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MÁQUINAS DE INDUCCIÓN
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1
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y COMPUTACIÓN
RESUMEN DE APUNTES DE CLASES
MAQUINAS ASÍNCRONAS
NOMBRE DEL ESTUDIANTE: CÉSAR AGUILAR
PARALELO: 1
NOMBRE DEL PROFESOR: ING. GUSTAVO BERMÚDEZ
2
Contenido INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 3
PRINCIPIOS BÁSICOS DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA (CA) ...................................... 4
ESTRUCTURA DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN .......................................................................... 13
DEBER VISITA AL LABORATORIO ................................................................................................. 14
DEVANADOS DE MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA............................................................... 20
DEBER DEVANADOS DE MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA TRIFÁSICA .................................. 24
DEBER Demostración de la Fuerza magneto motiva mediante series de Fourier ..................... 26
FUERZA MAGNETOMOTIVA GIRATORIA ..................................................................................... 27
CONCEPTOS BÁSICOS DE MOTOR DE INDUCCIÓN ...................................................................... 28
CONCEPTO DE DESLIZAMIENTO .................................................................................................. 29
SEMEJANZAS ENTRE EL MOTOR DE INDUCCIÓN Y EL TRANSFORMADOR .................................. 29
CIRCUITO EQUIVALENTE DEL MOTOR ASÍNCRONO .................................................................... 30
DEBER REFERIR LOS VALORES DEL ESTATOR AL ROTOR ............................................................. 32
DIAGRAMA DE FLUJO DE POTENCIA ........................................................................................... 33
DIAGRAMA FASORIAL DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN ............................................................ 34
POTENCIA DESARROLLADA ......................................................................................................... 35
DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL CIRCUITO EQUIVALENTE ..................................... 38
DIAGRAMA DE CÍRCULO DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN ......................................................... 40
DEBER DEMOSTRACIONES DEL DIAGRAMA DE CÍRCULO ........................................................... 42
MÉTODOS DE ARRANQUE ........................................................................................................... 45
Arranque estrella-delta ............................................................................................................... 45
Arranque con resistencias Estatóricas ........................................................................................ 47
Arranque con autotransformador ............................................................................................... 49
RESISTENCIAS ROTÓRICAS .......................................................................................................... 51
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................... 52
3
INTRODUCCIÓN “El principio del funcionamiento de las máquinas asíncronas se basa en el concepto del campo
giratorio. El descubrimiento original fue publicado en 1888 por Galileo Ferraris en Italia y por
Nikola Tesla en E.E.U.U. Ambos diseños de máquinas asíncronas se basaban en la producción
de campos magnéticos con sistemas bifásicos, es decir, utilizando dos bobinas a 90 grados y
con corrientes en cuadratura. Desgraciadamente el motor de Ferraris tenía un circuito
magnético abierto y utilizó en el rotor un disco de cobre, por lo que desarrollaba muy poca
potencia. Sin embargo Tesla inventó un motor con devanados en el estator y en el rotor, lo
cuál los hace mucho más prácticos por lo que se lo considera a él como el inventor de este tipo
de máquinas. Las patentes de Tesla fueron adquiridas por Westinghouse quien puso en el
mercado muchos motores bifásicos en el año 1890. En el mismo año, el ingeniero Dolivo
Dobrowolsky creó un motor trifásico con un rotor en forma de jaula de ardilla y un devanado
distribuido en el estator. Para el siguiente año, presentó en una exposición de electricidad un
motor que poseía resistencias de arranque líquidas. Desde ahí, hasta el siglo XX, el motor
asíncrono ha ganado mucho espacio en el mercado de motor debido a que es barato y de fácil
mantenimiento.”*1+
4
PRINCIPIOS BÁSICOS DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA
(CA) 1. TIPOS DE MÁQUINAS DE CA.
Máquinas Síncronas: Son generadores y motores cuya corriente de campo magnético lo genera
una fuente de corriente continua externa desde devanado del rotor.
Máquinas de Inducción: Son motores cuya corriente de campo magnético se produce
mediante inducción
2. VOLTAJE INDUCIDO EN UNA ESPIRA
FIGURA 2.1 VISTA LATERAL Y SUPERIOR DE UNA ESPIRA EN MOVIMIENTO DENTRO DE UNA REGIÓN DONDE EXISTE UN CAMPO
MAGNÉTICO
Supongamos un campo magnético B alineado como puede apreciarse en la figura 2.1.
Basándonos en la ley de Faraday explicamos que en la espira en movimiento se induce un
voltaje cuya dirección puede ser determinada con la regla de la mano derecha.
La fem inducida total en la espira se calcula como:
∮( ) (1)
La fem inducida en la espira tiene la siguiente explicación:
(2)
( ) ( ) (3)
( ) (4)
Si θ, el ángulo entre el campo magnético y el eje de la espira cambia constantemente, es decir:
(5)
Entonces:
( ). (6)
Como v=wr la expresión se transforma en:
( ) (7)
( ) (8)
5
( ) (9)
FIGURA2.2 RELACIÓN FUNCIONAL DE LA FEM INDUCIDA A TRAVÉS DEL TIEMPO
3. TORQUE INDUCIDO EN UNA ESPIRA QUE LLEVA UNA CORRIENTE
FIGURA 3.1 ESPIRA QUE LLEVA UNA CORRIENTE EN UNA REGIÓN DONDE EXISTE UN CAMPO MAGNÉTICO
La ley de Biot y Savart expresa que cuando hay carga en movimiento, por ejemplo una
corriente i en un alambre dentro de una región donde hay un campo, éste alambre sufrirá una
fuerza igual a:
∮ ( ) (10)
( ) ( ) (11)
La suma total de la fuerza da una resultante de cero, sin embargo esta fuerza es capaz de
realizar torque como se aprecia en la figura. El torque está dado por la siguiente expresión que
tiene su explicación similar al análisis anterior:
( ) (12)
El torque se puede ver como si fuera un producto vectorial entre el campo que genera la
corriente de la espira y el campo existente B.
(13)
De la expresión anterior, el valore de k depende del área de la bobina, la permeabilidad del
medio y de la geometría.
Cabe recalcar que siempre que exista un ángulo entre el campo de la espira y el campo
existente se induce el torque.
6
4. CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO
Supongamos que excitamos a un devanado trifásico balanceado con una fuente trifásica. El
resultado que se obtiene es un conjunto de corrientes:
( ) (14)
( ) (15)
( ) (16)
Si se excita al bobinado siguiente, siguiendo la ley de Ampere, se producirá la intensidad de
campo magnético H y éste producirá un campo magnético B siguiendo la relación cuantitativa
B=µH o siguiendo la curva de histéresis en caso de trabajar en el codo de la curva.
FIGURA 4.1 CURVA DE HISTÉRESIS Bvs.H
Las corrientes que generan los campos tienen secuencia positiva, mientras que las bobinas
están dispuesta una tras de otra a 120 grados en contra de las manecillas del reloj. Los campos
producidos por las bobinas dispuestas como se aprecia en la figura serían los siguientes.
