Joselyn Gallegos
17-Junio-2013
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
Conocer y analizar el comportamiento del motor AC de inducción trifásica tipo jaula de ardilla.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar las mediciones de velocidad de trabajo del motor para configuraciones estrella y delta, a la vez el cambio de giro del motor.
Observar el cambio de corriente y velocidad angular al momento de cambio de giro con el motor en marcha.
MATERIALES Y EQUIPOS
Fuente de poder TF-123
Voltímetro analógico de 120/220AC
Motor Inducción de AC MV 123/DEM-13
Tacómetro generador MV-153/UNIT MD-40 Amperímetro 10-15ª Conmutador Y/D Star-Delta Swirch Conmutador Y/D TO-33 Arrancador manual UNIT PR-43 Switch de reversa TO-32 Switch de reversa UNIT XD-116
MARCO TEO RICO El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estátor, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120º, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday:
Entonces se da el efecto Laplace (ó efecto motor): todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión. El campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estátor, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción. La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor. La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnético se denomina deslizamiento.
Constitución del motor asíncrono Circuito magnético La parte fija del circuito magnético (estátor) es un anillo cilíndrico de c hapa magnética ajustado a la carcasa que lo envuelve. La carcasa tiene una función puramente protectora. En la parte interior del estátor van dispuestos unas ranuras donde se coloca el bobinado correspondiente. En el interior del estátor va colocado el rotor, que es un cilindro de chapa magnética fijado al eje. En su periferia van dispuestas unas ranuras en las que se coloca el bobinado correspondiente. El entrehierro de estos motores es constante en toda su circunferencia y su valor debe ser el mínimo posible
Circuitos eléctricos Los dos circuitos eléctricos van situados uno en las ranuras del estátor (primario) y otro en las del rotor (secundario), que esta cortocircuitado. El rotor en cortocircuito puede estar formado por bobinas que se cortocircuitan en el exterior de la maquina directamente o mediante reóstatos; o bien, puede estar formado por barras de cobre colocadas en las ranuras, que han de ser cuidadosamente soldadas a dos anillos del mismo material, llamados anillos de cortocircuito. Este conjunto de barras y anillos forma el motor jaula de ardilla. También existen motores asíncronos monofásicos, en los cuales el estátor tiene un devanado monofásico y el rotor es de jaula de ardilla. Son motores de pequeña potencia y en ellos, en virtud del Teorema de Leblanc, el campo magnético es igual a la suma de dos campos giratorios iguales que rotan en sentidos opuestos. Estos motores monofásicos no arrancan por si solos, por lo cual se debe disponer algún medio auxiliar para el arranque (fase partida :resistencia o condensador, polo blindado).
El motor de jaula de ardilla El motor de corriente alterna trifásico de jaula de ardilla es el motor eléctrico industrial por excelencia. Fuerte, robusto y sencillo, se usa en un gran número de máquinas con un mantenimiento mínimo.
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Ilustración 1 Motor Jaula De Ardilla
TABLA DE DATOS Datos Obtenidos en la práctica:
Fuente Variable Voltaje [V] Corriente [A] Switch Reversing Stater 40 1.5 1 1 Y 40 4.5 1 1
Fuente Fija Voltaje [V] Corriente [A] Switch Reversing Stater 8 1 1 1 Y 4.5 2.6 1 1 11 1 1 2 Y Cambio de dirección de giro
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CUESTIONARIO 1. Indique la clasificación de los motores asincrónicos por la norma NEMA. El instituto encargado de preparar, revisar y analizar las normas técnicas en la fabricación de motores eléctricos a nivel internacional es la Comisión Electrotécnica Internacional (I.E.C.), con sede en Suiza, y en los Estados Unidos de Norte América lo hace la Asociación de Fabricantes Eléctricos Nacionales (NEMA).
A nivel mundial los fabricantes de motores adoptan las normas de marcación de terminales de acuerdo con la normalización vigente en su respectivo país, derivadas principalmente de las normativas I.E.C. y NEMA.
