MAQUINAS ELÉCTRICAS II
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA “CUESTIONARIO SOBRE MOTORES DE INDUCCIÓN” CAPÍTULO 6
Santiago Pulla
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I.
PREGUNTAS
6.1 ¿Qué son deslizamiento y velocidad de deslizamiento en un motor de inducción?
El movimiento relativo es el deslizamiento, el cual es la velocidad relativa expresada sobre una base en por unidad o en porcentaje. El deslizamiento está definido como:
La velocidad de deslizamiento, definida como la diferencia entre la velocidad sincrónica y la velocidad del rotor:
Dónde: 6.3 ¿Por qué es imposible que un motor de inducción opere a velocidad sincrónica?
Existe un límite superior finito para la velocidad del motor. Si el rotor del motor de inducción estuviera rotando a la velocidad sincrónica, las barras del rotor serian estacionarias con respecto al campo magnético y no habría voltaje inducido. Si fuera igual a 0, no habría corriente en el rotor ni tampoco campo campo magnético retórico. Sin campo magnético retórico, el par inducido seria cero y el rotor se frenaría como resultado de las perdidas por rozamiento. En consecuencia, un motor de inducción puede acelerar hasta una velocidad cercana a la de sincronismo pero nunca puede alcanzarla par completo. En operación normal, los campos magnéticos del rotor y el estator y rotan conjuntamente a velocidad sincrónica mientras que el rotor en si gira gira a una velocidad menor. menor. 6.5 ¿.Que es un rotor de doble jaula de ardilla? ¿Para qué se utiliza? ¿Qué clase(s) de diseño NEMA se puede(n) construir con él?
En el circuito equivalente del motor de inducción, la reactancia X2 representa en forma referida, la reactancia de dispersión del rotor. Recuérdese que la reactancia de dispersión es la reactancia debida a las líneas de flujo del rotor que no se acoplan con los devanados del estator. En general cuanto más lejana del estator se encuentre una barra del rotor o parte de la barra, mayor es su reactancia de dispersión puesto que será m enor el porcentaje del flujo de l a barra que llegara al estator. Entonces, si las barras de un rotor de jaula de ardilla se colocan cerca de la superficie del rotor, tendrán tan solo un pequeño flujo disperse y la reactancia X2 será pequeña en el circuito equivalente. Por otra parte, si las barras del rotor se colocan profundas dentro de la estructura del rotor, habrá más dispersión y la reactancia X del rotor será mayor. Es posible producir una resistencia retórica variable utilizando barras retoricas profundas o rotores de doble jaula. Puesto que la corriente fluye a través de la parte superior de una barra de rotor de barra profunda.
a) DI DIS SEÑ EÑO O CLA CLAS SE A. A.
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Figura 1: DISEÑO NEMA CLASE A-GRANDES BARRAS CERCA DE LA SUPERFICIE
Los motores de diseño clase A son de diseño estándar: con un p ar de arranque normal, corriente de arranque normal y bajo deslizamiento. El deslizamiento a plena carga de los motores de diseño clase A debe ser menor de 5% y menor que el del motor de tamaño equivalente de diseño clase B
b) DISEÑO CLASE B. Los motores de diseño clase B tienen par de arranque normal, baja comente de arranque y bajo deslizamiento. Este motor produce casi el mismo par de arranque que el motor de clase A con cerca de 25% menos comente. El par máximo es mayor o igual a 200% del par de carga nominal, pero menor que el del diseño clase A, debido al aumento de la reactancia del rotor. El deslizamiento del rotor es relativamente bajo (menor del 5%), aun a plena carga.
c) DISEÑO CLASE C. Los motores de diseño clase C tienen alto par de arranque con bajas corrientes de arranque y bajo deslizamiento (menos de 5%) a plena carga. El par máximo es un poco menor que el de los motores de clase A, mientras que el par de arranque es hasta 250% del par de plena carga.
