Máquinas asincrónicas

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1 Electricidad básica ENTREGA 1 Máquinas asincrónicas Elaborado por Joel S.Faneite Ross Consideraciones generales sobre la áquina asincrónica En artículos anteriores, se ha considerado la áquina de C.C que funciona con una tensión de C.C aplicada a su devanado de excitación y (coo resultado de la rotación o conutación) una tensión de C.A aplicada a su devanado del inducido. Tabién se ha considerado la áquina síncrona de C.A que coo la áquina de C.C, tiene una tensión de C.C aplicada a su devanado de excitación y una tensión de C.A aplicada directaente a su devanado de inducido. Abas áquinas se consideraron coo áquinas de excitación debido a que se requerían dos fuentes de excitación para su funcionaiento noral. A priera vista, la áquina de inducción (asincrónica) podría considerarse coo una áquina de excitación única, debido a que a su estator se le aplica tan sólo corriente alterna polifásica. Sin ebargo, se observará que en su rotor se induce una tensión de C.A de frecuencia variable, de la isa fora que por el efecto de transforación se induce una tensión de C.A en el secundario de un transforador. La áquina de inducción es, en consecuencia, una áquina con excitación doble que tiene una tensión de A.C aplicada tanto a su devanado de estator (inducido) coo a su devanado rotórico. La tensión aplicada al inducido estatórico es una tensión de excitación de (ordinariaente) frecuencia constante y (ordinariaente) tensión constante suinistrada a partir de unas barras polifásicas o onofásicas idénticas a las de la áquina síncrona. La tensión aplicada al rotor es una tensión inducida de frecuencia variable y tensión originada coo resultado de la velocidad del rotor respecto a la velocidad de sincroniso. De todos los tipos de otores estudiados hasta ahora (de C.C., síncronos, polifásicos de C.A.), el otor de inducción de jaula de ardilla (SCIM), iniciales correspondientes a la tecnología inglesa, es el de construcción ás sencilla. No tiene colector, ni anillos rozantes, ni contactos óviles entre el rotor y el estator. Esta construcción deterina uchas ventajas entre las que pueden citarse el funcionaiento sin necesidad de anteniiento, aplicación en lugares inaccesibles y funcionaiento en abientes adversos en los que el polvo y otros ateriales abrasivos constituyen un factor a considerar. Por esta razón, de ordinario es el otor polifásico de C.A, ás apliaente utilizado. En tanto que el otor de inducción es, acaso, el ás sencillo de todos los otores en su funcionaiento y accionaiento, su teoría es bastante coplicada. Consideraciones sobre diferentes foras de arranque de los otores asincrónicos Características generales sobre la puesta en archa de los otores asincrónicos trifásicos. Las características fundaentales de arranque son la agnitud del par de arranque y la agnitud de la corriente de arranque. Para que durante el arranque el rotor del otor pueda girar el par de arranque desarrollado por el otor debe ser ayor que el oento de resistencia en el árbol, creado por el ecaniso accionado. En toda una serie de casos (al poner en archa un olino de bolas, una trituradora, un copresor, etc.) se requiere un par de arranque considerable, igual al noinal o ayor que éste. Por otro lado, la agnitud de la corriente de arranque para la red dada no debe sobrepasar unos líites deterinados, que dependen de la potencia de la red. En los otores de gran potencia, en el caso de red de poca potencia, es necesario disinuir la agnitud de la corriente de arranque. En los otores asincrónicos en cortocircuito la disinución de la corriente de arranque se puede lograr disinuyendo la tensión en los bornes del otor durante el arranque, no obstante, en este caso, proporcionalente al cuadrado de la tensión disinuye tabién el par de arranque. Por esta razón este procediiento es aplicable sólo en condiciones fáciles de arranque. Si las condiciones de arranque son difíciles, el otor asincrónico en cortocircuito noral puede no desarrollar un par de arranque suficiente incluso en el caso de arranque directo con tensión noinal. En estos casos es posible la aplicación de otores de rotor bobinado o cortocircuito con rotor de construcción especial: de doble jaula o de grande reactancia. En los otores de rotor bobinado las condiciones favorables de arranque (gran par de arranque siendo la corriente de arranque de pequeña intensidad) se logran fácilente con ayuda del reóstato de arranque en el circuito del rotor. No obstante, estos otores son ás caros que los otores en cortocircuito, y el epleo del reóstato de arranque coplica la instalación y su servicio. 14