Destacándose que en los motores fabricados bajo norma NEMA sus cables de conexión son marcados con números desde el 1 al 12 y los fabricados bajo norma IEC tienen una marcación que combina las letras U, V, W y los números desde el 1 hasta el 6. Los diseños incluyen las tensiones a las cuales podrán
ser
energizados y cada norma en particular realiza su marcación de
terminales de conexión. La gran
mayoría
de fabricantes diseñan los motores con bobinados
para
operar a dos tensiones de servicio, destacándose que
los
Motores NEMA tienen una relación de conexionado de 1:2, es decir que una tensión es el doble de la otra. Ej. 230/460 V y en los Motores IEC se presenta un diseño con una relación de 1:1,732, Ej. 220/380 V. Existen diseños en los cuales esto no se cumple y se fabrican motores para operar a un solo voltaje y con una sola conexión. La NEMA ha desarrollado un sistema de identificación con letras en la cual cada tipo de motor comercial de inducción de jaula de ardilla se fabrica de acuerdo con determinada norma de diseño y se coloca en determinada clase, identificada con una letra. Las propiedades de la construcción eléctrica y mecánica el rotor, en las cinco clases NEMA de motores de inducción de jaula de ardilla, se resume en la siguiente tabla:
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Par de Clase
arranque (#
Corriente de
NEMA
de veces el
Arranque
nominal)
Regulación de Velocidad
Nombre de clase del motor
(%)
A
1.5-1.75
5-7
2-4
Normal
B
1.4-1.6
4.5-5
3,5
De propósito general
C
2-2.5
3.5-5
4-5
De doble jaula alto par
D
2.5-3.0
3-8
5-8 , 8-13
De alto par alta resistencia
F
1.25
2-4
mayor de 5
De doble jaula, bajo par y baja corriente de arranque.
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, y barras con ranuras ondas en el motor. Durante el periodo de arranque, la densidad de corriente es alta cerca de la superficie del rotor; durante el periodo de la marcha, la densidad se distribuye con uniformidad. Esta diferencia origina algo de alta resistencia y baja reactancia de arranque, con lo cual se tiene un par de arranque entre 1.5 y 1.75 veces el nominal (a plena carga). El par de arranque es relativamente alto y la baja resistencia del rotor produce una aceleración bastante rápida hacia la velocidad nominal. Tiene la mejor regulación de velocidad pero su corriente de arranque varía entre 5 y 7 veces la corriente nominal normal, haciéndolo menos deseable para arranque con línea, en especial en los tamaños grandes de corriente que sean indeseables.
MOTORES DE INDUCCIÓN DE JAULA DE ARDILLA CLASE B A los motores de clase B a veces se les llama motores de propósito general; es muy parecido al de la clase A debido al comportamiento de su deslizamiento-par. Las ranuras de su motor están embebidas algo más profundamente que el los motores de clase A y esta mayor profundidad tiende a aumentar la reactancia de arranque y la marcha del rotor. Este aumento reduce un poco el par y la corriente de arranque. Las corrientes de arranque varían entre 4 y 5 veces la corriente nominal en los tamaños mayores de 5 HP se sigue usando arranque a voltaje reducido. Los motores de clase B se prefieren sobre los de la clase A para tamaños mayores. Las aplicaciones típicas comprenden las bombas centrífugas de impulsión, las máquinas herramientas y los sopladores.
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
MOTORES DE INDUCCION 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 4
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, 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 diseñó 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 g randes.
2. Calcular la corriente inicial entre la conexión Y- ∆ y realice una explicación con los datos obtenidos. A continuación presentamos una gráfica que representa la solución a las ecuaciones diferenciales obtenidas de la modelación del circuito equivalente del motor de inducción:
Como podemos notar en la parte del transitorio o arranque se tiene un pico de corriente que se estabiliza, al momento del arranque el deslizamiento es aproximadamente 1 y como tiene relación directa con la resistencia en el cobre del rotor, resultaría que la corriente es demasiado grande, por lo que la corriente pico resulta siempre en un valor cercano a 2.5 la corriente nominal del motor, por tanto nuestro caso, la corriente pico seria calculando con estos valores 8 A. El valor obtenido en el laboratorio es de 9,8 A el cual a pesar de no ser exacto al calculado es el real y con este valor se deben realizar las protecciones adecuadas para que el sistema soporte dicho valor.
