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AUTOMACION Y CONTROL
PARTE I
Motores asincronicos trifasicos de Baja Tensión
ClasificaciónPrincipio de funcionamiento Curvas características
MOTORES ELECTRICOS
( MOTORES )
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Tipos de motores eléctricos
Son motores con costo más elevado pues necesitan de una fuente de corriente continua, o de un dispositivo que convierta la corriente alterna en corriente continua. Este tipo de motor se utiliza en casos especiales
Son los más utilizados, porque la distribución de energía eléctrica es hecha en corriente alterna. Velocidad constante (independiente)de la variación de la carga) Velocidad variable (dependiendo de la variación de la carga)
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Estator
Rotor
Devanado trifásico
Distribuido en ranuras
de 120
°
Tienen tres devanados ó bobinados en el estator.
Bobinado
Jaula de ardilla
(en cortocircuito)
Rotor devanado: los bobinados del rotor son similares a los del estator con el que está asociado.
Los conductores o barras del rotor están igualmente distribuidos por la perisferia del rotor. Los extremos de estos conductores están cortocircuitados por lo tanto no hay posibilidad de
conexión de conexión del rotor con el exterior
La diferencia principal entre los dos tipos reside en la estructura del rotor; para ser más precisos, en el primer tipo el rotor está constituido por varios devanados como los del estator, presenta una estructura más compleja y delicada (escobillas que rozan con el rotor, con la posible interposición de resistencias para el control de la fase de arranque) con necesidad de
mantenimiento periódico y dimensiones generales elevadas, mientras que el segundo tipo tiene un rotor constituido por barras cerradas en cortocircuito, por lo que, gracias a una mayor simplicidad constructiva, da origen a un tipo de motor muy simple, robusto y económico
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Estator
El estátor se puede definir como el conjunto de las partes fijas cuya función es sostener, al menos parcialmente, la
máquina, pero fundamentalmente constituye la parte del circuito magnético que contiene los devanados inductores
alojados en las ranuras adecuadas a ese fin y en correspondencia con su superficie interna.
Está constituido por láminas de una aleación de acero al silicio o de acero macizo aisladas entre sí. De su estructura
depende todo lo concerniente a los flujos magnéticos variables en el tiempo que provocan pérdidas por histéresis
(ligadas a la magnetización no lineal del material) y por corrientes parásitas inducidas.
En las ranuras adecuadas en la estructura de las láminas se insertan tres devanados primarios (cada uno de
ellos constituido por más devanados interconectados de distinta forma), a los que se aplica la tensión de
alimentación y que generan el campo magnético. Los devanados estatóricos trifásicos pueden conectarse en estrella
o en triángulo.
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Rotor jaula de ardilla ó en cortocircuito
El rotor, está alojado en el interior del estátor y constituye el circuito inducido de la máquina. Para un motor de
jaula de ardilla, el rotor, está constituido por un sistema de barras conductoras (de cobre o aluminio) paralelas al
eje de rotación, inyectadas directamente en las ranuras practicadas a lo largo de toda la periferia externa del núcleo
ferromagnético. Las barras se cierran en cortocircuito con dos anillos conductores posicionados en los extremos,
que constituyen también una fijación mecánica para las propias barras. Se obtiene así un rotor extremadamente
compacto y robusto, al que se fija también el eje del motor. El campo magnético inducido, que constituye el
principio funcional del motor, hace girar el eje del motor convirtiendo así la energía eléctrica en energía mecánica.
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Sistema trifásico:
El sistema trifásico consiste de 3 sinusoides de tensión, la amplitud de las cuales están desplazadas 120°.
La frecuencia del sistema es indistintamente 50 o 60 Hz, dependiendo de cada país.
Motor asincrónico trifásico:
Como resultado de aplicar una tensión al bobinado estatórico circula una corriente y se genera un campo
magnético. Este campo magnético es transmitido desde el núcleo estatórico bobinado al núcleo del rotor
atravesando el entrehierro.
