se que las bobinas quedan perfectamente aisladas antes de su colocación en las ranuras y de que el área neta de cobre dentro de una ranura es mucho mayor que en el caso de ranuras semicerrada lo cual tiende a compensar la pérdida en la superficie de laminaciones en el entrehierro. Esta pérdida resulta de abrir la ranura y afecta a la capacidad que puede obtenerse de las laminaciones dadas. Los arrollamientos de corriente alterna para motores trifásicos de ranuras semicerradas se clasifican en dos tipos. a) Devanados concéntricos (1/amado también devanado semicorona) b) Devanado excéntricos (llamado también devanado corona o imbricados). 7.- TIPOS DE BOBINADO En el tema anterior clasificamos los arrollamientos de corriente alterna para motores trifásicos de ranuras semicerradas en dos tipos: a) Los devanados concéntricos, también llamados devanados semicorona. b) Devanados excéntricos, también llamados devanados corona o imbricados. A continuación explicaremos cada uno de estos devanados, Devanados Concéntricos: Tipo Semicorona Es cuando los lados activos de una misma fase, situados frente a polos consecutivos son unidos por cabezas concéntricas, formando así verdaderos grupos de bobinas. Por razones de economía, muchos motores se devanan en forma automática, lo cual suele limitarse a casos con número entero de ranuras por polo y fase, y prácticamente obliga a utilizar devanados concéntricos de los cuales hay una gran variedad. Los más empleados son los siguientes: Devanado de cadena Devanado concéntrico común Devanado concéntrico equivalente al de paso completo 7.2- Devanados excéntricos (Imbricados): Tipo corona Es cuando los lados activos de una misma fase, situados frente a polos consecutivos, son unidos mediante un solo tipo de cabezas, de forma que el bobinado está constituido por un determinado número de bobinas iguales. 15

16 Este tipo de devanado se emplea en el estator de la mayor parte de los motores de inducción. Dentro de este segundo grupo es preciso distinguir los tipos siguientes: Bobinados imbricados de una capa por ranura Bobinados imbricados de dos capas por ranuras Bobinados ondulados de dos capas, llamados también de barras Conexión de los bobinados Para la conexión de los diferentes tipos de bobinados, estudiados en el tema anterior. Tenemos que estos podemos conectarlos de la siguiente manera: Conexión por polos consecuentes. Conexión por polos normales. Conexión por polos consecuentes Se dice que un bobinado es por polos consecuentes cuando existen por cada fase tantos grupos de bobinas como la mitad del número de polos, es decir, tantos grupos como pares de polos. Un ejemplo de este bobinado es la siguiente figura. En este tipo de bobinado, la corriente tiene un solo sentido por lo general solo existe un lado de bobina por ranura. 16

17 Para conseguir que un bobinado sea semi-corona polos consecuentes se debe reunir las siguientes condiciones: Se debe alojar un lado de bobina por ranura La conexión entre grupos de bobinas de una misma fase se deben unir fin con principio y principio con fin de tal forma que la corriente fluirá a un solo sentido. Conexión por polos normales Se dice que un bobinado es por polos cuando por cada fase hay tantos grupos de bobinas como número de polos. Ejemplo de este bobinado es la siguiente figura. En este tipo de bobinado la corriente tiene dos sentidos contrarios entre grupos contrarios de la misma fase. Por lo general se encuentran siempre dos lados de bobinas por ranuras. Es casi normativo encontrar solamente bobinas cuyos pasos es constante entre sus dos lados activos. Para conseguir que un bobinado sea CORONA de polos NORMALES debe conservar las siguientes características: En cada ranura se deben de alojar únicamente dos lados de bobinas. La conexión entre grupos de bobinas de la misma fase debe hacerse así: Se unirá el final del primer grupo con el final del segundo grupo, el principio de éste con el principio del tercer grupo, el final de éste con el final de cuarto y así sucesivamente. 8.- CÁLCULO Y DISTRIBUCION DE LOS BOBINADOS DE MOTORES TRIFASICOS Con anterioridad estudiamos las características particulares de los bobinados concéntricos y excéntricos, los cuales a su vez pueden ser de una capa o de dos capas, no importando la conexión del bobinado, ya que sabemos que estos se pueden conectar en: conexión por polos consecuentes o conexión por polos normales. A continuación estudiaremos el proceso de cálculo y distribución de cada uno de estos bobinados Cálculo y distribución de un arrollamiento de motor trifásico con devanado concéntrico (bobinado semi-corona): * Bobinados concéntricos por polos * Bobinados concéntricos por polos consecuentes 17

