DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA BOLETÍN DE PROBLEMAS MÁQUINA ASÍNCRONA 2009/2010

Transcripción

1 DATAMNTO D NGNÍA LÉCTCA BOLTÍN D OBLMAS MÁQUNA ASÍNCONA 9/

2 MÁQUNA ASÍNCONA roblemas propuestos. Un motor asíncrono trifásico con un rotor en jaula de ardilla, tiene los siguientes datos en su placa de características: kw ; /8 V ; 5 Hz ; 9 A; 45 r.p.m. ; cos ϕ,9 Se conecta a una red de 8 V, 5 Hz. Se suponen despreciables las pérdidas mecánicas y no es necesario considerar la rama paralelo del circuito equivalente. Calcular: a) Los parámetros del motor. b) l par de arranque y el par de plena carga del motor. Qué tipo de par resistente debe de tener el motor para que pueda arrancar?. or qué?. c) l rendimiento del motor con par máximo. d) La velocidad que deberá darse al motor por medio de un motor primario externo para que la máquina asíncrona funcione como generador entregando su potencia nominal a la red. Tómese la velocidad más pequeña de las dos posibles.. Se tiene un motor de 9 kw, V, 4 polos, trifásico, a 5 Hz, en estrella. Cuando trabaja a tensión y frecuencias nominales, las pérdidas en el cobre del rotor para par máximo son 8 veces las que tendría para par nominal y el deslizamiento a plena carga (nominal) es de,. Se puede despreciar la resistencia y reactancia del estator y las pérdidas por rozamiento. La resistencia y reactancia del rotor tienen un valor constante. Se pide: a) Deslizamiento para par máximo. b) ar máximo. c) ar de arranque.. Determinar los parámetros del circuito equivalente aproximado correspondiente a un motor asíncrono conectado en estrella, cuyos ensayos han dado los siguientes resultados: Vacío: U V, W; A; m 4 W. otor arado: U V; 5 W; 5 A Con los datos obtenidos y sabiendo que la resistencia por fase del estator es de, Ω, calcular la potencia útil cuando el deslizamiento es del 5 %.

3 4. Un motor de induión trifásico de 7 CV, V, 6 polos, 5 Hz y conexión en estrella absorbe de la línea de alimentación 7, kva con factor de potencia,844 cuando suministra su potencia nominal, dando un par de salida de 5, Nm. Suponiendo unas pérdidas rotatorias constantes de 4 W, calcular, para el motor funcionando en dichas condiciones: a) l rendimiento del motor. b) La velocidad del motor. c) La potencia perdida en el cobre del rotor. d) La potencia perdida en el cobre del estator. e) La resistencia por fase del estator. 5. Se ha entregado a un laboratorio de ensayos un motor asíncrono trifásico con conexión en estrella, en cuya placa de características se lee: otencia útil 4 kw. Tensión nominal V a 5 Hz. Corriente nominal 4,5 A. Velocidad síncrona 5 r.p.m. Conexión en Y. y se solicita un certificado en el que se haga constar: el par y la velocidad nominales, y el par y la corriente de arranque. Los ensayos realizados proporcionan los siguientes datos: nsayo en vacío V, 5, A, 6 W. nsayo en corto circuito 5 V, 4,5 A, 49 W. esistencia/fase del estator,5 Ω. érdidas mecánicas 5 W. Se pide: a) Obtener los parámetros del circuito equivalente aproximado. b) Determinar los datos técnicos del motor que se han solicitado al laboratorio. 6. Un motor asíncrono trifásico de polos está conectado a una red de 6 Hz y gira con un deslizamiento de s,. Determinar: a) La velocidad del campo magnético giratorio creado por el estator en r.p.m. b) Velocidad relativa respecto al rotor del campo magnético giratorio creado por el rotor en r.p.m. c) Velocidad absoluta del campo magnético giratorio creado por el rotor en r.p.m. d) Frecuencias de las corrientes del rotor. e) Ángulo geométrico entre dos polos consecutivos del estator del mismo signo. f) Si el motor es de rotor bobinado, para cuantos polos debe estar bobinado el rotor?. g) Si el motor es de rotor en jaula, con 6 barras, cuál es el número de fases del rotor?. orqué?. h) Si el motor es de rotor bobinado, con anillos rozantes, y la tensión entre anillos, estando éstos en circuito abierto, es de 7 V, cuál será la f.e.m. eficaz inducida en el rotor cuando el motor trabaja en condiciones nominales?.

4 7. Se tiene una estación de bombeo de agua, que lleva una bomba centrífuga que tiene incorporado un motor asíncrono trifásico en jaula de ardilla de 5 CV, 8 - V, 5 Hz, 6 polos y que tiene los siguientes parámetros:,8 Ω; X X Ω; Fe m (se puede prescindir de la rama en paralelo del circuito equivalente). a) Si la red es de 8 V, 5 Hz, cómo se conectará el motor?. Dibujar el cuadro de bornes, indicando el nombre normalizado de los terminales. b) Conectado el motor correctamente, de acuerdo con el apartado anterior, cuál será el par de arranque del motor con tensión nominal?. Si el par resistente ofrecido por la bomba en el arranque es de 5 Nm arrancará el motor?. c) Si en régimen permanente, el par resistente es igual a Nm cuál será la velocidad a la cual girará el motor?. d) Qué corriente absorberá el motor en el caso anterior?. Cuánto valdrá la potencia desarrollada por el motor en el eje?. e) Si el motor se alimenta por medio de un transformador ideal de relación 5 kv / 8 V ± 5%, conexión Dy, a través de una línea trifásica de impedancia, + j,5 Ω/fase arrancará el motor?. ecuérdese que el par resistente en el arranque es de 5 Nm. n caso negativo, que procedimiento sería el mas adecuado para que pueda arrancar el motor?. 8. Un motor trifásico de induión de 6 polos, 5 Hz y 7 CV tiene los siguientes valores, en ohmios por fase referidos al estator, para una conexión en estrella: r,; r,5; x,5; x,; x m 4, Suponiendo constantes las pérdidas rotatorias de valor 9 W, y sabiendo que las pérdidas en el cobre del rotor a plena carga son de 5 W, calcular: a) La velocidad del motor a plena carga. b) La tensión de alimentación a plena carga. c) Con la tensión de alimentación calculada en b), el par interno máximo que puede suministrar el motor.

5 9. Una instalación está alimentada por un transformador trifásico, conexión Y-Y, que alimenta a 8 V tres motores asíncronos trifásicos de jaula de ardilla, como se indica en el esquema de la figura adjunta. Los tres motores trifásicos son idénticos, tienen polos, y los parámetros de su circuito equivalente son los siguientes:,5 Ω;,8 Ω; X Ω; X,5 Ω. Se puede despreciar la rama en paralelo y las pérdidas mecánicas. Se pide: a) Si en la placa de características de los motores pone /8 V, como se conecta el estator de cada uno de ellos?. b) Los motores M y M están trabajando con un deslizamiento del 4%, y el motor M del %. Calcular el rendimiento de cada uno de los motores. c) Lectura de cada uno de los aparatos de medida de la figura. d) Tensión en el primario del transformador. e) Factor de potencia en el lado de alta tensión del transformador, rendimiento del transformador y rendimiento total de la instalación. f) otencia reactiva y capacidad por fase de una batería de condensadores conectados en triángulo antes del transformador en el lado de alta tensión, que eleve el factor de potencia hasta la unidad. g) Contestar al apartado c cuando la instalación lleva incorporados los condensadores del apartado f.. ara aionar un compresor del sistema neumático de un avión se utiliza un motor de induión trifásico de cuatro polos conectado a la red de a bordo de V de tensión entre fases a 4 Hz. Las resistencias y reactancias de dicho motor, en ohmios por fase para una conexión en estrella, son: r,; r,7; x x, Un ensayo de dicho motor en vacío con la tensión nominal ha dado los siguientes resultados: A y W. Calcular: a) La potencia del motor sabiendo que la velocidad a plena carga es.8 r.p.m. b) l par suministrado al compresor a plena carga. c) La corriente de arranque. 4

6 . Un motor de induión trifásico de 5 H, 6 Hz, V, conexión en estrella y 4 polos fue probado y se obtuvieron los siguientes datos: rueba de vacío V o V; o W; o 6, A. rueba de carga V c V; c 65 W; c, A; n c 7 r.p.m. La resistencia del estator por fase es de, Ω. Calcular: a) La suma de las pérdidas mecánicas y las pérdidas en el hierro. Con los datos de la prueba de carga calcular: b) Las pérdidas en el cobre del estator. c) La potencia de entrada al rotor. d) Las pérdidas en el cobre del rotor. e) otencia de salida en el rotor en W. f) otencia de salida en H. g) ar desarrollado. h) orcentaje de eficiencia bajo carga (rendimiento). i) Factor de potencia del motor.. Un motor de induión trifásico, de jaula de ardilla, de 6 polos, 5 kw, V y conectado en triángulo tiene los siguientes parámetros del circuito equivalente en ohmios por fase:,,45 Ω;,54 Ω; X,9 Ω; X,8 Ω; X µ 9,6 Ω. a) Calcule la corriente y el par de arranque para este motor, que está conectado directamente a una fuente de V. b) ara limitar la corriente de arranque, se propone conectar el devanado del estator en estrella y luego cambiarlo a conexión triángulo para operación normal. Cuáles son los parámetros del circuito eléctrico equivalente por fase en la conexión en estrella? Con el motor conectado en estrella y funcionando directamente de una fuente de V, calcule la corriente y el par de arranque.. Un motor de induión trifásico de V, 5 Hz, 6 polos y conexión estrella se ha ensayado en vacío y en cortocircuito, obteniéndose los siguientes resultados: Vacío: V.,8 A. 84 W. Corto: 45 V. 5 A. W. La resistencia del estator por fase es,47 Ω y las pérdidas mecánicas son de W. Se pide: 5

