AUTOMATISMOS Y CUADROS ELECTRICOS .pdf

JOSE LUIS VALENTIN LABARTA

EDITORIAL DONOSTIARRA Pokopandegi, n° 4 - Pabellon 19aralde - Barrio 19ara Apartado 671 - Telefonos (943) 21.57.37 - 21.30.11 - Fax (943) 21.95.21 20.009 - SAN SEBASTIAN

Estimado

lector:

Un libro es, sin duda, el objeto mas valioso que una persona puede tener en sus manos Cada uno constituye un pequefio mundo de ciencia 0 de cultura y su vida es practicamente ilimitada. Siempre esta dispuesto, generosamente, a que 10 abramos y podamos releerlo para actualizar nuestros conocimientos. Este libro es el fruto de much as horas de trabajo del autor que ha desarrollado en 81 sus conocimientos y su experiencia profesional. Por su parte, el editor presenta el libro con un acabado de calidad y participa con su organizacion y recursos para que se difunda ampliamente a trav8s de los canales normales de comercializacion. Usted lector, que ya ha adquirido ellibro, puede hacer fotocopias de las paginas para su usa personal. En todo caso, rehuse cualquier ejemplar "pirata" 0 fotocopia ilegal del mismo, ya que con ello evitara ellucro de aquellos que se aprovechan ilegalmente del esfuerzo del autor y del editor La reprografia indiscriminada y la pirateria editorial de libros en vigor ponen en gravisimo peligro su vida y son practicas ilegales que atentan contra la creatividad y contra la difusion de la cultura. GRACIAS POR SU COLABORACION.

©

EDITORIAL

DONOSTIARRA,

SA

Jose Luis Valentin Labarta Edita: Editorial Donostiarra Pokopandegl, 4 - San Sebastian (Esp ana) Impreso en Espana - Printed in Spain Maquetacion: Alberto Arranz Imprime: ARPIrelreve s.a. Pol. Ind. Molrno del Pilar, nave 46 Cno. de los Molrnos sin. 50015 ZARAGOZA ISBN: 84-7063-276-0 Deposlto Legal. Z-2525/99

IN DICE

TEMATICO

Unidad didactica 1. El motor trifasico

9

I. Fundamento del motor trifasico 2. Constitucion del motor trifasico 3. Par motor y par resistente. Velocidad ACTIVIDADES EJERCICIOS

Unidad didactica 2. Carateristicas del motor trifasico

10 10 14 17 18

eh~ctricas 19

I. Tntensidad del motor trifasico

2. Potencia y rendimiento del motor trifasico 3. Correccion del factor de potencia de un motor trifasico 4. Motores trifasicos de dos velocidades 5. Datos de catalogo de los motores trifasicos ACTIVIDADES EJERCICIOS

Unidad didactica 3. Arranque motores trifasicos

20 22 25 30 32 34 34

de 37

I. Proceso del arranque de un motor trifasico 2. El arranque directo 3. El arranque estrella-triangulo 4. El arranque por autotransformador 5. El arranque por resistencias estatoricas 6. El arranque por resistencias rotoricas 7. Arrancadores estaticos 8. Resumen de los sistemas de arranque ACTIVIDADES EJERCICIOS

Unidad didactica 4. Conmutacion motores. El contactor

38 38 39 41 42 44 46 47 49 49

de 53

1. Dispositivos de conmutacion 2. La conmutacion manual 3. El contactor. Su estructura 4. Categorfas de empleo del contactor 5. Activado del contactor EJERCICIOS ACTIVIDADES

54 54 55 56 61 66 67

Unidad didactica 5. La proteccion de motores (I)

69

I. 2. 3. 4.

70 70 71 72

El esquema multifilar y unifilar El esquema conjunto y desarrollado Los dispositivos protectores El rele termico

5. Los fusibles EJERCTCIOS ACTIVIDADES

75 80 82

Unidad didactica 6. La proteccion de motores (11)

83

I. El disyuntor 2. Proteccion de los conductores EJERCICIOS ACTIVIDADES

84 87 94 96

Unidad didactica 7. Esquemas de circuitos de motores (I)

97

1. La tension de mando 2. El contacto auxiliar 3. Contactos auxiliares y reles 4. Aplicaciones en arranque directo EJERCICIOS ACTIVTDADES

98 99 102 104 107 109

Unidad didactica 8. Esquemas de circuitos de motores (11) 111 1. El arranque directo con inversion 2. El arranque estrella-triangulo 3. El arranque por autotransformador 4. El arranque por resistencias EJERCTCIOS ACTIVIDADES

Unidad didactica 9. Componentes circuito de mando (I)

112 114 117 119 122 124

del 125

I. Conmutadores manuales 2. Reles de funcion EJERCICIOS ACTIVIDADES

Unidad didactica 10. Componentes circuito de mando (11)

126 130 134 136

del 137

1. Reles de medida y control 2. lnterruptores de posicion EJERCICTOS ACTIVTDADES

Unidad didactica 11. Componentes circuito de mando (Ill) 1. Detectores de proximidad 2. Detectores fotoelectricos ACTIVIDADES

138 143 147 148

del 149 150 156 158

PRESENTACION Ofrecemos esta obra como una introducci6n

al extenso dominio del automatismo

electrico.