18 Los datos necesarios para calcular un bobinado concéntrico polifásico son: = Número de polos de la máquina q = Número de fases K = Número de ranuras del estator El proceso de cálculo de un bobinado concéntrico es el siguiente: A) De acuerdo con los números de fases y polos se elegirá la clase de bobinado concéntrico: * Bobinado concéntrico por polos (solamente para dos polos) * Bobinado concéntrico por polos consecuentes (4,6... polos) El bobinado concéntrico por polos puede ser con bobinas distribuidas y por polo Consecuentes con bobinas agrupadas. B Elegida la clase de bobinado se comprobara la posibilidad de ejecución dada por la siguiente formula * Para los bobinados concéntricos por polos tenemos lo siguiente El número de ranuras por polo y fase (Kpq) debe ser un número entero ya sea par o impar. Si el número es par: Todos los grupos tendrán el mismo número de bobinas Si el número es impar: Recurrir a una de las dos soluciones siguientes: Solución A Preparar todos los grupos iguales, pero con la bobina exterior formada por la mitad del número de espiras por ranura y colocar en determinadas ranuras dos medias bobinas exteriores pertenecientes a grupos vecinos de la misma fase. * Para los bobinados concéntricos por polos consecuentes tenemos lo siguiente: Es conveniente que el número de ranuras por polo y fase tengan un valor entero, sea par o impar. Sin embargo en algunas ocasiones se presentan bobinados por polos consecuentes cuyo, número de ranuras por polo y fase tiene un valor entero más media unidad. Ejemplo de esto puede ser Kpq = 2.5; 35; 1.5. Tal bobinado puede ser ejecutado por medio de la solución siguiente: Preparar todos los grupos iguales pero con su bobina exterior formada por la mitad del número de espiras por ranura y disponiendo en determinadas ranuras dos medias bobinas exteriores pertenecientes a fases distintas. 18

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20 E) Conocido el número de bobinas por grupo determinar la amplitud de grupo el cual consiste en el número de ranuras que se encuentran en el interior de dicho grupo. Ejemplo de amplitud de grupo. 20

21 G) Elegir los principios de las fases; para lo cual se preparará la tabla de principios, calculando el valor del paso de entradas mediante la fórmula siguiente: A continuación realizaremos tres ejercicios, aplicando el proceso de cálculo para el bobinado concéntrico. Ejemplo 1: Calcular el bobinado concéntrico de un motor trifásico de 4 polos de 48 ranuras. a) Este bobinado será ejecutado por polos consecuentes por ser trifásico multipolar. 21

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27 8.2.- Cálculo y distribución de un arrollamiento de motor trifásico con devanado excéntrico (Bobinado corona). Sabemos que los bobinados excéntricos pueden ser imbricados y ondulados, ejecutándose indistintamente, en una o dos capas por ranuras. Pero a la vez los bobinados excéntricos pueden ser enteros o fraccionarios según resulte el valor de) número de bobinas por grupo. 27

28 En esta clase estudiaremos los bobinados excéntricos enteros de una capa y dos capas. A) Proceso de cálculo de un bobinado imbricado de una capa (corona de una capa) (bobinado ingles) Los datos necesarios son: El proceso de cálculo es el siguiente: 1.) Determinar el número de ranuras por polos y fase. 2.) Determinar el número de bobinas. 3.) Determinar el número de grupos del bobinado. 4.) Determinar el número de bobinas que forman un grupo. 5.) Determinar l paso de ranura el cua debe ser forzosamente una cantidad IMPAR. 6) Elegir los principios de las fases; para lo cual se prepara la tabla de principios; calculando el valor de paso de entrada mediante la fórmula siguiente. 28

29 A continuación realizaremos das ejercicios, aplicando el proceso de cálculo para el bobinado excéntrico. Ejemplo # 3: Calcular el bobinado excéntrico (tipo corona) de un motor trifásico de 24 ranuras para cuatro polos de una capa. 1) Número de ranuras por polo y fase 29