7 a) Calcular la velocidad de funcionamiento, potencia y par útiles, y el rendimiento si absorbe una corriente de 6 A con un factor de potencia,85. b) Obtener la corriente y par de arranque del motor. c) Calcular la corriente que absorbe cuando desarrolla su par máximo y el valor de dicho par. 4. Un motor trifásico de induión tiene 4 polos, 5 Hz, una resistencia y reactancia del rotor de, Ω/fase y, Ω/fase, respectivamente. Cuál es el valor de la velocidad para la cual se obtiene el par máximo?. Hallar la resistencia exterior del rotor, por fase, que debe insertarse para obtener en el arranque el 75% del par máximo. n qué % se reducirá por ello la corriente y cuál será ahora el f.d.p en reposo?. e Xe. 5. Un motor de induión alimentado con una fuente de tensión trifásica de V, 5 Hz, está proyectado para funcionar con un deslizamiento y velocidad nominal del 4 por y 4 rpm, respectivamente. Los resultados del ensayo en vacío son: V V;,8 A; 5 W Los resultados del ensayo con rotor fijo son: V 45, V;,8 A; 45 W Las tensiones en ambos ensayos es entre fases. La resistencia por fase (conexión en Y) del estator es de,5 Ω. Calcular: a) La intensidad de arranque. b) l par de arranque. c) La resistencia por fase que sería necesario conectar en serie con el estator para que la intensidad de arranque se reduzca a la mitad. d) l par de arranque en las condiciones del apartado anterior. 6. Un motor de induión trifásico tiene una resistencia r igual a Ω. Cuando funciona a plena carga su deslizamiento es del %. Al aumentar el par resistente se produce un frenado llegando a pararse cuando el par sobrepasa los Nm. ara dicho par crítico el deslizamiento es del %. Calcular: a) La resistencia que hay que poner en serie con r para que el par máximo se obtenga en el arranque. b) n este ultimo caso, calcular el valor de tal par máximo. 6

8 Despreciar e y X e. 7. Un motor de induión trifásico de 6 polos, 5 Hz, absorbe una potencia de kw, cuando gira a 96 r.p.m. Las pérdidas totales del estator son de,5 kw y las de rozamiento y ventilación son de kw. Calcular: a) l deslizamiento. b) Las pérdidas en el cobre del rotor. c) l rendimiento. 8. Un motor asíncrono de 6 polos, 4 Hz, V, trifásico, conectado en estrella, tiene las siguientes constantes referidas al estator: esistencia del estator,94 Ohm eactancia del estator,5 Ohm esistencia del rotor,44 Ohm eactancia del rotor,9 Ohm eactancia de magnetización,5 Ohm Las pérdidas por rozamiento son de 4 W y son independientes de la carga. ara un deslizamiento del %, hallar la velocidad, potencia y par en el eje (útil), corriente en el estator, factor de potencia y rendimiento cuando el motor trabaja a tensión y frecuencias nominales. 9. Un motor asíncrono trifásico tiene los siguientes parámetros:,5 Ω; X 5 Ω Si su capacidad de sobrecarga es igual a, (M máx /M n ), calcular la relación entre el par de arranque y el par nominal en los siguientes casos: a) Arranque directo. b) Arranque por autotransformador con una tensión inicial del 75 % de la nominal. c) Arranque estrella - triángulo.. Un motor de induión trifásico de 6 polos gira a la velocidad de 95 r.p.m., desarrollando una potencia de CV. La tensión de funcionamiento es de 8 V y la frecuencia de 5 Hz. Se sabe que las pérdidas mecánicas son iguales a 4 W, y el f.p.d. a plena carga es de,88. Calcular en estas condiciones: a) Las pérdidas en el cobre del rotor. b) l rendimiento, siendo las pérdidas totales en el estator de W. c) La corriente absorbida de la red. d) La frecuencia de las tensiones inducidas en el rotor. 7

9 . Se dispone de un motor de induión trifásico, tetrapolar, de 8 V y 6 Hz, conectado en estrella, con una velocidad nominal de 7 rpm. Se han realizado dos ensayos, obteniéndose los siguientes valores: nsayo de Vacío o de otor Libre: Tensión del ensayo: 8 V. Corriente consumida:,56 A. otencia consumida: 45 W. nsayo de Cortocircuito o de otor Bloqueado: Tensión del ensayo: 7 V. Corriente consumida:,77 A. otencia consumida: 59,4 W. Las pérdidas mecánicas por friión y rozamiento son de 8 W. Calcular: a) Los parámetros del circuito eléctrico equivalente. n las condiciones nominales de funcionamiento: b) Corriente consumida por el motor. c) otencia consumida, interna y útil. d) ar interno y par útil. e) endimiento.. Un motor de induión trifásico de 6 Hz gira a 78 r.p.m. en vacío y a 69 r.p.m. a plena carga. a) Cuántos polos tiene este motor?. b) Cuál es su deslizamiento a carga nominal?. e) Cuál es su velocidad a un cuarto de plena carga?. d) Cuando tiene un cuarto de plena carga, cuál es la frecuencia del rotor?.. Disponemos de un motor trifásico asíncrono conectado en delta de CV, 7 V, 8 polos y 5 Hz. A este motor se le realizaron los siguientes ensayos: VACO: tensión de línea 7 voltios. 8

10 intensidad de línea otencia 8 amperios. 49 vatios. COTO: tensión de línea 54 voltios. intensidad de línea otencia 5 amperios. vatios. Conocemos, además, que la resistencia del estator por fase es de Ω (dato real) y que las pérdidas mecánicas son de W. Se pide: a) La velocidad nominal de funcionamiento del motor. b) l rendimiento nominal. c) l factor de potencia del motor. d) l par máximo y el par de arranque. 4. Un motor de induión trifásico de 6 polos, 5 Hz, absorbe una potencia de kw, cuando gira a 96 r.p.m. Las pérdidas totales del estator son de,5 kw y las de rozamiento y ventilación son de kw. Calcular: a) l deslizamiento. b) Las pérdidas en el cobre del rotor. c) l rendimiento. 5. Un motor de induión trifásico, de rotor bobinado, de CV, V, 5 Hz, 6 polos, conexión estrella, se ha ensayado en vacío y en cortocircuito, dando los siguientes resultados: VACO: V,8 A 84 W COTOCCUTO: 45 V 5 A W La resistencia por fase del estator es de,48 Ω y la del devanado rotórico de, Ω. Las reactancias del devanado estatórico y la del devanado rotórico, reducida al estator, se supondrán iguales. Determinar, a partir de estos datos, las constantes del circuito equivalente. Las pérdidas mecánicas son iguales a W. 6. Un motor asíncrono trifásico con rotor de jaula de ardilla de 6 polos, 5 Hz, está conectado en estrella a una red de 8 V. Los parámetros del circuito equivalente son:,5 Ω; X X Ω; Fe m l par resistente de la carga se supone que sigue una ley lineal de la forma: 9

11 M r 5 +,6 n (ar en Nm y n en r.p.m.) Calcular: a) l par de arranque y la corriente de arranque del motor. b) Si la tensión de la red se reduce un %, podrá arrancar el motor?. Justificar la respuesta. c) Con la tensión nominal aplicada al motor a qué velocidad girará el motor con el par resistente señalado?. d) Qué potencia desarrolla el motor en el eje en el caso anterior? Nota: para realizar el apartado c), es preciso resolver una ecuación de tercer grado en función del deslizamiento. Sugerencia: el valor de s está comprendido entre el y el %. 7. Un motor de induión de doble jaula tiene los siguientes parámetros: 5 Hz.; e Ω; X e Ω; p 4 Jaula exterior: Ω; X Ω Jaula interior:,6 Ω; X 5 Ω l primario se conecta en triángulo a una fuente de 44 V. Calcular el par de arranque y el par nominal para el 4% de deslizamiento. 8. Un motor de induión de 4 polos, estator conectado en estrella, funcionando en vacío y a la tensión nominal de 8 V, entre fases, absorbe de la línea una corriente de 4 amperios y una potencia de 48 W. A plena carga, y con la tensión y corriente nominales, absorbe 4 W. Se sabe que en estas condiciones, la corriente por fase del rotor, que está conectado en estrella, es de 7 amperios. Se conoce también que la corriente nominal a plena carga es de 8 A, que la resistencia por fase de estator es de,5ω, que la del rotor es, Ω, que la corriente absorbida por fase de la línea al aplicar la tensión nominal al estator estando el rotor abierto es de 4 A y que la potencia absorbida en estas condiciones es de W. Calcular a plena carga: a) La potencia útil. b La potencia transformada. c) l rendimiento. d) La velocidad. e) l par interno. 9. Un motor de induión trifásico de 6 polos, rotor bobinado, funcionando bajo una carga constante absorbe de la red de V, una potencia de 5 kw con una corriente de 47 A. La frecuencia de la red durante todo el funcionamiento ha sido de 5,5 Hz y la velocidad de giro del