( ( )) (17)
( ( )) (18)
( ( )) (19)
7
FIGURA 4.2 DISPOSICIÓN DE LAS BOBINAS TRIFÁSICAS EN EL ESTATOR DE LA MÁQUINA
Esta disposición genera un campo giratorio que tiene la siguiente explicación.
Para ωt=0: Baa’ = 0; Bbb’ = 0.866 Bm < -60 y Bcc’=0.866 Bm <240
FIGURA 4.3 SUMA VECTORIAL PARA ωt=0
La suma vectorial da un campo resultante en el centro del rotor igual a: Bt = 1.5 Bm <-90.
Para ωt=90: Baa’ = Bm<0; Bbb’ = 0.5 Bm<-60 y Bcc’=0.5Bm<60
La suma vectorial da un campo resultante de Bt= 1.5 Bm <0
FIGURA 4.4 SUMA VECTORIAL PARA ωt=90
Se puede demostrar que la suma vectorial de Baa’ + Bbb’ + Bcc’ da un campo giratorio en
contra de las manecillas del reloj con magnitud constante de 1.5 Bm:
( ) ( ( )) ( ) ( ) ( )
( ( ) ( ) ( )) ( ( ) ( ))
Usando la siguiente identidad:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
Se obtiene que:
( ) ( )
NOTA: Se puede demostrar que si se cambian dos de las fases entre sí, el movimiento del
campo giratorio es en el sentido contrario. Por eso las conexiones de los contactores para
cambio de giro suelen ser de la siguiente forma:
8
FIGURA 4.5 CONEXIÓN DE LOS CONTACTORES DE UN MOTOR PARA EL CAMBIO DE GIRO
5. RELACION DE NÚMERO DE POLOS
Los ángulos eléctricos que recorre el campo se relacionan con los ángulos mecánicos del
estator mediante el número de polos que tenga la máquina. Con una máquina de dos polos los
ángulos eléctricos son iguales a los ángulos mecánicos. Con una máquina de cuatro polos el
campo recorre 4pi radianes mientras que en la máquina hay físicamente 2 pi radianes por lo
que la relación básica es:
(20)
(21)
(22)
6. FUERZA MAGNETOMOTRIZ EN EL ROTOR DE LA MÁQUINA DE C.A.
Para poder crear un flujo sinusoidal en el estator, el número de alambres que hay en cada
ranura del estator debe cambiar también con una tasa sinusoidal. Si el número de alambres
que máximo caben en una ranura es Nc. El número de alambres en una ranura colocada a α
grados es.
( ) (23)
El signo cambia debido a que en la parte positiva de la función coseno los alambres llevan
corriente hacia un sentido y en la parte negativa será el mismo alambre que lleve en el sentido
contrario.
FIGURA 6.1 DISPOSICIÓN DE LOS ALAMBRES EN EL DEVANADO DEL ROTOR
9
FIGURA 6.2 DISTRIBUCIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO DEBIDO A LA DISPOSCIÓN DE LOS AMLABRES DEL ROTOR.
Como la disposición del campo es siguiendo la regla dela mano derecha, si los alambres a la
izquierda llevan corriente saliendo de la página y los que están del lado derecho llevan
corriente entrando a la página, la distribución del campo para cada valor de alfa, sería una
función semejante a una función seno y se acercaría más a ella si hubiera una mayor cantidad
de ranuras.
7. VOLTAJE INDUCIDO EN UNA MÁQUINA DE CORRIENTE ALTERNA
Se asumirá que se tiene una densidad de flujo magnético B que varía su magnitud
sinusoidalmente con un ángulo mecánico alfa, mediante el giro del rotor que gira con
velocidad constante ω.
Si el rotor estuviese estático el campo se distribuye como se explicó anteriormente. Pero en
este caso la velocidad del rotor es ω con lo que la nueva distribución del campo sobre el
estator es de la siguiente forma:
( ) (24)
La ecuación para obtener el voltaje inducido en las N espiras conectadas en serie se encuentra
utilizando la velocidad relativa del alambre en el estator con respecto al movimiento del rotor.
( ) (25)
Como v = wr y usando el mismo análisis que se utilizó para una espira:
( ) ( ) (26)
( ) (27)
( ) (28)
( ) (29)
10
FIGURA 7.1 FEM INDUCIDA EN LA BOBINA DEL ESTATOR.
La fuerza electromotriz rms que se obtiene en la máquina es:
√ (30)
11
8. VOLTAJE TRIFÁSICO INDUCIDO
Si se dispone de tres bobinas con N vueltas cada una, alrededor del rotor como se ve en la
figura, entonces en cada una de ellas la fem inducida será igual en magnitud pero con una
diferencia de fase de 120 grados.
( ) (31)
( ) (32)
( ) (33)
Desarrollado con el mismo principio donde las bobinas están a ángulos θ de 0, 120 y 240.
FIGURA 8.1 MÁQUINA ELEMENTAL CON DEVANADO DEL ESTATOR TRIFÁSICO Y CAMPO MAGNÉTICO DEL ROTOR SENOIDAL
Los generadores sincrónicos funcionan de la manera descrita en el inciso 7 y 8. Una fuente de
corriente continua conectada al devanado del rotor o devanado de campo produce una fuerza
magneto motiva que al moverse a velocidad angular w induce en el devanado del rotor tres
fem trifásicas que alimentan a un sistema.
12
9. PAR INDUCIDO EN UNA MÁQUINA DE C.A
Si se tiene en el estator tres bobinas conectadas con una fuente trifásica, cada una distanciada
a 120 grados como se observa en la figura se producía un campo magnético giratorio Bm que
se movía a una velocidad w, que llamaremos velocidad de sincronismo. Si al bobinado del rotor
se le conecta una corriente I que produzca un campo magnético Besp como se vio
anteriormente, en la bobina se inducirá un torque igual a:
(34)
Este torque hace que la espira se mueva siguiendo al campo magnético Bm de modo que Besp
trate de alinearse con Bm.
Cuando se trata de máquinas síncronas, el devanado del rotor dispone de una corriente
entregada por una fuente externa que produce el campo Besp y éste persigue al campo Bm a
la velocidad del sincronismo.
Cuando se trata de máquinas asíncronas, el devanado del rotor está cortocircuitado. Debido al
flujo cambiante se genera una fem que produce una corriente I en el rotor. Ésta corriente
genera un campo Besp que induce a un torque. Como la naturaleza del devanado del rotor es
inductiva, la corriente está en atraso y el torque también. Pero el torque produce que la
velocidad aumente hasta un cierto punto en el que la velocidad relativa de la espira con
respecto al campo magnético es cero, ésta es la velocidad del sincronismo. En ese caso la fem
inducida es cero y no habría corriente ni torque inducido.
13
MOTORES ASÍNCRONOS
Se llaman motores asíncronos porque la velocidad mecánica a la que llega la máquina está
cerca a la nominal pero nunca es igual al campo giratorio.
