Antecedentes para el estudio de Motores de inducción

Estator y rotor de un motor de inducción Monofásico

Circuito equivalente del motor comparado con el circuito del trasformador para n=0

aI

I

I

I

aE

E

2

1

2

1

2

I1

X1R1

N1

I

E1V

Im

XmRm

Ir I2

X2 R2

N2 E2

2

2

1

2*

1*

N

Na

El principio de operación de estos motores son muy similares al principio de operación de los trasformadores cuando el secundario del transformador se pone en corto circuito

Por que gira el Motor de Inducción?

ilBF

vlBe

)i,(fT

a

b

ci

i

i

Rotación del campo

b a c

Tiempo

t1 t3 t2

ia

ic

ib

b

c

aa

c

b

max2

3

max2

3

max2

3

max2

3

max2

3 max2

3

max2

3

max2

3

max2

3

A t t 1

A t t 2

A t t 3

ia

ic

ib

b

c

a

ilBF

vlBe

)i,(fT

Relación de frecuencia y radianes

Velocidad del campo

p

fNmpr

segrevp

f

mwP

e

s

*120..

/*2*2

*2

*2

Deslizamiento

s

s

s

s

ss n

nn

n

ns

60

n2

Circuito equivalente mas aproximado

Potencia de entrada (Pin)

Perdidas en estator: Peridas de cobre (Pcu 1) Perdidas en núcleo (Pmag)

Pot. entrehierro (Pg)

Pot. desarrollada (Pd) Perd. en el Cu rotor (Pcu 2)

Perd. mecánicas (Protacionales) Pot. de salida (Pout)

I2’

I1

X2’X1R1 R2

’

E1 E2

’

Im

XmRmV )s1(s

R'2

11in cosIV3P

mmag

cu

R

VP

RIP2

12

11

3

3

sd

'22'

2g Ts

R)I(3P

g2cu PsP

Protational TPout

dgd T)s1(PP

I2’

I1

X2’X1R1 R2

’

E1 E2

’

Im

XmRmV )s1(s

R'2

Par y corriente en el motor

0 0.5 10

1

2

3

4

DeslizamientoC

orri

ente

I2a s( )

I2b s( )

I2c s( )

s

0 0.2 0.4 0.6 0.80

1

2

3

Deslizamiento

Pa

r N

-M

Tin1 s( )

Tin2 s( )

Tin3 s( )

s

Tabla 1 características de los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla de acuerdo con la

clasificación en letras NEMA.

Gráficas de par y corriente

CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN DE JAULA DE ARDILLA DE ACUERDO CON EL ENFRIAMIENTO Y EL

AMBIENTE DE TRABAJO

TIPOS DE ENVOLVENTES O CARCAZAS.

• NEMA O Carcaza abierta envolvente que tiene agujeros de ventilación que permiten el flujo de aire externo de enfriamiento sobre y alrededor de los devanados de la máquina.

• NEMA 1 carcaza para propósito general . Envolvente abierta en la cual todas las aberturas conducen directamente a partes vivas o giratorias, para evitar el contacto accidental con las parte vivas

• NEMA 2 Carcaza a prueba de salpicaduras. Envolvente abierta en la que las aberturas de ventilación están fabricadas de tal modo que si caen partículas de sólidos o gotas de líquidos a cualquier ángulo no mayor de 100º con la vertical no puedan entrar en forma directa o por choque de flujo por una superficie horizontal o inclinada hacia adentro.

• NEMA 2 B Carcaza a prueba de goteo envolvente abierta en que las aberturas de ventilación se construye de tal modo que si caen partículas sólidas o gotas de líquido a cualquier ángulo no mayor de 15º con la vertical no pueda entrar ya sea en forma directa o por choque y flujo por una superficie horizontal o inclinada hacia adentro.

• NEM 3 carcaza totalmente cerrada envolvente que evita el intercambio de aire entre el interior y el exterior de ella pero que no es lo suficiente mente cerrada para poderla considerar hermética al aire.

• NEMA 3R carcaza protegida al temporal. Envolvente abierta cuyos conductos de ventilación están diseñados para reducir al mínimo la entrada de lluvia o nieve y partículas suspendidas en el aire, y el acceso de estas en las partes eléctricas.

MOTORES DE INDUCCION DE JAULA DE ARDILLA CLASE A

• El motor clase A es un motor de jaula de ardilla normal o estándar fabricado para uso a velocidad constante.

• Tiene grandes áreas de ranuras para una muy buena disipación de calor.

• Barras con ranuras profundas en el rotor. • Buena capacidad de disipar calor• Par de arranque entre 1.5 y 1.75 veces el par nominal• Par máximo entre 200% y 300% del par de plena carga

a un bajo deslizamiento• Acelera de manera rápida a la velocidad nominal• La regulación de velocidad esta entre 2 y 4 %• Tiene el inconveniente que la corriente de arranque

anda en el orden de 6 a 7 veces la nominal• Ha sido remplazado por el motor clase B• Se utiliza en compresores, ventiladores, bombas y en

máquinas y herramientas.

Motores de inducción de jaula de ardilla clase B

• A los motores de clase B a veces se les llama motores de propósito general.

• Las ranuras de su motor están embebidas algo más profundamente que el los motores de clase A

• Par de arranque similar al clase A• Par máximo entre 200% del par nominal• Regulación de velocidad menor a 5%• Substituye al de clase A por su bajo consumo de

corriente en el arranque.• Se utiliza en compresores, ventiladores, bombas

y en máquinas y herramientas.