Figura 2: DISEÑO NEMA CLASE C-ROTOR DE DOBLE JAULA
d) DISEÑO CLASE D. Los motores de diseño clase D tienen alto par de arranque (275% o más del par nominal) y una baja corriente de arranque, pero también tienen alto deslizamiento a plena carga. En esencia son motores de inducción de clase A comunes, pero las barras del rotor son más pequeñas y la resistencia del material es más elevada.
Figura 3: DISEÑO NEMA CLASE D- PEQUEÑAS BARRAS CERCA DE LA SUPERFICIE 6.7 ¿Por qué la eficiencia de un motor de inducción (de rotor devanado o de jaula de ardilla) es tan pobre a altos deslizamientos?
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MAQUINAS ELÉCTRICAS II El mayor esfuerzo de diseño se dirigió a reducir el costo inicial de los materiales de las maquinas, no a aumentar su eficiencia. Esta orientación del diseño se debió a que la electricidad no era tan costosa; en consecuencia, el costo directo del motor era el criterio principal utilizado por los compradores para elegir. Estas técnicas son: Se utiliza más cobre en los devanados del estator, para reducir las pérdidas en el cobre. Las longitudes de los núcleos del rotor y del estator se incrementan para reducir la densidad de flujo magnético en el entrehierro de la máquina. Esto reduce la saturación magnética de la máquina y disminuye las perdidas en el núcleo. Se utiliza más acero en el estator de la máquina, lo cual permite transferir mayor cantidad de calor hacia fuera del motor y reducir su temperatura de operaci6n. El ventilador del rotor se rediseña para reducir las pérdidas por rozamiento con el aire. En el estator se utiliza acero especial de alto grado eléctrico y bajas perdidas por histéresis. El acero, de muy alta resistividad i nterna, se lamina en calibres especialmente delgados (esto es, l as láminas se ubican muy juntas unas de otras). Ambos efectos ti enden a reducir las corrientes parásitas en el motor. El rotor es maquinado cuidadosamente para producir un entrehierro uniforme que reduce las perdidas dispersas en el motor. 6.9 ¿Por qué es necesario reducir el voltaje aplicado a un motor de inducción cuando se reduce la frecuencia eléctrica?
Hoy en día para el control de la velocidad de los motores de inducción es el controlador de frecuencia variable de estado sólido, este tipo de variadores puede tener una entrada monofásica o trifásica de 50 o 60 Hz, y puede tener un voltaje cualquiera que va desde 208 a 230 V. y la salida puede estar desde 0 a 120 Hz. Y el voltaje puede ser variado desde 0 hasta el voltaje nominal del motor. Tanto el voltaje como la frecuencia de salida pueden ser controladas mediante la modulación del ancho de pulso. Es importante variar linealmente la frecuencia de salida y el voltaje rms de salida. Al disminuir la frecuencia aparece un incremento del flujo magnético, la cual afecta directamente al flujo de corriente. 6.11 ¿Cómo trabaja un circuito resistivo de arranque en un motor de inducción?
Una forma de reducir la corriente de arranque es insertar en la línea de potencia inductancias o resistencias extras durante el arranque. Aunque esta técnica antes era muy común en la actualidad no es muy usada. Esta consiste en reducir el voltaje en los terminales del motor durante el ar ranque utilizando autotransformadores para ello. Es importante aclarar que mientras la corriente de arranque se reduce en proporción directa a la disminución del voltaje en los terminales, el par de arranque disminuye con el cuadrado del voltaje aplicado, entonces solo puede reducirse cierta cantidad si el rotor va a arrancar con cierta cantidad de carga. 6.13 ¿Qué información se deduce de una prueba de rotor bloqueado?
En esta prueba se bloquea el rotor de tal forma que no se pueda mover, se aplica voltaje al motor y se mide el voltaje, la corriente y la potencia resultante, estos datos son la corriente, potencia y voltaje que se encuentra fluyendo hacia el motor. Casi toda la corriente de ingreso fluirá por el motor debido a que se encuentra bloqueado el estator. Este tipo de prueba presenta una complicación con la frecuencia del rotor debido a que este depende directamente de la frecuencia de la línea ya que esta se encuentra en un rango del 2 a 4 Hz y esto ocasiona un verdadero problema ya que en condiciones normales de operación no está representado con la frecuencia normal de su funcionamiento. El flujo de corriente es ajustado con rapidez cerca de su valor nominal y con esto podemos medir la potencia, el voltaje y la corriente de entrada antes que el rotor se caliente demasiado. 6.15 ¿Qué acciones se emprenden para mejorar la eficiencia de los motores de inducción modernos de alta eficiencia?