ESTRUCTURA DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN Estator (fijo)
Núcleo magnético que conduce el flujo giratorio formado por discos circulares con acero y Si al
3%. Posee delgadas ranuras internas semicirculares o trapezoidales en el cuál se van a alojar
las bobinas separadas a 120° grados físicos.
Rotor
Tiene un núcleo magnético de las mismas características que el del estator.
Tipos de Motores Asíncronos según el Rotor
Rotor de jaula de ardilla
Son barras conductores dispuestas dentro de ranuras y en corto circuito. Las ranuras inclinadas
ayudan a atenuar el efecto del ruido.
Rotor devanado
Tiene un conjunto completo devanado trifásico que resulte ser como una imagen del
devanado del estator, cuyo circuito normalmente está en Y, y con una resistencia extra por
línea que sirva para regular la velocidad. Dispone de tres anillos deslizantes conectados a cada
una de las fases del bobinado.
14
DEBER VISITA AL LABORATORIO En nuestro visita al laboratorio se pueden observar las máquinas de corriente alterna y
máquinas de corriente continua que se estudian en maquinaria eléctrica I y II. Se observan
motores de corriente continua, mesas con bancos de transformadores Hampden y máquinas
de corriente alterna, ya sean sincrónicas o asíncronas.
En el laboratorio de maquinas eléctricas podemos encontrar todo tipo de maquinas relacionadas con la materia teórica, encontramos desde motores y generadores AC y DC hasta transformadores. Existen también los llamados bancos de transformadores y la maquina universal en donde se puede hacer cualquier tipo de conexión de motor o generador ya sea DC o AC. Entre los generadores tenemos
Rotor Devanado
Jaula de Ardilla Los Motores:
Jaula de Ardilla
Rotor Devanado
Polos Salientes Las maquinas eléctricas de corriente alterna según su funcionamiento puede ser:
Maquinas Sincrónicas
Maquinas de Inducción (Asincrónicas) Máquinas de inducción: Las maquinas de inducción tienen velocidad variable y se usan con mayor frecuencia como motor trifásico en la industria. Motor de Inducción de acuerdo al tipo de rotor se clasifica en:
Jaula de Ardilla
Rotor Devanado Estator Rotor El estator es la parte fija del motor o generador, entre el estator y rotor no existe conexión eléctrica solo esta el entrehierro
Máquinas Sincrónicas: Estas maquinas trabajan a velocidad constante por esta cualidad son muy usados como generadores trifásicos en sistemas eléctricos, también existen motores sincrónicos pero no son muy usados. Estas maquinas funcionan a trabajan a velocidad constante y frecuencia constante en condiciones de operación estacionarias. Generador Sincrónico de acuerdo al tipo de rotor se clasifican en:
Polos Salientes
Rotor Cilíndrico Polos Salientes
Las dos partes básicas de una máquina síncrona son la estructura del campo magnético, que lleva un devanado excitado por corriente continua y la armadura. La armadura tiene con frecuencia un devanado trifásico en el que se genera la Fem de corriente alterna. El devanado de corriente continua sobre la estructura giratoria del campo se conecta a una fuente externa por medio de anillos deslizantes y escobillas.
15
Los rotores de polos no salientes se utilizan en rotores de dos y cuatro polos, mientras que los rotores de polos salientes se utilizan en rotores de cuatro o más polos. Puesto que el rotor está sujeto a campos magnéticos variables, se construye con láminas delgadas agrupadas para reducir las pérdidas por corrientes parásitas.
De los datos que se mandaron a buscar al laboratorio:
El estator posee 36 y el rotor 29 ranuras en la máquina AC.
El estator posee 4 polos y el rotor tiene 38 ranuras en la máquina DC.
Las conexiones posibles que se pueden hacer en la máquina KATO son:
Para el sistema del laboratorio que es una alimentación de 208V 3f, lo adecuado es tener una
conexión Y en paralelo para que cada bobina trabaje a su voltaje nominal (120V). Esta
conexión se la hace en el tablero de la máquina.
16
TABLERO DEL LABORATORIO
MESA DEL BANCO DE TRANSFORMADORES
BANCO DE TRANSFORMADORES
MÁQUINA UNIVERSAL HAMPDEN
TABLERO LATERAL DE LA
MÁQUINA UNIVERSAL HAMPDEN
MÁQUINA KATO
ROTOR DE POLOS SALIENTES
PARA LA MÁQUINA KATO
ROTORES PARA LA MÁQUINA
KATO
TABLERO DE LA MÁQUINA KATO
17
KATO D.C. MOTOR
COMP SER: 63918-2
HP: 1,5 VOLTS: 125
MODEL: 1EA69 TYPE: 14054 AMS: 12
RPM: 1800 F VOLTS: 70 F AMPS: 0,32
DUTY: CONT TEM RISE: 50
GENERATOR KATO A.C.
REV. FIELD
KW: 1 PH: 3 CPS: 60 WIRE: 12
KVA: 5 PF: 1 RPM: 1800 FLD AMP: 1,85
VOLTS: 125 APT: 2,75 1,37 FLD VOLTS: 100
MODEL: 1XRSE TYPE: 13969
SERIAL: 69918-1 TEM RISE: 50°C 50°C INSUL CLASS: B
EXCITER: SEPARATE TYPE:
MODEL: VOLTS: FLD AMP:
WATTS:
MOTOR KATO A.C.
SYN. MTR.
