Ensayo en Vacío y Corctocircuito

Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Profesional de Ingeniería Eléctrica

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ENSAYO DE MOTOR ASÍNCRONO

Máquinas Eléctricas Rotativas Inf. de laboratorio N° 01: Ensayo de motores asíncronos.

Profesor: Ing. Hugo F. Llacza Roblez

Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Profesional de Ingeniería Eléctrica

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CONTENIDO        

Resumen. Introducción. Objetivos. Marco teórico. Desarrollo de la experiencia. Hoja de cálculos. Conclusiones y recomendaciones. Bibliografía.

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RESUMEN

El presente documento tiene por finalidad explicar el cálculo de parámetros que definen a los motores de inducción, específicamente a los motores de inducción con rotor en cortocircuito o  jaula de ardilla El primer capítulo del texto nos brindará los conceptos teóricos para comprender el principio de funcionamiento y el detalle de los protocolos a seguir para realizar los diferentes ensayos a los motores de inducción antes de su puesta en servicio. En el segundo capítulo se detallarán los valores de los parámetros hallados al realizar la experiencia de laboratorio. El tercer capítulo nos brindará las conclusiones de nuestro estudio, así como las recomendaciones para que los objetivos planteados sean logrados.

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INTRODUCCIÓN “Los motores de inducción (o motores asíncronos) trifásicos son los motores más utilizados en la industria. Son simples, resistentes y fáciles de mantener. Funcionan a velocidad esencialmente constante desde cero hasta plena carga. La velocidad depende de la frecuencia, por lo que estos motores no se adaptan con facilidad al control de velocidad. Sin embargo, cada vez se utilizan más los controladores electrónicos de frecuencia variable para controlar la velocidad de motores de inducción comerciales (Wildi, 2007, p.263)” El motor trifásico asíncrono es el más usado en el mundo de las instalaciones industriales y en grandes edificios. Simple en términos de diseño y manejo, flexible en diversos campos de aplicación y con funcionamiento económico. Es la solución más favorable cuando hablamos de relación calidad-precio. En ese sentido, resulta de suma importancia comprender los principios de funcionamiento de estas máquinas, conocer sus características y los ensayos a los que debe ser sometidos antes de su puesta en servicio.

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OBJETIVOS 

Determinar los parámetros de este tipo de motores de inducción.



Elaborar los ensayos de vacío y ensayo de rotor bloqueado.



Medición de sus resistencias.

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CAPITULO I. CAPÍTULO I. CONCEPTOS PREVIOS

1. MOTORES DE ROTOR DE JAULA DE ARDILLA

1.1

Principio de funcionamiento

Para explicar el funcionamiento de un motor asíncrono trifásico, nos vamos a servir del siguiente símil. Supongamos que tenemos un imán moviéndose a lo largo de una escalerilla conductora tal y como se indica en la figura 1.1. Este imán en su desplazamiento a velocidad v provoca una variación de flujo sobre los recintos cerrados que forman los peldaños de la escalera. Esta variación de flujo genera una f.e.m., definida por la Ley de Faraday:

 = −   que a su vez hace que por dichos recintos circule una corriente. Esta corriente eléctrica  provoca la aparición de una fuerza sobre la escalera definida por  que hace que la escalera se desplace en el mismo sentido que lo hace el imán.

=

Fig. 1.1 inducción por acción de un campo magnético variable

La escalera nunca podrá desplazarse a la velocidad del imán, pues en el supuesto caso de que se desplazase a la misma velocidad que el imán, la variación de flujo sobre los recintos cerrados sería nula, y por tanto la f.e.m. inducida también y por tanto la fuerza resultante también sería nula. En un motor asíncrono la escalera es el desarrollo lineal del rotor y el campo magnético que se desplaza es originado por un sistema trifásico de corrientes que circulan por el estator (Teorema de Ferraris).

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Figura 1.1.2 Campo magnético en un motor.

