CAPITULO METODOS DE ARRANQUE DE MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
Motores
Motor de alterna
Asíncronos.
El motor de inducción consta de un estator y de un rotor. Rotor Estator
L1 L2
MIJA
L3
3Ø
Estator; es la parte fija, recibe la principal corriente de la fuente entrante al bobinado del estator. Rotor; es la parte móvil, se suele construir dos tipos de rotores llamados de jaula de ardilla y de rotor devanado.
Motores
Motor de alterna
Asíncronos.
Características del Devanado del Estator. Estator. Es un bobinado de 3Ø y está desfasado 120º mecánicos.
Existe
un juego de 3 corrientes balanceadas. Se produce produce tres flujos magnéticos Øa, Øb, Øc, estos reciden en la bobina bobina además desfasados desfasados 120º mecánicos no coinciden espacialmente ni en el tiempo. ti empo. Tienden Tienden a ser flujos alternos. Øa
Øb
Øc
Motores
Motor de alterna
Asíncronos.
Cuando se combinan las 3Ø alternas que están desfasadas 120º en el tiempo y 120º en el espacio por lo tanto se produce una onda viajera.
Con que velocidad gira el flujo giratorio
ns=120f/p [rpm] Deslizamiento: Es movimiento relativo s=(ns-nr )/n )/ns Cuando el motor gana velocidad el deslizamiento es menor por lo tanto el movimiento relativo es menor El deslizamiento S=0, cuando ns=nr
Motores
Motor de alterna
Toda corriente produce campo magnético. Existe Flujo Giratorio tanto en el Estator como en el Rotor. La velocidad del rotor el menor q la velocidad del estator. (ns
Asíncronos.
Telec
Tarrq-max Tarrq-dir
Telec=TL TL
ns=0
S=1
Corriente por el Rotor
ns S=0
ns S
Motores
Motor de alterna
Asíncronos.
Circuito Equivalente del MIJA I s L
jx s
I r
I r’
r r
jx r
I Ø
+
V n
N
r s
r n
jx m I n
[(1-s)/s]r r I m
-
Estator
Rotor
Motores
Motor de alterna
Asíncronos.
Circuito Equivalente del MIJA r s L
jx s
r r’ /s
I r ’ I Ø
+
jx m V n
N
-
I n
r n
I m
jx r’
Motores
Motor de alterna
Asíncronos.
Circuito Equivalente Aproximado r s L
jx s
+
r r’
Z s
jx r’
Z r’
V n N
r s L
+ V n
N
-
r r’
jx s
jx r’
Motores
Motor de alterna
Asíncronos.
Circuito Equivalente Aproximado I M L
+ V n
N
R M
jX M
r s + r r’ /s jx s + jx r ’
I M
L
Z M= R M+ jX M
+
V LN=V n=V m N
-
Motores
Motor de alterna
Asíncronos.
Característica de Torque Vn +
Vm
+
Vm
Voltaje nominal de la fuente Voltaje aplicado al motor
Vn
-
Zm=Rm+jXm=Zcc=ZRB
-
S=1
La corriente que llega al motor es proporcional a Vm La corriente que llega al motor es inversamente proporciona a la Im.
Im
Vm Zm
Vm
Rm
2
X m 2
La impedancia es variable (no es lineal)
Motores
Motor de alterna
Asíncronos.
Característica de Torque Al
arrancar el motor se analiza que pasa con la corriente del motor. Cuando t=0, nr=0, el motor esta detenido entonces el deslizamiento s=1.
S=1
Zm
ө0p R m
S=0.8 S=0.6 S=0.4
S=0.05
Motores
Motor de alterna
Asíncronos.
Característica de Torque
I m
V m
(r s
r r ' s
)2
( x s xr ' ) 2 T e
P cg n s
2
3
I m r r ' s.n s 2
T e
V m r r '
3 s.n s [( r s
r r ' s
)
2
( x s x r ' ) 2 ]
Motores
Motor de alterna
Asíncronos.
Motores
Motor de alterna
dB
i1
Los devanados del estator crean un campo que gira con velocidad angular ωs (de sincronía). Este campo provoca un flujo magnético
Ley de Faraday:
f c.e.m.
i · 2 ·dl ur 4· r s
2·red
B·dA Area
d dt
Las barras del motor tienen muy poca resistencia (son de metal): CORRIENTES MUY ELEVADAS EN EL ROTOR Estas corrientes crean un campo magnético EN EL ROTOR.
