ESTUDIO DE LA MÁQUINA ASÍNCRONA

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1 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS DE SAN SEBASTIÁN TECNUN UNIVERSIDAD DE NAVARRA Práctica nº : Sistemas Eléctricos ESTUDIO DE LA MÁQUINA ASÍNCRONA

2 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona ÍNDICE OBJETIVO DE LA PRÁCTICA...3 EL MOTOR DE INDUCCIÓN...4. Obtención del Circuito Equivalente Ensayo de Rozamiento Medida de la Resistencia del Estator Ensayo en Vacío Ensayo en Cortocircuito o con Rotor Parado Ensayo en Carga: Determinación de Curvas Características Arranque y Frenado del Motor Asíncrono Compensación del Factor de Potencia Funcionamiento como Generador ESQUEMAS EXPERIMENTALES Y CÁLCULOS Ensayo de Rozamiento Medida de Resistencia R (Ω)= Ensayo en Vacío y Ensayo en Cortocircuito Ensayo en Carga Arranque y Frenado del Motor Compensación del Factor de Potencia Funcionamiento como Generador MATERIAL Y EQUIPO NECESARIO PAUTAS DE DESARROLLO DE LA PRÁCTICA... 8

3 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 3 OBJETIVO DE LA PRÁCTICA Al igual que se hizo para el transformador, el objetivo de esta práctica es que el alumno conozca las características principales de un motor trifásico asíncrono y que sea capaz de llevar a cabo los distintos ensayos que se suelen realizar habitualmente para determinar el valor de los parámetros de su circuito equivalente, y que son los siguientes: Medida de Resistencia en el Estator Ensayo de Rozamiento Ensayo en Vacío Ensayo en Cortocircuito o con el Rotor Parado Ensayos con diferentes valores de Carga Mecánica Ensayos de Arranque y Frenado Compensación del Factor de Potencia En los siguientes apartados se da una explicación más detallada acerca de cada uno de los ensayos enumerados anteriormente.

4 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 4 EL MOTOR DE INDUCCIÓN El motor de inducción es el tipo de motor eléctrico más utilizado, bien sea monofásico o trifásico. Nosotros en esta práctica analizaremos el comportamiento del motor trifásico. Un motor se define como la máquina que transforma la energía eléctrica en mecánica mediante la interacción de dos campos magnéticos. Estos campos son el del inductor (estator) y el del inducido (rotor). En el caso concreto de un motor trifásico, el campo inductor es generado por tres bobinados a los que se les aplica un sistema trifásico equilibrado de tensiones CA. Este campo actúa, a través del entrehierro, sobre los devanados dispuestos en el rotor dando lugar a tensiones inducidas. Si el inducido forma un circuito cerrado, aparecerá una corriente que producirá un flujo magnético opuesto al principal. El motor trifásico se suele representar eléctricamente por medio de su circuito equivalente monofásico referido al estator, tal como puede verse en la figura siguiente: I R jx I c A Im R jx I V g c -jb m -s s R B R y X representan la resistencia y reactancia del bobinado del estator. R y X representan la resistencia y reactancia del bobinado del rotor referidas ambas al estator. g c representa la conductancia de pérdidas en el hierro y b m la susceptancia magnetizante. [(-s)/s]*r es una resistencia que no existe realmente en el rotor, pero representa la potencia mecánica que el motor proporciona al exterior.

5 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 5. OBTENCIÓN DEL CIRCUITO EQUIVALENTE Para determinar los parámetros del circuito anterior, se recurre a la realización de los ensayos que se explican en los apartados siguientes... ENSAYO DE ROZAMIENTO Mediante este ensayo se calculan las pérdidas que se producen en la máquina por motivos puramente mecánicos. Consiste en arrastrar el motor mediante una máquina auxiliar, hasta que el conjunto alcance la velocidad nominal del motor ensayado. Una vez alcanzada la citada velocidad, se mide la potencia útil suministrada por el motor auxiliar, que será la potencia que se pierde por rozamiento en el motor ensayado. Asimismo, se realizará el mismo ensayo a diferentes velocidades, tales como al 50% y al 75% de la velocidad nominal, así como a la velocidad del motor en vacío... MEDIDA DE LA RESISTENCIA DEL ESTATOR Suponiendo que los bobinados de las tres fases del motor son idénticos, bastará con obtener el valor de la resistencia en uno de los tres bobinados. Para hacer esto, es suficiente con utilizar la función correspondiente del polímetro. Debe tenerse en cuenta que la resistencia por fase de un bobinado trifásico no es la misma que la medida entre los extremos de las bobinas. La resistencia equivalente por fase del motor es la mitad de la medida entre dos fases. Si los bobinados están conectados en estrella, la resistencia de cada bobina es la mitad de la medida entre dos fases y, si están conectados en triángulo, los 3/ de la medida entre dos fases. Como lo que interesa es la resistencia equivalente por fase, independientemente de la conexión se escribirá que: R = V I DC DC También puede hacerse la medida mediante un multímetro.