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36 9.- CALCULO DE UN MOTOR TRIFASICO A PARTIR DEL HIERRO Influencia de bobinado en las características del nuevo motor Las características de un motor de inducción depende de una porción de condiciones diferentes. Debe ser capaz de arrancar sin tomar una corriente anormal del circuito de alimentación. De ser capaz de desarrollar la plena carga, durante el funcionamiento, con una elevación de temperatura y un factor de potencia razonables. Debe tener un buen rendimiento, es decir, no debe tomar del circuito de alimentación una cantidad de energía excesiva con relación a la correspondiente al trabajo que desarrolla. Debe haber la mayor distancia posible entre las partes fija y móvil con objeto de aumentar la duración de los cojinetes. Debe tener una capacidad de sobrecarga momentánea de uno y medio a dos veces el par normal de plena carga sin disminuir anormalmente la velocidad o pararse. Y debe poseer todas estas cualidades sin producir un ruido anormal, debido a la situación magnética o a la ventilación. 36

37 Algunas de estas características puede ser mejorada a expensas de otras, como, por ejemplo, es posible obtener un factor de potencia elevado a expensas de construir el motor con una pequeña separación entre el rotor y el estator, así como alcanzar un rendimiento alto a costas de un par de arranque pequeño y de una corriente de arranque grande. Por esta razón, en la venta de motores, el vendedor se limita a menudo en su propaganda a hacer resaltar los puntos más favorables del tipo que ofrece y los puntos desventajosos son someramente indicados; pero al hacer una verdadera comparación de las relativas ventajas de dos tipos de motores en competencia deben ser considerados todos estos puntos, dándoles a cada uno el valor debido en vista del servicio a que debe estar destinado el motor. Se comprende que todas estas características son afectadas de varias maneras por las diferentes condiciones del motor de que se trata; esto es, por la relación entre la longitud y el diámetro del motor, o por el número de ranuras o la calidad y espesor de las planchas de acero empleadas u otras circunstancias por este estilo; pero la que tiene mayor influencia y puede ser fácilmente modificada es el número de espiras del estator o arrollamiento primario. Al ocuparse de este detalle que es de principal importancia es conveniente representarse mentalmente lo que ocurre a cada característica del motor al variar la sección de los conductores o el número de espiras en el primario. Al estudiar a fondo las características estas las analizaremos de forma separada. Los puntos más importantes en el funcionamiento de un motor de inducción son: par de arranque, corriente en el arranque, entrehierro o separación, factor de potencia, rendimiento, elevación de temperatura, par máximo, ruido y vibraciones mecánicas. Si hubiese dos motores que fuesen exactamente iguales en sus dimensiones y calidad del material, pero que un motor tuviese más espiras en el arrollamiento que el otro, al comparar las características indicadas, el motor con mayor número de espiras tendría un par y una corriente de arranque menor. Probablemente tendría un mayor factor de potencia. Podría tener un rendimiento más alto o más bajo debido a que las pérdidas en el cobre podrían ser mayores y las pérdidas en el hierro menores y su preponderancia determinaría si el rendimiento sería más alto o más bajo; en otras palabras, según que las pérdidas en el cobre aumentan en mayor cantidad que las del hierro, decrecen o viceversa. De una manera similar el calentamiento puede ser mayor o menor, dependiendo de la suma de las pérdidas. En general, este motor sería algo más silencioso y tendría menos tendencia a producir vibraciones mecánicas. Por otra parte, considerando el motor que tiene un número de espiras menor, tendrá relativamente un par y una corriente de arranque mayores. Probablemente tendrá un factor de potencia menor, así como un rendimiento mayor o menor según la proporción de pérdidas en el hierro y en el cobre, como se ha indicado en el párrafo anterior; similarmente, el calentamiento variará con el aumento total de las pérdidas. Este motor tendría una tendencia a ser menos silencioso y a producir vibraciones mecánicas. 37