El libro esta destinado a los alumnos y las alumnas del ciclo formativo de grado medio "Equipos e instalaciones electrotecnicas". Su objeto exclusivo es adquirir un razonable conocimiento un automatismo electrico. Ellibro

sobre los componentes

que intervienen en

se ha articulado en once unidades didacticas que podemos agrupar en los siguientes bloques:

Bloque 1. Unidades didacticas I, 2 y 3. En ellas se describen el principio del motor trifasico, sus principales caracterfsticas electromecanicas y las peculiaridades de sus diversos sistemas de arranque. Conscientes de la practica exclusividad del motor trifasico en los automatismos hemos omitido deliberadamente otros tipos de motores.

el-ectricos,

Por otro lado, consideramos que dichos tipos de motores (de corriente continua, monofasicos, etc.) tienen su propio tratamiento en el m6dulo Electrotecnia del mismo ciclo formati vo. Bloque 2. Unidades didacticas 4, 5 y 6. En ellas se describen los diversos dispositivos la conmutaci6n y protecci6n de circuitos de motores. La adecuada elecci6n de estos componentes y de los correspondientes alimentaci6n es una constante a 10 largo de toda la obra.

empleados en

conductores

de

B10que 3. Unidades didacticas 7 y 8. En ellas se describen los circuitos elementales de un automatismo electrico y los que derivan de los diversos tipos de arranque. Bloque 4. Comprende las unidades didacticas 9, 10 Y 11. En ellas se detalla el funcionamiento elementos mas usuales que intervienen en el control de los motores. Confiamos en que la obra sea de utilidad al alumnado, al profesorado de la materia.

y a los interesados

0

de los

estudiosos

UNIDAD DIDACT'CA

1

El motor trifaisico .. Sumario 1. Fundamento 2. Constituci6n

del motor trifasico. del motor trifasico.

3. Par motor y par resistente. Ejercicios

Al termino

Velocidad.

y Actividades

de esta Unidad Didactica,

el alumno

0

la alumna seran capaces

de:

• Describir la estructura de un motor trifasico. • Estimar las velocidades de sincronismo de los motores trifasicos y de los correspondientes deslizamientos. • Evaluar el par de un motor trifasico a diversas velocidades y potencias Miles. • Interpretar las graficas par/velocidad/potencia util, de los motores trifasicos. AUTOMATISMOS

Y CUADROS

ELECTRICOS

9

UNIDAD

DIDAcTICA

1: El motor

1. Fundamento

trifasico.

del motor trifasico.

En la actualidad, la pnictica totalidad de las maquinas industriales, asf como las del sector de elevacion y transporte, estan accionadas por motores trifasicos. Entre sus caracterfsticas siguientes:

ventajosas destacamos las

• Robustez y practica ausencia de mantenimiento. • Buena relacion potencia / peso. • Posibilidad de regulacion de velocidad con los actuales equipos variadores. • Bajo precio.

Todo motor trifasico tiene una velocidad de sincronismo, ns' que nunca puede alcanzar. De ahf el nombre de asincromo que le acompafia en su denominacion. La velocidad de sincronismo

ns =

60· p

f

tiene la expresion:

r.p.m

siendofdicha frecuencia en hercios (Hz) y p el mimero de "pares de polos" del estator. El valor de la frecuencia en la mayorfa de los pafses es de 50 Hz, en redes de distribucion en B.T. . El ntimero minimo de pares de polos es la unidad bipolares) al que corresponde la maxima velocidad de sincronismo de motores trifasicos a 50 Hz: (p = 1, en motores

Su funcionamiento se basa en la accion matriz que ejerce un campo magnetico giratorio sobre un bloque rotativo. Tres devanados fijos colocados "electricamente" a 120 entre sf, y alimentados por un sistema trifasico de tensiones, producen dicho campo giratorio. 0

Este campo giratorio tiene un valor constante y su velocidad de giro 0 velocidad de sincronismo depende de la disposicion y las caracterfsticas constructi vas de los devanados y de la frecuencia de la tension. Esquematizamos esta disposicion en la Fig. 1. Los devanados se alojan en la parte fija 0 estator, designandose como rotor a la parte giratoria.

Ll

n

s

=

60·50 1

= 3.000 r.p.m

El motor trifasico mas usual es el de 4 polos, al que corresponde una velocidad de sincronismo de 1.500 r.p.m.