Se utiliza más cobre en los devanados del estator, para reducir las pérdidas en el cobre. Las longitudes del rotor y del estator se incrementan para reducir la densidad de flujo magnético en el entrehierro de la máquina, esto reduce la saturación magnética de la máquina. Se utiliza más acero en el estator de la maquina la cual permite transferir mayor cantidad de calor de la maquina hacia afuera del motor.
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En el estator se utiliza acero especial de alto grado eléctrico y bajas perdidas por histéresis. El acero es de muy alta resistividad interna, esto ayuda a reducir las corrientes parasitas en el motor. El rotor es maquinado cuidadosamente para producir un entrehierro uniforme que reduce las perdidas dispersas en el motor.
6.17 ¿En qué aplicaciones se usa típicamente lo generadores de inducción?
El generador de inducción es muy útil debido a que requieren un mínimo mantenimiento o control. Son muy favorables para. Molinos de viento. Ya que estos están diseñados para operar en paralelo con grandes sistemas de potencia. La recuperación de energía llego a ser parte de la economía de la mayoría de los procesos industriales. 6.29 ¿Cómo puede utilizarse un motor de inducción de rotor devanado con variador de frecuencia?
Se cambia la frecuencia eléctrica aplicada al estator de un motor de inducción, la velocidad de rotación de sus campos magnéticos cambiara en proporción directa al cambio de frecuencia eléctrica y el punto de vacio cambiara junto con ella. Con el control de frecuencia es posible ajustar l a velocidad del motor por encima o por debajo del valor base. Un controlador de frecuencia variable para motores de inducción, diseñado adecuadamente puede ser muy flexible y así poder controlar la velocidad de un motor de inducción sobre un rango de velocidad, siempre debemos tener presente ciertos límites de voltaje y par sobre el motor cuando varia la frecuencia para asegurar una frecuencia confiable. 6.21 Describa los principales rasgos de los controladores de estado sólido para motores de inducción, relacionados en la sección 7‐10.
Ajuste de frecuencia del controlador puede mejorarse manualmente desde un control montado en el gabinete o desde un control remoto mediante una señal de voltaje o corriente externa. Esto nos permite que un controlador o computador externo pueda controlar la velocidad de acuerdo a las necesidades de la planta en la cual se ha instalado. Los modelos de voltaje y frecuencia, algunas cargas aumentan su par a medida que aumenta su velocidad, este controlador suministra una variedad de modelos de voltaje contra frecuencia que se pueden seleccionar para que el par del motor coincida con el requerido por su carga. Rampas de aceleración y desaceleración ajustables independientemente, el controlador que la maneja cambiara la frecuencia para llevar al motor a la nueva velocidad si el cambio de frecuencia es repentino. Protección del motor, tiene incorporado una serie de elementos para poder proteger al motor que se acopla, este controlador puede detectar corrientes excesivas de estado estacionario, corrientes excesivas, condiciones de sobrevoltaje o bajo voltaje. 6.23 Se fabrican dos motores de inducción de 180 V, 100hp. Uno de ellos es diseñado para operar a 50Hz y el otro a 60Hz; en los demás son similares. ¿Cuál de estas dos máquinas es más grande?
Las dos máquinas tienen las mismas dimensiones. Esto se debe a que ninguna de las dos máquinas depende de la frecuencia en lo que se refiere a sus di mensiones o tamaño. La frecuencia infiere en la velocidad, el fl ujo, el voltaje más no en las dimensiones del motor.
5. REFERENCIAS [1]
Libro “Máquinas eléctricas”, autor Steven Chapman, capítulo 1, tercera edición.
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Un motor de inducción trifásico de 60 Hz opera a 715 r/min en vacío y a 670 r/min a plena carga.
