UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES - FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ELECTROTECNIA
MÁQUINAS ELÉCTRICAS 65.06
Trabajo Práctico Nº: 2
ENSAYO DE MOTOR ASINCRÓNICO TRIFÁSICO COMPLEMENTO EXPLICATIVO
Ensayo indirecto
Si bien el principio de funcionamiento y circuito equivalente del motor asincrónico trifásico guardan gran semejanza con los del transformador, existen algunas diferencias importantes, por ejemplo las reactancias de dispersión, como en todas las máquinas rotativas, son más grandes, están en el orden del 15 al 25 % y por la presencia del entrehierro, la corriente magnetizante es considerablemente mayor que en un transformador: del 20 al 70 % de la nominal, correspondiendo las corrientes más altas a los motores de pequeña potencia. También, y por la misma causa, esa corriente es mucho más sinusoidal.
Otras características importantes de los motores asincrónicos trifásicos de rotor en cortocircuito son:
Corriente de arranque: 4 a 7 In
Cupla de arranque: 1 a 2,5 Tn
Resbalamiento nominal: 0,04 a 0,05
Resbalamiento en vacío: aprox. 0,005
Rendimiento: 70 a 94 %
Con los valores anteriores se pueden predeterminar el valor de las magnitudes que se medirán en los ensayos y el alcance de los instrumentos.
Tanto para el ensayo en vacío y separación de pérdidas como para el de rotor bloqueado se puede usar el mismo circuito de medición, cambiando solo los alcances de los instrumentos. Se sugiere el siguiente circuito:
A
A
A
W
W
V
V
V
M
U V W R S TI
I
I
U
U
U
P
P
R S T RS TS RS ST TREl ensayo en vacío se realiza aplicando al motor tensión de frecuencia nominal y sin carga en el eje; en estas condiciones la potencia absorbida es de pérdidas y corresponde a la suma de las pérdidas en el cobre y en el hierro del estator y las mecánicas por rozamiento y ventilación. Las pérdidas en el cobre y en el hierro rotóricas se las puede despreciar.
P0 =3R I1 02+PFe1+Pryv =3R I1 02 +Prot
Como la potencia absorbida por los rozamientos depende en gran medida de la temperatura del lubricante, antes de realizar las mediciones es necesario dejar al motor funcionando el tiempo suficiente para que la misma se estabilice.
Para realizar la separación de pérdidas en el hierro de las mecánicas se reduce gradualmente la tensión aplicada, controlando que la velocidad no se reduzca apreciablemente, por ejemplo a menos del 90% de la de vacío, o que la corriente absorbida no comience a crecer (como el motor está en vacío la tensión se puede reducir a más del 50% de la nominal sin que ocurra nada de lo anterior). Si la velocidad permanece aproximadamente constante, las pérdidas mecánicas que dependen de ella también lo serán, mientras que las del hierro, que dependen de la tensión aplicada, se irán reduciendo.
Si se representan las pérdidas rotacionales en función de la tensión al cuadrado se obtiene aproximadamente una recta que extrapolada hasta el origen da las pérdidas mecánicas:
A partir de los resultados del ensayo en vacío se pueden determinar los parámetros de la rama paralelo del circuito equivalente. Las expresiones son:
I I I I U U U U P P P P P U R R S U I S P P S P P R I E U x I x R E P P X E Q x I R S T RS ST TR RS TS w v rot f p f Fe Fe m f 0 1 0 0 0 1 2 0 1 0 02 02 0 0 0 0 1 0 2 1 1 1 0 1 1 2 1 1 1 2 0 1 0 2 3 3 2 3 3 3 3 3 3 = + + = + + = + = − ⋅ + = ⋅ = − = = − ≈ − = = − Q
: d el en s ayo a rotor b loq u ead o : d e la sep aración d e p é rd id as
0
' '
cosϕ
El ensayo a rotor bloqueado se realiza aplicando tensión al motor que se encuentra con el rotor bloqueado con una palanca que apoya en una balanza y que, en nuestro caso, se utiliza para medir la cupla. La tensión se ajusta hasta que la corriente sea igual o mayor que la nominal; en este último caso se deben tomar las precauciones necesarias para evitar el sobrecalentamiento del motor.