1.2

Constitución del motor con rotor tipo jaula de ardilla

El motor de rotor de jaula de ardilla, también llamado de rotor en cortocircuito, es el más sencillo y el más utilizado actualmente. La máquina de inducción está formada por un estator y un rotor. En el estator se coloca normalmente el inductor, alimentado por una red trifásica. El rotor es el inducido, y las corrientes que circulan por el aparecen como consecuencia de la interacción con el flujo del estator.

1.2.1

El rotor

En núcleo del rotor está construido de chapas estampadas de acero al silicio en el interior de las cuales se disponen unas barras, generalmente de aluminio moldeado a presión. Las barras del devanado van conectadas a unos anillos conductores denominados anillos extremos. El bobinado así dispuesto tiene forma de jaula de ardilla.

Figura 1.2.1a. Rotor en cortocircuito y su similitud co n la jaula de ardilla.

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Las ranuras del rotor y suelen hacerse oblicuas respecto al eje para evitar así puntos muertos en la inducción electromagnética. Un inconveniente de los motores con rotor de  jaula de ardilla es que en el arranque absorbe una corriente muy intensa (de 4 a 7 veces la nominal o asignada), y lo hace además con un bajo factor de potencia, y a pesar de ello, el par de arranque suele ser bajo. La baja resistencia del rotor hace que los motores de jaula de ardilla tengan excelentes características para marchas a velocidad constante. Hasta hace unos cuantos años (década de los 90), un inconveniente de los motores con rotor de jaula de ardilla era que su velocidad no era regulable, pero actualmente con los variadores de velocidad electrónicos se puede conseguir un control perfecto de la  práctica totalidad de parámetros del motor, entre los que destacan el par, la corriente absorbida y la velocidad de giro.

Figura 1.2.1b. Rotor jaula de ardilla

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1.2.2

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El estator

El estator está formado por un apilamiento de chapas de acero al silicio que disponen de unas ranuras en su periferia interior en las que se sitúa un devanado trifásico distribuido, alimentado por una corriente del mismo tipo, de tal forma que se obtiene un flujo giratorio de amplitud constante, distribuido senoidalmente por el entrehierro. El estator está rodeado por la carcasa, tal como se indica en la figura 1.2.2, disponiéndose en esta las correspondientes patas de fijación y los tornillos o cáncamos de elevación y transporte.

Figura 1.2.2. Estator de un motor de inducción trifásico.

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La máquina de inducción, además de disponer de un estator y de un rotor, está dotada de otros elementos mecánicos necesarios para su funcionamiento, tapas, rodamientos, carcasa, etc. El devanado del estator está constituido por tres arrollamientos desfasados 120 ° en el espacio y de 2p polos; al introducir por ellos corrientes de una red trifásica de frecuencia f, se produce una onda rotativa de f.m.m distribuida senoidalmente por la periferia del entrehierro, que produce un flujo giratorio cuya velocidad viene expresada de acuerdo con la ecuación:

 = 60∗   .. y recibe el nombre de velocidad de sincronismo. Este flujo giratorio inducirá f.e.m. en los conductores del rotor, y si esta su circuito eléctrico cerrado, aparecerán corrientes que reaccionaran con el flujo del estator. Para determinar su sentido debe considerarse que el rotor gira en sentido contrario al campo para tener en cuenta el movimiento relativo mutuo entre ambos sistemas. Al circular corriente por los conductores del rotor, aparecerá en los mismos una fuerza cuyo sentido, se obtiene aplicando la ley vectorial de Laplace:

=∗ Se deduce que el sentido de la fuerza es el de seguir el campo magnético giratorio del estator. Multiplicando la fuerza anterior por el radio del rotor e integrando esta acción sobre el número total de conductores del rotor se obtendrá el par total de la máquina, que tenderá a mover el rotor siguiendo al campo giratorio del estator. El momento total de estas fuerzas origina el par de rotación de la máquina, que obliga a girar al rotor siguiendo el movimiento del campo giratorio, de tal forma que cuanto más se aproxima a la velocidad n del campo, tanto menor resulta la f.e.m inducida en los conductores del rotor y, en consecuencia, resultan también reducidas las corrientes en el mismo, provocando esto una disminución del par interno o par electromagnético del motor. Si, como caso limite, el rotor girase a velocidad de sincronismo n,  no habría entonces movimiento del campo giratorio respecto del rotor, desapareciendo con ello la f.e.m inducida y como consecuencia de esto se anularía la corriente y el par. De este modo la velocidad de sincronismo n constituye el límite teórico al que puede girar el rotor. El motor debe girar a una velocidad inferior a la de sincronismo, es decir, su velocidad de régimen es asincrónica. Se conoce con el nombre de deslizamiento al cociente:

 = 1−1  Cuyo valor está comprendido en los motores industriales entre 3 % y el 8%.

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Debe destacarse que cuando rotor es de jaula de ardilla, las leyes del bobinado del estator son las que determinan el número de polos del motor. En el rotor se obtienen corrientes  por inducción, por lo que las diferencias de fase que aparecen entre las corrientes de las diversas barras del rotor coinciden con el ángulo eléctrico que forman las mismas. Así, si el rotor tiene 36 barras y el estator tiene 2 polos, se habrán formado 18 fases, pero la misma jaula de ardilla en el interior de un estator de 4 polos daría lugar a 9 fases, etc. Una jaula de ardilla es equivalente a un devanado retórico de m2 fases de 1 espira/fase, donde m2 viene expresado por la relación:

2 = 2 Como quiera que el sentido de transferencia de la energía en un motor asincrónico se  produce de estator a rotor por inducción electromagnética de un modo similar al que se obtenía entre el primario y el secundario de un transformador, esto hace que la analogía se traslade no solamente a la simbología de las magnitudes implicadas sino incluso también, en algunos autores, a las propias denominaciones. De ahí que al estudiar motores asincrónicos se consideran homónimas las ex presiones: estator y primario, rotor y secundario. Esto es también la causa de todos los parámetros que aparecen en el estator lleven el subíndice y los que aparecen en el rotor tengan subíndice 2. De hecho, y como se comprobará el circuito equivalente desarrollado para el transformador será la guía  para deducir el circuito equivalente del motor.

1.3

Modelo de un motor jaula de ardilla

Debido a que un motor de inducción es básicamente un transformador que rota, su modelo matemático es muy similar al de un transformador, en el siguiente diagrama se  presenta el modelo por fase de un motor de inducción.

Figura 1.3.1 Diagrama monofásico equivalente de un motor de inducción

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Al igual que sucedía con los transformadores, se obtiene una gran ventaja analítica si se traslada la rama de vacío a los terminales de entrada, lo que da lugar al circuito equivalente aproximado. Los errores que ahora se obtienen con esta aproximación son superiores a los que resultaban en el transformador; esto se debe a la presencia del entrehierro en los motores, que hace que la corriente sea ahora del 35 % al 40 % de la asignada, mientras que en el caso del transformador era del orden del 3% al 8% de la asignada. Con el circuito equivalente aproximado se obtienen corrientes en el rotor que son apreciablemente más altas que los valores reales. De todos modos, la aproximación realizada es normalmente aceptable para motores de más de 10 KW.

Figura 1.3.2 circuito equivalente referido al rotor de un motor de inducción jaula de ardilla.

Donde:

1  1: Corresponden a la resistencia y reactancia d el estator. ′  ′: Corresponden a la resistencia y reactancia d el rotor.   : Corresponden a la resistencia y reactancia de magnetización

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2. PROTOCOLO DE PRUEBAS

2.1

Ensayo de pruebas Estos ensayos de pruebas de motor asíncrono se realizan habitualmente para determinar el valor de los parámetros del circuito equivalente. De 2.1.1