6-3.
a)
¿Cuántos polos tiene el motor? b) ¿Cuál es el deslizamiento con carga nominal? c) ¿Cuál es la velocidad con un cuarto de la carga nominal? d ) ¿Cuál es la frecuencia eléctrica del rotor con un cuarto de la carga nominal?
(a nsync
120 f e P
120 60 Hz 10
720 r/min
(b) s
nsync
nm
nsync
100%
720 670 720
100% 6.94%
(c) s 0.25(0.0694) 0.0171 nm
1
f r
sf e
s nsync
1
0.0171 720 r/min 708 r/min
(d)
0.0171 60 Hz 6-5.
1.03 Hz
Un motor de inducción de 208 V, con cuatro polos, 60 Hz, conectado en Y, con rotor devanado, tiene una capacidad nominal de 30 hp. Los componentes de su circuito equivalente son R1 0.100
R2 0.070
X 1 0.210
X 2 0.210
Pmec
500 W
Pmisc
≈
0
X M 10.0
Pnúcl
400 W
Dado un deslizamiento de 0.05, encuentre a) b) c) d ) e) f ) g) h)
La corriente de línea I L Las pérdidas en el cobre del estator PPCE La potencia en el entrehierro PEH La potencia convertida de forma eléctrica a mecánica Pconv El par inducido t ind El par de carga t carga La e�ciencia h general de la máquina La velocidad del motor en revoluciones por minuto y radianes por segundo
A
+
?
R 1
jX 1
0.10?
j 0.21?
j 10?
jX 2
R 2
j 0.21?
0.07?
jX M
1 s s
R2
1.33? -
A
+
R 1
jX 1
jX F
0.10?
j 0.21?
R F
?
-
M
Z F
1 1 jX M
I L I A
1 Z2
1
1
j10
1.318 j 0.386 1.37416.3
1 1.40 j 0.21
V R1 jX 1 R F jX F
1200 V 0.10 j 0.21 1.318 j0.386
I L I A 78.0 22.8 A (b) PSCL 3I A 2 R1 3 78.0 A
2
0.10 1825 W
P AG 3 I 2 2
(c)
PAG 3I 2 2
R2
R2 s
3 I A2 R F 2
3I A 2 RF 3 78.0 A 1.318 24.0 kW
s
(d) P conv 1 s P AG 1 0.05 24.0 kW 22.8 kW (e) ind
P AG sync
24.0 kW 127.4 N m 2 r ad 1 min 1800 r/min 1 r 60 s
(f)
POUT P conv P mech P core P misc 22.8 kW 500 W 400 W 0 W 21.9 kW P nm 1 s n OUT 122.3 N m load sync m (g)
The overall efficiency is
POUT PIN
100%
P OUT 3V I A cos
100%
21.9 kW 3 120 V 78.0 A cos 22.8
100% 84.6%
(h)
2 rad 1 min 179 rad/s 1 r 60 s
m 1710 r/min
6-12.
La potencia a través del entrehierro de un motor de inducción de 60 Hz, cuatro polos, es de 25 kW, y la potencia convertida de eléctrica a mecánica en el motor es de 23.2 kW. a)
¿Cuál es el deslizamiento del motor en este momento? ¿Cuál es el par inducido en este motor? c) Suponiendo que las pérdidas mecánicas son de 300 W con este deslizamiento, ¿cuál es el par de carga de este motor?
b)
(a) 120 f se
nsync
P
120 60 Hz 4
1800 r/min
P conv 1 s P AG
s 1
P conv P AG
1
23.4 kW 25 kW
0.064
6.4%. (b) nm 1 s nsync 1 0.064 1800 r/min 1685 r/min
ind
P conv
23.4 kW 132.6 N m 2 r ad 1 min 1685 r/min 1 r 60 s
25.0 kW 132.6 N m 2 r ad 1 min 1800 r/min 1 r 60 s
m
ind
P AG
sync
(c)
Pout P conv P mech 23, 400 W 300 W 23,100 W
load
P out
m
23.1 kW 130.9 N m 2 r ad 1 min 1685 r/min 1 r 60 s