6 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 6..3 ENSAYO EN VACÍO Normalmente, para realizar este ensayo, se alimenta el motor a la tensión y frecuencia nominales y se mide la potencia absorbida (con los dos vatímetros), la intensidad que circula por cada fase y la tensión aplicada al estator. En este ensayo no se obtiene potencia útil en el eje (dado que no existe ninguna carga y por lo tanto el rotor forma un circuito abierto para el paso de corriente), por lo que toda la potencia corresponde a pérdidas (en el hierro, en el cobre del estator, y en rozamiento). Por lo tanto, el ensayo en vacío permite medir estas pérdidas, y a partir de ellas los parámetros en el núcleo de la máquina mediante las siguientes expresiones: V + o = V Io = I = Iϕ Po = W W En función del circuito equivalente monofásico, se puede escribir: Vo P hn = V o g c = P o P Roz0 3R I o Iϕ g c + b 3 De donde, finalmente, se obtiene: m g c P = o P Roz0 V o 3I o R b m = I Vo ϕ 3 c g A la hora de sustituir los valores de las pérdidas por rozamiento en las expresiones anteriores, no se va a utilizar el dato obtenido en el ensayo realizado anteriormente, sino que se va a proceder de forma distinta calculando un nuevo valor para las pérdidas de rozamiento según un segundo método que se va a describir a continuación. Posteriormente, el alumno realizará un estudio comparativo entre los dos valores obtenidos. Para determinar P Roz0 y P h se va a alimentar el motor con diferentes valores de tensión, siendo estos de 0,5; 0,75; 0,90; y,0 veces la nominal; midiendo para cada caso los valores de la potencia absorbida por el motor en vacío (con los vatímetros), así como la intensidad y la tensión aplicada exactamente mediante los polímetros. Al representar la suma de las pérdidas en el hierro y de rozamiento en función de la tensión aplicada, se obtiene una curva parabólica semejante a la representada en la Figura a. Extrapolando

7 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 7 esta curva, hasta que corte el eje de ordenadas, se tiene para una tensión aplicada de cero voltios, el valor de las pérdidas mecánicas, ya que en este caso las pérdidas en el hierro son cero al no existir flujo en la máquina. Para que sea más fácil extrapolar esta curva, se suele representar la suma de estas pérdidas en función de la tensión aplicada al cuadrado, obteniéndose para este caso una relación lineal, tal y como muestra la figura b. Por lo tanto, prolongando la línea recta formada por los distintos puntos de trabajo de la máquina en los diferentes ensayos realizados, se obtiene la potencia mecánica del motor. Asimismo, tal y como puede verse, estas gráficas también permiten obtener los valores de las distintas pérdidas en el hierro que tienen lugar en función de la tensión aplicada, aunque habrá que descontar las producidas en el cobre en el estator (muy pequeñas). Sustituyendo estos valores de pérdidas en las expresiones anteriores se pueden obtener los parámetros eléctricos del núcleo. Por otra parte, interesa que el alumno compare el valor obtenido para las pérdidas por rozamiento con este método, con las pérdidas facilitadas por el ensayo de rozamiento realizado al principio de esta práctica...4 ENSAYO EN CORTOCIRCUITO O CON ROTOR PARADO Mediante este ensayo se determinan los valores de la resistencia del rotor y de ambas reactancias. Para realizarlo, el rotor debe estar perfectamente fijo, impedido de giro, con lo cual el deslizamiento será la unidad. En estas condiciones, se aplica al motor una tensión trifásica equilibrada que irá incrementándose desde cero hasta que el motor absorba una corriente del orden de la nominal por el estator. La tensión (denominada de cortocircuito) que se debe aplicar para obtener la corriente nominal con rotor parado es siempre inferior a la nominal.

