UNIVERSIDAD SIMON BOLIVAR

Transcripción

1 LA MAQUINA ASINCRONICA. DESCRIPCION Hoja Nº II-001 Tanto en el número, como en el volumen de ventas, la máquina asincrónica supera a todas las demás máquinas eléctricas. Las máquinas asincrónicas encuentran su aplicación ante todo como motor. Solo en casos aislados y en plantas eléctricas muy pequeñas se tienen también generadores asincrónicos. La máquina asincrónica trifásica es la forma más eficiente de la realización de esta máquina. Para potencias menores se utiliza a menudo el motor asincrónico monofásico, sobre todo, cuando no se cuenta con un sistema trifásico de alimentación. El estator de un motor asincrónico trifásico lleva un arrollado trifásico, el cual es alimentado por un sistema trifásico originando así una capa ampérica rotante y un campo rotante. Tal como se ha visto, un campo rotante induce una tensión en un arrollado si el campo rota con respecto al arrollado. El campo rotante de las corrientes del estator de frecuencia ω 1, gira con la velocidad sincrónica. ω1 ω = 0 p Para todas aquellas velocidades, para las cuales la velocidad mecánica ω mec del rotor difiera de ω 0 ω ω 1 mec p, el campo rotante originará una tensión inducida en el arrollado del rotor. Si se cortocircuita el arrollado del rotor, circulará por éll la corriente requerida para la originación del par. Como la máquina desarrolla un par únicamente si la velocidad del rotor difiere de la velocidad sincrónica, se le llama Máquina Asincrónica. Como la corriente del rotor se origina por un fenómeno de inducción, a la máquina también se le da el nombre de Máquina de Inducción. De acuerdo a la forma constructiva del arrollado del rotor, se distinguen dos tipos de rotores: El rotor devanado ó de anillos, el cual posee, al igual que el estator, un arrollado polifásico (casi siempre un arrollado trifásico) aislado. Los terminales de los arrollados de fase se conectan generalmente en Estrella (terminales de salida). Los terminales del rotor se llevan a anillos rozantes, de manera que el arrollado pueda ser cortocircuito directamente o a través de resistencias. El arrollado del rotor tiene que tener el mismo número de pares de polos como el arrollado del estator, ya que de no ser así, no puede originarse par alguno, tal como se ha visto en la Teoría del Campo Rotante. En II-005 esta representada la conexión de un rotor de anillos y su forma constructiva. El rotor jaula de ardilla ó cortocircuito, el cual lleva un arrollado no-aislado formado. En cada ranura va una barra, la cual va unida a las otras mediante dos aros externos de cortocircuito. Estas barras forman con los aros una jaula, tal como se ve en la figura, y de allí el nombre.

2 LA MAQUINA ASINCRONICA. DESCRIPCION Hoja Nº II-002 La jaula está constituida de cobre y en máquinas no muy grandes, de Aluminio, el cual es fundido directamente en las ranuras. A pesar de que la jaula no está aislada respecto al paquete de chapas del rotor, las corrientes circulan en primera aproximación únicamente por la jaula, ya que esta tiene una conductividad mucho mayor que la del hierro y adicionalmente existe una resistencia de paso bastante elevada entre la jaula y el hierro. La gran ventaja del rotor jaula está en su construcción muy sencilla, debido a lo cual el motor con rotor jaula resulta ser muy robusto, seguro en la operación y barato en la manufactura. El motor con rotor devanado al contrario hace posible mediante la intercalación de resistencias una buena adaptación a las condiciones de operación, especialmente en el arranque. ESTATOR DE UNA MAQUINA DE CAMPO ROTANTE. PUEDE SER TANTO EL ESTATOR DE UNA MAQUINA ASINCRONICA COMO DE UNA MAQUINA SINCRONICA

3 FORMAS CONSTRUCTIVAS DE ROTORES PARA LA Hoja Nº II-003 MAQUINA ASINCRONICA ROTOR JAULA DE ARDILLA O ROTOR EN CORTOCIRCUITO ROTOR DE ANILLOS, MOSTRANDO LOS TRES TERMINALES DEL ARROLLADO

4 DETALLES CONSTRUCTIVOS DE LAS MAQUINAS Hoja Nº II-004 ASINCRONICAS CARCAZA TIPICA DE UN MOTOR ASINCRONICO DE MEDIA TENSION PAQUETE DE CHAPAS DEL ESTATOR MOSTRANDO FORMA DE RANURAS, DIENTES Y CANALES DE VENTILACION