MOTORES DE INDUCCION DE JAULA DE ARDILLA CLASE C

• Estos motores tienen un rotor de doble jaula de ardilla, el cual desarrolla un alto par de arranque y una menor corriente de arranque.

• Debido a su alto par de arranque, acelera rápidamente, sin embargo cuando se emplea en grandes cargas, se limita la disipación térmica del motor por que la mayor parte de la corriente se concentra en el devanado superior.

• En condiciones de arranque frecuente, el rotor tiene tendencia a sobre calentarse se adecua mejor a grandes cargas repentinas pero de tipo de baja inercia.

• Las aplicaciones de os motores de clase C se limitan a condiciones en las que es difícil el arranque como en bombas y compresores de pistón, trituradores, transportadores .

MOTORES DEINDUCCION DE JAULA DE ARDILLA CLASE D

• Los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla clase D se conocen también como de alto par y alta resistencia.

• Las barras del rotor se fabrican en aleación de alta resistencia y se colocan en ranuras cercanas a la superficie o están embebidas en ranuras de pequeño diámetro. La relación de resistencia a reactancia del rotor de arranque es mayor que en lo motores de las clases anteriores.

• El motor está diseñado para servicio pesado de arranque, encuentra su mayor aplicación con cargas como cizallas o troqueles, montacargas, ascensores que necesitan el alto par con aplicación a carga repentina la regulación de velocidad en esta clase de motores es la peor.

MOTORES DE INDUCCIÓN DE JAULA DE ARDILLA DE CLASE F

• También conocidos como motores de doble jaula y bajo par. Están diseñados principalmente como motores de baja corriente, porque necesita la menor corriente de arranque de todas las clases. Tiene una alta resistencia del rotor tanto en su devanado de arranque como en el de marcha y tiende a aumentar la impedancia de arranque y de marcha, y a reducir la corriente de marcha y de arranque.

• El rotor de clase F se diseño para remplazar al motor de clase B. El motor de clase F produce pares de arranque aproximadamente 1.25 veces el par nominal y bajas corrientes de arranque de 2 a 4 veces la nominal. Los motores de esta clase se fabrican de la capacidad de 25 hp para servicio directo de la línea. Debido a la resistencia del rotor relativamente alta de arranque y de marcha, estos motores tienen menos regulación de voltaje de los de clase B, bajan capacidad de sobrecarga y en general de baja eficiencia de funcionamiento. Sin embargo , cuando se arrancan con grandes cargas, las bajas de corrientes de arranque eliminan la necesidad de equipo para voltaje reducido, aún en los tamaños grandes.

Prueba de Vacío. • Mediante esta prueba que podemos calcular la impedancia

de magnetización con la ayuda de la corriente en vacío y la potencia.

12

13 RIPSCL

rot

miscWFnúcleoSCLin

PRI

PPPPP

12

1

&

3

miscWFnúcleorot PPPP &

Meq XXI

VZ 1

0

0

Prueba de Rotor Bloqueado • Como su nombre lo indica esta prueba

requiere que el motor esté bloqueado y en esas condiciones aplicar un voltaje partiendo de cero hasta que podamos leer la corriente nominal fluyendo a través de él.

12 RRR RB

X1 y X2 como funciones de

XLR

Diseño del rotor

X1 X2

Rotor devanado 0.5 XLR 0.5 XLR

Diseño A 0.5 XLR 0.5 XLR

Diseño B 0.4 XLR 0.6 XLR

Diseño C 0.3 XLR 0.7 XLR

Diseño D 0.5 XLR 0.5 XLR

L

TLR

I

V

I

VZ

31

LT

in

IV

P

3cos

senZjZ

jXRZ

LRLR

LRLRLR

cos

'

'2

'1

' XXX LR

Curvas características del motor.

• Una forma para determinar las curvas características es obtener el circuito equivalente de Thevenin, para graficar en Excel Par y corriente contra velocidad o deslizamiento.

21

21 m

mTH

XXR

XVV

m

mTHTHTH XXjR

jXRjXjXRZ

11

11 + j X2

22

22

2XXsRR

VI

THTH

TH

22

22sin

22

sinsinsin

222

3

60

2

3

XXsRR

sRV

nP

s

RIP

THTHc

THd

ccc

dd

d

Elaboración del algoritmo par Td

Elaboración del algoritmo I

Motor devanado

Control de velocidad:

• Variando la frecuencia con dispositivos electrónicos “inversores” o convertidores síncronos.

• Variando el numero de polos, usando polos consecuentes, dos devanados o motores en tandem.

• Variando el deslizamiento con variaciones de voltaje, o variando la corriente del rotor con resistencias secundarias.

Variaciones de Voltaje

• Las fluctuaciones frecuentes de voltaje pueden también afectar al equipo electrónico y a la iluminación al grado de que se necesite algún método alterno para arrancar el motor de inducción, para limitar la corriente de arranque. Si las líneas que alimentan al motor de inducción de jaula de ardilla, tienen impedancias diferentes; los voltajes del estator pueden desbalancearse, desbalanceando severamente las corrientes en las líneas y originando que el equipo de protección deje al descubierto al motor. De hecho un desbaleance de 1 o 2 % en los voltajes de la línea del estator pueden originar un desbalance del 20 % en las corrientes de línea, presentando calentamiento localizado del motor y fallas del devanado

Arranque a tensión reducida

• Reducen el par de arranque para no dañar sistemas mecánicos.

• Ahorran energía en el momento de iniciar a trabajar.

• Limitan la corriente para no ocasionar disturbios a equipos electrónicos e iluminación

Razones para arrancarlos a tensión reducida :