2. Constituci6n

del motor trifasico.

Muy esquematicamente, un motor asfncromo trifasico,o simplemente trifasico, consta de una parte fija 0 estator y una parte giratoria 0 rotor.

L2 L3

El estator consiste en un anillo cilfndrico compuesto por chapas metalicas prensadas y ajustadas a presion en la carcasa del motor. En su superficie entera se disponen las ranuras en las que se alojan los conductores de los devanados. El rotor se dispone de modo que pueda girar alrededor del mismo eje que el estator. Consiste en un cilindro formado tambien por chapas magneticas prensadas, con ranuras en su periferia. En estas ranuras se alojan los conductores que constituyen [os devanados rotoricos.

Fig. 1 -

10

Representaci6n esquematica trifasico.

AUTOMATISMOS

Y CUADROS

ELECTRICOS

de un motor

El circuito eh~ctrico de este motor consta, segtin 10 dicho, de tres devanados estatoricos (u, v, w) que se conectan a la red, creando el campo giratorio. Este campo giratorio induce en los devanados rotoricos unas corrientes que provocan su giro.

UNlOAD

Cad a devanado rotorico tiene uno de sus extremos unido al de los otras, formando un punto "estrella" comun interno. Los otras tres extremos (K, L y M) son accesibles desde el exterior (Fig. 2).

oloAcTICA

1: El motor

trifasico.

3 x 230 V

Ll L2

L3 UI

r

Ranuras estatoricas

Estator

VI UI-WZ

230 V

Lz

Rotor

Fig. 3 -

Conexi6n

del estator en conexi6n

de un motor

trifasico

triangulo.

• En conexion estrella, si la tension de red es de 400 V (Fig. 4).

UI

VI

3 x 400 V

LI L2 L3

WI

r

UI

VI

WI

UZ

VZ

wz

UI

230V

L K

,,

U2

V2

c

W2

ESTATOR

,,

L

' '

M WI

2 - Circuito

VI

~------:

ROTOR Fig. 4 -

Fig.

UZ-VZ-WZ

eiectrico

de un motor

Conexi6n

del estator de un motor en conexi6n estrella.

trifasico

trifasico.

Los devanados estatoricos se conectan a una red trifasica de tensiones, de modo que cada uno de ellos reciba entre sus bornas la tension nominal para la que ha sido disenado. En la mayoria de los motores trifasicos de tamano pequeno y mediano, esta tension tiene un valor de 230 V 0 400 V. Un motor de 230 V de tension nominal puede trabajar a esta tension de 2 modos diferentes: • En conexion triangulo, alimentado par una red trifasica de 230 V de tension nominal (Fig. 3).

Par este moti vo, cualquier trifasico tiene en su placa de caracterlsticas dos valores de tension de alimentacion, par ejemplo, 230/400 V, 240/415 V 0400/690 V. La tension mayor es siempre f3 veces mayor que la menor, pero no debemos olvidar que esta ultima es la tension nominal de los devanados. Para realizar facilmente una u otra conexion se situan los bomes de los devanados en la posicion alternada de la (Fig. 5). Con unas simples pletinas metalicas realizamos los puentes indicados. AUTOMATISMOS

Y CUAOROS

ELECTRICOS

11

UNIDAD

DIDAcTICA

1: El motor

trifasico.

3 x 230 V LI

L2

3 x 400 V L3

~- ~-U-I--~~~ - -~-~l-: I

I

I

I

I

r

r

r

W2

U2

1

V2:: J

L2

W2 ()

U2

L3

-l~l--L;--l~l-:

~

I

:

L1

I I

{j

l

V2 0

r : J

K

L

M

Estrella

Triangulo

Fig. 5 - Conexi6n en la caja de bornas de un motor trifasico.

La caja de bornas de la Fig. 6 nos muestra ambas disposiciones.

Fig. 7 - Rotor bobinado y sus conexiones.

3 x

RI

3 x

R2

V2 Velocidad arranque nominales

y

Velocidad y arranque amortiguados

Fig. 8 - Conexiones rot6ricas de un motor trifasico.

Fig. 6 - Disposici6n de las conexiones en la caja de bornas.

Podemos ver en la Fig. 9, el rotor extrafdo de su alojamiento. Pueden observarse los tres anillos colectores y las escobillas con las que hacen contacto.

La reciente unificacion europea de los valores de las tensiones de suministro en BT, ya ha propuesto el de 400V como preferente. Ello qui ere decir que la totalidad de los motores de 230/400V se deberan conectar en estrella, y los de 400/690V, en trhingulo.

Escobillas

y porta-escobillas

Respecto a los devanados rotoricos, los tres extremos independientes se acoplan a los correspondientes anillos colectores. Apoyando en cada uno de ellos una escobilla, obtenemos las tres bornas fijas y accesibles K, L Y M. (Fig. 7). Para que circulen corrientes rotoricas y el conjunto gire, es preciso unir estas tres bornas en un punto comun. Este punto puede obtenerse directamente 0 a traves de resistencias extern as al motor. En este segundo caso, podemos obtener, como veremos mas adelante, unos arranques mas suaves 0 una cierta regulacion de la velocidad de giro (Fig. 8). 12

AUTOMATISMOS

Y CUADROS

ELECTRICOS

Rotor bobinado de ranuras abiertas

Fig. 9 - Rotor bobinado y escobillas de un motor trifasico.

UNlOAD

En el sfmbolo asignado a este motor aparecen nueve born as indicadas (Fig. 10.1).

las

Si se ha realizado en la caja de bornas la correspondiente conexion en estrella 0 en triangulo, solo son operativas tres de ellas, que denominamos simplemente como U, V Y W (Fig. 10.2). En el caso mas general, las bornas K, L YM estaran unidas ( "en cortocircuito") en marcha normal del motor.

UI

VI

WI

U

V

W

K

L

M

DIDAcTICA

1: El motor

trifasico.

escobillas. Un eje longitudinal de acero estructura el conjunto y proporciona el apoyo en los dos extremos (Fig. 11). El conjunto rotorico asf disefiado presenta gran simplicidad y robustez, pero no permite accedeI' alas corrientes rotoricas, como en el caso del rotor bobinado. El rotor de jaula de la Fig. 12 se representa extrafdo de su alojamiento.

K --~

,

L --~ M·--'

U2

V2 W2

,,

, 1-

__

(1)

Fig. 10 -

•

, __

I

(2)

Simbolo

de un motor trifasico rotor bobinado.

con

El rotor de jaula 0 en cortocircuito representa una simplificacion del anterior y se ha convertido en el modelo rotorico habitual de casi todos los motores. En esta disposicion se han reemplazado los devanados por barras de cobre, tambien alojadas en ranuras, que estan unidas todas ellas en sus extremos por medio de dos anillos metalicos. Las corrientes rotoricas recorren, ahora, las born as y se cierran a traves de los anillos, quedando suprimidos el colector y las

Fig. 11 -

Rotor de jaula

de un motor

trifasico.

Fig. 12 -

Rotor de jaula

extrafdo.

El sfmbolo del motor de jaula resulta simplificado, por carecer de born as rotoricas. Las bornas estatoricas se denominan como en el modelo anterior (Fig. 13).

UI

VI

WI

U2

V2 W2

Fig. 13 -

U

Simbolos

AUTOMATISMOS

V

W

del motor

Y CUADROS

U

trifasico

V

W

de jaula.

ELECTRICOS

13

UNIDAD

DIDAcTICA

1: El motor

trifasico.

3. Par motor y par resistente. Velocidad. Supongamos una maquina elemental, como la polea de la Fig. 14. Tiene un radio r y en ella se enrolla un cable del que cuelga un peso F.

En otras maquinas giratorias (ventiladores, bombas de agua, etc) el calculo no es tan seneillo, pero siempre puede realizarse. En general, el par de casi todas las maquinas giratorias puede obtenerse como suma de pequefios pares a veneer, repartidos en la periferia. El par resultante es la suma de todos eJlos (Fig. 15).

n (Lp. m.) 11

I

M = F·

r

I

F M

=

(FI + F2 + ... + F7)

.

r

M= F· r

Fig. 14 -

Polea

giratoria

elevando

Para mover esta maquina, haciendo ascender el peso, sera preciso veneer su par resistente, M, que, por definici6n, tiene el valor: M= F·

F

un peso.

r

Si los datos son, por ejemplo, P = 50 kg. Yr = 0,1 m, este par tiene el valor: M = F . r = 50 . 0,1 = 5 kg . m

La unidad habitual del par es el Newton por metro (N·m), cuya equivalencia eon el kg . m es: I kg . m = 9,8 N . m En el caso citado, el par resistente es:

Fig. 15 -

Par resistente

de una maquina

rotativa.

Afiadiremos, ademas, que el par resistente de las diversas maquinas rotativas varia con su velocidad. Por ello, para obtener la potencia necesaria para mover una maquina a cierta velocidad, hay que conocer su par resistente a dicha velocidad. Si nos proporcionan un grafico de la variaci6n par/velocidad de una maquina, podremos obtener la potencia para accionarJa a cualquier velocidad. Las maquinas centrffugas, por ejemplo las bombas rotativas para Hquidos, tienen un par resistente que crece con la velocidad. Para estabilizarla a una velocidad nl se precisa una potencia.

M = 5 ·9,8 = 49 N·m

(Fig. 16)

Para veneer ese par resistente, haciendo girar la polea a una velocidad de rotaci6n n (Lp. m), hace falta una cierta potencia. Una f6rmula muy conoeida de Mecanica nos da la expresi6n de esa potencia en vatios:

M (N· m)

P = 0,104 . M . n (W)

Par resistente

En el ejemplo anterior, para hacer girar la polea a 1200 Lp.m ascendiendo el peso, es precisa una potencia de valor: P = 0,104·49·1200

Maquina

= 6115,2 W 11

La polea descrita es la mas elemental de las maquinas giratorias: su par resistente se calcula muy faeilmente y permanece constante a eualquier velocidad de giro. 14

AUTOMATISMOS

Y CUADROS

ELECTRICOS

111

Fig. 16 -

Grafico

(Lp.m.)

par/velocidad de una maquina rotativa.

UNlOAD

DIDAcTICA

1: El motor

trifasico.

Segun un prineipio de Mecaniea, euando un motor arrastra una maquina, el eonjunto aleanzara una veloeidad estable euando el par motor iguale al par resistente. Como tambien los motores tienen su grafiea par/veloeidad, resulta que el eonjunto estabilizara su veloeidad en el punto en el que ambas grafieas se eruzan.

Mientras el par motor sea mayor que el resistente, el eonjunto acelera. Si el par de arranque Ma del motor es inferior al eorrespondiente de la maquina, el eonjunto permaneee inm6vil.

Representamos en la Fig. 17 las grafieas de par/veloeidad de un motor y de la maquina a arrastrar. El eonjunto alcanzara la veloeidad de rotaei6n ni' en la que permaneeera.

Puede adoptar formas diversas, pero todas similares a la de la (Fig. 18).

(,C6mo es la grafiea par/veloeidad trifasieo?

LI

de un motor

L2

L3

Malar Mm

-0- I I

M.

I I

M.

I I I I

Mn

11

Mo

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

-------:------------~-------

-------~-----------t--------~

11

I

M,

III

Maquina

n

n

Jl

0

Jl

Fig. 18 - Variaci6n del par motor con la velocidad.

En dieha grafiea, destaeamos los siguientes puntos: 3 - Par de arranque. Corresponde eonexi6n a la red.

11

MOlor/Maq

Mm

al momento de

2 - Par de enganche. Si en este punto, este valor es superior al eorrespondiente de la maquina, el eonjunto aeelera.

u ina

1 - Par maximo. ~

N - Par nominal. Este valor eorresponde al punto de trabajo para el que esta disenado el motor y dimensionados sus eomponentes mecanieos y eleetrieos. 0- Par vacio. Representa las resisteneias a veneer en el propio motor (ventilador, rodamientos, ete). Proporeiona una poteneia uti I nula. 11 III

Fig. 17 - Variaci6n par/velocidad del conjunto motor-maquina.

Volviendo a la polea anterior, euando la eargamos con pesos di versos que produeen pares diferentes, M I' M2 Y M3, el eonjunto estabiliza la veloeidad en los eorrespondientes valores ni' n2 y n3 (Fig. 19). AUTOMATISMOS

Y CUADROS

ELECTRICOS

15

UNIDAD

DIDAcTICA

1: El motor

trifasico.

Ejemplo. Un motor trifasico de 6 polos gira a 965 r.p.m. Hallar su deslizamiento y el correspondiente relativo a 50 Hz. Solucion. Si tiene 6 polos, es p = 3. Velocidad de sincronismo: ns

M

=

60·

f

=

p

60·50 = 1.000 Lp.m.

3

Deslizamiento: S

=

Deslizamiento Sr

=

1.000 - 965

= 35

Lp.m.

relati vo:

35 1.000

= 0,035

n

arranque, 0 al estado del motor con tension y rotor bloqueado por exceso de carga. El deslizamiento relativo tambien puede expresarse en forma de porcentaje (%) de la velocidad de sincronismo. Obtenemos su valor multiplicando por cien el valor de Sr' En el ejemplo anterior, el deslizamiento relativo es del 3,5 %.

Fig. 19 - Velocidades de regimen para diversos pares motores.

La velocidad de sincronismo ns corresponde al par nulo, y es la teorica del campo giratorio (750 r.p.m., 1500 Lp.m., etc.). Esta velocidad no puede alcanzarse nunca, salvo en condiciones anormales en las que puede rebasarse. Este es el caso de la polea anterior, en la que el motor desciende el peso. La velocidad en vacio, no' es ligeramente inferior a la de sincronismo (de un I % a un 3% inferior, en motores pequefios y medianos). A cualquier velocidad n del motor, definimos deslizamiento como la diferencia: S=n y su deslizamiento

s

su

-n

relativo por la expresion:

Sr

=

ns - n

AUTOMATISMOS

Y CUADROS

Para una mejor representacion de estas dos variables, situamos los pares en el eje de abcisas y las velocidades en el de ordenadas. En la Fig. 20 realizamos esta disposicion. Se trata de un motor trifasico tetrapolar de 9kW. En cualquier variables:

punto de funcionamiento,

ELECTRICOS

las tres

• Velocidad • Par • Potencia uti I estan ligadas por la expresion: Pu

ns

El valor del deslizamiento relativo puede oscilar desde unas pocas centesimas, hasta la unidad. Este ultimo caso corresponde al preciso instante del 16

Un motor puede trabajar a diversos regfmenes de par, desde en vacfo hasta a su par nominal. De la curva parlvelocidad solo nos interesa, entonces, el tramo comprendido entre los puntos 0 y N de la Fig. 18.

=

0 ' 104· M· n

A una velocidad cualquiera, por ejemplo 1460 Lp.m., el par correspondiente es de 45,5 N . m y la potencia util es de 6908,72 W (puntos A de la figura anterior).

UNlOAD

oloAcTICA

1: El motor

trifasico.

11 (Lp.m.)

1485 9000 1480 8100 1475 7200 1470

6300 5400

1465

4500

1460

3600 1455 2700 1450 1800 1445

900

1440 0

6

l2

18

24

30

42

36

48

54

M (N·

60

m)

Fig. 20 - Variaci6n de la velocidad y de la potencia util respecto al paso.

ACTIVIDADES

1. Extraer el rotor de motores trifasicos pequefios. Observar su estructura, rodamientos en los extremos del eje, ventilador, ranuras rotoricas, etc. 2. Observar los componentes del estator de los anteriores motores: ranuras estatoricas, caja de bornas, aletas externas, etc. 3. Medir por medio del instrumento adecuado (tacometro manual, dinamo tacometrica, lampara estroboscopica), la velocidad de giro de diversos motores trifasicos. Comparar dicha velocidad en vacio, con la obtenida cuando el motor arrastra alguna maquina. Deducir el numero de polos del estator.

4. Disponemos de un autotransformador para obtener tensiones trifasicas de diversos valores. Alimentar con dicho autotransfor un motor a dos tensiones diferentes (por ejemplo 230 y 400 V), efectuada previamente la adecuada conexion en la caja de bornas. 5. Acoplar a un motor una dinamo freno 0 dispositivo similar, y aplicarle pares resistentes diferentes. Midiendo simultaneamente la velocidad de rotacion, estimar la potencia util que proporciona el motor en cada ensayo. Si se dispone de la adecuada precision en la medida de la velocidad, calcular los corresponbdientes deslizamientos.

AUTOMATISMOS

Y CUAOROS

ELECTRICOS

17

UNlOAD

DIDAcTICA

1: El motor

trifasico.

EJERCICIOS

1. Hallar las velocidades de sincronismo guientes motores trifasicos:

de los si-

4.

Un peso de 2 kg. cuelga de una polea de 50 centfmetros de diametro. (,Que potencia debe ten er el motor que la acciona, para que el peso ascienda a una velocidad de 2,5 m/s7

1.1. Bipolar a 50 Hz. 1.2. Tetrapolar a 60 Hz.

5. Un motor trifasico tiene la variaci6n par/deslizamiento relativo representada en la grMica de la Fig. 21.

1.3. De ocho polos a 100 Hz. lA. De tres pares de polos a 50 Hz. 1.5. De 10 polos a 400 Hz. 2.

Realizar una tabla en la que se indiquen las velocidades y las potencias correspondientes a los nueve valores del par indicados en la figura.

Hallar la potencia necesaria para hacer girar una polea de diametro d, ascendiendo un peso P a una velocidad de rotaci6n n. Se dan los siguientes casos:

= 200 gramos. d = 1 metro. n = 1000 F = 3 kg. d = 0,5 metros. n = 60 rpm. F = 10 Newton. d = 4 cm. n = 22 rps. F = 1 tonelada. d = 0,8 metros. n = 1400

2.1. F

2.2. 2.3. 2A.

rpm.

El motor es tetrapolar y la frecuencia de la red es de 50 Hz. 6. Un motor trifasico tetrapolar tiene la grMica pari velocidad de la Fig. 22, a frecuencia de 50 Hz. Estimar su potencia util, cuando el deslizamiento tiene los siguientes valores:

rpm.

= 50 rpm Sr = 0,1

6.1. S

3. Hallar 10s deslizamientos absoluto y relativo de 10s siguientes motores trifasicos, girando alas velocidades indicadas.

6.2.

6.3. Sf (%) = 6,6 % 6A. El correspondiente

3.1. Tetrapolar, 50 Hz, a 1440 rpm.

al maximo par.

3.2. Bipolar, 60 Hz, a 3418 rpm. 3.3. De ocho polos, 50 Hz, a 710 rpm. 3 A. De seis pares de polos, 200 Hz, a 1969 rpm. M (N· S, (%)

m)

60 55 50

4

45

40 3

35 30 25

2

20 15 10 5

o

5

10

15

20

25

30

35

M 40(N·m)

Fig. 21 - Gratica par/deslizamiento relativo. 18

AUTOMATISMOS

Y CUADROS

ELECTRICOS

11

o

250

500

750

1000

1250

Fig. 22 - GrcHica par/velocidad.

1500 (rpm)

u

.1

Ca 3.cterA's icas elec

A

I

A--~- T

I('as . el motor t_ ifasic

A

•

Sumario 1. Intensidad

del motor trifasico.

2. Potencia

y rendimiento

3. Correccion 4. Motores

del factor de potencia

trifasicos

5. Datos de catalogo Ejercicios

AI termino

• • • • • •

del motor trifasico. del motor trifasico.

de dos velocidades. de los motores

trifasicos.

y Actividades

de esta Unidad Didactica,

el alumno

0

la alumna seran capaces

de:

Escoger la conexion adecuada de un motor trifasico segun el valor nominal de la tension de la red. Distinguir los diversos puntos de trabajo de un motor, en base a sus graficas parlintensidad/velocidad. Calcular el rendimiento de un motor en base a sus caracterfsticas elementales. Cuantificar el valor del factor de potencia de un motor en base a su grado de carga. Dimensionar los dispositivos para la adecuada correccion del factor de potencia de un motor trifasico . Interpretar correctamente las graficas de funcionamiento de un motor trifasico. AUTOMATISMOS

Y CUADROS

ELECTRICOS

19

UNlOAD DIDAcTICA

2: Caracteristicas

1. Intensidad

electricas

del motor trifasico.

del motor trifasico.

Las intensidades rotoricas y estatoricas de un motor trifasico varfan simultaneamente a medida que va cambiando su velocidad. Las intensidades rotoricas pueden medirse en uno cualquiera de sus devanados, intercalandole un amperfmetro en serie. Podemos realizar esta operacion en el motor de rotor bobinado (Fig. 1).

de 230 V Y de 400 V, absorbera en la lfnea una intensidad -{3 veces menor en la tension alta. En la placa de caracterfsticas, junto al par de tensiones, tambien figuran las correspondientes intensidades (ejemplo de la Fig. 3).

3 x 400 V

3 x 230 V

30 A

52 A WI

UI

VI

WI

W2

U2

V2

J.. ()

LI

L2

U

v

Por razones evidentes, esas intensidades no pueden medirse en un motor de jaula. En ambos tipos de motores podemos medir el valor de las corrientes estatoricas, intercalando un amperfmetro en serie con un devanado cualquiera (Fig. 2).

L2

L3

LI

L2

6-

U2

V2

W

Fig. 1 - Medici6n de la intensidad rot6rica.

LI

()

L3

W2 I,

it

Fig. 3 - Intensidad de linea de un motor trifasico de 15kW, 230/400 V,en sus dos tipos de conexi6n.

La intensidad de la lfnea de un motor, en cualquiera de las dos disposiciones, tiene una variacion con la velocidad, similar a la de la Fig. 4. En la grafica, sobrepo-nemos la curva del par motor con la de velocidad, para observar mejor la variacion conjunta.

L3 I, M

Fig. 2 - Medici6n de la intensidad de corriente estat6rica. 11

En la totalidad de los casos, se mide la intensidad en la Ifnea de lIegada al motor. El mismo motor conectado a dos tensiones diferentes, por ejemplo, 20

AUTOMATISMOS Y CUADROS ELECTRICOS

Fig. 4 - Variaci6n conjunta par/intensidad con la velocidad.

UNlOAD DIDAcTICA

En el preciso momento del arranque, el valor de la intensidad absorbida 0 intensidad de arranque, la' puede ser de 5 a 8 veces el de la nominal (punto 1').

2: Caracteristicas

electricas

del motor trifasico.

La grafica de la Fig. 6 corresponde a un motor de 15 kW a 400 V. Sus datos nominales son: P

Tras el perfodo de aceleraci6n, la intensidad se estabiliza en el punto 2', en el que los pares motor y resistente se igualan. Si esta intensidad es la nominal In para la que esta previsto el motor, la velocidad aJcanzada es la velocidad nominal real, ligeramente inferior a la de sincronismo n s .

Il

=

l5000W

M =99N·m Il

=

nn

1455 r.p.m.

nil

In = 28,6 A

Es interesante ver con mas detaJle los extremos finales de ambas curvas, en los que tendra lugar el funcionamiento del motor a diversas cargas. Los representamos con menor inclinaci6n que la real, para distinguir mejor los diversos puntos (Fig. 5). Mm (N· m)

M

I,

300

M

Mm".

I, = 140 A

=

260 N·m

150

120 200 90

100

",

11

M

_._.-.-._.-._.-.-._._~_._._.-

= 99 N·m

11

ns

o

300

600

900

1200

2

Lf

11

11

L2

u

L3

V

W

--(--11 Fig.s - Par e intensidad

nominales

y en vacfo.

El punto 3 de la curva par/velocidad y el 3' de la curva intensidad/velocidad, corresponden al funcionamiento del motor en vacio. Podemos visualizar esta situaci6n imaginando al motor solo, encima de una mesa y conectado a la red. El pequefio par Mo vence las resistencias propias del motor (rozamientos y fricci6n con el aire del rotor y el ventilador). La intensidad de vacfo 1 que crea este par no es despreciable, ya que puede suponer un 20 6 30 % de la nominal. 0

Fig.6 - Grafica par/intensidad-velocidad, de un motor trifasico de 15kW a 400 V.

Recogemos en la Fig. 7 los valores orientativos de las intensidades nominales de motores trifasicos tetrapolares de pequefia potencia. AUTOMATISMOS Y CUADROS ELECTRICOS

21

UNlOAD DIDAcTICA

2: Caracteristicas

electricas

del motor trifasico.

,,

11

-------------------------------------------------------

kW

230V 400V

kW

230V 400V

0,37

1,8

1,04

7,5

27

15,6

0,55

2,75

1,58

10

35

20

0,75

3,5

2

11

39

22,5

1,1

4,4

2,5

15

52

30

1,5

6

3,5

22

75

43

2,2

8,7

5

30

103

60

3

11,5

6,6

37

126

73

4

14,5

8,4

45

147

85

5,5

20

11,5

Fig.7 - Potencias e intensidades nominales motores de 1500 r.p.m.

2. Potencia trifasico.

'"

I" (A)

I" (A)

y rendimiento

Fig. 8 - Intensidad y velocidad de un motor trifasico en funci6n de la potencia util. Cuando el motor aporta una potencia util de valor Pe' 10 hace girando a una velocidad ne y absorbiendo una intensidad Ie .

de

del motor

Observando las graficas de la Fig. 5, advertimos que los dos puntos entre los que trabaja el motor en condiciones normales son el 2 y el 3. Es evidente que no existe funcionamiento por debajo de los puntos 3-3' y que todo funcionamiento por encima de los puntos 2 y 2' representa una condici6n de sobrecarga. i,Que potencia util proporciona el motor en vacfo? Esta claro que una potencia nula. i,Que potencia util proporciona el motor cuando consume la intensidad nominal? Esta c1aro que su potencia nominal. Podemos alterar la posici6n de los ejes de la grafica para mejorar su representatividad: en abscisas, la potencia util, yen ordenadas, la intensidad y velocidad (Fig. 8). 22

"0

AUTOMATISMOS Y CUADROS ELECTRICOS

La siguiente pregunta aparece de un modo obligado: ;,que potencia absorbe de la red un motor trUasico que proporciona una potencia uti! determinada? La respuesta es evidente: una potencia de mayor valor. Ello se de be a que obtenemos de la red la potencia util y , ademas, la que representa las perdidas diversas. Definimos, entonces, el rendimiento de un motor como el cociente entre la potencia util que proporciona y la potencia que absorbe de la red. P Rendimiento = --'-'Pab Por ejemplo: si un motor aporta una potencia util de 10 kw con un rendi miento de valor 0,82, absorbe de la red una potencia de valor: P

P

=--'-'-= ab

Rend.

10 0,82

=12,19kW

El rendimiento de un motor se refiere siempre a sus condiciones nominales, es decir, cuando proporciona su potencia nominal. Ese valor, sin embargo, disminuye cuando trabaja a potencias inferiores.

UNIDAD

La gnifica de variacion rendimiento/potencia util tiene una forma similar a la de la Fig. 9, a la que sobreponemos la de intensidad.

DIDAcTICA

2: Caracteristicas

electricas

del

motor

trifasico.

3 x 400 V LI

L2 L3

12 A

P = f3 ·400· 12·0,84 P=6975 W cos cp = 0,84

Rend.

Fig. 10 - Potencia absorbida por un motor trifasico. 0.9

--- .... ------

Rn Re 0.7

0.5

0.3

El factor de potencia de un motor trifasico tambien varfa con la potencia util, segun una grafica similar a la representada en la Fig. 11, a la que tambien sobreponemos la de intensidad. Destacamos los valores de intensidad, potencia y potencia util en

factor de

• vacfo. 0,1

• a una carga cualquiera

Pc'

• a la carga nominal Pn•

o Fig. 9 - Intensidad

y rendimiento tri fasico.

de un motor L1L2L3 Ilcos