Asíncronos.
p
Motores
Motor de alterna
Asíncronos.
Síncrono: Por atracción magnética Asíncrono: Por repulsión magnética (f c.e.m.) Síncrono: Velocidad del rotor n s Asíncrono: Velocidad MENOR que la de sincronía (Tiene que haber variación de flujo) DESLIZAMIENTO Par
Deslizamiento Corriente por el Rotor
Motores
Motor de alterna
Asíncronos.
Características:
Monofásicos o Trifásicos. Velocidad del eje: Asíncrona (existe deslizamiento): Arranque: Trifásico: Arranque directo (Corriente muy elevada) Monofásico: No arranca directamente.
Rotor: robusto, barato. Rotor de Jaula (simple, doble, resistente) o de anillos rozantes
Arranque Directo Arranque a Tensión Reducida
Resistencias en Serie con el Estator Reactancias en Serie con el Estator Auto transformadores (Transición Abierta y Cerrada) Arranque Estático
Arranque con Modificación de Impedancia del Motor (Zm)
Arranque Estrella Triangulo (Transición Abierta y Cerrada) Arranque Devanados Parciales Arranque con Resistencias Rotoricas
La manera más sencilla de arrancar un motor de jaula es conectar el estator directamente a la línea, en cuyo caso el motor desarrolla durante el arranque el par que señala su característica par velocidad. En el instante de cerrar el contactor del estator, el motor desarrolla par de arranque y la corriente queda limitada solamente por la impedancia del motor. A medida que el motor acelera, el deslizamiento disminuye y la corriente disminuye hasta que se alcanza la velocidad nominal o de operacion. Iarranque=4 -7 Inominal Puede producir una aceleración excesiva y provocar roturas. La caída de tensión en la línea puede perturbar el funcionamiento de otros aparatos conectados.
Cuando un motor de inducción arranque directamente desde una fuente de alimentación, la corriente de arranque es de 4 a 7 veces la corriente nominal. Esto puede causar problemas si el sistema de alimentación si no está diseñado para soportar sobrecargas momentáneas, por lo tanto el motor debe disponer de un sistema de arranque para limitar la corriente durante el arranque según las características físicas del sistema de alimentación. El arranque de los motores de inducción se puede realizar utilizando dos familias: Arranque a tensión reducida Modificación de impedancia
L
+ Vn
I arrq-d
+ Vm
-
N
Zm
En
el arranque a tensión L + reducida se aplica un Vn voltaje menor al voltaje nominal en los terminales N del estator, ya que la corriente en el estator se Vm = α Vn relaciona por: I arrq = Vm/Zm
I
= V/Zeq
+ Vm
0<α <1
I arrq = α Vn/Zm
I arrq -TR = α I arrq-dir T arrq -TR ∞ Vm2
Zm
I arrq-dir = 4-7 I nominal
T arrq -TR ∞ α 2 Vn2
T arrq -TR = α 2 T arrq -TN
Cuando se arranca a tensión reducida la curva baja presentando un mayor tiempo aceleración.
A Telec
Tarrq Tarrq-dir
Telec=TL
Tarrq-TR
ns=0
S=1
TL
nTR ns S=0
tensión reducida se presenta una menor corriente entonces una menor potencia.
t ) T acel = T elec – T L = j(d w /d
ns S
En el arranque por resistencias estatóricas se disminuye el voltaje aplicado en los terminales del estator, esto se logra intercalando resistencias en serie con el devanado del estator durante el período de arranque. Una vez que se da el período de arranque las resistencias se retiran del estator y el motor opera normalmente a corriente operación. En la etapa de arranque la corriente es elevada debido a que el deslizamiento (s) de la maquina es máximo y la impedancia en el circuito equivalente del motor es mínima. S = ( Ns – Nr) / Ns V R Donde: L Ns: velocidad sincrona de la maquina. + I arrq + Nr:: velocidad del rotor. R Vn Vm Zm
Circuito de Fuerza Circuito de Control 1 paso de Resistencia
Circuito de Fuerza
1 paso de Resistencia
-
-
Circuito de Control
N
Vrm = Vm*CosØrb Vxm = Vm*SenØrb Vn = ( (VR + Vrm)2 + Vxm2 )1/2 Vm =( Iarr reducido / Iarr directo ) Vn
Vn Vm α
V R
Ørb
Vrm
Vxm
Las reactancias en la red, como las resistencias en la red, reducirán la tensión en el motor y la corriente durante el periodo de aceleración.
