CONTROL Y APLICACIONES DE LOS MOTORES ELCTRICOS

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CONTROL Y APLICACIONES DE LOS MOTORES ELCTRICOSAsignatura: Maquinas Elctricas III15/05/2015Gustavo Villamizar

Tabla de contenido

INTRODUCCIN21.Mtodos de Arranque de Motor Sncrono31.1. Arranque por medio de la reduccin de la frecuencia elctrica.31.2. Arranque con unmotor primario externo.31.3. Arranque con devanados de amortiguamiento.31.4. Arranque Automtico.42.Ventajas de los motores sncronos.53.Ventajas contra motores no sncronos.54.Mtodos de Arranque de Motor de Induccin64.1.Arranque de los motores en jaula de Ardilla6 4.1.1. Arranque Directo6 4.1.2. Arranque por Autotransformador7 4.1.3 Conmutacin estrella triangulo94.2Arranque de los motores de rotor bobinado105.Ejemplo de Aplicacin11

INTRODUCCIN

Los motores sncronos son mquinas sncronas que se utilizan para convertir potencia elctrica en potencia mecnica de rotacin. La caracterstica principal de este tipo de motores es que trabajan a velocidad constante que depende solo de la frecuencia de la red y de otros aspectos constructivos de la mquina. A diferencia de los motores asincrnicos, la puesta en marcha requiere de maniobras especiales a no ser que se cuente con un sistema automtico de arranque. Otra particularidad del motor sncrono es que al operar de forma sobreexcitado consume potencia reactiva y mejora el factor de potencia.

1. Mtodos de Arranque de Motor Sncrono

Con el tiempo se ha utilizado varios mtodos de arranque de motores elctricos sncronos, que tienden a agruparse de la siguiente manera:a. Arranque sncrono o por variacin de frecuencia b. Arranque con unmotor primario externo.c. Arranque con devanados de amortiguamiento.d. Arranque Automtico.

1.1. Arranque por medio de la reduccin de la frecuencia elctrica.

Si los campos magnticos del estator en un motor sncrono giran a una velocidad lo suficientementebaja,nohabrningnproblemaparaqueelrotorse acelere y se enlace con el campo magntico del estator. Entonces, se puede incrementar la velocidad de los campos magnticos del estator aumentando gradualmente la frecuencia hasta su valor nominal de 60 Hz.Paraesto pueden utilizaraccionadoresde estado slido como ciclo convertidores.1.2. Arranque con unmotor primario externo.

Para llevar el motor a su velocidad sncrona se le puede adjuntar un motor de arranque externo. Una vez alcanzada esta velocidad, se conecta la maquina en paralelo a la red y se desconecta el motor primario del eje. El motor de arranque puede tener valores nominales mucho ms pequeo que el motor que arranca ya que solo debe supera la inercia de la maquina sncrona en vaco.

1.3. Arranque con devanados de amortiguamiento.

Este es el mtodo ms popular de arranque. Recibe el nombre de devanado amortiguador porque reduce las oscilaciones que se producen en los procesos transitorios de las maquinas, como son: Acoplamiento a la red. Vibraciones bruscas de carga elctrica o mecnica, etc.Los devanados de amortiguamiento son barras especiales dispuestas en ranuras hechas en la cara del rotor en un motor y en cortocircuito en cada extremo con un anillo, como se muestra en la figura 1.Creando as un rotor del tipo jaula de ardilla y el motor arranca como si fuera un motor asincrnico trifsico.

Figura 1. Devanado Amortiguador colocado en los polos.1.4. Arranque Automtico.

Mediante el siguiente circuito se puede arrancar al motor de forma automtica, como se muestra en la figura 2. Primero se cierra el interruptor 1 que alimenta al estator del motor. En el instante de arranque el rotor tiene la frecuencia de la red (alta frecuencia). En el circuito de rotor, que alimenta la resistencia de arranque, para que esta absorba la tensin elevada de las bobinas de los polos, aparece una diferencia de potencia a los bornes de la reactancia. Esta diferencia de potencial alimenta una bobina del rel polarizado, que mantiene abierto los contactos del mismo.