Ensayo de vacío o de rotor libre

Se aplica una tensión nominal a frecuencia nominal al estator de tal modo, que el motor gire sin carga. Se toman entonces las medidas de tensión, corriente y  potencia de entrada al estator. Debido al bajo valor del deslizamiento en vacío, la resistencia dinámica es tan alta, que la corriente del rotor en vacío es despreciable. Sin embargo, una  pequeña corriente del rotor, que puede despreciarse, está presente en motores  prácticos incluso a cero deslizamiento, debido a las armónicas en la onda de densidad de campo y a una ligera no uniformidad en el entrehierro. Para la prueba de vacío de un motor trifásico, los instrumentos de medición se colocan en la forma indicada en la Figura Sea:

   

: La tensión nominal de línea (V) : La corriente de línea (A) : La potencia total de entrada (W) : La resistencia del equivalente monofásico del estator (Ω)

Fig. 2.1.1 Ensayo en vacío de un motor de inducción trifásico

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2.1.2

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Ensayo de rotor bloqueado

Este ensayo se hace con el rotor trabado, es decir, evitando que gire (s=1). Para motores convencionales de jaula de ardilla simple, menores de 20 kW nominales, sin incluir las máquinas de doble jaula de ardilla o de barras  profundas, se aplica al estator una tensión reducida a frecuencia nominal. La tensión se ajusta para producir aproximadamente una corriente nominal. Una tensión nominal daría como resultado una corriente excesiva que saturaría las trayectorias del flujo de dispersión a través de los dientes del estator y del rotor, dando lugar a menores valores que los normales de la reactancia de dispersión. Adicionalmente, a menos que se sostenga por un corto período, la corriente excesiva sobrecalentará los embobinados. Para la prueba de rotor bloqueado de un motor trifásico, con los instrumentos de medición colocados en la forma que aparece en la Figura, sea:

  

: La tensión reducida de línea (V) : La corriente nominal de línea (A) : La potencia de entrada (W)

Fig. 2.1.2. Ensayo de rotor bloqueado de un motor de inducción trifásico

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CAPITULO II. ESQUEMA DE CONEXIONES Y MEDICIONES.



Hallando la resistencia de la bobina

Conectado en Y



1- Y

V DC (V)

I DC (A)

2.54

0.011

39.60

4.38

0.019

39.41

7.30

0.034

31.50

12.05

0.058

23.03

(Ω)

Mediciones en una bobina

Mediciones en una bobina

1

V DC (V)

I DC (A)

(Ω)

11.25

0.63

26.87

15.9

0.90

24.97

21.6

0.122

25.35

24.6

0.140

24.01

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En esta experiencia de laboratorio se realizó 2 ensayos.

Ensayo en vacío.

3.1. 

Con el rotor en vacio

Imagen 5.1.1 Esquema de conexión para el ensayo en vacío.





Para no producir corrientes elevadas en el momen to de arranque se alimentará al motor con una tension reducida la inicio, para luego aumnetar en forma continua hasta su valor nominal. Anotamos los valores obtenidos, previamente multiplicados por el factor de corrección del vatímetro.

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3.1.1. Tabla de parámetros medidos.



E (V)

I (A)

P (W)

RPM

45

0.89

8

1579

78

0.215

12

1789

110

0.310

16

1796

136

0.410

20

1797

180

0.56

28

1801

210

0.69

41

1802

240

0.82

44

1805

258

0.93

50

1803

Gráfica P vs V

P vs V 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

20

40

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60

80

100

120

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3.2. 

  

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Ensayo con rotor bloqueado. La conexión debe ser identica a la anterior, porque esta vez se medirá mayor corriente. Se bloqueará el motor de tal manera que no pueda girar. La fuente de alimentacion debe estar en posicion cero. Cerrarmos la llave cuchila se irá variando la tensión, teniendo cuidado con el rango de los amperímetro vatímetro.

3.2.1. Tabla de parámetros medidos



E (V)

I (A)

P (W)

RPM

20

0.6

20

0

40

0.95

40

0

55

1.31

80

0

65

1.60

100

0

Gráfica I vs V

P vs I 2

1.5

1

0.5

0 0

20

40

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60

80

100

120

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4. Cuestionario 4.1.

¿Cuál es la diferencia entre un par desarrollado y un par neto de salida?