Las reactancias en la red suelen construirse para operar con motores trifásicos más bien grandes y los bobinados van provistos de derivaciones para facilitar los ajustes de tensión en lugar de trabajo: Por lo general suelen disponerse de un núcleo de laminado de tres columnas, semejantes al empleado en los transformadores trifásicos, y alrededor de cada una de cuyas columnas se
colocan un bobinado con tomas, del número adecuado de espiras. V x L Vrm = Vm*CosØrb + I arrq Vxm = Vm*SenØrb x Vn Vm Vn = ( (Vx + Vrm)2 + Vxm2 )1/2
Vm =( Iarr reducido / Iarr directo ) Vn Circuito de Fuerza
Zm
-
N
Circuito de Control
El motor se puede alimentar durante el arranque a tensión reducida mediante un autotransformador . Generalmente el autotrasformador está dotado con tomas que permiten seleccionar la tensión adecuada. El torque de arranque se reduce considerablemente, por lo que el arranque sólo es posible con pares resistentes pequeños en la zona de baja velocidad. Se puede arrancar autransformadores por medio de transición abierta o transición cerrada.
T arrq- L = T arrq- d ( V m / V n)2
L
+ Vn I arrq- L
+ I arrq- M Vm
-
N
I arrq- L / I arrq- M = V m / V n I arrq- L = I arrq- M ( V m / V n) I arrq- M = I arrq- d ( V m / V n)
( 1 ) ( 2 )
I arrq- L = I arrq- d ( Vm / V n)2
Zm
Arranque por Autotrasformadores transición abierta. En este sistema de conmutación el motor queda momentáneamente desconectado de la línea de alimentación.
Circuito de Fuerza
Secuencia de Operación: 1.
2. 3.
Circuito de Control
S on ∆t S off R on
Arranque por Autotrasformadores transición cerrada. La transición cerrada no se puede realizar con un autotransformador de 2 devanados si no con uno de 3 devanados
Circuito de Fuerza
Secuencia de Operación: 1. 2.
2. 3. 4.
Circuito de Control
1S on 2S on ∆t 1S off R on 2S off
El arrancador estático consiste básicamente en un convertidor estático: alterna-alterna. Generalmente transistores, que permiten el arranque de motores de corriente alterna con aplicación progresiva de tensión con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque. El arrancador estático puede dividirse en dos partes bien concretas y definidas, como son el circuito de potencia, tiristores y el circuito de maniobra y regulación de los tiristores. Al poner en servicio al equipo, los tiristores dejan pasar la corriente que alimenta al motor de acuerdo con la programación realizada sobre el circuito de maniobra que regula los tiristores, que irá progresivamente aumentando hasta alcanzar los valores nominales de la tensión de servicio.
L
+
+
Vn
Vm
-
N
Zm
0<α <1
+ 0.5 -
C
Vn + -
+ Vm -
+ 0.5 -
+ Vn
Vn
-
+
Zm
-
Conduce
+ Vn -
No Conduce + V f -
Vn +
La posibilidad de arranque progresivo también puede darse en sentido contrario durante la fase de parada, de tal manera que se vaya reduciendo la tensión a un 60% aproximadamente del valor nominal, y en ese momento hacer el paro. El paro regulado permite en máquinas concretas como son las bombas en general, reducir el golpe de ariete que se produce en el caso de hacer un paro brusco. Generalmente el arranque de un motor con arrancador estático no se inicia desde cero, sino que se parte de un valor mínimo de aproximadamente el 33% del valor nominal o de otro mayor, según el tipo de motor y de arranque que se trate.