HP: 1,5 PH: 3 CPS: 60 WIRE: 12
SER FAC: PF: 1 RPM: 1800 FLD AMP: 1,2
VOLTS: 220 440 APT: 4,0 2,0 FLD VOLTS: 80
MODEL: 1XR5E TYPE: 13969 CODE:
SERIAL: 63918-1 TEM RISE: 50°C 50°C INSUL CLASS: B
EXCITER: SEPARATE TYPE:
MODEL: VOLTS: FLD AMP:
WATTS:
KATO D.C. GENERATOR
KW: 1 AMPS: 8
VOLTS: 125 F VOLTS: 70
RPM: 1800 F AMPS: 0,75
WINDING: SHUNT TEMP C: 50
MODEL: 1EA69 TYPE: 14054
18
D.C. MACHINE
PART NUMBER 4MSF560502
SERIAL NUMBER 77011
MODEL OR CODE NUMBER: 5-
450005421
KW:
AMP: 33 TYPE OR DESIGN
NUMBER: HP: 5 DUTY: CONT
VOLTS: 125 FLD AMP: 1
19580
RPM: 1800 FLD VOLTS: 48,4
TEMP RISE: 50 °C WINDING COMPOUND INS.CLAS F
KATO MOTOR
WOUND. ROTOR
HP: 1,5 PH: 3 CPS: 60 WIRE: 12
SER FAC: PF: 1 RPM: 1680 FLD AMP:
VOLTS: 220 440 APT: 5,8 2,9 FLD VOLTS:
MODEL: 1XR7E TYPE: 13501 CODE:
SERIAL: 63918-1 TEM RISE: 50°C 50°C INSUL CLASS: B
EXCITER: TYPE:
MODEL: VOLTS: FLD AMP:
WATTS:
KATO
D.C. MACHINE
PART NUMBER 4MSF560500 SERIAL NUMBER 77011
MODEL OR CODE NUMBER:
5-450005421
KW: 3 AMP: 24 TYPE OR DESIGN
NUMBER:
HP: DUTY: CONT 19580
VOLTS: 125 FLD AMP: 1,3
RPM: 1800 FLD
VOLTS: 67,2
TEMP RISE: 50 °C WINDING: COMPOUND INS.CLASS F
KATO A.C. GENERATOR
REVOLVING FIELD
PART NUMBER 4P82-0200 SERIAL NUMBER 77011
MODEL OR:
3-47036112
1
TYPE OR: 9581
TEMP RISE: 70 °C
CODE N0. DESIGN
N0. CONTINIOUS
STANDBY
KW: 3 VOLTS: 127/220 - 254/440
DESIGN AMBIENT: 40 °C
KVA: 3 AMP: 15,6 7,8 INSULATION
CLASS: F
PHASE: 3 RPM: 1800 PF: 1,0 WIRE:
12
ALT FIELD AMP: 2,1 HZ: 60 ALT FIELD 113
19
(CPS) VOLTS: KATO
A.C. IND. MOTOR
PART NUMBER 4P82-0200 SERIAL NUMBER 77011
MODEL OR CODE NUMBER AMPS: 15,8 7,9 HZ: 60 TYPE OR DESIGN NUMBER:
VOLTS: 220/240 DUTY: CONT 19583
RPM: 1762 INS. CLASS: F
TEMP RISE: 70/40 °C PHASE: 3 HP: 5
KATO MOTOR
IND. MTR
HP: 1,5 PH: 3 CPS: 60 WIRE: 12
SER FAC: PF: 1 RPM: 1715 FLD AMP:
VOLTS: 220 440 APT: 4,2 2,1 FLD VOLTS:
MODEL: IMR7E TYPE: 13500 CODE:
SERIAL: 63918-1 TEM RISE: 50°C 50°C INSUL CLASS: B
EXCITER: SEPARATE TYPE:
MODEL: VOLTS: FLD AMP:
WATTS:
KATO MOTOR A.C.
SYNCHRONOUS
PART NUMBER 4P82-0200 SERIAL NUMBER
77011
MODEL OR CODE NO: 5-450005421
TYPE OR DESIGN
NO: 19582 TEMP RISE: 70 °C
HP: 5 SERVICE FACTOR: VOLTS:
220 440 DESIGN AMBIENT: 40°C
PHASE: 3
CODE LETTER:
AMPS: 11,1 5,5 INS. CLASS: F
MTR FIELD AMP: 2 RPM: 1800 PF: 1,0 WIRE:
12
MTR FIELD VOLTS: 110,5 HZ: (CPS) 60
20
DEVANADOS DE MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA La idea no es que en este curso se aprenda a devanar, sin embargo es importante para saber
de donde aparece el flujo en la máquina.
DEVANADOS DE CORRIENTE DIRECTA
Los devanados de corriente directa son normalmente del tipo imbricado u ondulados en el
rotor, en los cuales el paso polar era igual a los lados activos. Los terminales del devanado se
conectan a las delgas. El colector del rotor rectifica la señal de AC a DC en caso de tratarse de
un generador y cambia la señal de DC a AC en el caso de un motor.
Las bobinas del estator son del tipo concentrado y se encuentran como bobinas de polos
salientes, bobinas principales de campo y devanados de compensación.
DEVANADOS DE CORRIENE ALTERNA 3 Ф
Devanado del Estator
Son devanados distribuidos del tipo imbricado u ondulado. Los devanados son del tipo de paso
fraccionario donde el paso polar es diferente del lado activo, esto es: ζ ≠ω. Los devanados son
de 2 capas en su mayoría pero también hay de 1 capa.
Por lo general se conecta a una fuente de corriente alterna equilibrada. Estas corrientes
producen polos magnéticos inducidos del tipo giratorio como se estudió anteriormente.
Devanado del Rotor de Máquinas de Rotor devanado
Están conectados a anillos deslizantes que hacen contacto con las escobillas. Existen
conductores que son llevados a la caja de conexiones para ser conectados en Y, D, etc. Los
devanados del rotor son el asiento de una fem que produce un flujo que se superpone con el
de la máquina.
En un devanado de jaula de ardilla también se observa que ocurre lo mismo que en el rotor de
máquinas con rotor devanado.
Diseño de Devanados
Se puede encontrar el calibre del cable a través de encontrar la corriente nominal conociendo
la potencia, el factor de potencia y la corriente.
Para diseñar el devanado hay que conocer si el grupo polo fase se va a conectar en serie o
paralelo, si es monofásico o trifásico y si está conectado en Ye o Delta. Además habrá que
calcular la constante kd que representa cuánto se reduce la fem, se llama factor de
distribución y es el número de bobinas que pertenecen a una fase. También se calculará el
factor kp o factor de paso que se refiere a la extensión de conductores activos.
; K=Kd Kp
21
Para obtener el devanado necesitamos saber el número de ranuras, Q; número de polos, p;
número de fases, m; paso de la ranura, ω y distancia de lados activos, ζ. Además, saber si se
trata del tipo de paso completo o del tipo de paso fraccionario, es decir si ω=ζ u ω≠ζ. Para
saberlo hay que definir que los grados eléctricos de las bobinas se relacionan con los grados
físicos con la siguiente ecuación:
EJEMPLO NO 1:
DATOS
Q=12(ranuras del estator), m=3 (número de fases), p=2(número de polos), w=t (paso
completo), capas 2 (número de capas) tipo imbricado
w=12/2 = 6 (paso de la bobina)
x=12/3 = 4 paso entre cada fase
q= 12/2/3 = 2 número ranuras por polo por fase.
FASE 1: EMPEZANDO DESDE LA RANURA 1: 1+6 = 7; 2+6=8;
FASE 2: 1+4 = 5; 2+4 = 6; 5+6=11; 6+6=12;
FASE 3: 11+4 = 15-12 =3; 12+4 = 16-12 = 4; 3+6=7; 4+6=10
22
Este devanado se va a conectar en serie o en paralelo dependiendo del sentido de la corriente
de modo que nunca se resten los flujos que se dan si se excita al devanado con una fuente
trifásica.
23
Por lo tanto el sentido de la corriente debería ser:
Los grupos polo-fases además de poder conectarse en serie también se pueden conectar en
paralelo. Y los terminales del devanado se pueden conectar en Ye o Delta
24
DEBER DEVANADOS DE MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA
TRIFÁSICA Ejemplo No. 2:
DATOS: Q=12(ranuras del estator), m=3 (número de fases), p=2(número de polos), w=4(paso
fraccionario). 2 (número de capas)
Como p= 2, t = 6 ranuras
x=12/3 = 4 paso entre cada fase
q= 12/2/3 = 2 número de ranuras por polo por fase.