12 motor 97 r.p.m. l mismo motor funcionando en vacío absorbe una potencia de 76 W con una corriente de,5 A. Se pide: a) l factor de potencia del motor. b) l par interno desarrollado en vatios-síncronos y en N.m. c) Las pérdidas en el cobre del rotor. d) La potencia útil en kw y el rendimiento. Se sabe que la resistencia efectiva del devanado estatórico conectado en estrella y medida entre bornes del motor es,8 Ω y que las pérdidas mecánicas del motor son de W.. Un motor trifásico de induión de rotor en jaula de ardilla, de V, 4 polos, 6 Hz, conectado en estrella, tiene en su circuito equivalente las siguientes constantes, en ohmios por fase, referidas al estator: ; X,; X,5; xm 6 Las pérdidas rotatorias se suponen despreciables. Calcular: a) La relación entre el par máximo del motor alimentado a su tensión nominal a las frecuencias de 6 y 5 Hz. b) La velocidad de giro del par máximo a 5 Hz, sabiendo que el deslizamiento para par máximo a 6 Hz es del por.. Un motor de induión trifásico, conectado en estrella de V, 6 polos, 5 Hz, tiene las siguientes constantes en ohmios por fase:,7;,; X X,6; X µ Suponiendo las pérdidas rotatorias constantes de 7 W, con la tensión nominal, a 5 Hz y un deslizamiento del por, se desea conocer: a) La velocidad en r.p.m. b) La corriente de entrada y su factor de potencia. c) La potencia de salida y el par de salida. d) endimiento del motor. e) ar máximo y deslizamiento de par máximo. f) ar de arranque. g) ar de frenado si se invierten dos fases de la alimentación.

13 h) Si al motor se le hace girar a una velocidad de 5 r.p.m. cuál es el par resistente desarrollado por la máquina?.. Las constantes paramétricas de un motor de induión trifásico de V, 4 polos, 5 Hz, conexión estrella, rotor bobinado son las siguientes: Calcular:, Ω; X, Ω;, Ω; X, Ω; G e,5 S; B e,7 S a) La corriente del motor cuando el deslizamiento es igual al 5 %. b) l par motor y el rendimiento para el mismo deslizamiento. c) l par motor y la corriente consumida en el arranque.. Los parámetros del circuito equivalente de un motor de induión trifásico, tetrapolar, de 8 V y 6 Hz conectado en Y son:,4 Ω;, Ω; Fe 5 Ω; X,8 Ω; X,9 Ω; X µ 4 Ω. La pérdida en el cobre es de 45 W y las pérdidas por friión son 6 W. Cuando el motor opera con un deslizamiento del 5%, determine: a) La corriente consumida por el motor. b)la potencia de entrada. c)la potencia en el entrehierro. d) La potencia desarrolla. e) La potencia de salida. f) l par en el eje. g) l rendimiento del motor. h) Deslizamiento de par máximo y par máximo que puede desarrollar el motor. i) Corriente y par de arranque a la tensión nominal. 4. Un motor de induión de rotor devanado de cuatro polos, 6 Hz, 8 V, conectado en Y está especificado para 5 H. Las componentes de su circuito equivalente son:, Ω;,7 Ω; X µ ; Ω; X,44 Ω; X,44 Ω ara un deslizamiento de,5, se pide: a) La corriente de línea. mec W; núcleo W

14 b) Las pérdidas en el cobre del estator. e) La potencia del entrehierro. d) La potencia convertida de eléctrica en mecánica. e) l par producido y el par de carga. g) l rendimiento total de la máquina. h) La velocidad del motor en revoluciones por minuto y en radianes por segundo. i) A qué deslizamiento se presenta el par máximo de salida?. Cuál es la magnitud de ese par?. j) Cuánta resistencia adicional (referida al circuito del estator) es necesario agregar en el circuito del rotor para que el par máximo de salida se presente en el momento del arranque (cuando el eje está quieto)?. k) Si el motor se conecta a una red de potencia de 5 Hz, cuál debe ser el voltaje alimentación?. or qué?. Cuáles son los valores de los componentes del circuito equivalente a 5?. Contestar los apartados anteriores para el motor funcionando a 5 Hz con un deslizamiento,5 y el voltaje apropiado para esta máquina. 5. Un motor de induión trifásico de cuatro polos, conectado en estrella de 46 V, 5 kw y 6 Hz, tiene los siguientes parámetros del circuito eléctrico equivalente por fase referidos al estator:, Ω;,5 Ω; X, Ω; X, Ω; X µ 59,4 Ω. Las pérdidas totales por friión y rozamiento con el aire se consideran constantes a 65 W, y las pérdidas en el núcleo pueden considerarse igual a W. Con el motor conectado directamente a una fuente de 46 V, calcule la velocidad, el par y la potencia de salida, el factor de potencia y el rendimiento para los siguientes deslizamientos:, y %. 6. Un motor de induión con condensador de arranque de V,,5 H, 5 Hz, seis polos, conexión en estrella, tiene las siguientes impedancias en el devanado principal:, Ω;,7 Ω; X µ 5 Ω; X, Ω; X, Ω Con un deslizamiento de,5, las pérdidas rotacionales son de 9 W y pueden asumirse constantes en el rango de operación normal del motor. Calcular: a) Corriente en el estator. b) Factor de potencia del estator. c) otencia de entrada y de salida. d) ar desarrollado y de salida. e) endimiento.

15 f) l par producido en el motor si opera con un deslizamiento del 5 por ciento y su voltaje en terminales es: 9 V, 8 V y V. g) ar desarrollado en el arranque en modo directo y corriente consumida cuando la tensión de alimentación es la nominal. h) ar máximo que puede desarrollar el motor y el deslizamiento al cuál se produce. 7. l ascensor de una vivienda tiene instalado como máquina motriz un motor de induión trifásico, de jaula de ardilla, /8 V, 5 Hz y polos. Los resultados obtenidos tras ensayar la máquina funcionando en vacío y funcionando con el rotor bloqueado, con la conexión estatórica adecuada e idéntica en ambos ensayos son los siguientes: nsayo de Vacío: U V; 7,65 A; 756 W; n 49,85 r.p.m. nsayo de otor Bloqueado: U V; 7, A; 54 W. Con el objeto de obtener el valor de la resistencia del devanado estatórico, con el motor conexionado de la misma que en los ensayos, se ha aplicado entre dos de las fases del estator una tensión de corriente continua de 6 V y se ha medido una intensidad de 9 A. Se desprecia el efecto piel. La red eléctrica de alimentación es trifásica: V y 5 Hz. Considerando constante el par de pérdidas mecánicas de la máquina, se pide: a) Conexión del motor, y el dibujo normalizado de la placa de bornes de la máquina. b) Circuito equivalente aproximado, por fase, de la máquina. c) Velocidad de ascenso de la cabina del ascensor sabiendo que transporta 6 personas de 8 kg y que el radio de la polea que aiona es de, m. l peso de la cabina se compensa con contrapesos. (Considerar g m/s ). d) Velocidad de descenso de la cabina del ascensor cuando transporta las mismas personas. l mecanismo de automatización intercambia dos de las fases de alimentación de la máquina cuando comienza dicho descenso. 8. n determinadas condiciones de carga, un motor de induión trifásico, conectado en triángulo, absorbe de una red de V una potencia de 64 W con factor de potencia,85. La relación entre la resistencia estatórica y rotórica referida al estator es de,7 y se sabe que el par máximo se produce a 46 r.p.m. Considerando despreciables las pérdidas mecánicas y la rama de vacío, calcular: a) ntensidad absorbida, balance de potencias y par desarrollado a 455 r.p.m. b) ntensidad absorbida y par desarrollado en un arranque directo. c) Velocidad de giro funcionando como freno a contracorriente con un par de 4 Nm. 9. Las impedancias por fase de un motor de induión de 5 kw, 69/4V, 5 Hz, 4 polos, referidos a la frecuencia de 5 Hz, son las siguientes: 4

16 ,5 Ω;,75 Ω; X X,6 Ω; X µ 5 Ω Se alimenta desde una red de 4 V y aiona una carga de tipo ventilador cuya característica de par resistente par de un valor de 5 Nm en reposo, presenta un mínimo de, Nm a rpm y llega a valer 5 Nm a 5 rpm. Se desprecian las pérdidas mecánicas. Se pide: a) Calcular la corriente y el par de arranque directo. b) Comprobar si se puede arrancar mediante arranque estrella-triángulo. c) Calcular la intensidad absorbida de la red, el factor de potencia, el par en el eje, la velocidad de giro y el rendimiento del motor cuando funciona a plena carga en conexión triángulo sobre una red de 8 V. 4. n una industria se dispone de motores idénticos de las siguientes características: motor trifásico de induión tetrapolar tipo jaula y conectado en tríangulo. Se sabe que en unas pruebas realizadas sobre uno de los motores, éste desarrolló un par en el rotor de 58,67 Nm con un deslizamiento del 5%, consumiendo una intensidad de 6 A con un factor de potencia de,95 y una potencia reactiva de 468 Var. ara el suministro eléctrico a esta industria se dispone de dos transformadores tipo Yy acoplados en paralelo y alimentados a kv, cuyos datos de ensayos, en condiciones distintas al régimen nominal, son: Transformador A elación de tensiones en vacío: /4,6 V. nsayo de cortocircuito (valores medidos en baja tensión): Tensión aplicada: 4 V. Corriente consumida: 7 A. otencia consumida: 87 W. Transformador B elación de tensiones en vacío: /4,6 V. nsayo de cortocircuito (valores medidos en baja tensión): Tensión aplicada: 5 V. Corriente consumida: 8,5 A. otencia consumida: 89,5 W. n un instante determinado, las máquinas que están funcionando en la industrial son cinco motores idénticos al descrito, teniendo cada uno de ellos un deslizamiento del 8%. n estas condiciones y despreciando las ramas de vacío de todas las máquinas, se pide: a) Obtener la intensidad que circula por los devanados de cada transformador. b) Calcular el valor de la regulación del transformador A. c) Calcular el par desarrollado en el rotor de cada motor. 5