En el par bruto se considera, la potencia de rotor desarrollada en Watts más las pérdidas  por rotación, mientras que en el par neto de salida se considera la potencia mecánica de salida del rotor menos las pérdidas por rotación. 4.2.

¿Cómo puede hacer funcionar un motor trifásico sobre una red monofásica y cuáles  son las consecuencias?

El problema en este caso hay que dividirlo en dos, uno es la tensión de alimentación del motor y otra es la conexión de un motor trifásico con una red monofásica. Para la primera cuestión, hay que inspeccionar la placa de características del motor en cuestión. La inmensa mayoría de los motores eléctricos tienen accesible la caja de conexiones de sus devanados internos. Dichos devanados pueden ser conectados en estrella o en triángulo, resultando con cada conexión una tensión de utilización distinta. Esto es, un mismo motor puede ser alimentado a dos tensiones diferentes, y así se va a ver reflejado en su placa de características. En el caso que nos ocupa, el motor puede ser conectado a 220V o a 380V (indicado en la placa como 220/380), así pues se ha  procedido a indicar al cliente como realizar el cambio de la configuración estrella, en la que estaba conectado, a la configuración triángulo, la necesaria para alimentar con 220V en el caso que nos ocupa. Una vez reconfigurado el motor para poder ser alimentado con una tensión de 220V hay que solucionar el tema de la alimentación. Para ello, se puede cablear un circuito denominado Steinmetz. En dicho circuito se alimenta el motor con dos fases, y entre un a de las fases y la fase que queda libre, se coloca un condensador. De esta manera, se logra desfasar en 90° la fase compartida, de otra forma no se produciría el par de arranque necesario para hacer funcionar el motor. Es decir, creamos mediante ese condensador, una tercera fase “ficticia” El funcionamiento es idéntico a un arranque en estrella, puesto que las dos fases estarían en serie actuando como un devanado principal, y la tercera fase, estaría adelantada 90°. La capacidad del condensador es aproximadamente de 70µf por Kw para 230 V y 50 Hz. Esta medida tenemos que multiplicarla por cada Kw de potencia del motor. Es decir, si el motor es de 10 Kw de potencia, sería 70 * 10 = 700 µf. Para una tensión de red de 400 V y 50 Hz; serán 20 µf por cada Kw de potencia.

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Los materiales ferromagnéticos interaccionan fuertemente con el campo magnético, entre ellos se encuentran los imanes naturales. Para un campo aplicado las fuerzas de interacción pueden ser atractivas o repulsivas y te ner valores muy grandes 1N/g.

50)  =50∗2(220 ) ∗ (    Dónde: Vl: es la tensión de línea. P: es la potencia del motor en Cv. f: es la frecuencia de la red. Para variar el sentido de giro del motor solamente es necesario intercambiar una de las fases con la que tiene el condensador.

Consecuencias: Esta técnica, solamente es útil usarla para motores de jaula de ardilla simple de baja  potencia, como era el caso que nos ocupa. Hay que tener en cuenta, que el motor pierde un 25% de su potencia, por lo que es preciso realizar un análisis de las características del servicio, para ver si esta reducción de potencia es admisible. Del mismo modo, el par de arranque se ve reducido entre el 40 y el 50% del par nominal, lo cual también ha de ser tenido en consideración.

4.3.  Explicar el comportamiento de funcionamiento del rotor en los motores de inducción.

Los devanados inductores en el estator de un motor de inducción instan al campo magnético a rotar alrededor del rotor. El movimiento relativo entre este campo y la rotación del rotor induce corriente eléctrica, un flujo en las barras conductoras. Alternadamente estas corrientes que fluyen longitudinalmente en los conductores reaccionan con el campo magnético del motor produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor, dando por resultado un esfuerzo de torsión para dar vuelta al eje. En efecto el rotor se lleva alrededor el campo magnético pero en un índice levemente más lento de la rotación. La diferencia en velocidad se l lama deslizamiento y aumenta con la carga. A menudo, los conductores se inclinan levemente a lo largo de la longitud del rotor para reducir ruido y para reducir las fluctuaciones del esfuerzo de torsión que pudieron resultar, a algunas velocidades, y debido a las interacciones con las barras del estator.