3. Dibuje el diagrama circuital del conmutador YΔ u del interruptor de reversa e indicar su funcionamiento. 5
La característica principal para ejecutar el arranque de un motor en estrella-delta es que cada una de las bobinas sea independiente y sus extremos de accesibles desde la placa del motor. El arranque comienza en estrella generando una tensión en cada bobina del estator √3 veces menor que la nominal, con una reducción de la corriente. Una vez que el motor alcanza entre el 70% y 80% de la velocidad nominal, se desconecta la parte estrella para conmutar a la configuración delta, en este momento el motor opera en condiciones nominales, sometido a una intensidad de muy poca duración, la que no lleha al valor pico de 2.5 o mas, la cual es la que se alcanzaría si se ejecutara el arranque directo.
Características del Arranque estrella-delta El arranque estrella-delta no requiere autotransformador, reactor o resistencia. El motor arranca conectado en estrella y funciona conectado en delta.
Desventajas
Transición abierta
Bajo torque
Permite controlar la corriente de arranque, reduciendo la tensión de alimentación aplicada al estator, ya que la tensión de un devanado en estrella es el 58% de la nominal en triangulo, lo cual produce también una reducción del par de arranque, obligando a que los motores arranquen en vacio o con poca carga.
Ilustración 2 Diagrama Circuital Del Conmutador Y Delta
Donde F1 y F2 son fusibles, C1 es el contactor de red, C2 es el contactor estrella, C3 es el contactor triangulo, F3 es el relé de sobrecarga.
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El arrancador esta alimentado por medio de un interruptor termo magnético, el cual proporciona protección contra circuitos y sobre cargas.
4. Qué son las placas bimetálicas y sus usos. Definición. Una lámina bimetálica está constituida por dos láminas de metal, cada una de ellas con diferente coeficiente de dilatación, superpuestas y soldadas entre sí. De este modo se consigue que cuando se calientan, al dilatarse cada una de ellas de forma distinta, el conjunto se deforma, pudiendo aprovecharse esta deformación para la apertura o cierre de un contacto eléctrico, cuya actuación dependería de la temperatura.
Aplicaciones. Aplicaciones muy comunes de los contactos formados por láminas bimetálicas se encuentran en planchas, tostadores, estufas eléctricas y otros electrodomésticos que l levan un termostato, así como en elementos de protección eléctrica como los interruptores magneto térmicos.
CONCLUSIONES
La corriente de arranque del motor debe ser controlada para que no sea tan alta y no resulte más costoso el sistema para que soporte corrientes tan altas, por eso se usa la conexión en estrella que presenta corrientes más bajas en el arranque, pero se debe operar en delta el motor por lo que se ocupa el conmutador.
Por la misma razón que se ocupa conexión estrella en el arranque (las altas corrientes), se ocupa esta misma conexión cuando se necesita realizar un cambio de giro en el motor de inducción, si lo realizamos en delta podríamos quemar el motor.
RECOMENDACIONES
Se debe tener el mayor cuidado y precaución en el empleo de los motores en el laboratorio para evitar el daño de los equipos o peor aún accidentes en los practicantes.
Siempre se debe revisar que se tenga el equipo necesario y adecuado antes de empezar la práctica.
Revisar siempre que el motor este previamente bien colocado para evitar rupturas en el eje del mismo.
Antes de energizar los circuitos y los equipos revisar que las conexiones estén realzadas de manera adecuada y sin conexiones defectuosas.
BIBLIOGRAFIA
Maquinas Eléctricas y Transformadores - Kosow 7
http://www.todorobot.com.ar/documentos/dc-motor.pdf
http://clubensayos.com/Ciencia/Motor-Shunt
TRABAJO PREPARATORIO TEMA: Generador DC PREGUNTAS: Consultar configuraciones de generadores dc.