FASE 1: EMPEZANDO DESDE LA RANURA 1: 1+4 = 5, 2+4=6; 1+6 = 7, 7+4=11, 8+4=12
FASE 2: 1+4 = 5; 5+4=9, 6+4=10; 5+6=11, 11+4= 15 (3), 12+4=16(4)
FASE 3: 5+4=9; 9+4=13(1), 10+4=14(2); 9+6=15(3), 3+4 =7, 4+4 = 8
25
Ejemplo No. 3:
DATOS: Q=12(ranuras del estator), m=3 (número de fases), p=2(número de polos), w=5(paso
fraccionario). 2 (número de capas)
Como p= 2, t = 6 ranuras
x=12/3 = 4 paso entre cada fase
q= 12/2/3 = 2 número de ranuras por polo por fase.
FASE 1: EMPEZANDO DESDE LA RANURA 1: 1+5 = 6, 2+5=7; 1+6 = 7, 7+5=12, 8+5=13(1)
FASE 2: 1+4 = 5; 5+5=10, 6+5=11; 5+6=11, 11+5= 16 (4), 12+5=17(5)
FASE 3: 5+4=9; 9+5=14(2), 10+5=15(3); 9+6=15(3), 3+5 =8, 4+5 = 9
26
DEBER DEMOSTRACIÓN DE LA FUERZA MAGNETO MOTIVA
MEDIANTE SERIES DE FOURIER
Si f es una función (o señal) periódica y su período es T, que representa a la fuerza magneto motiva; la
serie de Fourier asociada a es:
Donde y son los coeficientes de Fourier que toman los valores:
Se puede observar que la fuerza magneto motiva es una función continua a trozos y acotada de período
2p. Entonces:
y
Como la función es par y tiene un valor medio de 0:
Ao = 0 y Bn = 0 mientras que:
∑
(( ) )
Como √ ( ) la fundamental es
( ) ( ) (
)
27
FUERZA MAGNETOMOTIVA GIRATORIA Recordando lo anterior, si se tenía una fuente trifásica alimentando con una corriente trifásica
balanceada a un devanado también trifásico se había llegado a que producía un campo
magnético de magnitud constante 1.5 veces el que haría una sola bobina, sólo que gira con
una velocidad, que llamaremos velocidad de sincronismo donde la expresión siguiente lo
resumía:
( ) ( )
Si a esto se le agrega el análisis de la fuerza magneto motiva que se acaba de hacer, entonces
la expresión de la fuerza magneto motiva giratoria que se produce con el flujo trifásico es:
( ( ) ( ) )
Todas las expresiones anteriores acerca de la fem inducida, y la fuerza magneto-motiva deben
de ser multiplicadas por un factor de K que se debe al devanado de la máquina, es decir al
factor de distribución y factor de paso.
( ( ) ( ) )
28
CONCEPTOS BÁSICOS DE MOTOR DE INDUCCIÓN
ηsinc velocidad de sincronismo en rpm
fe = frecuencia eléctrica en Hz
P= # de polos
En la máquina ocurren los fenómenos anteriormente descritos: fem inducida y torque
inducido.
Si se tenía un campo giratorio Be, producido por el estator y un rotor que tiene una velocidad
relativa con respecto a la velocidad del campo magnético entonces la fem inducida es:
( )
La dirección de la fem será en la parte superior de los conductores del rotor hacia afuera de la
página y en la parte inferior entrando a la página asumiendo que la velocidad del rotor sea
menor que la del campo magnético. Como la naturaleza del rotor es del tipo inductiva la
corriente va a estar en atraso como se observa en la figura y abra un campo Br cuya dirección
sigue la regla de la mano derecha. Como hay una interacción entre los campos del rotor y del
estator que están separados angularmente se presenta un torque:
Este torque actúa haciendo aumentar la velocidad hasta el punto en que la velocidad relativa
es cero (velocidad de sincronismo) y no habría fem inducida, por lo tanto no habría torque. Y
como existen las perdidas por fricción la velocidad bajaría. Es por eso que la máquina de
inducción se conoce como asíncrona y trabaja como motor a una velocidad ligeramente menor
que la velocidad del sincronismo.
29
CONCEPTO DE DESLIZAMIENTO Velocidad de deslizamiento es la velocidad relativa de los alambres con respecto al campo
magnético giratorio.
Donde:
ηsinc es la velocidad del campo.
ηm es la velocidad del rotor de la máquina
ηdes velocidad relativa
El término deslizamiento representa la cantidad de porcentaje de la velocidad relativa con
respecto a la velocidad del campo.
En términos del deslizamiento y la velocidad sincrónica la velocidad mecánica tiene la siguiente
expresión:
( )
Así cuando s=0 la velocidad mecánica es igual a la de sincronismo y cuando s=1 la velocidad
mecánica es 0.
Cuando s=0 la frecuencia de la fem inducida es 0 y no hay fem; y cuando s es 1 la frecuencia de
la fem inducida es igual a la frecuencia eléctrica por lo tanto podemos decir que la frecuencia
en el rotor: fr=sfe. Lo mismo se puede hacer con la magnitud de la fem inducida: Er = s Eo
donde Eo es la fem inducida con el rotor detenido.
SEMEJANZAS ENTRE EL MOTOR DE INDUCCIÓN Y EL TRANSFORMADOR
TRANSFORMADOR MOTOR DE INDUCCIÓN
Flujo principal que enlaza los dos devanados (primario y secundario).
Flujo principal (giratorio) que enlaza los dos devanados (Estator y Rotor)
Trayectoria magnética del núcleo cerrada. Trayectoria magnética del núcleo: Núcleo magnético del estator(1) dientes del estator (2) entrehierro (2) dientes del rotor (2) núcleo magnético del rotor (1)
El flujo de dispersión estaba presente en el devanado primario.
Flujos de dispersión: Flujo de dispersión de la ranura. Flujo de dispersión en la parte superior de los dientes del estator. Flujo de dispersión en los cabezales de la bobina
30
CIRCUITO EQUIVALENTE DEL MOTOR ASÍNCRONO Al igual que en el transformador, el circuito equivalente tiene como objetivo el describir el
flujo de potencia de la máquina de inducción de una manera más amena para el ingeniero
eléctrico, tal como una pequeña red.
El circuito equivalente más preciso, es uno en el que en el rotor se observa que la fem
inducida, la frecuencia y por lo tanto la inductancia también; dependen directamente del valor
del deslizamiento.