+ Vn -
+ Vm -
Zm
La alimentación aplicada al motor se aumenta progresivamente desde un valor mínimo inicial hasta el valor nominal. Cada línea de fase tiene dos tiristores en antiparalelo. La tensión aplicada al motor se controla variando el ángulo de conducción de los tiristores. El sistema de control se realiza a base de microprocesadores. El arrancador estático no sirve para los arranques muy duros que exigen un fuerte par motor .
Arranque Estático
V m
+ Vn
+ Vm -
-
wt
Zm
En el arrancador estático se debe fijar un tiempo de rampa, el cual no es el mismo que el del tiempo de arranque, y que además se puede considerar o se debe obtener una disminución de la corriente de arranque, relacionado con otro tipo de arranques. Este tipo de arranque es considerado debido a que evita los cambios bruscos de corriente especialmente en los grandes motores. Este arrancador es de gran utilidad ya que puede variar el porcentaje de reducción en la corriente de arranque pues como en el caso de los tipos de arranques antes estudiados, este también es un arranque a voltaje reducido. Al variar la carga en el eje varía también el porcentaje de reducción de la corriente.
Normalmente el motor funciona con el estator conectado en delta. No obstante, al arranque, se conecta el arrollamiento en estrella. Si el motor arranca con el estator conectado en estrella, la corriente de línea es 1/3 de la corriente de línea con el estator conectado en delta. Esto se debe al hecho de que la tensión de fase en la conexión estrella es veces la tensión de fase en la conexión en delta y la corriente de línea en la conexión estrella es también veces la corriente de línea en la conexión delta. También, se disminuye el par motor de arranque en 1/ 3 de su valor conectado el estator en delta, ya que el cambio de delta a estrella disminuye la tensión de fase de su valor original y el par motor es proporcional al cuadrado de la tensión de la fase. Para cambiar de giro a la máquina lo que se debe hacer es cambiar dos fases entre sí y mantener las restantes siempre energizada lo cual provocará un cambio en la polaridad interna entonces se produce el cambio de giro pero el hecho de cambiar de giro representa también un frenado instantáneo lo que provocará un incremento en la corriente.
Cuando un motor trifásico con rotor jaula de ardilla está proyectado para operar normalmente con el devanado del estator en delta, la tensión por cada fase es la misma que la alimentación. Si el motor arranca con el estator conectado en estrella, la tensión por fase se reducirá en 1/3 o sea un 58%. La corriente de puesta en marcha y el par de arranque se reducen considerablemente con este método de arranque estrella-triangulo. El rotor de un motor de inducción tiende a girar en el sentido del campo magnético giratorio del estator, el cual depende de la sucesión de fase de las tensiones aplicadas. Para cambiar de giro a la máquina lo que se debe hacer es intercambiar las conexiones de un par de cualquiera de los conductores de estator; es decir cambiar dos fases entre sí.
T arrq- Y =
Iarrq-d
Iarrq
ZB
ZB
ZB
Vm=Vn/3^(1/2) Vn Vn
ZB ZB
Iarrq-d/3^(1/2)
ZB
Z m1ØY / Z m1Ø ∆ = Z B / (1/3)Z B
=3
Z m1ØY = 3 Z m1Ø ∆ I arrq- ∆ = V m / Z m1Ø ∆
I arrq- Y =(V m / 3 Z m1ØY ) =( Vm / 3 Z m1Ø∆) (1/3) * T arrq- ∆
I arrq- Y =
(1/3) * I arrq- ∆
Transición Abierta
Arranque Y- ∆ transición abierta.
En este sistema de conmutación requiere que transcurra un intervalo de apertura de Y y el cierre de D, cuando el motor está completamente desconectado de los conductores de alimentación. Secuencia de Operación: 1.
Circuito de Fuerza 2.
Circuito de Control
3. 4.
Y on; M on ∆t Y off D on TR off
t= 3 seg
t= 6 seg
Arranque Y- ∆ transición cerrada. Para evitar la posibilidad de que interrumpa una elevada corriente cuando el bobinado queda momentáneamente en corto circuito al pasar de la conexión en estrella a la conexión triangulo, al objeto de mantener la debida continuidad se utiliza un sistema de regulación modificado, en el que se incluye un juego especial de resistencias y otro contactor. Nunca se queda sin tensión y siempre va existir corriente en el circuito.
Circuito de Fuerza
Secuencia de Operación: 1.
1M on; S on; ∆t1
2. 3.