17 4. Se dispone de una instalación industrial donde dos transformadores acoplados en paralelo alimentan, como únicas cargas, a tres motores de induión idénticos. Se conoce lo siguiente: Motores de nduión otor en jaula de ardilla. Tensiones nominales: 8/66 V. Frecuencia de alimentación: 5 Hz. Velocidad nominal rotórica: 959 r.p.m. ama de vacío despreciable, mec 8 kw (constantes). Las pérdidas por efecto Joule en el estator y en el rotor son iguales. l arranque se realiza mediante un arrancador estrella-triángulo a su tensión nominal, siendo la corriente consumida del embarrado en B.T. por cada motor de A y el par desarrollado por cada uno de ellos en el eje de Nm. Alimentados a su tensión nominal, el régimen de carga diario de los motores es el siguiente: horas: funcionando los tres motores a plena carga. 6 horas: dos motores desarrollan el 8% de su potencia a plena carga en el eje y el tercero está en vacío. 6 horas: los tres motores están desconectados de la red. Transformadores Se pide: U NA / U NA U NB / U NB /9 V. S NA S NB. gual conexión: Yz. U A 5 %; U B 4 %; φ A 6º; φ B 65º. n el régimen de mayor carga de los descritos: U V, U 8 V. a) endimiento energético diario del conjunto de motores. 6

18 b) Factor de potencia medio en el embarrado de B.T. c) mpedancia de cortocircuito y potencia nominal de cada transformador. d) Tensión de alimentación de los transformadores en el segundo régimen de carga. 4. Una bomba instalada en una autopista para la eliminación del agua de la lluvia es aionada mediante un motor de induión trifásico de pares de polos que tiene las curvas características de la siguiente figura. l motor se alimenta a una tensión de 8 V (5 Hz). La bomba presenta, incluidas las pérdidas mecánicas, un par resistente dado por la siguiente expresión (el par en Nm y la velocidad ω en rad/s): M, +,7ω. Determinar en el punto de funcionamiento: res a) La velocidad de rotación del motor, el par desarrollado, el deslizamiento y el rendimiento. b) Las potencias activa, reactiva y compleja y el factor de potencia. c) La corriente de línea (módulo y fase). Determinar, en el instante de arranque: d) l par motor, el par resistente y el factor de potencia. Determinar si podrá arrancar la bomba. Si se desea arrancar la bomba con el par máximo que puede proporcionar el motor, 7

19 e) Calcular, en función de la resistencia interna del rotor, las resistencias que deben añadir en serie con el rotor. Si la tensión de alimentación se reduce un %, f) Determinar el valor del nuevo par de arranque de la máquina. odría ahora arrancar la bomba? 4. Se dispone de un motor de induión trifásico de 6 polos y conexión en triángulo con las siguientes características medidas a plena carga: 6,8 A; 4 V; 5 Hz, fdp,98. l motor aiona una carga cuyo par resistente expresado en Nm viene dado en función de la velocidad de giro del motor expresada en r.p.s., según la siguiente expresión: T +, 6847 n 46, Alimentado desde una red de 4 V, la intensidad consumida en un arranque directo es 5 veces la corriente nominal con un f.d.p. de.6, y siendo el par desarrollado en el eje de Nm. l eglamento lectrotécnico de Baja Tesión (..B.T.) limita el valor de la intensidad consumida en el arranque en función de la potencia y de la corriente nominal del motor. ara corriente alterna ha de cumplirse: otencia nominal del motor K máxima arr anq ue / Nominal De,5 kw a 5 kw De 5 kw a 5 kw De más de 5 kw,5 Despreciando la rama del vacío del circuito eléctrico equivalente del motor y considerando las pérdidas mecánicas constantes, analizar con cuál o cuáles de los siguientes métodos es posible arrancar este motor cumpliendo con el..b.t. Justificar numéricamente las respuestas:. Arranque por inserción de una impedancia en serie con la alimentación al estator.. Arranque por autotransformador (se considerará ideal).. Arranque estrella-triángulo. 4. Arranque por variación de la resistencia retórica, suponiendo que el motor es de rotor bobinado. 44. Se dispone de una línea de alimentación a dos motores de induión trifásicos idénticos. l circuito parte de un embarrado que se encuentra a la tensión constante de 4 V y 5 Hz. La longitud del circuito entre el embarrado y los motores es de m, presentando una impedancia de (,5+j,9)Ω/km. 8

20 Las características de cada motor son: rotor en jaula de ardilla, /4 V, 6 polos, 5 Hz y resistencia del estator, Ω. n un arranque directo alimentado a la tensión de 4 V y 5 Hz, el motor consume una corriente de 8,56 A y desarrolla un par de 9 Nm. Se consideran despreciables las pérdidas mecánicas y la rama de vacío del circuito eléctrico equivalente de los motore s.. Calcular el circuito eléctrico equivalente aproximado de cada motor.. Sí solo funciona un motor, cuál es el deslizamiento para el cual se obtiene el par máximo?. 4. Uno de los motores trabaja a una velocidad de 95 rpm. Manteniéndose constante esta velocidad, se conecta el segundo motor. Determinar en ese instante: la tensión de alimentación de los dos motores, el par desarrollado por el primer motor y el valor máximo del par resistente que puede haber en el eje del segundo motor para que este comience a girar. Girando ambas máquinas a una velocidad constante de 959 r.p.m., se intercambia la conexión al embarrado de dos de las fases del circuito de alimentación de las mismas. Determinar en este instante la intensidad consumida (valor complejo) así como el modo de funcionamiento de las dos máquinas. 5. n determinadas condiciones, las cargas aionadas por las dos máquinas asíncronas llevan a éstas a trabajar a la velocidad de 5 r.p.m. Determinar la potencia activa y reactiva consumida o cedida por las máquinas, así como su modo de funcionamiento. 45. Una empresa dedicada al tratamiento de aguas residuales ha adquirido una máquina de induión trifásica de 8 V y 5 Hz, para aionar una bomba de agua. Una vez recibida la máquina, los ingenieros de planta deciden ensayarla para obtener su circuito eléctrico equivalente aproximado. Los resultados obtenidos son: nsayo de Vacío: U 8 V; 9 A; 4 W; n 495, 5 rpm nsayo de rotor bloqueado: U 7 V; 4,8 A; 66,44 W. Con el objeto de obtener el valor de la resistencia del devanado estatórico, con el motor conexionado de la misma forma que en los ensayos, se ha aplicado entre dos de las fases fases del estator una tensión de corriente continua de V y se ha medido una intensidad de 5, 5 A. Se desprecia el efecto piel. Se pide:. Con los datos que han obtenido los ingenieros de planta, obtener el circuito eléctrico equivalnte aproximado por fase de la máquina asíncrona.. Calcular el par de pérdidas mecánicas que se consideraran constantes.. Si el deslizamiento de la máquina asíncrona es,8, calcular la potencia desarrollada, la potencia consumida y el rendimiento de la máquina. 9

21 4. Calcular la corriente que consumiría la máquina si en la tubería de admisión de la bomba penetra una rama de árbol que hace que se pare por completo, continuando alimentada la máquina asíncrona a su tensión nominal. 5. Calcular la velocidad de giro del rotor si se cierra bruscamente el paso de agua a la bomba, de forma que el par de carga se pueda considerar nulo. 46. Se dispone de un motor de induión trifásico de 6 polos y tensiones nominales 4/69 V. ara el arranque del motor se emplea un arrancador estrella-triángulo, cambiando la conexión cuando el motor alcanza el 75% de su velocidad de sincronismo. Se conocen los siguientes datos del arranque del motor, según el procedimiento descrito anteriormente: Corriente consumida A; Factor de otencia,5; ar de arranque 75 Nm. Se pide: 6. Cuando la máquina está trabajando con un deslizamiento de,8 y, por un error del operario, se intercambian dos de las fases de alimentación de la máquina, calcular el par desarrollado en ese instante.. Circuito monofásico equivalente del motor, despreciando la rama de vacío.. otencia compleja consumida por el motor cuando desplaza una carga determinada a 97 rpm.. érdidas mecánicas si el par resistente anterior es de 44 Nm. 47. n una fábrica se alimenta un banco de motores de induión mediante dos transformadores de potencia conectados en paralelo. Las características de los transformadores y de los motores son las siguientes: Transformador A: Conexión YY Tensiones nominales kv/4v nsayo de cortocircuito, realizado por el lado de baja tensión: Tensión de alimentación V; Corriente consumida A; otencia del ensayo 5 W. Transformador B: Conexión YY Tensiones nominales kv/4v nsayo de cortocircuito, realizado por el lado de baja tensión: Tensión de alimentación V; Corriente consumida 85 A; otencia del ensayo 55 W Motores Asíncronos (los son idénticos):