GENERADOR DE EXCITACIÓN EN SERIE El devanado inductor se conecta en serie con el inducido, de tal forma que toda la co rriente que el generador suministra a la carga fluye por igual por ambos devanados. Dado que la corriente que atraviesa al devanado inductor es elevada, se construye con pocas espiras de gran sección. Tiene el inconveniente de no excitarse al trabajar en vacío. Así mismo se muestra muy inestable por aumentar la tensión en bornes al hacerlo la carga, por lo que resulta poco útil para la generación de energía eléctrica. Para la puesta en marcha es necesario que el circuito exterior esté cerrado.
GENERADOR DE EXCITACIÓN COMPUESTA (COMPOUND) En el generador con excitación mixta o compuesta el circuito inductor se divide en dos partes independientes, conectando una en serie con el inducido y otra en derivación. Existen dos modalidades, la compuesta corta que pone el devanado derivación directamente en paralelo con el inducido (EAC) y la compuesta larga que lo pone en paralelo con el grupo formado por el inducido en serie con el otro devanado (FC). El devanado serie aporta solamente una pequeña parte del flujo y se puede conectar de forma que su flujo de sume al flujo creado por el devanado paralelo (aditiva) o de forma que su f lujo disminuya el flujo del otro devanado (diferencial).
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GENERADOR EN DERIVACIÓN O DE EXCITACIÓN EN PARALELO ( SHUNT ) Siendo la dinamo o generador shunt una máquina autoexcitada empezará a desarrollar su voltaje partiendo del magnetismo residua tan pronto como el inducido empiece a girar. Después a medida que el inducido va desarrollando voltaje este envía corriente a través de inductor aumentando él número de líneas de fuerza y desarrollando voltaje hasta su valor normal. Puesto que circuito inductor y el circuito de la carga están ambos conectados a través de los terminales de la dinamo, cualquier corriente engendrada en el inducido tiene que dividiese entre esas dos trayectorias en proporción inversa a sus resistencias y, puesto que la parte de la corriente pasa por el circuito inductor es relativamente elevada, la mayor parte de la corriente pasa por el circuito de la carga, impidiendo así el aumento de la intensidad del campo magnético esencial para producir el voltaje normal entre los terminales.
GENERADOR CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE En este tipo de generador, la tensión en los bornes es casi independiente de la carga de la máquina y de su velocidad, ya que la tensión se puede regular por medio del reóstato de campo, aunque naturalmente, dentro de ciertos límites, porque la excitación del campo inductor no puede aumentar más allá de lo que permite la saturación. En la siguiente figura se representa el esquema de conexiones completo de un generador de corriente continua con excitación independiente; se supone que el sentido de giro de la máquina es a derechas lo que, por otro lado, es el que corresponde a casi todas las máquinas motrices. Si hubiere que cambiar el sentido de giro, bastará con cambiar, las conexiones del circuito principal.
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Consultar cuales son y la correlación entre las variables externas de la maquina DC como generador.
Las propiedades de los generadores se analizan con la ayuda de las características que establecen la dependencia entre las magnitudes principales que determinan el funcionamiento de la máquina. Cada uno de los principales tipos de excitación impone a la máquina características de funcionamiento distintas, que determinaran la clase de servicio al que se adapta cada una de ellas. Estas características quedan perfectamente reflejadas por medio de gráficos, destacando las siguientes:
1.- Característica en vacío
, que representa la relación entre la f.e.m. generada por la dinamo y la
corriente de excitación, cuando la máquina funciona en vacío, es decir, el inducido no alimenta ninguna carga.
2.- Característica en carga
, que representa la relación entre la tensión Terminal y la corriente de
excitación para una intensidad de carga I constante. En particular, cuando I es igual a cero, se obtiene la curva de vacío.
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3.- Característica externa
, que representa la tensión en bornes en función de la corriente de
carga, para una intensidad de excitación constante.
4.- Característica de regulación
que representa la relación entre la corriente de excitación y la
corriente de carga, para una tensión en bornes constante.
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