38 Debe observarse que estos cambios son los mismos que produciría un aumento o disminución del voltaje aplicado al motor. El aumentar el número de espiras en Ufl arrollamiento produce el mismo efecto que disminuir el voltaje; y disminuir el número de espiras produce el mismo efecto que aumentar el voltaje que actúa sobre el arrollamiento. Esto puede verse en la figura # 28 donde se sitúan tres arrollamiento en paralelo sobre 100 voltios. El arrollamiento número A tiene 8 espiras en serie y, por lo tanto, corresponden 12,5 voltios efectivos por espira. El arrollamiento número B tiene 10 espiras y le corresponden 10 voltios efectivos por espira. El arrollamiento número C tiene 12 espiras y la tensión efectiva sobre cada una son 8 1/3 voltios. Ya que las características del motor con respecto al par y demás condiciones son proporcionales al voltaje por espira en el arrollamiento, el número A o arrollamiento con 8 espiras funcionará corno si estuviese sometido a una sobre tensión y el número C o arrollamiento con 12 espiras funcionará como si estuviese sometido a un voltaje menor. Expresando esto de otra manera, si consideramos el arrollamiento número B como el arrollamiento normal para 100 voltios, el arrollamiento número A bajo 100 voltios puede funcionar y da el mismo resultado, como si el arrollamiento número B los sometiésemos a 125 voltios y de una manera análoga el arrollamiento número C bajo 100 voltios trabajaría y darla el mismo resultado que si al arrollamiento número C aplicáramos 8 1/3 voltios. Esto nos demuestra que quizá el punto más esencial a determinar al proyectar un arrollamiento es calcular el número de espiras en serie conveniente en el estator que deben proverse para la tensión de la línea. Otra consideración esencial es la sección transversal de los hilos de cobre o conductores que forman el arrollamiento, necesaria para dejar pasar los amperios requeridos para desarrollar la potencia deseada. Al objeto de dar una idea sobre todos los puntos que deben ser considerados al hacer un proyecto completo de un motor de inducción, haremos a continuación un breve resumen de los diferentes puntos a tener en cuenta por el técnico proyectista, con una breve indicación de cómo y por qué se han de considerar cada uno de ellos. 1 ro. Diámetro y longitud del núcleo de hierro laminado necesario para desarrollar la potencia deseada a la velocidad y tensión dadas. 2do. El flujo magnético o campo requerido para engendrar la tensión de línes. 38

39 3ro. Número de vueltas o espiras en serie en el arrollamiento del estator, las cuales, cortadas por el campo rotatorio, engendrarán la tensión de línea. 4to. Sección transversal de los conductores del estator necesaria para dejar pasar la corriente requerida para desarrollar (a potencia deseada con el factor de potencia y rendimiento que correspondan aproximadamente según el cálculo. 5to. Número y tamaño de las ranuras del estator, ancho y profundidad, para recibir el arrollamiento (3 ) y (4 ) después de aislado para el voltaje requerido. 6to. Densidad magnética en los dientes y núcleo del estator, dientes y núcleo del rotor, así como en el entrehierro producida por el flujo magnético (2 ). 7mo. Corriente magnetizante o devanada requerida para producir el campo mencionado en (2 ) con el número de espiras indicado en (3 ) con las longitudes necesarias según (1 ) y (5 ). 8vo. Pérdidas en el hierro debidas a la densidad (6 ). 9no. Pérdidas en el hierro debidas a las aberturas de las ranuras primarias. lomo. Número y tamaño de las ranuras del rotor. 11avo. Si el rotor es de jaula de ardilla o está bobinado. l2avo. Voltaje e intensidad del rotor si está bobinado. l3avo. Deslizamiento en tanto por ciento o pérdidas en el cobre del rotor. l4avo. Pérdidas en el cobre del estator. l5avo. Pérdidas previstas por fricción en los cojinetes y ventilación. l6avo. Reactancia de dispersión por las ranuras del estator y rotor y finales de bobinas, así como también en los cruces y cuerpo de la bobina, o dispersión diferencial. l7avo. Factor de potencia. 18 avo. De (13 ) y (16 ) se deduce el valor del par máximo y de arranque. l9avo. De la potencia y (8 ), (9 ), (13 ), (14 ) y (16 ) se deduce el valor del rendimiento. Puesto que estamos tratando de un núcleo o carcasa perteneciente a un motor usado, 39