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4.4.

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Graficar en un solo cuadro I vs P y E vs P

 Notamos una ligera diferencia entre las gráficas obtenidas, ya sea con la tensión y con la corriente. 4.5.

¿Cuáles son las normas para seleccionar un motor de inducción?

Actualmente la norma internacional a la que se refiere es la IEC 60034-30. Esta norma es aplicable en motores monofásicos, trifásicos, de inducción de jaula de ardilla para 2, 4 o 6 polos en un rango de potencia nominal de salida desde 0 ,75 a 375kW. A día de hoy se clasifican en tres clases: IE1 (standard), IE2 (high) y IE3 (Premium), se  prevé que en el año 2014 aparezca la nueva IE4. En la Comunidad Europea la clase IE2 es obligatoria en todos los motores desde el 16 de Junio de 2011. La clase IE3 será obligatoria del 1 de enero de 2015 (7,5 a 375 kW) y a partir del 1 de Enero de 2017 la clase IE3 será obligatoria para motores de entre 0,75 a 375kW.

4.6.

¿De qué factores depende el rendimiento de los motores trifásicos?

En los motores de inducción tipo jaula de ardilla ex isten cinco tipos de pérdidas: Tres de ellas son dependientes de la carga. Las otras dos son pérdidas constantes e independientes de la carga. A continuación, se mencionan cada una de ellas:

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Pérdidas dependientes de la carga:   

Pérdidas en los devanados del estator Pérdidas en la caja del rotor (pérdidas por deslizamiento). Pérdidas misceláneas

Pérdidas independientes de la carga:  

Pérdidas en el núcleo del estator (pérdidas magnéticas) Pérdidas por fricción.

El factor de carga juega un papel importante en las pérdidas en los motores de inducción.

Estado del mantenimiento Existen factores relacionados con el mantenimiento que inciden de manera importante en la eficiencia del motor. Por ejemplo, al evitar el exceso de polvo y suciedad, tanto en el exterior como en el interior, se evitan calentamientos excesivos que contribuyen al incremento de las pérdidas por I2R.

Deterioro tecnológico El grado de obsolescencia tecnológica afecta en gran medida el rendimiento energético de los motores, siendo este uno de los criterios más importantes para la selección de los motores sujetos a cambio tecnológico.

Identificación de ineficiencias 



Para la identificación de ineficiencias en los motores se recomienda la realización de medidas tanto eléctricas como térmicas. Las medidas eléctricas se pueden realizar con analizador de red que permita el registro de potencias, tensiones y corrientes, entre otras.

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Conclusiones Mediante esta experiencia pudimos: 





Encontrar los parámetros del circuito equivalente del motor de inducción. Realizar de manera adecuada, respetando los protocolos de seguridad, las pruebas de vacío y rotor bloqueado de un motor de inducción. Hallar la resistencia de cada uno de los devanados del motor trifásico jaula de ardilla.

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Recomendaciones Para obtener resultados óptimos en el desarrollo de la experiencia debemos t omar en cuenta que hay factores que influyen directamente en el resultado obtenido. Debemos verificar que los instrumentos a utilizar se encuentren en óptimas condiciones ya que las medidas que obtengamos serán determinantes en los resultados. Asimismo, debemos respetar siempre las normas de seguridad y estar siempre con centrados para garantizar nuestra integridad física.

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Bibliografía

   

Stephen J. Chapman. Maquinas Eléctricas 3° ed. Nueva York: McGraw-Hill Agustín Castejón y Germán Santamaría. Tecnología Eléctrica Theodore Wildi. Máquinas eléctricas y sistemas de potencia 6° ed. Pearson Educación. Recuperado de https://es.scribd.com/document/62908578/como-conectar-un-motortrifasico-a-una-red-monofasica

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