El campo rotante estatórico induce una tensión en el rotor en cortocircuito o jaula de ardilla
Como consecuencia de la tensión inducida al rotor circula una corriente por sus conductores
El campo rotante del estator
conjuntamente con el campo
rotórico generan un torque.
El eje del motor gira.
Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico.
En estos principio está
basado el Motor
llamado de “inducción”
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Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico
Funcionamiento - Campo magnetico rotante
Con la corrientes alterna
trifasicas puede obtenerse un
campo magnetico giratorio.
Tres bobinas desplazadas120° unas de otras y recorridas por corrientes trifasicas dan lugar a un
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Sobre el rotor de un motor asincronico trifásico aparece un par o cupla que actúa en el sentido del
campo giratorio.
El rotor girará con una velocidad de giro menor que la del campo o sea asincronicamente
F =
x
I
x
L
x
z
F
: fuerza sobre conductor
:
inducción magnetica
I
: corriente eléctrica
L
: longitud concatenada
z
: cantidad de conductores
Variación del flujo
( variación campo rotante )
Inducción de fuerza electromotriz
Espira (circuito cerrado) se forma una corriente
Interacción entre:
campo de I y campo rotante
(regla mano izquierda)
Fuerzas mecánicas
PAR
o
CUPLA
Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico
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Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico
Funcionamiento - Campo magnetico rotante
Grafica de I que circulan por los conductores
Bobinado del estator motor de 2 polos
Tomando instantes determinados podemos ver
los sentido que en ese instante tienen las
corrientes
quedan definidos 2 polos
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n
d
= n
s
-
n
s
=
n
s
- n .
n
s
Velocidad de deslizamiento
n
d
n
s
velocidad sincronica ( campo giratorio)
n
velocidad del motor ( rotor )
Se denomina
Deslizamiento
S
también llamado resbalamiento al cociente entre la velocidad
de deslizamiento y la velocidad del campo giratorio n
s(sincronica)
.
Cuando:
n
=
n
s
No habrá variación de
flujo
en la espira
No habra
f.e.m inducida
No habra
corriente
No hay
Cupla
La base de la existencia de la cupla motora es la diferencia de velocidad
entre el campo rotante y el rotor
Para que exista cupla es necesario que la velocidad del rotor sea inferior a
la de sincronismo del campo rotante por ello se llama
asincronico
Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico
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También se expresa la velocidad en min-1
n
s
=
f
x
60
p
N° de polos N° de pares de polos n
S
a 50 Hz
n
S
a 60 Hz
2
1
3000 rpm
3600 rpm
4
2
1500 rpm
1800 rpm
6
3
1000 rpm
1200 rpm
8
4
750 rpm
900 rpm
n
S
= velocidad sincrónica
f
= frecuencia de la red
p
= número de pares de polos
El número de polos de un motor indica la velocidad.
Al conectar el devanado estatórico de los motores asincrónicos trifásico a corrientes trifásicas se
creará un campo magnético giratorio cuya velocidad de giro
n
s
depende de la frecuencia de la
corriente
f
(en Hz ) y del numero de pares de polo
p
del campo
Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico
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El sentido de giro del rotor de un motor asincrónico trifásico solo se puede
invertirse cambiando el sentido de giro del campo
El sentido de giro del campo se invierte cuando se modifica el orden de
sucesión de fases.
El sentido de giro puede ser invertido cambiando la conexión de dos de los
conductores activos (fases).
Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico
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Cuando:
Motor con rotor bloqueado
n
= 0
s
=n
s-
0
Deslizamiento
1
ns
motor rotor velocida sincronica
n
s
= n
s
=0
Deslizamiento
0
n
sM
ma xM
M
arraq ueM
MotorM
car gaM
nomi naln
n
ss
= n
s
- n .
100 %
n
s
Deslizamiento
s
(
en tanto por ciento de la velocidad de giro del campo)
Principio de un Motor eléctrico asincrónico trifásico
Funcionamiento – Deslizamiento
Velocidad campo : 0
Rotor : parado
Deslizamiento: 1 ( 100%)
Velocidad campo : máxima (sincronica)
Rotor : velocidad sincronica
Deslizamiento: 0
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Funcionamiento - Características
Curva: Par (Torque) - Velocidad en Motor Jaula de ardilla
M
NCupla oTorque nominal
M
MPar Motor
M
LTorque de la carga
M
BTorque de aceleración
M
APar de arranque del motor
M
KPar máximo ó torque de ruptura
M
SPar mínimo
n
NVelocidad nominal
n
SVelocidad sincrónica
Par de arranque (Ma) es el par mínimo que desarrolla el motor partiendo del estado de reposo, estando el rotor en la posición más desfavorable, a la tensión y frecuencia nominales, una vez terminados los procesos de compensación.
Par mínimo (Ms) es el par más pequeño en la gama de velocidades comprendida entre el estado de reposo y el par máximo, a la tensión y frecuencia nominales.
Par máximo (Mk) es el mayor par que desarrolla un motor durante el proceso de arranque a la tensión y frecuencia nominales.
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Curva: Par (Torque) - Velocidad en Motor Jaula de ardilla M = f (n)
La velocidad a la que se mueve un motor depende tanto de su propia característica par-velocidad como de la característica par-velocidad de la carga. En la figura se aprecia esta situación, la curva MMOTOR corresponde a un motor
de inducción y la curva restante MCARGA
representa la característica típicas de carga.
A continuación, y tomando como referencia estas curvas, analizaremos algunos puntos especialmente como son: el arranque, el funcionamiento en vacío y el estable con carga.
En el momento del arranque la velocidad es cero ( n = 0 ).
El valor Mra es el par resistente de arranque y corresponde al valor que debe aplicarse a la carga para ponerla en movimiento, análogamente,
MARRANQUE es el par interno de arranque
del motor, es evidente que para que el sistema se ponga en movimiento debe ser:
MARRANQUE > Mra
Se considera que el par de arranque debe ser entre 1,25 y 2,5 veces el valor del par nominal (MNOMINAL), en estas
condiciones la corriente en el arranque Ia tomara un valor entre 5 y 8 veces la intensidad nominal In
Funcionamiento en vacío
Si el motor arranque en vacío el punto de funcionamiento es el P, en el que el par suministrado es nulo (en realidad debe vencerse un par propio relacionado con los roces internos y el momento de inercia del rotor) y la velocidad de vacío (n = no) está cercana a la velocidad de sincronismo.
Funcionamiento estable con carga
Cuando el motor funciona con carga, el punto de funcionamiento (MNOMINAL,
n
NOMINAL) corresponde a aquel en el que se cortan
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P
potencia nominal en kW
n
velocidad en RPM
El par motor nominal del eje expresado en Nm
dado por la formulas :
Par Nominal de giro
Los motores con rotor de jaula se arrancan preferentemente
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Los motores se utilizan para una gran variedad de aplicaciones, tanto en el arranque como en régimen. Estas diferentes aplicaciones representan un estado de carga distinto para el motor en cada caso. Hay dos factores fundamentales a tener en cuenta a la hora de analizar una aplicación y son los siguientes: torque de la carga, también conocido como cupla resistente, y momento de inercia.
Torque de la carga
Es una fuerza que se manifiesta en el eje del motor e intenta frenarlo. Para acelerar, el motor debe ser más fuerte que la carga. La diferencia entre el torque disponible del motor y el torque de la carga es el torque de aceleración y es quien va a decir si el motor puede arrancar o no. Muchos métodos de arranque reducen el torque del motor y por lo tanto también el torque de aceleración, por consiguiente, el tiempo de arranque se incrementará.
Torque de aceleración = Torque disponible del motor – Torque de la carga La curva de la carga puede tener diferentes características dependiendo de la aplicación.
Algunos de los tipos más comunes se pueden apreciar:
Distintos estados de carga
Habitualmente en muchas aplicaciones pesadas se hace un arranque sin carga y luego esta se aplica cuando el motor alcanza la velocidad nominal. De este modo se puede reducir entre un 50 y 90% la cupla resistente que debe vencer el motor para arrancar comparado con un arranque a plena carga.