40 o sea, ya existente, para muchos de estos datos puede- partirse de un valor supuesto, y algunos están ya determinados. Las preguntas que hay que considerar para adoptar un motor ya existente a unas nuevas condiciones correspondientes a determinada velocidad, potencia, voltaje, fase o frecuencia son, como fundamentales, las siguientes: Será el núcleo de dimensiones suficientes para la potencia y velocidad que se desea? La sección de hierro situada debajo de las ranuras es suficiente para dejar pasar el flujo magnético que se requiere en el entrehierro para poder desarrollar la potencia que se desea obtener? Qué número de amper-vueltas se necesitan en el arrollamiento del estator? Cuál será la sección transversal o tamaño del conductor del arrollamiento del estator. Cuál debe ser la sección transversal de las varillas del rotor, así como la de los aros extremos, suponiendo un devanado del tipo de jaula de ardilla? Permitirá el diámetro del rotor girar a la velocidad que se necesita? Muy pocas de estas preguntas pueden ser contestadas rápidamente; usualmente se obtienen datos que caen entre ciertos limites generales, entre los cuales puede comprobarse si el caso de que se trata puede ser adaptado. Esta comprobación se acostumbra a hacerla solamente para algunos de los puntos o cuestiones; pero en general si el devanado está comprendido entre estos límites, el funcionamiento del motor será aceptable Definición de la potencia nominal de un motor asincrónico trifásico * De vez en cuando se tiene-un motor asincrónico sin devanado y sin placas. Para usarlo otra vez se tiene que saber, que potencia mecánica puede dar éste motor y que potencia aparente necesita. * La potencia mecánica de cada motor depende de sus dimensiones y de su número de revoluciones (Número de polos y frecuencia). * Para definir la potencia nominal de un motor se necesitan las siguientes medidas del estator: Diámetro interno del paquete de chapas del motor. Diámetro externo Longitud del paquete de chapas h: Altura de la culata K: Números de ranuras. 40

41 * Primero se tiene que determinar el número de polos esto hay una relación fija entre el diámetro exterior y el Mínimo de la máquina, para diámetro interior. Dex/Di P Tabla # 8. Número de polos según relación D. ext/ D. mt. Determinado el número de polos según tabla # 8 podemos aumentar el número de polos sin problemas, pero lo que no se puede hacer es disminuir el número de, polos, ya que en este caso la inducción magnética (B) aumenta a valores inadmisibles en el hierro. Ejemplos de esfuerzos magnéticos en la culata con diferentes números de polos. * Segundo se busca en las tablas de potencia, que es para determinado número de polos, un motor que tiene dimensiones cerca de las dimensiones medidas. Los valores en la tabla para Di y De, deben ser un poco más pequeños o iguales que los valores del motor, Si la longitud del paquete de chapas( e) tiene otro Valor, se multiplica la potencia nominal de este tamaño con la relación e (medio) e (tabla) el valor nuevo para la potencia mecánica es más exacto. En las tablas de potencia también se podrán encontrar valores para: Rendimiento.. Factor de potencia...cos Número de revoluciones asincrónicas.n Ejemplo 7: Un motor sin devanado y sin placas tiene las siguientes dimensiones: di = 95mm dext = 164mm e = lo4mm hc = l5mm K= 36 a) Determinar el número de polos mínimos según tabla # 8 b) Determinar la potencia del núcleo por tablas de potencia. 41

42 Solución Di =95mm a) Dex = 164mm Dext 1 64mm 2p= Dext/ Di = 164 mm /95 mm = Según tabla de número de polos = 2 polos O sea que el núcleo es capaz de entregarnos una frecuencia de giro de 3600 RPM equivalentes a 2 polos. b) Según tabla de potencia para dos polos, las dimensiones del núcleo corresponden a un motor del tamaño normalizado según IEC tipo 100L, el cuál tiene una potencia mecánica de 3.60 K, un rendimiento de 82%, un factor de potencia de 89% O sea que el motor perfectamente nos puede entregar una potencia de 5 H.P o caballos de fuerza. 42

