Maquinas Eléctricas Asincronas (Universidad Nacional de Loja)
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MÁQUINASELÉCTRICAS ASÍNCRONAS
Jorge Patricio Muñoz V.MSc - MBA
Son los más utilizados en la industria.
Estos motores tienen la peculiaridad de que no precisan de un campo magnético en el rotor alimentado con corriente continua como en el caso de la máquina síncrona.Una fuente de corriente alterna (trifásica o monofásica) alimenta al estator.Una fuente de corriente alterna (trifásica o monofásica) alimenta al estator.
El estator está constituido por un núcleo de hierro laminado en cuyo interior existen p pares de polos magnéticos colocados simétricamente formando 120º eléctricos. El estator es sometido a una C.A. y los polos magnéticos del estator giran continuamente creando un campo giratorio.
Motor Asíncrono o de InducciónMotor Asíncrono o de Inducción
Estator
Aspectos ConstructivosAspectos Constructivos
Distribución del bobinado en el estatorDistribución del bobinado en el estator
Aspectos ConstructivosAspectos Constructivos
Rotor Jaula de Ardilla Rotor Bobinado
Rotor Jaula de ArdillaRotor
Aspectos ConstructivosAspectos Constructivos
Barras AnilloBarras Anillo
Rotor de aluminioRotor de aluminioFundidoFundido
Rotor de anillosRotor de anillosSoldadosSoldados
AnillosAnillos
Partes ConstructivasPartes Constructivas
• Ns = Campo magnético giratorio a velocidad de sincronismo.
• Nr = velocidad del rotor.
n1 > n2
ω1 > ω2
ω1
ω2
Campo magnético giratorioCampo magnético giratorio
R
R’
S
S’
T
T’
S
N
S
N
ESTATOR(genera el campo giratorio producido por corrientes
trifásicas)
ROTOR(gira siguiendo al campo
giratorio)
Energía eléctrica(Estator)
Energía mecánica(Rotor)
Campo magnético giratorio – Principio motorCampo magnético giratorio – Principio motor
• Al circular corriente por los conductores del rotor , aparecerá en los mismos una fuerza cuyo sentido se obtiene aplicando
• El sentido de la fuerza es el mismo que el campo magnético giratorio del estator.
• Multiplicando la fuerza por el radio del rotor e integrando esta acción sobre el número total de conductores del rotor se obtendrá el par total de la máquina.
• Cuando más se aproxima la velocidad del rotor (Nr) a la velocidad del estator (Ns), la fem inducida en los conductores del rotor se reduce así como la circulación de su corriente provocando una disminución del par interno.
Principio de funcionamientoPrincipio de funcionamiento
)( BLF xi
Principio de funcionamientoPrincipio de funcionamiento
Placa de bornesPlaca de bornes
U1 V1 W1
U2 V2 W2
U1 V1 W1
U2 V2 W2
Cambio de sentido de giroCambio de sentido de giro
Deslizamiento o deslizamiento absoluto: N = Ns - Nr
Deslizamiento relativo: s
DeslizamientoDeslizamiento
DeslizamientoDeslizamiento
12
r
12
ff
1s0N si
f sf
f2 = la frecuencia del rotorf1 = la frecuencia del estator
22s E sE E2 = fem con rotor detenido
p
f 60n 2
2
n2 = velocidad respecto a su propio movimiento
Frecuencias de la Corriente del RotorFrecuencias de la Corriente del Rotor
Circuito equivalente por faseCircuito equivalente por fasedel motor asíncronodel motor asíncrono
• R1 y R2 son las resistencias por fase
• 22s X sX
111111 IjXIREV 22s222s IjXIRE
Circuito equivalente por faseCircuito equivalente por fasedel motor asíncronodel motor asíncrono
2s2
2s2 jXR
EI
22
22
jXs
RE
I
1
s1
RjXR
EI
222
22 Resistencia de
carga
Circuito equivalente por faseCircuito equivalente por fasedel motor asíncronodel motor asíncrono
• E2 y X2 son la fem y reactancia del motor en reposo.
• La resistencia Rc se denomina resistencia de carga y representa el efecto equivalente a la carga mecánica aplicada al rotor o la potencia eléctrica disipada en la Rc multiplicada por el número de fases.
Circuito equivalente por faseCircuito equivalente por fasedel motor asíncronodel motor asíncrono
Omitida la figura de la máquina
Modificado el circuito del rotor para adaptarlo a la ecuación anterior
Resistencia propia del rotor más la resistencia de carga
Circuito equivalente por faseCircuito equivalente por fasedel motor asíncronodel motor asíncrono
• E2 ‘ = m E2
• I2 ‘ = I2 / m
• R2 ‘ = m2 R2
• X2 ‘ = m2 X2
• Los circuitos anteriores no reúnen las ventajas analíticas por los acoplamientos magnéticos.
• Es necesario los parámetros del secundario referirlos al lado primario.
Circuito equivalente por fase del motorCircuito equivalente por fase del motorasíncrono reducido al estatorasíncrono reducido al estator
Resistencia propia del rotor más la resistencia de carga
Secundario equivalente transferido sus valores al lado primario
Circuito equivalente por fase del motorCircuito equivalente por fase del motorasíncrono reducido al estatorasíncrono reducido al estator
Circuito exacto
Circuito aproximado
Se obtiene una gran ventaja analítica trasladando la rama de vacio a los terminales de entrada
Ecuaciones del circuito equivalenteEcuaciones del circuito equivalenteexacto reducido al estatorexacto reducido al estator
, 21 0 2 0
II =I +I =I +
m
1 1 1 1 1 1V =E +R +jX II
, , , , , , ,2 2 2 c 2 2 2E =R I +R I +jX I
Circuito equivalente por fase del motorCircuito equivalente por fase del motorasíncrono reducido al estatorasíncrono reducido al estator
• El error del circuito aproximado es mayor que en los transformadores por la presencia del entrehierro del motor.
• Con el circuito equivalente aproximado se obtienen corrientes en el rotor que son más altas que los valores reales.
• La aproximación es aceptable para motores de potencias superiores a los 10 kW.
Circuito equivalente aproximado corregidoCircuito equivalente aproximado corregidodel motor asíncrono reducido al estatordel motor asíncrono reducido al estator
Circuito equivalente aproximado corregido
,, ,1 2
1 1 1 1 2
X RV =V 1- =R +jX + +jX
Xm s
• Este circuito sirve para determinar corrientes, pérdidas, potencias, potencia mecánica, etc.
• Para calcular la potencia absorbida aplicar V1 y no V1’
Prueba en vacio o rotor librePrueba en vacio o rotor libre
Circuito equivalente de la prueba en vacio
M3 ~
A
V
W1
W2
R
S
T
I0
Prueba en vacio o rotor librePrueba en vacio o rotor libre
Circuito equivalente de la prueba en vacio
• Po = pérdidas medidas en la prueba de vacio.
• PFe = pérdidas en el hierro
• Pm = pérdidas mecánicas
• Pcu1 = pérdidas en el cobre del estator
• El valor de R1 puede medirse introduciendo CC en el estator (con un óhmetro).
• La prueba en vacio permite obtener la rama en paralelo.
0 Fe m 1P =P +P +Pcu
Fe0
1n 0
Pcosφ =
3V IFe 0 0I =I cosφ 0 0I =I sen φ
1nFe
Fe
VR =
I1n
μμ
VX =
I
Reparto de las pérdidas en vacio en función de la tensión
Prueba en vacio o rotor librePrueba en vacio o rotor libre
• Para determinar PFe y Pm es necesario alimentar al motor con una tensión variable.
• El voltaje de la prueba debe variar en el 30% al 50% de V1n y algo superior al V1n . En cada escalón se debe medir P0, I0 y V1. Deduciendo PFe y Pm.
2010cu10mFe I3RPPPPP
Circuito equivalente de la prueba en vacio
M3 ~
A
V
W1
W2
Prueba de cortocircuito o rotor bloqueadoPrueba de cortocircuito o rotor bloqueado
Rotor bloqueado
R
S
T
I1cc=I1n
Prueba de cortocircuito o rotor bloqueadoPrueba de cortocircuito o rotor bloqueado
Circuito equivalente en cortocircuito
cccc
cc 1n
Pcosφ =
3V I
, 1cccc 1 2 cc
1n
VR =R +R = cos φ
I
, 1cccc 1 2 cc
1n
VX =X +X = sen φ
I
• Al estator se aplica una tensión creciente, partiendo de 0 hasta que la corriente absorbida Icc sea igual a la I1n (corriente nominal por fase).
• Se mide así la V1cc y la Pcc total.
• En este caso la corriente en vacio I0 es despreciable frente a I1n debido a la pequeña tensión V1cc
• La prueba en cortocircuito permite obtener los parámetros de la rama en serie del motor.
Balance de potenciasBalance de potencias
Circuito equivalente exacto y distribución de potencias en el motor
P1
P1
Pmi
Pm
Pu
Pmi
Pm
Pu
Balance de potenciasBalance de potencias
1111 cosI3VP Potencia que la máquina absorbe de la red
211cu1 I3RP Potencia que llega al estator y una parte se
transforma en calor (efecto Joule) en los devanados
Fe1cu1p1 PPP Esta suma representa las pérdidas de potencia en el estator
Fe1Fe1Fe1Fe I3VI3EPP La f2 es muy pequeña en el orden de 2,5 Hz por lo que las pérdidas en el hierro del rotor se desprecian
Fecu11p11a PPPPPP La potencia electromagnética que llegará al entrehierro se denomina Pa
2,2
,2
222cu2 I3RI3RP
Pérdidas en los devanados del rotor
cu2ami P-PP La potencia que llega al árbol de la máquina se denomina potencia mecánica interna Pmi
Balance de potenciasBalance de potencias
2,2
,2mi I1
s1
3RP
Teniendo en cuenta el significado de la Rc’
mmiu PPP
La potencia útil en el eje es algo menor debido a las pérdidas mecánicas por rozamiento y ventilación
cu1Fecu2mu
u
1
u
PPPPP
P
P
Pη
El rendimiento se expresa por lo siguiente
Par de rotaciónPar de rotación
60n
2π
PT u
El par útil o torque en Nw m es el siguiente:
60n
2π
Is
R3
T1
2,2
,2
Considerando las expresiones anteriores
,21
2
2,2
11
21
,2
60n
2π
Vs
R3
T XXX
XsR
R
cc
cc
Par en función de s que expresa el par en función de los parámetros del motor
Par de rotaciónPar de rotación
2cc
211
21
máx
XRR260n
2π
3VT
El par máximo se encuentra haciendo dT / ds = 0
2cc
21
,2
máxXR
Rs
Sustituyendo la última expresión en la del par, resulta
• El “+” expresa el par máximo funcionamiento como motor y el “-” como generador.
• El par máximo no cambia con la resistencia del rotor, lo que significa que se puede cambiar la velocidad de rotor introduciendo resistencias en el motor tipo rotor bobinado sin cambiar el par máximo.
Curvas par velocidad de la máquina asíncronaCurvas par velocidad de la máquina asíncrona
Curvas a y b dependen de la resistencia del rotor, sin embargo cambia el valor del deslizamiento s en el valor del par máximo.
Ta = par de arranqueTmax = par máximoSm = deslizamiento máximo
Característica mecánicaT
Tm
Ta
Tn
T0
Descripción característica mecánica
• Punto A. Instante del arranque del motor. El motor proporciona el valor del par de arranque Ta que debe ser superior al par resistente para que gire el rotor. Para ello, la corriente de arranque llega a ser hasta 6 veces su valor nominal.
• Tramo AC. Zona de funcionamiento inestable del motor.• Punto C. Carga crítica que obligaría al motor a entregar su par máximo.• Tramo CE. Zona de funcionamiento estable del motor entre la velocidad crítica y la
velocidad de vacío.• Punto D. Corresponde al régimen nominal del motor. En este punto se iguala el par
motor Tn con el par resistente Tr y se mantiene el motor girando a velocidad nominal ωn constante.
• Punto E. No hay carga mecánica acoplada al eje del motor, por tanto, el par resistente es nulo. El motor está entregando un par motor To suficiente para vencer solamente los rozamientos mecánicos. La velocidad en vacío ω0 es algo inferior a la velocidad de sincronismo ω1
• Punto F. Corresponde a las mismas condiciones del punto E pero considerando un motor ideal sin rozamientos. Entonces, coincidiría la velocidad en vacío del rotor con la de sincronismo y el par motor sería nulo.
Variación de Velocidad de Motores Asíncronos
Arranque de motoresArranque de motores
• Arranque proceso de puesta en marcha de una máquina eléctrica.
• Es necesario que el par de arranque sea superior al par resistente de la carga, obteniendo un momento de aceleración.
• El arranque tiene como resultado una elevada corriente ya que Rc’ es nula en el instante inicial.
• Normas españolas determinan límites de la relación de corriente de arranque vs. corriente de plena carga.
Potencia asignada al motor I arranque / I plena carga
Arranque directo de motores jaula de ardillaArranque directo de motores jaula de ardilla
• Motores de pequeña potencia < 5 kW.
• En fábricas con trafos MT/BT propios puede llegarse a arranques directos de motores de hasta 100 HP.
Arranque por autotransformadorArranque por autotransformador
• Se intercala un autotransformador.
• La tensión aplicada en arranque es solo una fracción.
• Puede realizarse en 2 o 3 pasos de tensiones (40, 60, 75 y 100%).
directo arranque de corrienteI
tensiónfracción xdonde
IxI
TxT
cc
cc2
a
a2
auta,
• Usado cuando no se requiere par de arranques altos.
Arranque estrella triánguloArranque estrella triángulo
• Se puede usar en motores que tengan las conexiones en estrella y triángulo.
• Arranca en estrella y luego pasa a triángulo.
• En motores Ta / Tn varía entre 1,2 y 2 por tanto el par de arranque varia entre 0,4 y 0,67.
directo arranque de corrienteI
I31
I
T31
T3
1T
cc
cca
aa
2
ya,
El par motor o torque es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de transmisión de potencia.La potencia desarrollada por el par motor es proporcional a la velocidad angular del eje de transmisión, viniendo dada por:donde:
P = M* ωP es la potencia (en W)M es el par motor (en N·m)ω es la velocidad angular (en rad/s)
Par Motor