22 Conexión en triángulo 4 olos y 5 Hz de frecuencia Datos en condiciones nominales de funcionamiento: ar en el rotor 6 Nm; Deslizamiento 5%; Corriente consumida 4,4 A; otencia consumida 98 W; Factor de otencia,9. Se pide:. Dibujar un esquema (diagrama unifilar) de la instalación de la fábrica.. Obtener el circuito monofásico equivalente de la instalación.. n un determinado instante, todos los motores giran a la misma velocidad de 8 rpm. Calcular cuál será la regulación a la que estarán trabajando los transformadores. 4. n otro instante determinado, motores están parados, motores están girando a 4 rpm, motores a 8 rpm y el resto a 45 rpm. Calcular la potencia compleja que aporta cada transformador al conjunto de motores y la tensión en el secundario. 5. Si se dispusiera de un sistema automático de compensación de la potencia reactiva que consumen los motores (conectado en paralelo en el lado de baja tensión de los transformadores), calcular la tensión en el secundario de los transformadores en el apartado y n una instalación industrial se emplea un transformador para alimentar dos motores de induión trifásicos, con las siguientes características: otor de Jaula de Ardilla Tensión nominales: 4V/69V 6 olos y 5 Hz de frecuencia de alimentación érdidas por rozamiento y ventilación 8 kw Velocidad nominal del motor 95 rpm La resistencia del inducido referida al estator es igual que la del inductor. l motor se pone en marcha mediante un arrancador estrella-triángulo. l pico de corriente en el arranque es de A y el par de arranque desarrollado es Nm. l transformador tiene las siguientes características: Tensiones nominales kv/4 V Conexión Yz ε 5%; ϕ 6º

23 Se pide: otencia nominal: 4 kva. squema unifilar de la instalación y circuito monofásico equivalente de las tres máquinas.. Cuál es la potencia nominal del motor?. Suponiendo que la tensión de alimentación del transformador es constante e igual a la nominal y que los motores están aionando sendas cargas girando a 94 rpm, calcular cuál será la tensión de alimentación de los motores y el índice de carga del transformador. 4. n otro régimen de funcionamiento, la carga aionada por uno de los motores incrementa su par resistente en un 5%. l otro motor sigue aionando la misma carga y girando a 94 rpm. Volver a realizar los cálculos del apartado anterior. 5. A la vista de los resultados anteriores, razone si el ingeniero encargado del diseño de la instalación re alizó una correcta eleión del transformador. 49. Se dispone de un motor asíncrono que aiona una carga que ejerce un par resistente según la siguiente ecuación: Tr 5 +,65 n (donde n es la velocidad de giro del motor en rps y el par resistente está expresado en Nm). Del motor de induión se conocen los siguientes datos: Conexión en triángulo, 6 polos, 5 Hz Datos en condiciones nominales: n 6 A; V 4 V;fdp,98 n Datos en un arranque directo a la tensión nominal: 65 A; cos ϕ,; T Nm arr ( ) arr Según el..b.t. la tabla de intensidades de arranque para motores de induión es al siguiente: otencia K máxima arr / nominal,5-5kw 5-5 kw >5 kw,5 ndique cuál o cuáles de los siguientes métodos de arranque se ajustan al..b.t., considerando que el par de pérdidas mecánicas es despreciable:. Arranque directo a la tensión nominal.. Arranque por autotransformador.

24 . Arranque estrella-triángulo. 4. Arranque por inserción de resistencia retóricas. 5. n una instalación industrial se emplea, para alimentar un motor de induión trifásico, un transformador de potencia con las siguientes características: Tensiones nominales kv/4v otencia nominal 5 kva Datos del ensayo de cortocircuito: 5 W; ε 8% l motor asíncrono que alimenta este transformador tiene las siguientes características: Se pide: Conexión en estrella, pares de polos Corriente nominal 9 A Tensión de alimentación nominal 4 V otencia nominal 5 kw Velocidad de giro en condiciones nominales de funcionamiento 44 rpm Factor de potencia,9 érdidas mecánicas por rozamiento y ventilación W. squema unifilar de la instalación y circuito monofásico equivalente.. n un determinado instante, la máquina aionada por el motor le impone un par resistente de 8 Nm. Calcular la velocidad de giro de motor y la tensión de alimentación del mismo (se considera constante la tensión de alimentación del transformador).

25 5. Una instalación industrial está alimentada por un transformador trifásico, conexión Yy, que alimenta a tres motores asíncronos trifásicos de jaula de ardilla, como se indica en el esquema de la figura adjunta. Los tres motores trifásicos son idénticos, tienen polos, tensiones nominales /8 V y los parámetros de su circuito equivalente son los siguientes:,5 Ω;,8 Ω; X Ω; X,5 Ω Se puede despreciar la rama en paralelo y las pérdidas mecánicas en los motores asíncronos. La tens ión de alimentación del transformador es V. Los motores M y M están trabajando con un deslizamiento del 4%, y el motor M del %. Se pide:. Tensión en el secundario del transformador.. otencia total (activa y reactiva) suministrada por el transformador al conjunto de los tres motores.. ar desarrollado por cada uno de los motores. 4. endimiento global de la instalación. 4

26 MÁQUNA ASÍNCONA roblemas resueltos OBLMA U n motor asíncrono trifásico conectado en estrella de, kw, 8 V, 5 Hz y 4 polos, ha dado los siguientes resultados en unos ensayos: nsayo de Vacío: 8 V, A, 7 W, nsayo de Cortocircuito: V, A, W. La resistencia de cada fase del devanado primario o del estator es igual a,5 Ω, las pérdidas mecánicas son 5 W y se consideran constantes. Calcular: a) La velocidad de sincronismo. b) La resistencia de pérdidas en el hierro, F, y la reactancia de magnetización, X µ. c) La resistencia y la reactancia de cortocircuito. d) La resistencia del rotor referida al estator. l motor, alimentado a la tensión nominal, está funcionando a plena carga con un deslizamiento del 5%. e) Dibujar el circuito equivalente del motor. Calcular: f) La corriente del rotor referida al estator. g) La corriente de vacío, indicando las componentes de pérdidas en el hierro y de magnetización. h) La corriente del estator. i) Las pérdidas en el hierro. j) otencia mecánica interna. k) otencia mecánica útil. l) endimiento del motor. m) Velocidad de giro del motor. n) ar desarrollado por el motor y el par útil. 5

27 Solución Notación empleada n Velocidad de sincronismo del motor, en r.p.m. n Velocidad de giro del motor, en r.p.m. Ω Velocidad de giro del motor, en rad/seg. otencia activa del ensayo de vacío. m otencia de pérdidas mecánicas. F otencia de pérdidas en el hierro. cu otencia de pérdidas en el cobre del estator. otencia del ensayo de cortocircuito. esistencia por fase del estator. esistencia por fase del rotor referida al estator. c esistencia de carga referida al estator. Tensión del ensayo de vacío, en valor de fase. F Corriente del ensayo de vacío, en valor de fase. Corriente de vacío. F Corriente de pérdidas en el hierro. µ Corriente de magnetización. F esistencia de pérdidas en el hierro. X µ eactancia de magnetización. Tensión del ensayo de cortocircuito, en valor de fase. Corriente del ensayo de cortocircuito, en valor de fase. esistencia de cortocircuito. X eactancia de cortocircuito. Tensión de fase del estator. Corriente de fase del estator. Corriente de fase del rotor, referida al estator. f Frecuencia de la red. otencia absorbida por el motor. u otencia útil. η endimiento. m Número de fases del estator. s Deslizamiento. Mmi ar mecánico interno. Mu ar útil. Apartado A l número de pares de polos, p, es, y la frecuencia de la red 5 Hz. or tanto la velocidad de sincronismo vale: 6 f 6 5 n.5 r.p.m. p Apartado B n un ensayo de vacío o de rotor libre de una máquina asíncrona, además de las pérdidas en el hierro se contabilizan las pérdidas mecánicas, que se suelen considerar constantes, y las pérdidas en el cobre del estator. + F + cu m 6

28 Si despejamos en la ecuación anterior se pueden calcular las pérdidas en el hierro: F m cu Las pérdidas mecánicas son un dato del problema y valen 5 W. Las pérdidas en el cobre del estator para el ensayo de vacío se pueden calcular, puesto que nos proporcionan el dato de la resistencia del estator. ntonces las pérdidas en el hierro valen: cu F,5,5 W F cu F m 7,5 5 46,5 W l siguiente paso está encaminado a encontrar las dos componentes de la corriente de vacío. l procedimiento es el mismo que en los transformadores, utilizando como circuito equivalente de la máquina asíncrona el siguiente: cosϕ F F F senϕ F cosϕ 46,5, 8,98 Las componentes de la corriente de vacío son las siguientes: F µ F F cosϕ senϕ,,66 A,98,9 A Ya se disponen de todos los datos necesarios para encontrar los valores de F, y X µ : X F µ F µ F 8,66 X µ 8,9 F,8 Ω µ 74,99 Ω 7