Como la velocidad es cero, el motor no entrega potencia y toda la que absorbe se consume en pérdidas en el cobre en el estator y en el rotor. Si la tensión es reducida se pueden despreciar las pérdidas en el hierro, pero si no lo es se deben tener en cuenta:
PRB = PCu1 +PCu2+PFe 0 U U 2 PFe Prot Pry
Suponiendo linealidad se pueden determinar, en forma aproximada, la corriente y la cupla de arranque: I U U I T U U T a rr n RB RB a rr n RB RB = ⋅ = ⋅ 2
La suposición de linealidad es una simplificación un tanto drástica, ya que la influencia de la saturación es apreciable, por ese motivo se recomienda, tomar las precauciones necesarias y realizar las mediciones a la mayor tensión posible, preferentemente la nominal.
Una causa importante de error es que la frecuencia rotórica durante el ensayo a rotor bloqueado es igual a la de la red y luego en el funcionamiento normal es de unos pocos Hertz. Por ese motivo el valor obtenido de resistencia rotórica en el ensayo puede ser considerablemente mayor que la correspondiente al régimen normal, especialmente en los motores con rotor en cortocircuito. Una forma de corregir este inconveniente es realizar el ensayo a dos frecuencias y luego extrapolar los resultados hasta la frecuencia de resbalamiento, para mayor detalles consultar las normas correspondientes.
I I I I U U U U P P P P P U R R S U I S P P S T G l R P I x Q I R R R x x RB R S T RB RS ST TR RB RS TS RB RB RB w v RB RB RB RB RB RB RB RB arr e RB RB e RB RB e e = + + = + + = + = − ⋅ + = ⋅ = − = = ⋅ = = = − = 3 3 2 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 1 2 Q RB ' ' ' ' cosϕ Ensayo directo
Para determinar las características de funcionamiento de los motores asincrónicos trifásicos, y a diferencia del caso de los transformadores, es frecuente ensayarlos por métodos directos, es decir por medio de ensayos en carga. Esto es debido a que en general no son de potencias muy grandes y a que la determinación de la resistencia rotórica a la frecuencia de resbalamiento, no es fácil de realizar.
Para realizar un ensayo en carga de un motor es necesario disponer de un aparato capaz de absorber potencia mecánica y medirla. Las distintas opciones encontradas en los laboratorios son:
• Frenos: transforman la energía mecánica en calor por distintos procedimientos, por ejemplo fricción como el de Prony y los hidráulicos; frenos de corrientes parásitas como el de Pasqualini que se usará en el trabajo práctico. Los frenos poseen un dispositivo que permite medir la cupla y conociendo la velocidad de rotación se puede calcular la potencia mecánica. Los frenos de fricción se usan en potencias pequeñas, menos de 5 kW, por la dificultad de evacuar el calor generado, en cambio los hidráulicos, en los que se hace circular agua que los refrigera, permiten manejar potencias muy grandes, 1000 kW o más, pero pierden efectividad a bajas velocidades; los frenos de corrientes parásitas manejan potencias relativamente pequeñas, no más de 5 kW, pero son muy estables y de fácil regulación.
• Balanzas electrodinámicas: son máquinas de corriente continua cuya carcasa está montada sobre cojinetes que permiten cierta oscilación de la misma, para que con una palanca con platillos o con una balanza se pueda medir la cupla electromagnética que se está desarrollando, y en unión con la velocidad de rotación se puede calcular la potencia mecánica. La energía mecánica absorbida, se transforma en eléctrica y se disipa en una resistencia de carga, siendo ésta la principal limitación a la potencia que puede manejarse, no obstante se puede llegar sin mayores dificultades a valores del orden de los 100 kW o más, lo que cubre la mayoría de las necesidades de ensayo de motores
asincrónicos trifásicos. Cabe destacar también la facilidad con que se puede regular la carga por medio de la corriente de excitación de la máquina. Una importante característica de las balanzas electrodinámicas es la reversibilidad, lo que le permite funcionar como motor de impulso para el ensayo de generadores. La cupla debida a los rozamientos y a la ventilación, que depende de la velocidad de rotación, se debe sumar, cuando funciona como generador, o restar, cuando funciona como motor, a la cupla electromagnética determinada por el sistema de palancas.
