ARRANQUE DE MOTORES ASÍNCRONOS DE JAULA DE ARDILLA Para que el conjunto (Motor-Máquina), comience a girar se necesita que el par motor supere al par resistente, de manera de generar una aceleración angular de arranque. El proceso de arranque finaliza cuando se equilibra el par motor con el par resistente, estabilizándose la velocidad de giro del motor. Como el torque motriz es el producto de la corriente absorbida por el flujo del campo magnético, además de un factor que caracteriza al tipo de máquina, este mayor par de arranque generalmente está asociado a una mayor corrie corriente nte de arranq arranque, ue, la que no debe debe supera superarr determ determina inado do límite límite,, por el calentamiento de los conductores involucrados. Aunque se suele enfocar el diseño de estos sistemas de arranque en atención a las corrientes y torques involucrados, no deben dejarse de lado otro otross aspe aspect ctos os que que tamb tambié ién n resul resulta tan n impo importa rtant ntes es,, como como por por ejem ejempl plo, o, el consumo de energía disipada en forma de calor y las perturbaciones sobre la red de baja tensión. Estas perturbaciones incluyen principalmente las caídas de tensión (muy not notabl ables en los los elem elemen enttos de ilum ilumin inaació ción), que pued puedeen afec afecttar el funcionamiento de otros elementos conectados a la misma, lo que resulta crític crítico o en las instal instalaci acione oness con muchos muchos motore motoress que realiz realizan an frecue frecuente ntess arranques. Por otro lado, los dispositivos de arranque pueden ser de operación manu manual al o por por cont contac acto tores res.. Esto Estoss últi último moss permi permite ten n efec efectu tuar ar el mand mando o a distancia del motor con cables de secciones pequeñas (sólo se requiere la corr corrie ien nte nec necesar esaria ia para para la bob bobina ina del del cont contac acttor), or), lo que fac facili ilita el acci accion onam amie ient nto o y dise diseño ño del del disp dispos osit itiv ivo o de cont contro rol, l, por por trab trabaj ajar ar con con intensidades reducidas.
ARRANQUE DE MOTORES TRIFÁSICOS ASINCRÓNICOS CON ROTOR EN JAULA Los motores de corriente alterna con rotor en jaula de ardilla se pueden poner en marcha mediante los métodos de arranque directo o a tensión reducida. En ambos casos, la corriente de arranque generalmente resulta mayor que la nominal, produciendo las perturbaciones comentadas en la red de distribución. Estos inconvenientes no son tan importantes en motores pequeños, que habitualmente pueden arrancar a tensión nominal. Los circuitos con motores deben contar con interruptores que corten todas las fases o polos simultáneamente y con protecciones que corten automáticamente cuando la corriente adquiera valores peligrosos. Además debe colocarse una protección automática adicional que corte el circuito cuando falte una fase o la tensión baje de un valor determinado.
ARRANQUE DIRECTO DE MOTORES ASINCRÓNICOS CON ROTOR EN JAULA Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica directamente la tensión nominal a la que debe trabajar. Si el motor arranca a plena carga, el bobinado tiende a absorber una cantidad de corriente muy superior a la nominal, lo que hace que las líneas de alimentación incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una caída de tensión. La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor. Su principal ventaja es el elevado par de arranque: 1,5 veces el nominal. Siempre que sea posible, conviene arrancar los motores a plena tensión, por el gran par de arranque que se obtiene, pero si se tuvieran muchos motores de media y gran potencia que paran y arrancan en forma intermitente, se tendrá un gran problema de perturbaciones en la red eléctrica.
ARRANQUE A TENSIÓN REDUCIDA DE MOTORES ASINCRÓNICOS CON ROTOR EN JAULA De existir algún inconveniente para realizar una partida directa, se debe recurrir a alguno de los métodos de arranque por tensión reducida. Este método se utiliza para motores que no necesiten un gran torque de arranque. El método consiste en producir, en el momento del arranque, una tensión menor que la nominal en los arrollamientos del motor. Al reducirse la tensión, se reduce proporcionalmente la corriente, la intensidad del campo magnético y el torque motriz. Entre los métodos de arranque por tensión reducida más utilizados podemos mencionar el de arrancador estrella-triángulo, el de autotransformador de arranque y el de arrancador electrónico.
ARRANQUE DE MOTORES ASINCRÓNICOS CON ROTOR EN JAULA POR CONMUTACIÓN ESTRELLA-TRIÁNGULO El arranque estrella-triángulo es el procedimiento más empleado para el arranque a tensión reducida, debido a que su construcción es simple, su precio es reducido y tiene una buena confiabilidad. El procedimiento para reducir la tensión en el arranque consiste en conmutar las conexiones de los enrollados, en los motores trifásicos previstos para trabajar conectados en triángulo en la red. Los bobinados inicialmente se conectan en estrella, o sea, reciben la tensión de fase de 220 V, y luego se conectan en triángulo a la tensión de línea de 380V; es decir, la tensión durante el arranque se reduce 1,73 veces. Por ser ésta una relación fija, y dado que la influencia de la tensión sobre la corriente y el torque es cuadrática, tanto la corriente como el torque de arranque del motor se reducen en tres veces. Para poder realizar este tipo de partida, es necesario que el motor esté construido para trabajar en triángulo con la tensión de línea y debe tener el estator los seis bornes accesibles. La conmutación de estrella a triángulo generalmente se hace en forma automática, luego de transcurrido un periodo de tiempo regulable, en que el motor alcanza determinada velocidad. Esta partida se realiza con tres contactores, uno de línea, uno que realiza la estrella y uno que realiza el triángulo; estos dos últimos enclavados mecánica y eléctricamente. Para la selección de los contactores se debe tomar el siguiente dato: El contactor de línea y triángulo deben ser de la capacidad del 58% de la corriente nominal del motor, el de estrella debe ser un 33% de la corriente nominal del motor. La protección del motor se hace por medio de un relé térmico el cual debe estar regulado al 58% de la corriente nominal del motor. La conmutación se realiza cuando el motor esté cercano a su velocidad nominal. Este tiempo se ajusta con el relé de tiempo.
ARRANQUE DE MOTORES ASINCRÓNICOS CON ROTOR EN JAULA POR AUTOTRANSFORMADOR DE ARRANQUE El autotransformador de arranque es un dispositivo similar al de estrella triángulo, salvo por el hecho de que la tensión reducida en el arranque se logra mediante bobinas auxiliares que permiten aumentar la tensión en forma escalonada, permitiendo un arranque suave. Su único inconveniente es que las conmutaciones de las etapas se realizan bruscamente, produciendo en algunas ocasiones daños perjudiciales al sistema mecánico o a la máquina accionada. Por ejemplo, desgaste prematuro en los acoplamientos (correas, cadenas, engranajes o embragues de acoplamiento) o en casos extremos, roturas por fatiga del eje o rodamientos del motor, producidos por los grandes esfuerzos realizados en el momento del arranque.
ARRANQUE DE MOTORES ASINCRÓNICOS CON ROTOR EN JAULA POR DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Los arrancadores electrónicos consisten básicamente en un convertidor estático de tiristores, que permite el arranque de motores de corriente alterna con aplicación progresiva de tensión, con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque. Al iniciar el arranque, los tiristores dejan pasar la corriente que alimenta el motor, según la programación realizada en el circuito de maniobra, que irá aumentando hasta alcanzar los valores nominales de la tensión de servicio. Existe la posibilidad, además, de arranque progresivo. También se puede utilizar para detener el motor, de manera que vaya reduciendo la tensión hasta el momento de la detención, y dependiendo del modelo, se puede realizar una parada más rápida, por inyección de corriente continua. Dentro de la gran variedad de Arrancadores electrónicos, me quiero referir en particular a uno que realiza el arranque y parada del motor a través del control de dos fases. Es un equipo económico y lo podemos utilizar en motores de 0,55KW a 55KW. Además, posee protecciones contra sobrecarga del motor, secuencia de fases incorrecta, falta de fase, rotor trabado, sobrecorriente, sobrecarga en los tiristores, frecuencia fuera de tolerancia, subtensión en la alimentación de la electrónica.
MOTORES TRIFÁSICOS DE INDUCCIÓN
A estos motores también se les llama motores “Asincrónicos”, debido a que no giran a velocidad sincrónica como en el caso del MS (motores sincronos). Entre sus partes principales se pueden distinguir dos: a)
Estator: Formado por un número determinado de chapas magnéticas ranuradas, en las cuales se alojan sus enrollados. Dicho enrollamiento está constituido por tres grupos de bobinas distribuidas homogéneamente en el estator y desplazados 120° geométricos entre sí. Dicho devanado primario también recibe el nombre de “Devanado Primario”.
b)
Rotor: Existen dos tipos de devanados de rotor, el de Jaula de Ardilla y el compuesto por bobinas de alambre, denominado comúnmente como Rotor Devanado.
El rotor tipo jaula de ardilla, está compuesto por una serie de barras conductoras colocadas en las ranuras hechas en la superficie del rotor, las cuales van cortocircuitadas por medio de anillos ubicados en los extremos. El rotor devanado tiene un arrollamiento trifásico similar al del estator, cuyas tres fases generalmente se conectan en estrella y sus extremos restantes se conectan a anillos rozantes aislados que van montados en el eje del rotor. R
R
S
S
T
T
Conexión de los motores de inducción a la red
M 3φ
M 3φ
JAULA DE
ROTOR
ARDILLA
DEVANADO
3φ
Cuando el motor funciona normalmente los devanados del rotor están en coci (cortocircuito), a través de escobillas que están conectadas con los anillos rozantes. Cuando el motor arranca, los devanados del rotor quedan conectados a un grupo de resistencias denominadas resistencias de arranque, cuya función es la de limitar la corriente de partida, así como también regular la característica par velocidad del u
v
u
w
v
w
Estator
X
Y
Estator
X
Z
Y
Rotor
Z
Rotor
Motor jaula de ardilla Rotor devanado o de anillos rozantes
motor. La ventaja del motor jaula de ardilla con respecto al motor de rotor devanado, llamado también de anillos rozantes, radica en que es una máquina sencilla y de costo inferior, además, es mecánicamente robusta y tiene buen rendimiento; sin embargo, presenta la desventaja de que absorbe una gran corriente en el momento de partida y presenta un pequeño par de arranque comparado con el de anillos rozantes, por lo que generalmente se construye para potencias menores. Principio de funcionamiento
Al aplicar una C.A. trifásica al estator se crea un C.M.G. (Campo Magnético Giratorio), Debido a que existe un movimiento relativo entre el C.M.G. y los devanados del rotor, se induce una FEM (Fuerza Electromotriz), en estos últimos.
Como los devanados del rotor se encuentran cortocircuitados, es decir, formando caminos cerrados, circulará una corriente a través de ellos, por lo tanto, su sentido será tal que se opondrá a la causa que la produce. Como sabemos, todo conductor recorrido por una corriente eléctrica y situado dentro de un campo magnético tenderá a moverse, de acuerdo a esto, el rotor del motor de inducción 3φ comienza a girar. El efecto que origina la circulación de corriente en los devanados del rotor es el movimiento relativo entre el C.M.G. y el rotor, por lo que, para oponerse al mismo, éste último debe girar en la misma dirección e intentar siempre alcanzarlo. Si el rotor consiguiese alcanzar al C.M.G. no existiría movimiento relativo y dejaría de inducirse la F.E.M., por lo que no habría circulación de corriente y por lo tanto no existiría par desarrollado para mantener la rotación. De lo anterior se concluye que el rotor de un motor de inducción nunca puede alcanzar la misma velocidad que el C.M.G., si no que lo hará a una velocidad menor que la velocidad sincrónica establecida por el C.M.G. La cantidad que expresa la reducción de velocidad del rotor con respecto a la velocidad de sincronismo se llama deslizamiento “S” S
ns - nr =
ns
=
nr
=
*100 ns 60 * f r.p.m. Pp
ns(1 - S) r.p.m.
Es evidente que el rotor, durante su rotación, no puede alcanzar el campo magnético giratorio del estator. Si suponemos que el rotor tiene la misma velocidad de rotación que el campo magnético del estator, las corrientes en el devanado del rotor desaparecerán. La desaparición de las corrientes en el devanado del rotor provocará el cese de su interacción con el campo del estator, y el rotor comenzará a girar más lentamente que el campo giratorio del estator. Pero el campo giratorio del estator cruza una vez más el devanado del rotor y sobre este último actuará de nuevo un par. Por consiguiente, durante su
rotación, el rotor siempre debe atrasarse de la velocidad de rotación del campo magnético del estator, es decir, girar asincrónicamente (no al unísono con el campo magnético), por lo cual estos motores han recibido la denominación de asincrónicos. Si designamos con n 1 la velocidad de rotación del campo magnético giratorio del estator (velocidad de sincronismo) y con n 2, la velocidad de rotación del rotor del motor (velocidad de funcionamiento), su velocidad con relación al campo giratorio del estator será igual a la diferencia llamada deslizamiento: n1-n2 El deslizamiento es conveniente expresarlo en tanto por ciento de la velocidad de sincronismo y se designa con la letra s. De este modo, el deslizamiento s será igual a: S = n1-n2 . 100 n1 De donde: n2 = n1 (1-s) 100 Si, por ejemplo, la velocidad de sincronismo es de 1.500 r.p.m. y la de funcionamiento, 1.450 r.p.m., el deslizamiento será igual a: s= n1 - n2 * 100 = 1.500 - 1450 *l00 = 3,3%. n1 1500 En el momento de poner en marcha el motor, cuando la velocidad de funcionamiento n 2 = 0, el deslizamiento será: s = n1 * 100 = 100%. n1 Durante la marcha en vacío n 1 ≈ n2 , por lo cual el deslizamiento será: s = n1 - n2 n1
≈ 0.
El deslizamiento del motor asincrónico al aumentar la carga varia muy poco.
Cuanto mayor es la potencia del motor, tanto menor es su deslizamiento.
Ejemplo. Determinar en tanto por ciento el deslizamiento para un motor asincrónico de 6 polos, si su velocidad de funcionamiento es 960 r.p.m. n1 = f 1 * 60 pp si f 1 = 50 c/s, n1 = 50 * 60 = 1000 RPM 3 el deslizamiento será: s = n1 - n2 * 100 = 1000 - 960 * 100 = 4% n1 1000 De modo que, una máquina asincrónica, funcionando en el régimen de motor, cambia la velocidad de sincronismo de n = 0 (momento de poner en marcha) a n ≈ n 1 (marcha en vacío) y, respectivamente, el deslizamiento de s = + 1 a s = 0. El deslizamiento de un motor de potencia reducida con carga nominal suele ser de 3 a 6%, y el de los motores de gran potencia, de 1 a 3%. Al cambiar la velocidad de funcionamiento del motor varía la frecuencia de las f.e.m. y de las corrientes en el devanado del rotor, lo que se desprende de la ecuación f 2= p (n1 ~ n2 ) = p *n1 * n1 - n2 = f 1 *s 60 60 n1 Al poner en marcha el motor: s=1; durante la marcha en vacío: s≈0;
f2 = f 1
f2 ≈ 0
Por ejemplo, si f 1 = 50 Hz al poner en marcha tendremos: f 2 = 50 Hz. Si el deslizamiento s = 2%, la frecuencia de la corriente en el rotor será: f 2 = f 1 * s = 50 * 0,02 = 1 Hz