Figura 2. Arranque Automtico de motor Sincrnico.La maquina arranca como motor asncrono debido a la jaula de ardilla que poseen lospolo del rotor.A medida que aumenta lavelocidad, la frecuencia del rotor disminuye, por consiguiente disminuye la diferencia de potencia a los bornes de la reactancia hasta que esta no puede mantener le yugo del rel, ya cercana a la velocidad de sincronismo, y cierra los contacte de l. Al cerrarse este contacto se alimenta la bobina del contacto, quien cierra los interruptores 2 y abre el 3 quedando de esta manera alimentado el rotor por corriente continua y funcionando en sincronismo.

2. Ventajas de los motores sncronos.Las ventajas que tienen estos motores elctricos sncronos es que mantienen una velocidad constante y que su factor de potencia es ajustable, ya que este se controla variando la excitacin del rotor y puede ser de hasta un 100% o unitaria con la excitacin normal, de corriente atrasada con sobrexcitacin y de corriente adelantada con sobrexcitacin.

3. Ventajas contra motores no sncronos. La velocidad es independiente de la carga, para condicin de una corriente de campo adecuada. Tienen un control preciso de la velocidad y la posicin utilizando los controles de lazo abierto. Estos motores mantienen su posicin cuando una corriente continua se aplica tanto a la del estator y las bobinas del rotor. Su factor de potencia se puede ajustar a la unidad mediante una corriente de campo en relacin adecuada a la carga. Funcionan bien en la velocidad de sincronismo o no funciona en absoluto.

4. Mtodos de Arranque de Motor de Induccin

4.1. Arranque de los motores en jaula de Ardilla

4.1.1. Arranque Directo

Se emplea nicamente en los motores de pequea potencia. El esquema de conexiones se en indica en la figura 3a, donde se ha supuesto que es el estator est conectado en estrella. En la figura 3b se indica la disposicin de la caja de bornes del motor. Este mtodo se aplica a maquinas de una potencia inferior a 5 kW, cuando se trata de instalaciones conectadas a la red urbana (de esta forma no se sobrepasan los valores mximos admitidos por el reglamento). En las grandes fabricas que tienen una gran potencia instalada, recibiendo energa en Alta tensin y disponiendo de subestacin transformadora, puede llegarse a arranques directos con motores de hasta 100 CV (73.53 kW)

Figura 3. Esquema elctrico del arranque directo.

4.1.2. Arranque por Autotransformador

Consiste en Intercalar un autotransformador entre la red y el motor, de tal forma que la tensin a aplicada en el arranque sea solo una fraccin de la asignada. El proceso puede realizarse en dos o tres escalones y con tensiones no inferiores al 40, 60 y 75 por 100 de la tensin de la lnea. En la figura 4 se muestra un arranque por autotransformador, con dos etapas de tensin. En la posicin 1 del conmutador se alimenta el autotransformador con la tensin de la red, aplicando al motor solamente una fraccin de esta tensin de la red (Etapa de arranque). Cuando la maquina ha aumentado su velocidad hasta un valor adecuado, cercano al asignado, el conmutador se pasa a la posicin 2, lo que eleva la tensin que llega al motor y ste sigue aumentando de velocidad. Finalmente se pasa el conmutador a la posicin 3, de tal forma que la tensin de la red queda aplicada directamente al estator del motor. Si se tiene en cuenta que el par varia con el cuadrado de la tensin aplicada en el momento de la puesta en marcha del motor, la relacin entre el par de arranque con autotransformador Ta,aut y el que se obtiene en conexin directa Ta , ser:

Donde x indica la fraccin de tensin, respecto a la asignada, que se aplica con autotransformador. Por ello, si se aplica una tensin del 70 por 100 de la asignada el par de arranque con autotransformador es el 49 por 100 del par de arranque directo. De aqu se desprende que este mtodo de puesta en marcha solamente es posible en los casos en que el par resistente ofrecido por la carga no sea muy elevado.Para observar la reduccin de la corriente de arranque con este procedimiento, en la figura 5a se muestra el circuito equivalente del motor en esas condiciones. La corriente de arranque con la tensin asignada aplicada Vlred tendr una magnitud:

y la corriente de arranque en el motor, con una tensin V1motor = xV1red, ser:

Que corresponde a una corriente en la red, primario del autotransformador (vase figura 5b)

Por ejemplo, si la tensin aplicada es el 70 por 100 de la asignada la corriente en la red es del 49 por 100 de la que se obtendra con arranque directo.