T on S off ∆t2
4. 5.
2M on; T off
Circuito de Control
En este tipo de arranque el estator debe consistir, para funcionamiento normal, de dos o más circuitos paralelos en cada fase. Para el arranque, se usa primero uno de los circuitos paralelos y después se conectan separadamente los otros circuitos sobre la línea. Usando uno de los circuitos paralelos se incrementa con el doble la impedancia del arrollamiento del estator y se reduce la corriente y par motor de arranque. El arreglo más simple para el arranque con una sección del arrollamiento es con dos circuitos paralelos únicamente en el circuito del estator. Si se opera en paralelo puede arrancar con una sección del bobinado . Cuando arrancamos con dos bobinados la impedancia es menor a diferencia que cuando arrancamos con tan solo un bobinado la impedancia es mayor
Estrella
Paralelo
Impedancia monofásica Donde:
ZS: Impedancia del estator Z’r: Impedancia del rotor referida al estator Para
reducir las pérdidas eléctricas que se presentan en el motor, ZS Z’r Entonces: Ec. (1)
Estrella
trabajando con solo un Devanado Parcial Impedancia monofásica
Entonces: Ec. (2)
Comparando la ecuación 1 con la 2, tenemos: En cuanto al Par de arranque, tenemos:
Donde: r’r: Resistencia del rotor referida al estator
Telec
Circuito de Fuerza
Tarrq-max Tarrq-dir
Secuencia de Operación:
TDP Telec=TL
Tarrq-TR
TL
Tarrq-DP
1.
2.
M1 on ∆t M2 on
Circuito de Control
Te Y∆
Tarrq Y∆
ns=0
S=1
nTR ns S=0
ns S
Los aparatos de arranque magnéticos para motores de rotor bobinado son semejantes a los de resistencias escalonadas con tensión reducida para los motores en jaula de ardilla, en los cuales se van eliminando escalonadamente las resistencias del primario, para regular las corrientes de arranque. Sin embargo contrastando con lo que ocurre con el equipo del motor en jaula de ardilla , en el de rotor bobinado la intensidad de corriente en el estator es un reflejo debido a la acción del transformador de la intensidad en el circuito del rotor cuando se introducen modificaciones o ajustes en el valor de la resistencia . Para eliminar las resistencias del secundario en el motor cuando éste se acelera, pueden emplearse de métodos. El más empleado consiste en ir poniendo simultáneamente en corto circuito resistencias iguales en las tres ramas lo cual mantiene en equilibrio las condiciones de servicio y, teóricamente, es la disposición más acertada. Más económico resulta otro sistema, que consiste en emplear contactores monopolares, cada uno de los cuales pone corto circuito una resistencia en cada rama los tres al mismo tiempo. Con esto se aprovechan mejor las posibilidades del equipo de regulación, puesto que se pueden emplear más etapas de aceleración, aun cuando ciertas condiciones de desequilibrio tienden a originar pulsaciones en el valor del par y esfuerzos mecánicos adicionales.
Arranque Directo Arranque con un paso de resistencia:
Secuencia:
1)
M on
∆t 2)
Arranque con dos paso de resistencia:
Secuencia:
1)
M on
∆t1 2)
A1 on
∆t2
A on
3) 4)
A2 on A1 off
Control de velocidad : En los motores de corriente alterna con rotor bobinado, para efectuar el proceso de puesta en marcha se instala un reóstato de arranque conectado a los anillos rozantes del motor de manera de aumentar a voluntad la resistencia rotórica total. En este método, el motor arranca con toda la resistencia en serie con el circuito del rotor. Luego por medios manuales o automáticos, en forma continua o escalonada, se va reduciendo la resistencia a medida que la máquina gana velocidad, hasta que en régimen permanente el reóstato queda en cortocircuito. Al aumentar la velocidad, disminuye la frecuencia secundaria y cesa ese efecto transitorio. En todos los métodos de arranque anteriores al disminuir corriente de arranque, se pierde el torque de arranque. La importancia de este método radica en que es el único método que al disminuir la I de arranque, el torque de arranque aumenta mientras el torque máximo se mantiene su importancia. El torque de arranque se aumenta hasta la llamada resistencia crítica en que comienza a disminuir.