29 Apartado C l circuito equivalente por fase del motor asíncrono para el ensayo de cortocircuito o de rotor bloqueado es el siguiente. Hay que tener en cuenta que en el arranque el deslizamiento del motor vale uno, y que podemos despreciar la rama en paralelo. l procedimiento a seguir para calcular y X es el mismo que en los transformadores. cosϕ senϕ cosϕ.,5,94 La resistencia de cortocircuito es la siguiente: cosϕ cosϕ Ω Fase,5 La reactancia de cortocircuito vale: 8

30 X X senϕ senϕ X,94,7 Ω Fase Apartado D esistencia del rotor referida al estator: ' +,5 ',5 Ω Fase ' Apartado Circuito equivalente aproximado del motor por fase. Apartado F Ahora el motor está funcionando a plena carga con un deslizamiento s igual a,5. Del circuito equivalente del motor se puede deducir la siguiente ecuación, que nos permite encontrar el valor de la corriente del rotor referida al estator. 9

31 (( + ') + j X ) ' c ( + c ') + j X Se toma como origen de fases la tensión de alimentación del estator: ' 8 º V c es la resistencia de carga. Teniendo en cuenta que el deslizamiento es,5, el valor de la resistencia de carga es el siguiente: c ' ',5 s,5 9,5 Ω Fase Sin olvidar que estamos trabajando con valores de fase, la corriente del rotor referida al estator es la siguiente: ' 8 º, 4,47º A + j,7 ( + 9,5) Apartado G La corriente de vacío se puede descomponer en la suma de dos términos: la corriente de pérdidas en el hierro F, y la corriente de magnetización µ. F + µ La corriente de pérdidas en el hierro está en fase con la tensión de alimentación del estator, que sigo tomando como origen de fases. F F F F F 8 º,8,66 º A Sin embargo, la corriente de magnetización retrasará 9º respecto a la misma tensión.

32 µ j X µ j X µ 8 º j 74,99,9 9º A La corriente de vacío se obtendrá sumando fasorialmente F e µ. µ µ F + µ,66 +,9 9º 77,º A Apartado H La corriente que el motor está consumiendo en esta situación de carga será, como se puede deducir del circuito equivalente del motor, la suma de la corriente del rotor referida al estator más la corriente de vacío: ' + 77,º +, 4,47º,77,5º A Apartado Las pérdidas en el hierro equivalen a las pérdidas de potencia por efecto Joule en la resistencia F. Se podría utilizar cualquiera de las dos siguientes expresiones: F F F F F y el resultado sería el siguiente: F 4, W Apartado J La resistencia de carga c se utiliza para representar el efecto de la carga mecánica que tiene que mover el motor. La potencia mecánica interna que desarrolla el motor, para mover la carga y superar las pérdidas mecánicas por rozamiento, equivale a la potencia disipada en esa resistencia.

33 mi m ' ',5 s.66,7 W mi,5, Apartado K La potencia útil es la que realmente se utiliza para mover la carga, es decir, la potencia mecánica interna menos las pérdidas. u mi u m.66,7 5.4,7 W Apartado L otencia consumida por el motor. cos l cosϕ es el coseno del argumento de la corriente absorbida por el estator. 8,77 cos endimiento del motor en la situación de plena carga. ϕ (,5).,6 W η u 85,6% Apartado M Velocidad de giro del motor. n n n s n ( s) n (,5) n.45 r.p.m..5 Apartado N

34 ar mecánico interno. mi M mi Ω Ω es la velocidad de giro del motor en rad/seg. M mi mi mi.66,7 Ω π n π M 78,6 N m mi ar útil. M u u u M u Ω u u.4,7 Ω π n π M 76,49 N m

35 OBLMA U n motor asíncrono trifásico conectado en estrella de 8 V, 5 Hz y 4 polos, ha dado los siguientes resultados en unos ensayos: nsayo de Vacío: 8 V,, A, 7 W, nsayo de Cortocircuito: V, A, 5 W. La resistencia de fase del devanado primario o del estator es igual a,6 Ω. Las pérdidas mecánicas son 6 W y se consideran constantes. Calcular: a) La resistencia de pérdidas en el hierro, F, y la reactancia de magnetización, X µ. b) La resistencia y la reactancia de cortocircuito. l motor, alimentado a la tensión nominal, está funcionando a un determinado régimen de carga con un deslizamiento del 4,5%. Calcular: c) La corriente que está consumiendo el motor y su factor de potencia. d) l rendimiento del motor. e) l par total desarrollado por el motor y el par útil. 4

36 Solución Notación empleada n Velocidad de sincronismo del motor, en r.p.m. n Velocidad de giro del motor, en r.p.m. ω Velocidad de giro del motor, en rad/seg. otencia activa del ensayo de vacío. m otencia de pérdidas mecánicas. F otencia de pérdidas en el hierro. cu otencia de pérdidas en el cobre del estator. otencia del ensayo de cortocircuito. esistencia por fase del estator. esistencia por fase del rotor referida al estator. c esistencia de carga referida al estator. Tensión del ensayo de vacío, en valor de fase. F Corriente del ensayo de vacío, en valor de fase. Corriente de vacío. F Corriente de pérdidas en el hierro. µ Corriente de magnetización. F esistencia de pérdidas en el hierro. X µ eactancia de magnetización. Tensión del ensayo de cortocircuito, en valor de fase. Corriente del ensayo de cortocircuito, en valor de fase. esistencia de cortocircuito. X eactancia de cortocircuito. Tensión de fase del estator. Corriente de fase del estator. Corriente de fase del rotor, referida al estator. f Frecuencia de la red. otencia absorbida por el motor. u otencia útil. mi otencia mecánica interna. η endimiento. s Deslizamiento. Tmi ar mecánico interno. Tu ar útil. Apartado A n un ensayo de vacío o de rotor libre de una máquina asíncrona, además de las pérdidas en el hierro se contabilizan las pérdidas mecánicas, que se suelen considerar constantes, y las pérdidas en el cobre del estator. F + cu + Si despejamos en la ecuación anterior se pueden calcular las pérdidas en el hierro: m F m cu Las pérdidas mecánicas son un dato del problema y valen 6 W. Las pérdidas en el cobre del estator para el ensayo de vacío se pueden calcular, puesto que nos proporcionan el dato de la resistencia del estator por fase. cu F,6, 8, 4W 5

37 ntonces las pérdidas en el hierro valen: F cu F m 7 8,4 6 4,57 W l siguiente paso está encaminado a encontrar las dos componentes de la corriente de vacío. l procedimiento es el mismo que en los transformadores, utilizando como circuito equivalente de la máquina asíncrona el siguiente: cosϕ F cosϕ F 4,57 8 F, senϕ,98 F, Las componentes de la corriente de vacío son las siguientes: F µ F F cosϕ,,,64 A senϕ,,98,4 A Ya se disponen de todos los datos necesarios para encontrar los valores de F, y X µ : F F F 8,64 F 4,8 Ω X µ µ X µ 8 69,87 Ω,4 µ 6

38 Apartado B l circuito equivalente por fase del motor asíncrono para el ensayo de cortocircuito o de rotor bloqueado es el siguiente. Hay que tener en cuenta que en el ensayo de cortocircuito el deslizamiento del motor vale uno, y que podemos despreciar la rama en paralelo. l procedimiento a seguir para calcular y X es el mismo que en los transformadores. cosϕ senϕ cosϕ.5,6,9 La resistencia de cortocircuito es la siguiente: cosϕ cosϕ,4 Ω Fase,6 La reactancia de cortocircuito vale: X X senϕ senϕ X,69 Ω Fase,9 7

39 Apartado C Circuito equivalente aproximado del motor por fase. l motor está funcionando a un determinado régimen de carga con un deslizamiento s igual a,45. Del circuito equivalente del motor se puede deducir la siguiente ecuación, que nos permite encontrar el valor de la corriente del rotor referida al estator. (( + ') + j X ) ' c ( + c ') + j X Tomo como origen de fases la tensión de alimentación del estator: ' 8 º V c es la resistencia de carga. Teniendo en cuenta que el deslizamiento es,45, el valor de la resistencia de carga es el siguiente: ',44 9, 7 Ω s,45 Fase c ' reviamente hemos de haber encontrado el valor de la resistencia del rotor referida al primario, a partir de y. ' ' ' +,4,6,44 Ω Fase Sin olvidar que estamos trabajando con valores de fase, la corriente del rotor referida al estator es la siguiente: 8

40 8 º ',4 4,49º + j,69 (,4 + 9,7) A La corriente de vacío se puede descomponer en la suma de dos términos: la corriente de pérdidas en el hierro F, y la corriente de magnetización µ. F + µ La corriente de pérdidas en el hierro está en fase con la tensión de alimentación del estator, que sigo tomando como origen de fases. F F F F 8 º 4,8 F,64 º A Sin embargo, la corriente de magnetización retrasará 9º respecto a la misma tensión. µ µ j X j X µ µ µ 8 º j 69,87,4 9º A La corriente de vacío se obtendrá sumando fasorialmente F e µ. F + µ,64 +,4 9º, 78,48º A La corriente que el motor está consumiendo en esta situación de carga será, como se puede deducir del circuito equivalente del motor, la suma de la corriente del rotor referida al estator más la corriente de vacío: ' +,4 4,49º +, 78,48º,99,º A l factor de potencia será el siguiente: cosϕ cos (,),9 ( nductivo) 9

41 Apartado D l rendimiento de una máquina es la relación entre la potencia de salida, o potencia útil, y la potencia de entrada o consumida. η u La potencia de entrada del motor es la que está consumiendo por el estator. ϕ cos 8,99,9.46, 67 W La resistencia de carga c se utiliza para representar el efecto de la carga mecánica que tiene que mover el motor. La potencia mecánica interna que desarrolla el motor, para mover la carga y superar las pérdidas mecánicas por rozamiento, equivale a la potencia disipada en esa resistencia. mi m ' ' mi c 9,7,4.696,5W La potencia útil es la que realmente se utiliza para mover la carga, es decir, la potencia mecánica interna menos las pérdidas. u mi u m.696,5 6.46,5W endimiento del motor en esta situación de carga es el siguiente: η u 85,4% Apartado Una vez conocidas las potencias interna y útil del motor, podemos calcular el par mecánico interno, o total, desarrollado por la máquina, y el par útil. ero antes es necesario conocer la velocidad de giro del motor. 4

42 n n n n s n 6 f p ( s) ( s) 6 5 n (,45) 4,5 r. p. m. π n ω 5, rad 6 s l par mecánico interno es el siguiente: l par útil se obtiene empleando la potencia útil: T mi mi mi T mi ω mi.696,5 ω 5, T 77,97 N m T u.46,5 Tu ω 5, T 76,4 N m u u u ω 4

43 OBLMA U n motor de induión trifásico, conectado en estrella, de V, 6 polos, 5 Hz y, kw (potencia útil en condiciones nominales), tiene los siguientes parámetros del circuito equivalente en ohmios por fase:.7 ;. ; X X.6 ; X µ Las pérdidas mecánicas se suponen constantes e iguales a 7 W. A. Calcular en condiciones de plena carga la velocidad de giro, el factor de potencia, rendimiento y potencia consumida por el motor. B. Determinar el par máximo que es capaz de desarrollar la máquina y el deslizamiento al que se produce. C. n un arranque de tipo directo, y considerando el par resistente constante, indicar si el motor es capaz de arrancar en los siguientes casos: ar resistente de Nm, ar resistente de 5 Nm, ar resistente de 7 Nm. n cuál de estos tres casos el motor arrancará más rápidamente? D. Se quiere reducir la corriente de arranque del motor en al menos un 5%. Se dispone de un transformador trifásico ideal de relación de transformación / V. Si el arranque del motor se realiza empleando este transformador, se consigue el objetivo buscado? Cuál es el % de reduión de la corriente de arranque?. n las condiciones del apartado anterior calcular el % de reduión del par de arranque. Determinar si, con este tipo de arranque, el motor es capaz de ponerse en marcha para los tres casos del apartado C. 4

44 Solución Notación empleada n Velocidad de sincronismo del motor, en r.p.m. n Velocidad de giro del motor, en r.p.m. Ω Velocidad de giro del motor, en rad/seg. otencia activa del ensayo de vacío. m otencia de pérdidas mecánicas. F otencia de pérdidas en el hierro. cu otencia de pérdidas en el cobre del estator. otencia del ensayo de cortocircuito. esistencia por fase del estator. esistencia por fase del rotor referida al estator. c esistencia de carga referida al estator. Tensión del ensayo de vacío, en valor de fase. F Corriente del ensayo de vacío, en valor de fase. Corriente de vacío. F Corriente de pérdidas en el hierro. µ Corriente de magnetización. F esistencia de pérdidas en el hierro. X µ eactancia de magnetización. Tensión del ensayo de cortocircuito, en valor de fase. Corriente del ensayo de cortocircuito, en valor de fase. esistencia de cortocircuito. X eactancia de cortocircuito. Tensión de fase del estator. Corriente de fase del estator. Corriente de fase del rotor, referida al estator. f Frecuencia de la red. otencia absorbida por el motor. u otencia útil. mi otencia mecánica interna. η endimiento. m Número de fases del estator. s Deslizamiento. Mmi ar mecánico interno. Mu ar útil. Apartado A n este primer apartado del problema se pide calcular la velocidad, factor de potencia, rendimiento y potencia consumida por el motor en condiciones de plena carga. n esta situación particular de funcionamiento, la potencia útil desarrollada por el motor es la nominal. ste dato es conocido, junto con las pérdidas mecánicas, que se consideran constantes. ntonces se puede calcular la potencia mecánica interna desarrollada por el motor: u, nom m, 7 +,9 kw mi u, nom m ara resolver este apartado va a ser necesario antes determinar el deslizamiento de la máquina cuando trabaja a plena carga. Los siguientes pasos van encaminados a obtener una ecuación o fórmula que permita determinar el valor de s. kw W 4

45 l circuito equivalente por fase del motor asíncrono es el siguiente: n nuestro caso particular, la resistencia equivalente de las pérdidas en el hierro, Fe, suponemos que es nula, debido a que no hay datos para calcularla, por lo que no debe aparecer en el circuito equivalente. La potencia mecánica interna mi que se acaba de calcular equivale a las pérdidas por efecto Joule en la resistencia equivalente de carga c. mi ' c ' Si se utiliza el circuito equivalente de la máquina se puede obtener una expresión para la corriente. La aplicación de la segunda ley de Kirchoff da lugar a la siguiente expresión para el módulo de esta corriente: ' ' + c + X ( ) Se eleva al cuadrado esta expresión, y se sustituye en la fórmula de la potencia mecánica interna: mi ' c ' + c + ( ) X n esta expresión de la potencia mecánica interna, en principio, no aparece el deslizamiento s de la máquina. Sin embargo, la resistencia equivalente de carga c si que depende de s. ' c ' s Si sustituimos esta última relación en la expresión de la mi, se obtiene una ecuación que permite calcular el valor del deslizamiento a plena carga. 44

46 mi ' s ' ' X s sta ecuación de segundo grado tiene una única incógnita, que es el deslizamiento. Al resolverla se van a obtener los dos siguientes valores para s: s s,64, n este caso, las dos soluciones corresponden a un funcionamiento de la máquina como motor. Sin embargo, es fácil decidir que la primera solución no es válida según las condiciones normales de funcionamiento. Se ha visto, en el curso de máquinas, que este tipo de máquina funciona con deslizamientos bajos, o lo que es lo mismo, con velocidades próximas a la de sincronismo. or eso, aceptamos como solución válida la segunda. Ya estamos en condiciones de poder calcular los valores pedidos: Velocidad de plena carga. otencia consumida. n n s n 6 f n ( s) n ( s) 979,76 r. p. m. p cosϕ Necesitamos calcular previamente la corriente consumida por el motor y su factor de potencia. Tomamos como origen de fases la tensión de fase de alimentación del motor. Hay que tener en cuenta que el estator está conectado en estrella. V La corriente del rotor referida al estator se obtiene de la siguiente forma: 8,6 4, 4 ' ' + + j X s A ara obtener el valor de la corriente consumida por el motor, habrá que sumar a la corriente que circula por el rotor, la corriente de magnetización: 45

47 µ 4, 9 j X µ A La corriente del estator es por tanto: µ 9, 48,87 ' + A l factor de potencia de la máquina, al haber escogido como origen de fases la tensión de alimentación, es igual al coseno del argumento de la corriente : ( ) ( ) cosϕ cos,87,86 nductivo Ya se han calculado las variables necesarias para determinar la potencia consumida por el motor a plena carga: 99,7 W Factor de potencia. l factor de potencia a plena carga del motor ha sido determinado con anterioridad. endimiento del motor. ( ) ( ) cosϕ cos,87,86 nductivo La potencia consumida ya es conocida, y la potencia útil a plena carga es un dato del enunciado del problema. or lo tanto el rendimiento queda: u, nom η 7,97 % Apartado B n este segundo apartado, se pide el par máximo que es capaz de desarrollar el motor, y el deslizamiento al cuál se produce. Se sobreentiende que la alimentación del motor seguirá siendo de voltios. ara obtener estos dos datos, basta con emplear las fórmulas desarrolladas en la teoría y que han sido empleadas en los problemas realizados en clase. ar máximo. M max, 6 ( X ) Ω + + N m 46