Figura 4. Esquema elctrico del arranque con autotransformador

Figura 5. Circuito equivalente en el arranque

4.1.3 Conmutacin estrella triangulo

Este mtodo solamente se puede utilizar en aquellos motores que estn preparados para funcionar en triangulo con la tensin de la red. La maquina se conecta en estrella en el momento del arranque y se pasa despus a triangulo cuando est en funcionamiento. La operacin se realiza en la actualidad con automatismo de contactores, con un circuito de fuerza y otro de mando o control; se requieren tres contactores: uno, denominado principal, para la alimentacin de los principios de bobina de los devanados del motor; otro contactor se encarga de realizar la conexin del devanado en estrella, y el tercero ejecuta la conexin triangulo; adems se necesita un rel de tiempo para ajustar el momento en que se pasa de la conexin estrella a la conexin triangulo. Para facilitar la comprensin de este sistema de arranque estrella triangulo, en la figura 6 se muestra el esquema de un circuito que utiliza un conmutador manual especial. La posicin 1 del conmutador se emplea para el arranque y conecta los devanados en estrella; el estator recibe la alimentacin por U1 V1 y W1 y el conmutador puentea los terminales U2, V2 y W2. Una vez que la maquina alcanza una velocidad estable el conmutador se pasa a la posicin 2, puenteando los terminales U1 con W2, V1 con U2 y W1 con V2, y la maquina queda en triangulo

Figura 6. Esquema elctrico del arranque estrella-triangulo con conmutador manual

4.2 Arranque de los motores de rotor bobinado

En los motores de rotor devanado o con anillos se puede reducir la corriente de arranque introduciendo una resistencia adicional en cada una de las fases del rotor. La operacin se realiza con la ayuda de un restato trifsico, como se indica en la figura 7, donde se ha supuesto que los devanados de la maquina estn conectados en estrella. En el arranque se introduce toda la resistencia adicional (posicin 1), de esta forma aumenta la impedancia de la maquina y se reduce la corriente inicial; conforme el motor inicia su marcha, se va eliminando resistencia del restato pasando el mando mvil a las posiciones 2, 3 y 4, que conforman una serie de contactos, en la ltima posicin queda cortocircuitado el rotor y finaliza la operacin de arranque. En esta situacin, para reducir las perdidas mecnicas del motor y tambin el desgaste de anillos y escobillas, estas maquinas llevan a menudo dispositivos para levantar las escobillas y poner en cortocircuito los anillos. Hoy da la operacin de arranque se realiza automticamente por mediacin de contactores y rels de tiempo que van eliminando secuencialmente las resistencias adicionales

Figura 7. Motor asncrono de rotor devanado y restato de arranque correspondiente5. Ejemplo de AplicacinUn motor asncrono trifsico tiene los siguientes parmetros:R1=R2= 0.5 Xcc = 5Si la capacidad de sobrecarga es igual a 2,2. Calcular la relacin entre el par de arranque y el par nominal en los siguientes casos:a) Arranque directo b) Arranque por autotransformador con una tensin inicial del 75 por 100 de la asignada.c) Arranque estrella- Tringulo

Solucin:El par mximo viene expresado por:

Sustituyendo valores se tiene:

El par de plena carga o nominal es igual a:

a) El par de arranque se puede obtener haciendo s=1, en la expresin general del par resultando:

Que al aplicar valores da:

En consecuencia, el cociente Ta/Tn resulta ser:

b) El par de arranque con autotransformador y toma de 75 por 100 es igual a 0,752 veces el par de arranque con conexin directa (vase expresin 1) y el cociente anterior vale:

c) En el arranque estrella-triangulo, de acuerdo con la siguiente expresin