Momento de inercia
Es una representación teórica que involucra la masa de la carga conectada al eje del motor en forma de volante.
Normalmente a las aplicaciones con un bajo momento de inercia se la conoce como “arranque normal” y a las que tienen un momento de inercia alto se las denomina “arranque pesado”.
En un arranque normal el momento de inercia de la carga es bajo y el tiempo que el motor se toma hasta alcanzar su
velocidad nominal es corto, en general inferior a los 10 segundos, por eso normalmente se protegen con relés de sobrecarga de clase de disparo 10 para tiempos de arranque cortos.
Los arranques pesados,deben enfrentar grandes momentos de inercia y por lo tanto, el tiempo de arranque necesario para alcanzar la velocidad nominal será elevado. Será necesario tener una protección de sobrecarga con clase de disparo 30
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Para comprobar los procesos de arranque y de frenado, y para seleccionar la velocidad del motor a utilizar, se necesita conocer la curva del par resistente de la máquina accionada (par de carga), en dependencia de la velocidad de rotación. Las formas básicas representativas de los pares resistentes se reproducen en la figura inferior izquierda. En la figura inferior derecha se muestra el curso correspondiente
de la potencia necesaria.
Curva característica del par resistente
1.Par resistente prácticamente constante, potencia proporcional a la velocidad de rotación. Se establece normalmente, en mecanismos elevadores, bombas y compresores de émbolo que impulsen venciendo una presión constante, laminadores, cintas transportadoras, molinos sin efecto ventilador, máquinas herramientas con fuerza de corte
constante.
2.El par resistente crece proporcional- mente con la velocidad de rotación y la potencia aumenta proporcionalmente con el cuadrado de la velocidad.
3.El par resistente crece proporcional-mente con el cuadrado de la velocidad de rotación, y la potencia con el cubo de la velocidad de rotación. Rige normalmente para bombas centrífugas ventiladores y soplantes centrífugos, máquinas de
émbolo que alimenten una red de tuberías abiertas
4.El par resistente decrece en proporción inversa con la velocidad de rotación, permaneciendo constante la potencia. Solamente se considerará este caso para procesos de regulación, presentándose en los tornos y máquinas herramientas similares, máquinas bobinadoras y descortezadoras. Si la transmisión se ejecuta con correas o engranajes, el par
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Curva: Corriente – velocidad en Motor Jaula de ardilla
I = f (n)
Durante un arranque directo el motor toma normalmente entre seis y ocho veces la corriente nominal, Esto se puede apreciar claramente en un gráfico corriente/velocidad.
Aquí se observa cómo la corriente es inicialmente alta y va disminuyendo a medida que el motor acelera. Para cuando el motor alcanza la velocidad de régimen, la corriente se establece en el valor de corriente nominal.
La corriente nominal que podemos encontrar en la chapa característica de un motor es la corriente que el motor toma de la red cuando está completamente cargado (entregando plena potencia ) y andando a velocidad nominal. Si la carga del motor es menor, la corriente también lo será y si el motor está sobrecargado, la corriente aumentará.
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Curva: Corriente de arranque en Motor – Velocidad I = f (n)
Tensión y corriente de arranque:
Mediante la reducción de la tensión es posible adaptar la corriente de arranque a las
características de la red (en tanto y en cuanto la carga lo permita).
I ~ U
Curva: Tensión - par en Motor Jaula de ardilla
M = f (U)
M ~ U
2Tensión y Par:
Mediante la reducción de tensión, el arranque puede optimizarse de acuerdo a la aplicación posibilitando adaptar la curva de arranque del motor a la curva de la carga
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En los motores la potencia útil en el eje, la cupla desarrollada y la velocidad , son los
factores preponderantes en todo análisis del funcionamiento
Curvas caracteristicas - Motor asincronico trifasico
Fact
o
r
de
po
te
ncia
[
co
s
]
R
endim
ie
nt
o
[
]
In
te
ns
idad
de
c
o
rr
ie
nt
e
[
I
]
P
ar
o
C
upla
[
M
]
M