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3 Electricidad básica Tabién tienen gran iportancia tales cuestiones coo a) El tiepo de arranque, b) Las pérdidas de energía en los devanados y el calentaiento de estos, c) los procesos transitorios durante el arranque. Arranque de los otores en cortocircuito Conexión directa a la red En la actualidad este étodo de conexión tiene un significado predoinante debido a que los sisteas eléctricos poseen la suficiente potencia. Este étodo se distingue por su sencillez, pero al iso tiepo está relacionado con increentos bruscos ás o enos considerables de la corriente, que pueden reflejarse negativaente en el trabajo de la red de alientación. Para tener una orientación, en la tabla 3.1 se exponen los datos de las corrientes y los oentos de arranque para los otores de 5 hasta 100 kw de potencia con n = 1500, 1000 y 750 r.p.. n 1 rp I arr / M arr /M n M ax /M n : Tabla 1 Estos datos se refieren a los otores de construcción noral. En los otores de construcción especial, para los isos o ayores oentos de arranque se pueden tener corrientes de arranque de enor intensidad. Arranque con ayuda de una reactancia intercalada en el circuito del estator El circuito de arranque viene dado en la Figura 1. Aquí Est es el estator, Rol, el rotor, Rcc la reactancia. Supongaos que la corriente de arranque en la red está liitado por el valor Iarr redy. I arr.red = k arr.red Donde k arr.red es el coeficiente de ultiplicidad adisible de la corriente de arranque. Considerando para ayor sencillez que f 1 f 2 teneos: M 1 I 2 arr.red r 2 arr k Ω 2 = = 1 In 2 r 2 arr.red k 2 arr.red n Así pues, en el caso de arranque con ayuda de una reactancia el par de arranque depende del cuadrado del coeficiente karra red Pero M 1 I 2 r 2 n = n s n, Donde S n, es el resbalaiento en régien noral de funcionaiento. Por consiguiente, M an /M n = k 2 arr.red S n La relación M arr /M n = f (k arra red ) se deterina en la figura 2 por la curva 2 trazada para el resbalaiento Sn = 4%. Veos que para Iarr red/in = 3 el par de arranque no alcanza el 40% del noinal. Con otras palabras, este étodo de arranque es posible sólo en los casos cuando iportancia la agnitud del par de arranque no tiene iportancia. Arranque con ayuda de un autotransforador El circuito de arranque se representa en la Figura 3. Aquí Est es el estator, Rot, el rotor, At, el autotransforador. Sean Ured y Iarr red la tensión y la corriente de arranque de la red; Uarr ot, la tensión en los terinales del otor y Iarr ot la corriente en el estator del otor; ka es la relación de transforación del autotransforador. Las tensiones y las corrientes se calculan para una fase. Si Zcc es la ipedancia de una fase del otor, entonces, des- Rc.c 1,6 1,2 M arr M n At 0,8 Est Rot Figura 1. Arranque con ayuda de una reactancia. 0, k arr.red Figura 2. Relación M arr /M n = f (k arr.red ) en el caso de arranque con ayuda de un autotransforador (1) y una reactancia (2). Est Rot Figura 3. Arranque con ayuda de un autotransforador. 16

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5 Electricidad básica preciando, para siplificar, la resistencia del autotransforador, teneos: U U arr. ot = red I arr. ot = k ; A U arr. ot z = c.c U red k A z c.c y I arr. red= U arr. ot k A U red z c.c I = = k 2 A I k 2 A I c.c Por consiguiente M arr M n = La relación I 2 arr.red k2 A I 2 n S n = I arr.red I 2 arr.red / = k arr.red k 2 A I2 arr.red S n Donde I cc es la corriente de cortocircuito del otor con tensión noinal. Representa el coeficiente de ultiplicidad de la corriente de arranque en la red. Adeás, Así pues veos que al poner en archa el otor con ayuda de un autotransforador la corriente de arranque en la red disinuye k 2 veces en coparación con la corriente de A arranque en el caso de conexión directa del otor en la red. Por esta razón, k2a = Ic.c/Iarr.red Pero M arr U 2 y puesto que en el caso dado U = U /k arra.ot arr.ot red A entonces el par de arranque disinuye tabién K 2 veces en coparación con el par de arranque en el caso de conexión A directa. M arr M n = k arr.red S n I c.c De aquí se desprende que este étodo de arranque, lo iso que el anterior, es posible sólo en los casos cuando el par de frenado durante el arranque no es grande. De lo contrario el otor no podrá iniciar la archa. En coparación con el anterior, el étodo de arranque en cuestión tiene una ventaja considerable en lo que concierne al par de arranque. En efecto, M 1 I 2 arr.ot r 2 1 (I 2 arr.red k A) 2 r 2 arr = = Ω n La Relación M arr / n = f (k arr.red ) es una recta, puesto que para los valores dados de I c.c / y S n el oento M arr K arr.red. En la figura 2 la curva 1 que representa la relación M arr /M n f (k arr.red ) se ha trazado para los valores de I c.c / = 6 y S n =0.04 Confrontando veos que en el caso de arranque con ayuda de una reactancia el oento M arr.r K 2 arr.red y cuando el otor se pone en archa con ayuda de un autotransforador M arr. A K arr.red I c.c Coo I c.c / > k arr.red entonces M arr.a > M arr.r. Solo en caso de extreos cuando k arr.red = I c.c / (arranque directo) M arr.r M arr.a y M 1 I 2 n = n r 2 s n Continuará... 18

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