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47 9.2.- Método # 1 (con placa de característica). A continuación estudiaremos, como calcular el número de conductores por ranura en un motor trifásico, cuando este tiene su placa de característica. Siempre que un motor trifásico tenga su placa de característica, es posible realizarle un cálculo; para determinar el número de conductores y la sección del mismo Datos de la placa y dimensiones del núcleo. U: Tensión de alimentación del motor en voltios en conexión triángulo. 2p: Número de polos del motor, este se puede deducir según tabla #8 o bien por las revoluciones por minuto de la placa del motor. Frecuencia de la red de alimentación, que normalmente esta puede ser de Hertz (Hz) para nuestro caso, aquí en Nicaragua esta es de 60 Hz. Lk: Longitud de ranura expresada en metro, también llamada en algunos casos (longitud axial del hierro) descontando los espacios de ventilación. Di: Diámetro interno del estator, expresado en metros. K: Número de ranuras o canales del estator. BLM: Constante de la densidad del flujo magnético Motores viejos 0.72 Motores usados 0.80 Motores nuevos Calcular el número de conductores por ranuras a través de la siguiente fórmula: N= 1.43xUx2p / 2XFXLkXDiXBLMXK Espiras por ranura Ecuación (1) Nota: Siempre se calcula con la tensión de línea de menor valor (230V) Para calcular la sección del conductor Esta se obtiene a través de la siguiente fórmula: A q cu = l( ) = 2 A/ mm Donde q cu = sección del conductor a usar en (mm 2 ) l( ) = Corriente absorbida por el motor en conexión estrella para 440v. Cuando el motor solo este para una tensión de 230v. Se toma la corriente absorbida en 230v y se divide entre dos con lo cual obtendremos la corriente que consumiría en 440v. D = Densidad de corriente eléctrica en (Amperios/mm2) esta se puede tomar entre 3 y 6.5 A/mm2 dependiendo del tipo de ventilación para el motor. Los siguientes valores recomendados son: 2.8 A/mm2 para motores cerrados A/mm2 para motores con ventilación normal A/mm2 para motores de 2 polos con ventilación normal 47

48 A/mm2 para motores semiabiertos o motores de otro tipo no consideración en estas especificaciones. Luego de calculada la sección; se puede determinar el diámetro del mismo a través de la siguiente fórmula: CU = q cu = mm Ecuación (3) Donde CU = Diámetro del conductor en (mm) qcu = Sección del conductor en (mm2) = /4 constante. Teniendo y determinada la sección el diámetro procedemos a buscar el calibre del conductor en las tablas de alambre magnético normalizarla AWG (calibres de alambre americano) Método # 2 (sin placa de característica). Por otro lado existe siempre la posibilidad que no siempre el motor posea su placa de característica, en estos casos se procederá calcular el devanado a través del método que analizaremos a continuación Fundamentos El diseño y cálculo de los motores de inducción o asíncronos monofásicos y trifásicos Se hacen basándose en formulaciones técnicas y experimentales, siendo las primeras (formulaciones técnicas) fundamentadas en planteamientos de orden teórico y las segundas de los datos y de las experiencias de diseño y construcciones anteriores. De hecho, los fabricantes de motores eléctricos diseñan y construyen sobre valores de máquinas normalizadas siendo raro sobre diseños especiales. Actualmente estos diseños se hacen por medio de computadoras, lo que agiliza el tiempo o permitiendo ensayar distintos tipos de variantes. Independiente de las formas de las metodologías de cálculo usados, los fundamentos de diseño son los mismos y se basan principalmente en las características de los materiales usados en el circuito magnético, los aislamientos, conductores y aspectos específicos como el sistema de ventilación, técnicas constructivas etc. Los fundamentos de cálculo de os motores de inducción se basan en los conceptos generales para el cálculo de máquinas rotativas Selección de los parámetros de cálculo. En esta unidad lo que se pretende es tratar de verificar o modificar características de motores de inducción, en donde ocasiones el procedimiento puede ser tan simple corno contar el número de espiras de una bobina y su calibre de conductor o bien pesar el alambre de las bobinas y reproducir las características de las mismas. Pero no siempre el proceso es tan simple como lo anterior y es entonces que necesitamos tener nociones de cálculo lo cual es lo que pretendemos estudiar en esta unidad. 48

49 Dentro de los parámetros básicos de cálculo se pueden mencionar los siguientes: - Factor de potencia: Para que este factor no sea pobre el valor de la densidad de flujo en el entrehierro debe ser pequeño de otra forma la máquina demanda una corriente de magnetización excesiva. Este flujo en el entrehierro debe de ser de tal manera que no produzca saturación en ninguna parte del circuito magnético. En la tabla # 15 se dan valores típicos de factor de potencia en motores trifásicos. - Pérdidas en el hierro: Sabemos que a medida que aumenta el valor de la densidad en el entrehierro, aumentan las pérdidas en el hierro y se reduce en consecuencia la eficiencia. Por esta razón es importante mantener un entrehierro tan pequeño como sea posible. - Capacidad de sobrecarga: El valor de la densidad de flujo en el entrehierro determina la capacidad de sobrecarga. Un valor elevado de Bprorn significa que el valor de flujo por polo es elevado, por lo tanto, para un mismo voltaje, el devanado requiere de menos espiras por fase y si el número de espiras es menor, la reactancia de dispersión también es menor. Es decir que a mayor valor de Bprom se tiene un valor mayor de capacidad de sobrecarga. Los valores de diseño en motores trifásicos de inducción para Bprom se encuentran entre 0.3 y 0.6 weber/m 2. Para máquinas con diseños especiales que requieren una capacidad de sobrecarga elevada se usan hasta 0.65 weber/m2. - Densidad eléctrica total : ( et ) Al número total de ampere-conductores alrededor de una armadura o un estator se le conoce como la densidad eléctrica y se calcula con la siguiente expresión. et = IZ X Z Donde: Iz = Corriente en cada conductor Z = Número total de conductores en la armadura o el estator. 49

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53 También kp se puede determinar de esta otra manera: A continuación algunos ejemplos de motores para calcular YK 53

54 Proceso de cálculo Ahora bien tomando en cuenta todos los parámetros anteriores, podemos definir el siguiente proceso de cálculo para determinar la potencia de salida aproximada del núcleo en kilo watts; el número de espiras por fase del devanado; el número de conductores por ranura; la corriente de fase del bobinado; la sección y calibre del conductor. PROCESO DE CALCULO 1.- Realizar cálculo y distribución 2.- Determinamos la potencia entregada por el núcleo Donde: B prom Flujo promedio, el cual se encuentra desde 0.35 w/m2 a 0.55 wim2. ac Densidad eléctrica, la cual se encuentra desde 15,000 hasta 25,000 ampere 54

55 conductor/metro. kw: Factor de devanado el cual lo podemos calcular o tomarlo de las tablas # 13 y #14. 11: Una constante 10-3 : Una constante (0.001) - Calculamos la potencia de entrada de la máquina (S) Donde: Di: Diámetro interior en metro Lk: Longitud de ranura en metro Co: Coeficiente de salida Ns: Revoluciones por segundo Calculamos la potencia nominal de la máquina (Pn) Pn = S x Cos. = Kw Donde: S: Potencia de entrada (KVA). Cos. : Factor de potencia, este se puede tomar según tabla # Calculamos el número de espiras por fase - Determinamos el flujo por polo en el estator ( m) Espiras pór fase del bobinado (Nf) Uf: Tensión de fase. En este punto es conectar el bobinado si es en conexión estrella de los casos hay que calcular su tensión de fase. Importante definir como queremos o conexión triángulo. Para cualquiera Calculamos el número de espiras por ranura Número de Z = 6 x Nf conductores en el núcleo (Z) - Número de conductores por ranura (Zk) Zk= Z/K Donde: 5- Calculamos la intensidad de corriente por fase en el estator (lf) Donde: = Rendimiento de la máquina según tabla # 15 Pn 55

56 Pn = Potencia nominal en watts. Cos = Factor de potencia, el cual se puede tomar según tabla # 15. También es posible asumir al producto ( x Cos ) con un valor de 0.785, esto equivale a suponer un valor de 0.89 para el rendimiento y 0.88 para el factor de potencia u otra cualquier combinación cuyo producto de 0.785, sea como fuere este es un valor medio que sastiface ampliamente una gran cantidad de motores de diferentes potencias. Donde: lf: Intensidad de corriente por fase D: Densidad de corriente según los valores recomendados para la densidad en método # 1 pág. # 52. Luego para determinar el calibre este se determina según tabla de conductores magnéticos AWG. Ejemplo #8 Se tomaron los datos del estator de un motor trifásico de inducción a 220v. que debe operar a 1,800 RPM; 60 Hz y se encontró que tiene una longitud axial de 6.1 cm y un diámetro de 7 cm. Se desea determinar las caracteristicas a las que puede operar el motor si tiene 36 ranuras el estator. Calcular: 1) Realizar cálculos y distribución del bobinado 2) Determinar la potencia entregada por el núcleo 3) Calcular el número de espiras por fases 4) Calcular el número de espiras por ranura 5) Calcular la intensidad de corriente por fase 6) Calcular la sección y calibre del conductor. 56

57 Cálculo y distribución: Distribución: Adoptando los siguientes valores para B PROM y ac; tenemos que Co será. B PROM :O.4O weber/m2 ac: ampere - conductor/m Determinar potencia entrada por el núcleo: 57

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61 10.- MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS DE VARIAS VELOCIDADES Los motores de varías velocidades se fabrican en los siguientes tipos: Arrollamientos del estator con toma central (conexión Dahlander). Dos arrollamientos separados galvanicamente en el estator con número diferentes de pares de polos. (Motor de dos devanados independientes, en el estator). Dos arrollamientos separados galvanicamente en el estator provistos, adicional- mente de tomas centrales respectivos. (Motor dedos devanados independientes cada uno en conexión Dahiander) o solo uno Motores asincrónicos trifásicos en conexión Dahlanders Los motores asincrónicos, trifásicos de dos velocidades son cada vez más frecuentes, en la práctica resulta que los bobinadores tienen que comprender claramente las particularidades de los arrollamientos que para estos motores se realiza, puesto que la velocidad (n) de un arrollamiento prescindiendo del deslizamiento esta en función de la frecuencia de la red a que se conecta y del número de polos de las máquinas. Mientras la fuente de alimentación se mantenga constante no hay otra forma de variar la velocidad del motor, si no es modificando el número de polos del arrollamiento. Una de las formas de conseguir que un motor pueda funcionar con dos velocidades será siempre insertando en las ranuras del estator dos arrollamientos independientes cada uno con diferentes números de polos, entonces según el bobinado que se conecte el motor girará a una y otra velocidad siendo la otra alternativa de insertar un solo bobinado de polos commutables el cual esta en función del doble o la mitad de la frecuencia de giro. 61

62 Fundamentos de la conexión para un motor de dos velocidades con un solo bobinado (Motor en conexión Dahlander) Esta se basa en la conexión de dos bobinas idénticas, lo que provoca una reducción de polos, una mayor velocidad y una adaptación de tensión media de la tensión nominal de no ser dividida la bobina. Si alimentamos dos bobinas de la siguiente forma: Se forman cuatro polos y podrá soportar la tensión máxima, ha que ha sido diseñado el circuito. En cambio si conectamos esas mismas bobinas de otra forma obtendremos menos polos y las bobinas soportaran la tensión media de la tensión nominal para la que ha sido diseñada el circuito. Debido a la especial construcción de los mismos y la particularidad de sus conecciones tengamos presente las siguientes advertencias: Cuanto menor es el número de polos do un motor, tanto más amplio debe ser el camino previsto para el flujo magnético. Todo cambio de polaridad del arrollamiento del estator exige análogo cambio en el rotor (rotor bobinado) Normas para la ejecución de un bobinado en conexión Dahlander Para efectuar la conexión hay que realizar los siguientes pasos: * Será un bobinado imbricado de dos capas y su ancho de bobina, será aproximadamente, diametral con respecto al mayor número de polos, o lo que es igual, será acortado a la mitad del paso polar que corresponde al menor número de polos. * El número de grupos de bobina de cada fase será igual el número menor de polos, estos grupos se distribuirán en dos mitades exactamente iguales, 62

63 una de las cuales estará formada por todos los grupos impares de esta fase y la otra mitad por todos los grupos pares, es decir que los grupos de una misma fase que se vayan (encontrando siguiendo la periferia del bobinado pertenecerán, alternativamente, a una y otra mitad por ser igual las dos mitades de cada fase será posible conectarla voluntad ya sea en serie o en paralelo. * Las dos mitades de cada fase se unirán entre si (en serie o en paralelo) dejando en el puente de unión una salida. * De cada fase del motor deberán salir 3 ó 4 terminales al exterior correspondiente al principio, final y puente medio Hay dos posibilidades para conectar los devanados en altas y en bajas velocidades Estas condiciones son: * Conexión estrella serie - doble estrella ( - ) * Conexión triángulo serie - doble estrella ( - ) A continuación explicaremos cada una de éstas condiciones. Conexión estrella serie - doble estrella Con esta conexión se unen los terminales F1-F2-F3, de las fases interiormente formando una estrella simple, y se sacan al exterior 6 terminales libres, tres son los principios P1-P2-P3, y los otros tres corresponden a los puentes M1-M2-M3. Asi, dispuesto el bobinado podrá ser alimentado de dos maneras distintas: 1) Dejando abierto las terminales M1-M2-M3 de los puentes y conectando a las líneas los principios P1-P2-P3 se obtiene el número de polos más alto (velocidad baja) 2) En cambio uniendo los principios P1-P2-P3 se forma así la doble estrella y conectando a la red los terminales M1-M2-M3 se obtiene el número de polos más pequeño (velocidad alta). 63