8 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 8 Las expresiones utilizadas para calcular los parámetros son las que se presentan a continuación. Las magnitudes que aparecen en ellas corresponden a valores del sistema trifásico, pasadas al monofásico equivalente (el raíz de tres, el tres; recuerde ). V + c = V Ic = I = IN Pc = W W En función del circuito monofásico, se puede escribir: V P + 3 c cun = 3(R + R)IN = P c V c gc = IN (R + R) + (X X) Despejando de las expresiones anteriores: Vc P c V c g c 3 + R = X + X = R 3I I N N [ R ] R + Sabiendo R del ensayo de corriente continua, podemos hallar R sin problemas. Para obtener los valores de las reactancias, utilizaremos la siguiente tabla que determina la relación entre ambas para distintos tipos de motores: CLASE DE MOTOR X ( X + ) X ( X + ) X X TIPO A Par normal I a normal TIPO B Par normal I a baja TIPO C Par elevado I a normal TIPO D Par elevado "s" elevado ROTOR DEVANADO ENSAYO EN CARGA: DETERMINACIÓN DE CURVAS CARACTERÍSTICAS Para determinar las curvas características (T-s, I-s, P u -s, η-s) de un motor, se van a realizar ensayos con diferentes valores de carga, obteniendo distintos valores de par mecánico para cada una de las velocidades de giro. Concretamente, esto se realizará para valores de 0.5, 0.5, 0.75 y veces la carga nominal. En cada uno de los casos se medirá la intensidad y potencia absorbida, así como la velocidad de giro (se empleará el tacómetro). Con los valores mencionados se puede determinar el valor del deslizamiento, el rendimiento y la potencia útil mediante las expresiones siguientes:

9 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 9 P η = P u E n s 0 f = P P u = P m P Roz ns n s = n s P m = 3I R s s Con los ensayos realizados se pueden determinar las relaciones entre corriente, par, potencia y rendimiento y el deslizameinto en la zona de menores deslizamientos. Para el cálculo de los puntos de par máximo y par de arranque se utilizarán las fórmulas analíticas ya conocidas de la teoría: Z V = V = = + E ZTH RE jxe + YZ + YZ T max = 3 V ω E s R E + R E + R E + ( X + X ) ( X + X ) + [ X + X ] E E E T a = 3 V ω E s [ R + R ] + [ X + X ] E R E..6 ARRANQUE Y FRENADO DEL MOTOR ASÍNCRONO Antes de proceder al arranque del motor, se van a realizar dos ensayos: Se conectará el motor a una fuente de tensión continua y se responderá a las preguntas: Qué sucede? Por qué? Existen campos magnéticos? Variables en el tiempo y en el espacio o no? Se conectarán las tres bornas de la máquina a una misma fase y se responderá a las preguntas: Qué sucede? Por qué? Existen campos magnéticos? Variables en el tiempo y en el espacio o no? A continuación, se procederá a realizar el arranque estrellatriángulo para la máquina asíncrona. En él se comprobará la diferencia de pares y corriente absorbida cuando la conexión de la máquina es en triángulo y cuando es en estrella. Por lo que se refiere al frenado del motor, se pueden emplear tres procedimientos: El primero que es puramente mecánico, utilizando el freno. No tiene secretos. Excepto en que es necesario eliminar

10 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 0 rápidamente la alimentación para que no absorba una corriente excesiva al quedar parado el eje. El segundo se basa en la aplicación de corriente continua en los terminales del motor. Se deberá indicar porqué se produce este efecto de frenado. El tercero está basado en el cambio de sentido de giro del motor. Al invertir la secuencia de fases aplicada, el campo giratorio se mueve en sentido contrario y provoca el frenado de la máquina. Hay que tener cuidado en no sobrepasar el punto de velocidad cero para que no empiece a girar en sentido contrario...7 COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA Se deberá conectar el osciloscopio a la máquina y observar la forma de las ondas de tensión y corriente, obteniéndose el ángulo de desfase. Posteriormente se procederá a la conexión a la entrada de una batería de condensadores, con el objeto de compensar el desfase de V e I. Esta compensación deberá visualizarse nuevamente en el osciloscopio, anotando el nuevo ángulo de desfase y haciendo una representación aproximada de las ondas obtenidas...8 FUNCIONAMIENTO COMO GENERADOR Si en las ecuaciones del par, de la potencia y de la corriente se dan valores al deslizamiento s desde - hasta + y se hacen sus representaciones gráficas, se obtienen las siguientes curvas. I T m P m Par Potencia Corriente 0 - s FRENO MOTOR GENERADOR

11 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona Si la máquina funciona con deslizamientos negativos, la velocidad de giro del rotor es superior a la de sincronismo. Para que esto sea posible, se necesita la ayuda de una fuente mecánica exterior que proporcione el par necesario para superar dicha velocidad. En primer lugar, el estator de la máquina de inducción estará conectado a la red y, en principio, sin carga mecánica aplicada, alcanzará la velocidad de vacío, próxima a n s ; entonces, se conecta el motor de CC y se le hace girar en el mismo sentido que la máquina de inducción, ayudándole y consiguiendo que la velocidad aumente por encima de la de sincronismo. Cuando esto sucede, la máquina estará funcionando como generador y proporciona una energía eléctrica a la red gracias a la energía mecánica de la fuente exterior (motor de CC). En la práctica se trata de comprobar que esto se cumple.

12 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 3 ESQUEMAS EXPERIMENTALES Y CÁLCULOS 3. ENSAYO DE ROZAMIENTO Procedimento La curva obtenida deberá ser del tipo: P Roz =k n+k n 3 kn P ROZ (0,5n N ) P ROZ (0,75n N ) P ROZ (n N ) P ROZ (n o ) Procedimento : Utilizando el ensayo en vacío P ROZ (n o ) 3. MEDIDA DE RESISTENCIA R (Ω)=. 3.3 ENSAYO EN VACÍO Y ENSAYO EN CORTOCIRCUITO V V 3 V V A A A I I I W W MOTOR DE INDUCCIÓN Nota: La única diferencia entre ambos ensayos es que en el de cortocircuito el rotor se encuentra impedido de giro. No se utilizan vatímetros, sino el analizador de redes.,05 V N V I P 0 V N 0,75 V N 0,50 V N Dibújese la gráfica de I<>V y P o <>V de estos ensayos.

13 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 3,05 V N CÁLCULOS DE POTENCIAS P cu P Roz P h V N 0,75 V N 0,50 V N Procedimiento Procedimiento CÁLCULOS VACÍO P Roz Ensayo de Roz. P hn (W) P 0 (W) g c (S) b m (S) CÁLCULOS VACÍO P Roz y P h Ensayo Vacío P hn (W) P 0 (W) g c (S) b m (S) Curva P Roz +P h <> V Recta P Roz +P h <> V ENSAYO EN CORTOCIRCUITO: MEDIDAS EXPERIMENTALES Estator V (V) I (A) Potencia Total V I

14 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 4 CÁLCULOS CORTOCIRCUITO P CuN (W) P C (W) R (Ω) R (Ω) X (Ω) X (Ω) 3.4 ENSAYO EN CARGA Medidas experimentales Cálculos V(V) I (A) P(W) n s η P u (W) T u T máx (Nm) T a (Nm) Curvas de par, corriente, potencia útil y rendimiento para los ensayos de carga realizados

15 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona ARRANQUE Y FRENADO DEL MOTOR Arranque (Estrella-Triángulo) Medidas Cálculos V(V) I Υ (A) I Δ (A) T Υa (Nm) T Δa (Nm) Coméntense los resultados obtenidos en las experiencias citadas en el apartado correspondiente del guión al arranque y frenado del motor. Éstas son la aplicación de corriente continua, la aplicación de la misma tensión alterna en las tres fases y, finalmente, el frenado del motor: mecánico, con aplicación de corriente continua y mediante la aplicación de secuencia inversa. 3.6 COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA Medidas Experimentales V(V) I (A) P(W) Cosφ Sin Batería Con Batería

16 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 6 Desfases entre V e I obtenidos con el osciloscopio en ambos casos 3.7 FUNCIONAMIENTO COMO GENERADOR Máquina Asíncrona Motor CC n(rpm) I(A) P(W) P(W)

17 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 7 4 MATERIAL Y EQUIPO NECESARIO Para realizar los montajes descritos es suficiente con los siguientes elementos: Motor Asíncrono Motor de Corriente Continua para Ensayo de Rozamiento 3 Polímetros ( Amperímetros y voltímetro) Vatímetros W Osciloscopio

18 Sistemas Eléctricos La Máquina de Inducción o Asíncrona 8 5 PAUTAS DE DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Para realizar la práctica y poder evaluar los conocimientos adquiridos en su desarrollo, es preciso tener en cuenta lo siguiente: La práctica consiste en realizar los montajes descritos en los apartados previos anotando las indicaciones de los diferentes aparatos de medida en las casillas de las tablas que aparecen en el apartado 3 de este guión. Las casillas sombreadas en color gris que aparecen en las tablas de este guión corresponden a los cálculos que hay que realizar con los datos obtenidos experimentalmente, que se colocarán en las casillas en blanco. Asimismo, deberán representarse gráficamente las curvas que se piden en los recuadros dispuestos en el mismo apartado La forma de realizar cada ensayo, los resultados experimentales obtenidos y cómo se llevan a cabo los cálculos serán la base de las preguntas del examen de laboratorio. No hay que entregar memoria de la práctica.