En la figura anterior se muestra el circuito equivalente resultante. El flujo de corriente del rotor
es:
Nótese que la expresión puede tratarse de modo que:
Nótese que también se puede tener un circuito nuevo con voltaje E2 y corriente I2 cuya
impedancia sería: R2/s+jX2. Por lo tanto se puede tener el circuito de esta forma:
Dado que en el rotor hay pérdidas de cobre, la resistencia R2/s se puede re ajustar como R2 +
R2(1-s)/s y el circuito quedaría de la siguiente manera:
31
Para poder referir el circuito del rotor al estator, los nuevos parámetros serán:
a) Fuerza electromotriz inducida
De acuerdo con lo antes descrito:
Es decir:
b) Las fuerzas magneto motivas deben ser las mismas:
Esto significa que:
c) La relación de transformación debe ser congruente. Es decir, que E2/I2=Z2 Equivalga a
E’2/I’2=Z’2
Por lo que las relaciones de las impedancias son:
(
)
Como en los transformadores, existen también perdidas en el núcleo, tales como las
pérdidas de corrientes de Eddy y pérdidas de Histéresis que en el motor se acentúan
ya que en el circuito magnético del motor existe un entre hierro.
El siguiente circuito es el más aproximado en cuanto a cálculos preliminares para motores de
más de 10kw.
Éste también posee su circuito aproximado tal como en el transformador
32
DEBER REFERIR LOS VALORES DEL ESTATOR AL ROTOR Referir los valores del estator al rotor:
El uso de este circuito nos ayudará para referirlo cuando se trate las máquinas sincrónicas
donde el campo se encuentra en el rotor que gira y en el estator se induce la fem.
Las ideas son similares:
a) Se tiene que lograr que las fem sean las mismas: E’1=E2
b) Las fuerzas magneto motivas deben ser las mismas:
Esto significa que:
d) La relación de transformación debe ser congruente. Es decir, que E2/I2=Z2 Equivalga a
E’2/I’2=Z’2
Por lo que las relaciones de las impedancias son:
(
)
33
DIAGRAMA DE FLUJO DE POTENCIA En el circuito equivalente se puede observar como existen las pérdidas de cobre del estator,
las pérdidas del núcleo, luego atraviesa por el entrehierro la energía llamada potencia de
campo giratorio o potencia de entre hierro, luego aparecen las pérdidas de cobre del rotor y
luego tenemos la potencia mecánica desarrollada. Para observarlo mejor se puede apreciar la
siguiente figura:
34
DIAGRAMA FASORIAL DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN Debido a la semejanza del circuito equivalente del transformador con el del motor de
inducción, la representación de del diagrama fasorial es idéntica al diagrama fasorial del de un
transformador con carga netamente resistiva, ya que en los motores de inducción la carga
mecánica es de carácter real.
Si se toma como referencia el flujo, entonces la corriente de flujo está en fase con el flujo pero
con un ángulo de 90 grados en atraso con respecto a la fem inducida. En fase con la fem E2 se
encuentra la corriente que causa pérdidas en el entre núcleo y juntas hacen la corriente de
magnetización Im. La corriente del rotor está en atraso con respecto a la fem ya que el rotor es
de carácter inductivo. La suma fasorial de las corrientes del rotor y de magnetización equivale
a la corriente del estator I1. Conociendo las caídas en el estator por su reactancia y resistencia
se puede construir el fasor V1 tal como se hacía para el transformador.
35
POTENCIA DESARROLLADA
Del diagrama de potencia se puede encontrar la relación entre la potencia mecánica
desarrollada, la potencia de campo giratorio o del entrehierro y las pérdidas de cobre del
rotor.
Se sabe según el diagrama de flujo de potencia que Pmdes = Pcgir – Pcur
Donde la potencia de campo giratorio se la puede calcular del circuito: Pcgir= m2I22r2/s
Las Pérdidas de cobre en rotor son: Pcur = m2I22r2
Para calcular la potencia mecánica desarrollada se aplica la ecuación anterior, de donde:
Pmdes= m2I22r2/s - m2I2
2r2 = m2I22r2(1-s)/s
Entonces se puede obtener las siguientes expresiones: Pmdes = Pcur (1-s)/s. Así como
también: Pmdes = Pcgir (1-s)
El torque que se induce o torque desarrollado está dado por la siguiente ecuación:
[ ]
[ ]
Aquel torque inducido o desarrollado no es el mismo que se tiene en el eje, para saber el
torque que se puede medir en el eje es necesario encontrar las pérdidas de fricción y otras
pérdidas mecánicas.
Con las expresiones que se encontró con anterioridad, se puede hallar una expresión
equivalente para el torque:
[( ) (
) ]
Si se analiza el circuito del motor y se hace máxima transferencia de potencia al circuito
aproximado o al circuito de THEVENIN para la resistencia r2’/s se puede hallar el valor de s que
da torque máximo y el torque máximo:
√
( )
La explicación se basa en que la resistencia en la cual se aplica el Thevenin, en este caso la
resistencia de campo giratorio R2/s tiene que tener la magnitud del resto del circuito.
36
Sabiendo que Pcgir es m1I’22r’2/s y reemplazando el valor de s que da el torque máximo, la
expresión resultante para el torque máximo es la siguiente:
* √ (
) +
Donde el signo positivo se utiliza cuando es un motor y el signo negativo se utiliza cuando se
trata de un generador.
Si se dan distintos valores del deslizamiento se puede graficar el torque en función de la
velocidad o del deslizamiento tal como se ve en la siguiente figura:
La gráfica manifiesta que la máquina trabaja que la máquina trabaja en su capacidad nominal
en el punto A cuando el deslizamiento es por lo general entre el 3 y el 8 por ciento. El punto C
representa el torque máximo y el punto D representa el torque de arranque que se hace con
velocidad de cero o deslizamiento de 1. La curva punteada da el torque de la carga. La
máquina trabaja en el punto B en que la máquina produce un torque igual al que la carga
necesita.
Se logra hacer que la máquina trabaje como generador si se mueve a una velocidad mayor a la
velocidad del sincronismo. Esto nunca se logra si la máquina trabaja por sí sola, pero sí se logra
utilizando un primo motor. El generador sincrónico no puede entregar potencia reactiva
porque no tiene circuito de campo separado, por lo que necesita de capacitores para trabajar.
37
A veces es interesante referir el par del motor al par máximo y al deslizamiento de torque
máximo. Así si se divide la ecuación del torque inducido para la ecuación del torque máximo.
Con una serie de simplificaciones se llega a la siguiente fórmula de Kloss:
√
√
(
)
Donde Q = (X2+X1)/R1
Cuando R1 es despreciable, la ecuación toma otra forma que se obtiene con el teorema de
L’Hôpital.
También se puede encontrar una fórmula de Kloss cuando se considera R1 despreciable, que
relaciona la corriente con la corriente de torque máximo:
√
(
)
Con estas fórmlas de Kloss y Kloss-L’Hôpital, conocimientos del circuito equivalente de la
máquina y principios básicos aprendidos en Análisis de Redes Eléctricas, se puede hacer
cualquier cantidad de problemas de máquinas de inducción.
38
DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL CIRCUITO
EQUIVALENTE a) Prueba de Corriente Continua
Se somete al estator a una tensión de corriente continua entre dos de las tres líneas y se mide
la corriente que circula. Esto permite poder medir la resistencia del estator usando la siguiente
relación:
Si el rotor está en estrella, siguiendo las leyes de Kirchoff: Vcd=Icd(2·R1), por lo que
R1=Vcd/(2Icd).
Si el rotor está conectado en delta, siguiendo las leyes de Kirchoff: Vcd=Icd(2·R1/3), por lo que:
R1=3Vcd/(2·Icd).
b) Prueba de Vacío
La prueba de vacío se asemeja a la prueba de circuito abierto del transformador y se
determinan los mismos parámetros del circuito equivalente que se determinan con la prueba
anterior.
Además también se pueden determinar las pérdidas de hierro y pérdidas mecánicas.
Pin= m I12R1+Pn+Pf
Pf + Pn = Pin - PCUe
Se considera la prueba de vacío ideal, cuando prácticamente no hay pérdidas ya que las
pérdidas las genera un primo motor cuando hace que la máquina se mueva a velocidad
sincrónica.
39
c) Prueba de Rotor Bloqueado
La prueba de rotor bloqueado es semejante a la prueba de corto circuito del transformador y
se determinan los mismos parámetros.
La prueba de corto circuito determina el la resistencia equivalente usando el circuito
aproximado.
(
) ( )
√
40
DIAGRAMA DE CÍRCULO DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN Las corrientes de operación de un motor de inducción se pueden encontrar conociendo los
parámetros de los ensayos antes realizados: Prueba de corto circuito y prueba de vacío.
Considere la impedancia de la rama serie:
(
) (
)
Donde para conocer I1 es necesario antes conocer el lugar geométrico para I2.
Utilizando el circuito aproximado se sabe que
| |
√(
)
( )
Como el deslizamiento es variable se puede poner la expresión en función del ángulo de la
carga:
( ) (
)
√(
)
( )
Multiplicando el término de las reactancias a la expresión de la corriente entonces:
| |
( )
| ( )|
Por lo que el lugar geométrico de la corriente es un círculo.
Entonces, conociendo los siguientes parámetros de la máquina: Im = Io < θm, IL < θcc con un
voltaje aplicado VL entonces Icc = Vn/VL < θ2’sc y Pcc = V1·Icc·cos(θ2’sc)
Los pasos que se deben seguir para graficar el diagrama circular son:
Graficar OA = Im < θm donde el ángulo se lo toma con respecto al eje de las Y
Graficar As = Icc, que representa la línea de potencia mecánica desarrollada.
Graficar el arco AB mediante el intercepto de la mediatriz de la recta As y la línea paralela al
eje x que es el centro del arco AB.
41
Graficar la extensión de la recta As y el intercepto con el eje x es el punto O’.
Graficar sobre el eje O’ y ubicar el punto Y al azar y trazar una línea punteada denominada
línea de eficiencia. El punto Y será el 100%
Prolongar As hasta la línea de eficiencia y marcar ese punto P como el valor de eficiencia de
0%.
La línea Par motor se logra dividiendo la línea SL en dos partes la inferior proporcional a R1 y la
superior proporcional a R2. Dividiendo en LK y SK. La línea de Par motor o línea de torque será
AK.
Trazar una recta paralela a la línea del torque, tal que pase por el punto P, esa es la línea del
deslizamiento. Donde si se traza la perpendicular a la recta AB que pase por el punto A, el
intercepto con la línea de deslizamiento es el punto Q de deslizamiento del 0% y el punto P el
deslizamiento del 100%.
Cuando la máquina trabaja con una magnitud de corriente igual a OC se encuentra la magnitud
de la corriente del rotor como AC.
La prolongación de la recta AC intercepta a la línea del deslizamiento en el punto R. Si se divide
la magnitud de RQ para PQ, ese es el deslizamiento.
La prolongación de la recta O’C intercepta a la recta del rendimiento en el punto x. La división
de la magnitud de XP para YP es el rendimiento de la máquina.
42
DEBER DEMOSTRACIONES DEL DIAGRAMA DE CÍRCULO Se observa que en esta gráfica CD = I1cos(θ) Este representa el componente activo de la
potencia de entrada en el motor:
( )
En consecuencia los valores de CD son potencias consumidas por el motor, porque está sobre
el eje horizontal, mientras que si C se encuentra en la parte inferior significa que sede potencia
a la red. La recta CD se puede dividir en varias partes. Ya que EF es proporcional a R’2 y FG a R1
se obtiene por semejanza de triángulos que:
Como en el punto S no se desarrolla potencia mecánica se puede determinar el valor de las
pérdidas para ese punto:
( )
( )
( )
En base a semejanza de triángulos para cada punto de operación: La distancia CE es la potencia
mecánica desarrollada, la distancia EF es la pérdida de cobre en el rotor, FG en el estator y GD
es la pérdida del núcleo:
( )
( )
( )
La potencia de campo giratorio sería entonces Pin – Pfe – Pcu1 es decir: CF = CD– GD – FG.
La potencia mecánica desarrollada es Pin – Pfe –Pcu = CE = CD – GD - EG
Por lo tanto la eficiencia sería la división de la potencia de entrada para la potencia mecánica
desarrollada.
El deslizamiento se calcula de la siguiente forma:
El factor de potencia es la división de la corriente de entrada entre La proyección sobre el eje
y.
( )
43
Demostración de la línea de EFICIENCIA.
Los triángulos O’PY y EO’D son semejantes entre sí. Así mismo los triángulos CDO’ y O’YX
también son semejantes entre sí. Lo cuál nos permite hacer la relación entre los lados de los
triángulos.
Del primer par de triángulos semejantes se tiene que:
Del segundo par de triángulos semejantes:
Por lo cuál:
Y queda la siguiente relación:
44
Demostración de la línea de deslizamiento
Los triángulos CFA y QAR son semejantes entre sí. Así mismo los triángulos EFA y AQP también
son semejantes entre sí. Lo cuál nos permite hacer la relación entre los lados de los triángulos.
Del primer par de triángulos semejantes se tiene que:
Del segundo par de triángulos semejantes:
Por lo cuál:
Y queda la siguiente relación:
45
MÉTODOS DE ARRANQUE En relación con su tensión, éstos motores cuando su utilidad es industrial suelen ser de 220 V
y 380 V, para máquinas de pequeña y mediana potencia, siendo considerados de baja tensión.
No sobrepasan los 600 KW a 1800 r.p.m.
Los motores de mayor tensión, de 500, 3000, 5000, 10000 y 15000 V son dedicados para
grandes potencias y los consideramos como motores de alta tensión.
Los motores que admiten las conexiones estrella y delta, son alimentados por dos tensiones
diferentes, 220 V y 380 V, siendo especificado en su placa de características.