5 DETALLES CONSTRUCTIVOS DE LAS MAQUINAS Hoja Nº II-005 ASINCRONICAS CONSTITUCION DE UN ROTOR DE ANILLOS Y DETALLE DE RANURA TIPICA DEL ROTOR, CON ARROLLADO DE BARRA Y UNA VUELTA POR BOBINA

6 ANALISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LA MAQUINA Hoja Nº II-006 ASINCRONICA EN REGIMEN ESTACIONARIO Tal como ya se estudió en la parte final de la Teoría del Campo Rotante, para la máquina asincrónica se ha podido desarrollar un CIRCUITO EQUIVALENTE, muy parecido al de un Transformador y por lo tanto, podría pensarse en un estudio de las características en forma semejante. Sin embargo, al contrario de un transformador, la máquina asincrónica presenta, debido a sus características constructivas, un comportamiento bastante diferente al que arroja un mero análisis de su circuito equivalente y por ello, se han desarrollado técnicas de análisis que se seleccionan dependiendo de qué es lo que se quiere lograr mediante el análisis. Las desviaciones fundamentales del resultado que nos puede arrojar el análisis de un circuito equivalente y otras herramientas basadas en él, resultan de: El circuito equivalente solo toma en cuenta la onda fundamental del campo rotante. Todos los efectos causados por los armónicos, en especial sobre el comportamiento del Par, quedan sin ser tomados en cuenta. El valor de las resistencias óhmicas únicamente es válido para la temperatura de operación para la cual han sido determinadas. La resistencia óhmica varía aproximadamente un 4 % por cada 10 grados KELVIN de variación de temperatura. Así se producirán variaciones importantes entre el instante del arranque y la operación en régimen permanente por ejemplo. En el caso de rotores jaula, a partir de cierta profundidad de las ranuras, se hace presente el efecto pelicular (desplazamiento de la distribución de corriente hacia la periferia de la barra), con ello R 2 se hace dependiente de la frecuencia de las corrientes en el rotor. Este fenómeno es aprovechado inclusive a propósito en el diseño de las ranuras del rotor para mejorar las características del par de arranque. Las reactancias de la máquina no son en realidad constantes tal cual aparecen en el circuito equivalente, sino que debido a la saturación magnética, se vuelven dependientes de la corriente. Igual que en los transformadores, realmente en el sentido estricto, no es posible separar las fugas magnéticas en sus componentes estator y rotor. Todas estas limitaciones deben ser tenidas en cuenta a fin de seleccionar adecuadamente la herramienta de análisis y eventualmente corregir posteriormente sus resultados, para lo cual resulta a menudo muy útil el Balance de Potencias de la Máquina Asincrónica, herramienta que ya se analizó al final de la Teoría del Campo Rotante.

7 COMPORTAMIENTO DE LA MAQUINA ASINCRONICA. Hoja Nº II-007 HERRAMIENTAS DE ANALISIS Se presentan a continuación cuatro herramientas diferentes de análisis, todas basadas en el estudio del comportamiento de la máquina asincrónica fundamentadas en el CIRCUITO EQUIVALENTE y las modificaciones obtenidas del mismo. Esas cuatro herramientas son: 1) CIRCUITO EQUIVALENTE COMPLETO Y DIAGRAMA FASORIAL 2) MODIFICACION DEL CIRCUITO EQUIVALENTE PARA EVITAR LA SEPARACION DE FUGAS DE ESTATOR Y ROTOR (ADECUADO PARA SU USO CON LOS RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE VACIO Y ROTOR BLOQUEADO) 3) MODIFICACION DEL CIRCUITO EQUIVALENTE MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL TEOREMA DE THEVENIN (ADECUADO PARA ESTUDIAR EL COMPORTAMIENTO DE LA MAQUINA EN UNA RED Y PARA OBTENER DIRECTAMENTE RELACIONES DE POTENCIA Y PAR) 4) EL DIAGRAMA CIRCULAR DE LA MAQUINA ASINCRONICA, HERRAMIENTA GRAFICA QUE PERMITE DETERMINAR NUMEROSOS PARAMETROS DE OPERACIÓN Y SEGURAMENTE DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA INGENIERIA ES LA DE MAYOR VERSATILIDAD, AUNQUE SU REAL IMPORTANCIA ES MAS CUALITATIVA QUE CUANTITATIVA. Una vez más se quiere advertir sin embargo, que aunque todas las herramientas mencionadas pueden ser perfeccionadas introduciendo en los resultados las correcciones necesarias de las desviaciones mencionadas en la hoja anterior, ninguna de ellas es capaz de tomar en cuenta el efecto de los armónicos en el Par de la máquina, para lo cual se debe realizar un análisis diferente. CIRCUITO EQUIVALENTE Y DIAGRAMA FASORIAL:

8 ANALISIS DEL CIRCUITO EQUIVALENTE DE LA Hoja Nº II-008 MAQUINA ASINCRONICA Como se observa en el la Hoja anterior, para cualquier valor de deslizamiento s se puede dibujar el diagrama fasorial correspondiente y así hallar los valores característicos de funcionamiento para un estado de operación determinado. El análisis basado en esta herramienta, se puede simplificar notablemente si la resistencia que representa las pérdidas en el hierro se conecta en paralelo a los terminales de entrada. De esta manera, las pérdidas en el hierro se hacen independientes de la carga, lo cual es suficientemente exacto para la práctica. Estas pérdidas en el hierro son las que se determinan de la prueba de vacío del motor. Con esta suposición, el circuito equivalente toma la forma simplificada mostrada abajo:

9 CIRCUITO EQUIVALENTE SIMPLIFICADO DE LA Hoja Nº II-009 MAQUINA ASINCRONICA Todas las expresiones de potencia que aparecen en el Balance de Potencias anterior pueden ser obtenidas directamente del Circuito Equivalente Simplificado: (m = número de fases) P vr1 = m. I 1 2. R 1 ; P Fe = m. U 1 2 / R Fe La potencia del campo rotante transferida al lado secundario del circuito equivalente, se consume en la resistencia R 2 / s, de manera que : P R = m. I 2 2. R 2 / s Las pérdidas óhmicas en el arrollado del rotor se obtienen según: P vr2 = m. I 2 2. R 2 La potencia mecánica de salida, incluyendo las de roce, se obtiene por diferencia de estas expresiones: P 2 + P roce = P R - P vr2 = = m. I 2 2. (1 s).r 2 / s P 2 + P roce = P R (1 s) P vr2 = P R.s P 2 PAR : Para el par se puede escribir la relación general T = 2 π n Escribiendo la velocidad n en función de la velocidad del campo rotante n 0 y con ayuda de las expresiones ganadas se llega a: T P R (1 s ) P roce = = T i - T roce π n (1 s ) 2 π n 2 0 T i = P R 2πn 0 Esta última expresión es sumamente importante para la máquina asincrónica, ya que indica que independiente de la velocidad de operación de la máquina, el PAR INTERNO puede ser determinado de la POTENCIA DEL CAMPO ROTANTE y se debe recordar, que la velocidad del campo rotante es constante si la frecuencia de la red no varía y si no se cambia el número de polos del arrollado.

10 CIRCUITO EQUIVALENTE SIMPLIFICADO DE LA Hoja Nº II-010 MAQUINA ASINCRONICA Un paso adicional en la simplificación del circuito equivalente, consiste en asumir que la corriente de vacío de la máquina es igual a la componente magnetizante, lo cual siempre es suficientemente exacto en la práctica. Con ello, las pérdidas en el hierro que ya antes se tomaban como independientes de la carga, simplemente ya no aparecen en el dibujo del circuito equivalente y se pueden tomar luego en cuenta en el balance de potencia de la máquina. Con ello, el circuito equivalente toma la forma: Por último, tal como se vio en II-009, la potencia del campo rotante que se consume en la resistencia del rotor, se puede descomponer en potencia mecánica y pérdidas. R ' 2 R ' 2 Ello se realiza descomponiendo = R ' 2 + (1 s ) s s Con ello, el circuito equivalente de arriba se puede representar por el modelo: Este modelo recibe el nombre de CIRCUITO EQUIVALENTE DE LA POTENCIA MECANICA, porque muestra la separación de la POTENCIA DEL CAMPO ROTANTE en sus dos componentes: las PERDIDAS EN R 2 (Pérdidas en el rotor) y la POTENCIA MECANICA, que incluye las de roce.