48 Deslizamiento de par máximo. s M max ', + X Apartado C Ahora tenemos que determinar si el motor va a ser capaz de arrancar en tres casos diferentes de par resistente. l arranque es de tipo directo a la tensión nominal de alimentación del motor. Hay que calcular el par de arranque del motor, y compararlo con los pares resistentes propuestos. Cuando el par de arranque sea mayor que el resistente la máquina será capaz de ponerse en marcha. Se va a determinar el par de arranque de esta máquina en un arranque de tipo directo, sabiendo que el deslizamiento en esta situación vale. ' M arr Mi ( s ) 56, 8 N m Ω + ( X ) ste par es mayor que el par resistente cuando éste vale y 5 Nm. n estos dos casos la máquina consigue arrancar. n el tercero ocurre todo lo contrario. l par resistente de 7 Nm es mayor que el par que la máquina es capaz de desarrollar en el instante de arranque. Ahora queda determinar en cuál de los dos casos en los que la máquina arranca, ésta lo hace más rápido. lanteamos la ecuación mecánica que rige el movimiento de rotación del rotor del motor en el instante de arranque. dω Marr Mres J dt La aceleración inicial del motor depende de la diferencia entre el par de arranque y el par resistente. sta diferencia es mayor cuando el par resistente es de Nm. or lo tanto, es en este caso en el que se produce el arranque más rápido. Apartado D Ahora se quiere reducir la corriente de arranque en al menos un 5%. Como solución se plantea el alimentar al motor a través de un transformador ideal. Éste va a reducir la tensión de alimentación del motor a voltios. Al considerar que es ideal no se producen pérdidas ni caídas de tensión adicionales. ntonces, podemos considerar que el motor estará alimentado, en este caso, a voltios. ara ver si se consigue el objetivo, se calculará la corriente de arranque en los dos casos planteados: arranque directo a voltios, y arranque a través del transformador a voltios. 47

49 + ', arr µ, arr + j X ', arr La corriente de magnetización fue calculada en un apartado anterior. Corriente de arranque con alimentación a voltios. 8, 5,9 + j, ', arr,, arr, 84,6 5, A A Corriente de arranque con alimentación a voltios. 48,5 5,9 + j, ', arr,, arr, 5 5, A A La corriente de arranque se ha reducido en el siguiente porcentaje:, arr,, arr,, arr, 4, % l porcentaje de reduión ha sido del 4,%. or lo tanto, empleando el transformador para alimentar el motor en el arranque se consigue reducir la corriente en al menos un 5%. Apartado Al emplear el transformador para alimentar el motor durante el arranque surge un problema: el par de arranque es proporcional a la tensión de alimentación al cuadrado. Como hemos reducido la tensión de alimentación, también ha bajado el par de arranque de la máquina. l nuevo par de arranque valdrá: M, 9,84 Ω + Ω + ' ' arr ( X ) (, ) N m l % de reduión del par de arranque se calcula de la siguiente manera: 48

50 M M arr, arr, M arr, 65, 8% Ahora el motor no va a ser capaz de arrancar cuando el par resistente sea de 5 Nm. or supuesto que tampoco cuando valga 7 Nm. Con este tipo de arranque el motor solo se pondrá en movimiento para el par resistente de Nm. 49

51 OBLMA4 U n motor asíncrono trifásico de rotor en jaula de ardilla, tiene una placa de características en la que se leen únicamente los siguientes datos: 8/66 V; 5 Hz; 585 r.p.m. Los parámetros del circuito equivalente del motor son: Fe µ ; m ;,5 Ω;,7 Ω; X X Ω Si se conecta el motor a una red de 8 V y 5 Hz, indicar: a) La forma de conexión del estator del motor y dibujo de la placa de bornes correspondiente. b) Conectado el motor correctamente, de acuerdo con el apartado anterior, hallar en el caso en que el motor gire a plena carga a una velocidad de 585 r.p.m., el valor de la corriente absorbida por el motor de la línea, el f.d.p. del motor en estas condiciones y la potencia absorbida por el motor de la red. c) otencia desarrollada por el motor en las condiciones del apartado anterior, par mecánico en el eje y rendimiento del motor. d) Si girando la máquina como motor a 585 r.p.m., se intercambian súbitamente dos fases de la red de alimentación, cuál será, en esos momentos, el par de frenado desarrollado por la máquina?. e) Si la máquina se hace girar a 65 r.p.m. movida por un motor diesel acoplado a su eje, en el mismo sentido que funcionaba como motor y sin cambiar la secuencia de fases, hallar la potencia mecánica absorbida y la potencia eléctrica que la máquina entrega a la red. 5

52 Solución Notación empleada n Velocidad de giro del motor en r.p.m. n Velocidad de sincronismo en r.p.m. s Deslizamiento del motor. Ω Velocidad de giro del motor expresada en radianes/segundo. Tensión de fase del estator. i ntensidad de corriente del estator. ntensidad de corriente de línea. i ntensidad de corriente de rotor referida al estator. esistencia por fase del estator. esistencia por fase del rotor referida al estator. c esistencia de carga. X eactancia por fase del estator. X eactancia por fase del rotor referida al estator. f Frecuencia de la red de alimentación. otencia activa absorbida por el estator. u otencia útil. m otencia de pérdidas mecánicas. mi otencia mecánica interna. abs otencia absorbida por la máquina cuando funciona como generador. ent otencia entregada por la máquina cuando funciona como generador. Mu ar útil desarrollado por el motor. Mi ar mecánico interno. Mf ar de frenado. ζ endimiento del motor. Apartado A Las tensiones de alimentación del motor son 8/66 V. La primera corresponde a la conexión en triángulo del motor y la segunda a la conexión en estrella. n los dos tipos de conexión, las fases del estator están sometidas a la misma tensión de 8 voltios. Como la red de alimentación es de 8 voltios entre fases, la conexión del estator del motor deberá ser en triángulo. 8 V 5

53 l dibujo de la placa de bornes correspondiente a la conexión en triángulo del estator del motor es el siguiente: Apartado B l motor a plena carga tiene que funcionar a un deslizamiento s bajo. Si la velocidad de giro del motor a plena carga es 585 r.p.m., para que el deslizamiento sea bajo la velocidad de sincronismo n deberá ser un valor muy próximo a n. n 6 f p 6 5 p. p l número de pares de polos del motor es desconocido, pero como n debe ser próximo a 585 r.p.m. se puede adivinar que el motor tendrá polos. l deslizamiento de plena carga será por tanto:. n 6 r.p.m. 5 s n n n s,5 l circuito equivalente por fase del motor es el siguiente: 5

54 n este circuito no aparece la rama en paralelo porque en el enunciado se indica que la corriente de magnetización µ y la corriente de pérdidas en el hierro F son nulas. La impedancia equivalente de todo el motor es la siguiente: Z eq ' + + j s ( X + X '),5 + + j ( + ) Z eq 8,5 + j 6,7,5 Si se toma como origen de fases la tensión de alimentación del motor, la corriente de fase absorbida por el motor es la siguiente: i ' i i Z eq 8 º V 8,5 + j 6 Ω,47,889º A La corriente absorbida por el motor de la línea es, por tanto, la siguiente: i,47,599 A l factor de potencia del motor es el coseno del ángulo que existe entre la tensión y corriente de fase: f.d.p. cos(,889º ),979 ( nductivo) Y por último queda determinar la potencia absorbida por el motor de la red: i cos ( ϕ ) 8,47, ,5 W Apartado C n el enunciado del motor se indica que la potencia de pérdidas mecánicas m se considere nula, por tanto, la potencia útil del motor u coincide con la potencia mecánica interna mi. sta potencia coincide con la potencia disipada por efecto Joule en la resistencia de carga c. u mi ' i ' c u ' i ',7 s.94,6 W,5,47 Una vez encontrada la potencia útil que está suministrando el motor podemos conocer el par útil M u. n este caso, al ser despreciables las pérdidas mecánicas, el par útil coincide con el par mecánico interno M i. 5

55 M u u Ω M u u.94,6 π π n ,57 N m l rendimiento del motor es la relación entre la potencia de salida o útil del motor, y la potencia consumida por el mismo. ζ u.94,6 4.56,5 ζ 95,74% Apartado D ste método de frenado de máquinas asíncronas se denomina frenado por contra-corriente. Al invertir dos fases de la alimentación se invierte el sentido de giro del campo magnético giratorio producido por el estator en el entrehierro. l rotor, debido a su inercia, sigue girando en el mismo sentido. Si se sigue tomando como sentido positivo el de giro del campo magnético del entrehierro, está claro que el par desarrollado por el motor, cuando se produce el intercambio de dos fases de la alimentación, pasa a ser negativo. Lo mismo ocurre con la velocidad de giro del motor. 54

56 n la gráfica anterior se puede observar que cuando se produce el intercambio de las dos fases cambia la curva característica par-velocidad del motor. nicialmente el punto de trabajo del motor se encontraba en la zona de funcionamiento como motor. La curva característica par-velocidad del motor corresponde a la no sombreada de la figura. Al cambiar las dos fases y comenzar el campo magnético a girar en sentido contrario, la curva característica par-velocidad cambia. Ahora es la curva sombreada de la gráfica la que rige cuál es el comportamiento del motor. l deslizamiento pasa a tomar un valor mayor que uno, y por lo tanto el punto de trabajo corresponde a la zona de funcionamiento como freno de la máquina. s n n n 6 6 s,975 ( 585) La velocidad n de giro del motor lleva signo negativo porque ahora el rotor gira en sentido contrario al campo magnético del entrehierro, que es el que marca el sentido de giro positivo. l par de frenado M f se puede obtener a partir de la potencia desarrollado por el motor, mi. Se sigue utilizando el mismo circuito equivalente por fase del motor, pero teniendo en cuenta que el deslizamiento ahora es mayor que. La intensidad que consume el motor en el instante de intercambio de las dos fases de la alimentación es la siguiente: i ' i Z eq ' + + j s i ( X + X '),5 + + j ( + ) 6,7 8,895º A 8 º V,7,975 ntonces el par de frenado será el siguiente: 55