Tipos de arranques de motores
Las conexiones de un motor son muy sencillas de realizar, para ello el fabricante dispone en la
carcasa del motor de una caja de conexiones con 6 bornes, en donde nosotros haremos las
conexiones pertinentes, dependiendo de si deseamos una conexión tipo estrella o una
conexión tipo delta. Veámoslo con unos gráficos
Hay varios tipos de arranques de motor, cada uno con sus peculiaridades y su motivo, en esta
ocasión vamos a ver los más empleados en la industria.
ARRANQUE ESTRELLA-DELTA
Las conexiones se realizan de la siguiente manera en la caja de la bornera:
46
Ahora bien, puede ser que nos interese hacer, mediante contactores, un cambio de conexión
estrella-delta, en ese caso solo tenemos que conectar la salida de los contactores a la caja de
bornes.
El esquema nos explica, empezando desde arriba, que el circuito tiene tres fusibles F3, un relé
térmico F2,que se utiliza para proteger el motor, y que tiene 3 contactores KM1, KM2 y KM3.
Además, si comparamos los dos esquemas, veremos que el esquema de maniobra incorpora
un temporizador KA1 y dos interruptores S1 y S2. Además, en el esquema de maniobra, entre
KM2 y KM3, está representado el enclavamiento mecánico, es el delta que une las dos bobinas
de los contactores con líneas discontinuas, no es obligatorio dibujarlo, porque un poco más
arriba está representado el enclavamiento eléctrico, son los dos contactos que están
inmediatamente después de KA1.
Circuito de potencia del arranque estrella-delta
Circuito de maniobra del arranque estrella delta
Explicación de la maniobra:
Si pulsamos sobre S1 tenemos la conexión en estrella, porque entran en funcionamiento KM1,
KM2 y KA1. Transcurrido un tiempo, pasamos a la conexión en delta por medio del
47
temporizador KA1, se activa KM3 y se desactiva KM2. Recordar, el temporizador debe
activarse cuando se alcance el 80% de la velocidad nominal del motor.
S2 Es el interruptor de paro. Desconecta a KM1,KM3 y KA1.
Se inicia el paro del motor, lleva una inercia
Este tipo de arranque se utiliza para limitar la intensidad absorbida en el momento de
arranque del motor. Si disponemos de un motor de 220 V y lo conectamos, en primer lugar, en
estrella, tendremos una tensión de 127 V, con la cual, obtendríamos una intensidad 2 veces la
nominal. En cambio, si lo hacemos directamente, tendríamos una intensidad de 5 veces la
nominal. Al conectar primero en estrella y después en delta, mediante un temporizador,
reducimos el sufrimiento del bobinado al rebajar la intensidad de absorción.
En la actualidad existen unos equipos llamados arrancadores estrella-delta que realizan este
cometido de forma mucho más exacta, pues, lo ideal es que se realice el cambio de estrella a
delta cuando el motor halla alcanzado el 80% de su velocidad nomina.
ARRANQUE CON RESISTENCIAS ESTATÓRICAS
Este tipo de arranque se utiliza para reducir la intensidad de arranque. El funcionamiento es
similar al anterior expuesto. Es decir, en una primera instancia, entran en funcionamiento las
resistencias y en una segunda instancia, el motor es alimentado directamente. Para este
proceso se utiliza dos contactores y un temporizador.
Las particularidades más interesantes son que las resistencias tienen un número limitado de
arranques cada X tiempo, que debe ser señalado por el propio fabricante. La ventaja que tiene
este tipo de arranque, es que no hay una caída de tensión, algo que si sucede con el arranque
estrella-delta. Se utiliza en motores que deben accionar máquinas con un par bajo en su
arranque. En la siguiente página tenéis los dos circuitos, el de potencia y el de maniobra:
arranque con resistencias estatóricas.
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Circuito de potencia para arranque resistencia estatórica
En el esquema de maniobra, está representado tres fusibles F3, un relé térmico F2, dos
interruptores S1 y S2, un temporizador KA1, y dos contactores KM1 y KM2.
En el esquema de potencia se puede ver la representación de las resistencias estatóricas. No se
pueden representar en el esquema de maniobra, porque no son un elemento de control,
además, todo el circuito de maniobra es precisamente para controlar dichas resistencias.
Circuito de maniobra para arranque por resistencias estatóricas
Explicación de la maniobra :
S1 : Al pulsar sobre S1, entran en funcionamiento KM1 y KA1. Transcurrido un tiempo KA1,
temporiza y cambia KM1 por KM2, dejando desconectadas las resistencias estatóricas y
conectando el relé térmico de seguridad F2.
S2 : Desconecta a KM2 y F2. Inicio del paro del motor, tiene una inercia.
49
ARRANQUE CON AUTOTRANSFORMADOR Este tipo de arranque mejora al arranque con resistencias estatóricas, al tener un mejor par y
no existir pérdidas por la disipación de calor en las resistencias. Sin embargo, presenta un
inconveniente, el precio, pues resulta más económico el arranque por resistencias estatóricas.
Se emplea el arranque por autotransformador en motores de gran potencia, y como siempre,
con la intención de reducir la intensidad absorbida en el momento de arranque.
Circuito de potencia para arranque a autotransformador
El esquema presentado aquí, trata sobre el arranque de un motor sobre dos puntos. La utilidad
de éste tipo de arranque es poder reducir la intensidad durante el arranque, se usa en
máquinas donde el par resistente sea bajo. Se emplea con motores trifásicos con el rotor en
cortocircuito.
Como el esquema indica, si accionamos sobre el pulsador S1 entrarán en juego KA1,KM1 y
KM2.
Con el temporizador KA1 regularemos el tiempo necesario para que cuando el motor se
encuentre en los valores nominales, se desconecten KM1 y KM2, conectándose a su vez KM3,
entonces el motor estará en régimen de trabajo habitual. En cambio, si deseamos detener el
motor, solo tenemos que accionar el pulsador S2.
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Circuito de maniobra para arranque a autransformador
De lo aprendido en maquinaria uno y sabiendo que el torque es proporcional al voltaje
aplicado:
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RESISTENCIAS ROTÓRICAS Un motor de anillos no puede arrancar en directo (devanados rotóricos cortocircuitados) sin
provocar puntas de corriente inadmisibles. Es necesario insertar en el circuito retórico
resistencias que se cortocircuiten progresivamente, al tiempo que se alimenta el estator a toda
la tensión de red.
En este tipo de arranque se tiene que:
√
Por lo que se obtiene que:
√
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Fraile Mora Jesús. Maquinarias Eléctricas. Mc. Graw-Hill. Interamericana de España, S.A.U.
Madrid, España
[2] Chapman S. J. Máquinas Eléctricas. Mc. Graw-Hill Latinoamericana, S.A. Bogotá, Colombia.
[3]Apuntes de clases del Ingeniero Gustavo Bermúdez
[4]Página web http://apuntes.rincondelvago.com/motor-de-induccion.html
[5] (2009) Electricidad y Automatismos. Fuente en la página web: http://www.nichese.com
[6](2009)Temas Técnicos. Fuente en la página web.
http://www.frsfco.utn.edu.ar/cideme/tema2.htm