• Generadores contrastados: son generadores, normalmente de corriente continua, de los que se conocen su curvas de rendimiento o de pérdidas, de esta forma si se mide la potencia eléctrica que entregan a una carga, se puede calcular la que están absorbiendo por el eje; lo que junto a la velocidad de rotación permite determinar la cupla en el mismo. En cuanto a las potencias, cargas y regulación, valen las mismas consideraciones que para las balanzas electrodinámicas.
Cuando la potencia es elevada, tanto en balanzas electrodinámicas o en generadores contrastados, en lugar de disiparla en resistencias de carga, lo que puede resultar complicado y oneroso, se puede recuperar enviándola a un motor de corriente continua, que acciona un alternador y éste la devuelve a la red, de esta forma solamente se consumen las pérdidas de las cuatro máquinas. El uso de un alternador también permite compensar la potencia reactiva, que es una ventaja adicional nada despreciable.
Para la realización del trabajo práctico se utilizará un motor de rotor bobinado acoplado a un freno de Pasqualini de corrientes parásitas el que consiste en un disco de cobre unido a otro de hierro acoplados al eje del motor que gira dentro del campo magnético producido por dos electroimanes alimentados con corriente continua ajustable. Los electroimanes están montados sobre una carcasa que puede pivotar sobre un eje que coincide con el del disco y el del motor; solidarios a esa carcasa se encuentran dos brazos graduados sobre los que se pueden deslizar pesas para la medición del par:
Acoplamiento
Pesa deslizante
Contrapeso Disco
Bobinas
Dibujo del freno de Pasqualini
Para determinar las magnitudes estatóricas del motor se utiliza un wattímetro trifásico e instrumentos que permiten obtener las tensiones y las corrientes de línea y las potencias activa y reactiva totales cuyo conexionado interno no se encuentra en este complemento. El circuito de ensayo está en la página siguiente:
Una vez verificado el circuito se procede de la siguiente forma:
1. Con el motor detenido, se balancea el freno colocando la pesa mayor, de 3,58 kg, en el cero de la escala y desplazando la más pequeña hasta que la palanca quede horizontal. La palanca dispone de un nivel de burbuja para verificar la horizontalidad.
2. Se coloca el reóstato de arranque en la posición de máxima resistencia “arranque”.
3. Se desconectan los instrumentos de la caja de medición colocando sus respectivos selectores en la posición de cero y con el freno desactivado se alimenta el motor asincrónico, el que debe arrancar normalmente.(si se usan instrumentos separados adaptar este parrafo)
A W V Circ. de medición
M
3 x 220 V 50 Hz Reóstato de arranque Freno Pasqualini Circuito de mediciónW
trifásicoA
A
V
Llave conmutadora de voltímetros4. Se verifica el correcto sentido de giro por medio de la indicación del tacómetro y observando que el disco del freno, al girar, debe tratar de levantar el brazo de la pesa más grande. En caso de tener que cambiar el sentido de giro del motor se deben permutar las conexiones de dos fases del estator. Si el sentido de giro es el que corresponde, se elimina gradualmente el reóstato de arranque asegurándose de que alcance la posición de cortocircuito.
5. Se intercalan los instrumentos de la caja de medición y se verifica la correcta indicación de los mismos. 6. Se verifica que el autotransformador del rectificado que alimenta a las bobinas del freno Pasqualini se
encuentre en la posición de cero y se lo conecta. Se ajusta la corriente de excitación del freno hasta que el promedio de las corrientes absorbidas por el motor sea aproximadamente del 125% de la nominal. 7. Se mueve la pesa más grande hasta nivelar la palanca del freno y se lee, sobre la escala, el
desplazamiento L de la misma. Se leen y anotan el resto de las magnitudes.
8. Luego de reduce el desplazamiento L, de la pesa mayor, en un sexto y se disminuye la corriente de excitación del freno hasta que la palanca vuelva a nivelarse y se vuelven a leer todas las magnitudes. 9. Se repite el procedimiento anterior hasta hacer la última medición con el motor en vacío, es decir con el
freno desconectado.
10. Se desconecta el motor de la red y se lleva el reóstato de arranque a la posición de puesta en marcha. 11. Se debe tomar nota de todos los datos de los instrumentos y aparatos empleados, sus constantes, las
relaciones de los transformadores de corriente y la masa de la pesa más grande del freno Pasqualini. Las expresiones de cálculo son las siguientes:
