MotoresTrifasicos

EL MOTOR DE INDUCCIÓN 1

Introducción

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Motor de inducción en la industria • Es el de mayor uso en la industria. • Es robusto y de poco mantenimiento. • El motor de inducción es económico debido a su construcción sencilla. 3

Ventajas Su comportamiento puede ajustarse a un gran número de diferentes condiciones de operación por medio de cambios sencillos en el diseño. Es ideal para velocidades entre 900 y 1800 r.p.m. y potencias inferiores a algunos miles de kilovatios. 4

Ventajas (continuación) • Asociados a modernos convertidores de frecuencia (variadores de velocidad), estos tienden a asumir el papel casi exclusivo de los accionamientos eléctricos.

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Aspectos constructivos

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Construcción. La máquina de inducción se compone fundamentalmente de tres partes básicas, ellas son: • El rotor • El estator. • La carcasa

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Estator • El estator y el rotor son circuitos electromagnéticos que funcionan como los electroimanes. • El estator es la parte eléctrica estacionaria del motor. • El núcleo estator de un motor está hecho de varios cientos de laminaciones delgadas aisladas entre si.

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Devanado del estator • Se apilan las laminaciones de estator formando un cilindro hueco. Se insertan bobinas de alambre aislado son insertados en las ranuras del núcleo del estator.

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Devanado del estator • Cada grupo de bobina, junto con el núcleo de acero que lo rodea, forman un electroimán. • Los devanados del estator son conectados directamente a la fuente de alimentación.

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Estator (vista de corte longitudinal) El paquete de chapas puede ser una única pieza o estar subdividido en varios paquetes mas pequeños, montados sobre el eje con pequeños espacios, entre ellos, a fin de permitir el paso de aire de refrigeración. 11

Rotor Los tipos de rotores son dos: – Rotor Jaula de Ardilla – Rotor devanado.

Los motores cuando están en funcionamiento, presentan características similares de operación independientemente del tipo de rotor. Pero si se diferencian en el arranque, en la posibilidad de regular la velocidad, la eficiencia, y el factor de potencia. También en el costo. 12

Núcleo del rotor • Está hecho de laminaciones de acero aisladas entre si y apiladas, obteniéndose un núcleo sólido. • Previamente las chapas fueron preformadas para que al apilarse formen las ranuras. 13

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Jaula de ardilla Consiste en una serie de barras conductoras, colocadas dentro de las ranuras del rotor con sus extremos puestos en cortocircuito por medio de dos anillos. A éste diseño se le conoce como jaula de ardilla porque sus barras tienen la apariencia de las jaulas donde juegan las ardillas o marmotas

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Rotor jaula de ardilla El núcleo del rotor es montado sobre un eje de acero para conformar el rotor.

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Rotor jaula de ardilla • La construcción del rotor de jaula es sólida, en cortocircuito, no permite su conexión al exterior.

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Rotor devanado • Consta de un arrollamiento trifásico completo, que es una imagen reflejada del devanado del estator. • Generalmente se conectan en estrella y sus extremos van a los anillos rozantes. • Puede colocarse en cortocircuito a través de las escobillas. • También se puede insertar resistencias para que en el momento del arranque se limite la corriente y se eleve el torque. Asimismo se puede regular la velocidad modificando la característica Par-Velocidad del motor.

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Rotor devanado

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Carcasa • La carcasa consiste en un armazón (o yugo) y dos tapas en los extremos (o los alojamientos de los cojinetes). • El devanado del estator está montado dentro de la carcasa. • El rotor encaja dentro del estator con un ligero entrehierro que lo separa del estator. • No hay ninguna conexión física directa entre el rotor y el estator. 20

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Carcasa • La carcasa también protege las partes eléctricas y operativas del motor de los efectos dañinos del ambiente en que el motor opera. • Los rodamientos, montados en el eje, sostienen al rotor y le permiten girar. • El ventilador, también montado en el eje, se usa para refrigerar el motor.

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Partes del motor de inducción

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Características de los motores NEMA

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Introducción • En los EEUU, NEMA tiene estándares para motores y generadores; en la publicación NEMA MG1. • Estos estándares tienen clasificados a los motores jaula de ardilla de acuerdo a su corriente y par de rotor bloqueado, par máximo, par mínimo y deslizamiento. • Las cuatro clases de diseño principales son A, B, C y D. 25

Clase de diseño • La diferencia principal es la cantidad de inductancia y resistencia del rotor que cada una posee. Una mayor resistencia del rotor eleva el par de arranque, pero disminuye el par máximo, la eficiencia general y la aumenta el deslizamiento. • El NEMA A frecuentemente no es empleado. El NEMA B es el más utilizado. Los NEMA C y NEMA D son empleados para aplicaciones especiales. 26

Tipos de rotores

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Motor de diseño estándar • Un motor debe poder desarrollar elevado torque para arrancar, acelerar y operar la carga a la velocidad nominal. Empleando un ejemplo anterior de un motor de 30 HP, 1765 RPM, el torque puede ser calculado como sigue.

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Curva Par-Velocidad • Un gráfico, muestra la relación entre la velocidad y el torque que el motor produce a partir del momento del arranque hasta que el motor alcanza el torque de plena carga a la velocidad nominal, de un motor NEMA B. 29

Torque de arranque • Torque de arranque (punto A en la gráfico) también es conocido como torque de rotor bloqueado. Este torque es desarrollado cuando el rotor está detenido manteniendo la tensión y frecuencia nominal. Cuando el voltaje y la frecuencia nominal se aplican al estator hay un breve tiempo antes de que el rotor gire. En este instante un motor de la NEMA B desarrolla aproximadamente 150% de su torque nominal. 30

Torque de arranque

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Torque máximo • La atracción magnética del campo magnético giratorio causará que el rotor acelere. Mientras que el motor la velocidad levanta ,el torque disminuye levemente hasta que alcanza el punto B en el gráfico. A medida que la velocidad continúa aumentando desde el punto B al punto C el torque aumenta hasta que alcanza lo máximo hasta aproximadamente 200%. Si el motor fuera sobrecargado más allá de su capacidad de torque, se atascaría o giraría muy lentamente en este punto. Este punto C de torque máximo también, se le conoce como torque de quiebre o de límite de estabilidad. 32

Torque máximo

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Torque de plena carga • Mas allá del punto C el torque disminuye rápidamente mientras que la velocidad aumenta, hasta que se alcanza el torque de plena carga a una velocidad cercana a la síncrona. El torque de plena carga es el torque desarrollado cuando el motor está funcionando a tensión, frecuencia y carga nominal. • Los motores NEMA diseño B son para fines generales donde se requieran arranque y torque normal, como son transportadores, ventiladores, bombas centrífugas, y máquinas herramientas. 34

Torque de plena carga

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Corriente de arranque y nominal • La corriente de arranque también se conoce como corriente de rotor bloqueado, y se mide en la línea de alimentación a la tensión y frecuencia nominal cuando el rotor está detenido. La corriente a carga plena es la corriente medida en la línea de alimentación a la tensión, frecuencia y carga nominal y velocidad estable. La corriente de arranque típicamente es 600650% de la corriente de plena carga en un motor NEMA B. La corriente de arranque disminuye a la corriente nominal conforme el rotor aumenta su velocidad. 36

Corriente de arranque y nominal

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Curvas Par-Velocidad • A continuación trataremos de las curvas Par-velocidad de las principales clases de diseño NEMA para un motor de 4 polos y 20 HP de potencia. • La curva de guiones representa los valores mínimos NEMA y la curva sólida representa el motor típico de un fabricante. 38

Clase de diseño A • Este tiene un rotor de resistencia muy baja y baja inductancia, por lo tanto el par de arranque es bajo, y el par máximo es alto. • La corriente de arranque es elevada. • Es más eficiente que los clase de diseño B, C y D. • Su deslizamiento a plena carga es aproximadamente del 3%.

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Clase de diseño A

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Clase de diseño B • Su rotor tiene más alta impedancia, produciendo un par de arranque ligeramente mayor y un par máximo menor. Su corriente de arranque es menor que el clase de diseño A. • Su deslizamiento de plena carga es aproximadamente del 5%. • Es el más común de la industria. 41

Clase de diseño B

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Clase de diseño C • Es una combinación de los clase de diseño A y D. • Su rotor es doble jaula, siendo la jaula exterior (de mayor resistencia y baja inductancia) la de arranque y la jaula interior (de baja resistencia y alta inductancia) la de trabajo. • Durante el arranque la frecuencia es máxima en el rotor y la inductancia representa una porción grande de la impedancia del rotor. Es por ello que la mayor parte de la corriente fluye por la jaula exterior de alta resistencia produciendo un alto par de arranque. 43

Clase de diseño C • A medida que el motor aumenta su velocidad, la frecuencia en el rotor disminuye y el flujo de corriente es mayor por la jaula interior. • En condiciones nominales la mayor parte de la corriente fluye por la jaula interior. • Su deslizamiento a plena carga está entre el 3 y el 5%.

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Clase de diseño C

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Clase de diseño D • Tiene el rotor de más alta resistencia para tener un par de arranque máximo. • Debido a ello su eficiencia es baja y su deslizamiento es alto en operación normal. • Están disponibles con dos rangos de deslizamiento: 5 a 8% y 8 a 13%. Los motores de más alto deslizamiento producen mayor par de arranque, pero los de menores deslizamiento tienen mayor capacidad de sobrecarga instantánea. 46

Clase de diseño D

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Comparación entre las clases de diseño A, B, C y D

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Especificaciones del motor

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Datos de placa • Los datos de placa de un motor proporciona información importante necesaria para su selección y aplicación. • La siguiente gráfica muestra por ejemplo la placa de datos de un motor AC de 30 HP. • Se dan las características técnicas de plena carga y condiciones de operación así como la protección y eficiencia del motor. 50

Datos de placa de un motor

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Tensión y corriente • Los motores de AC se diseñan para funcionar a voltajes y frecuencias nominales. • Este motor está diseñado para el uso en sistemas de 460 VAC. • La corriente a plena carga para este motor es de 34,9 amperios.

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Velocidad (n) • La velocidad base es la velocidad del dato de placa, dado en r.p.m., donde el motor desarrolla su potencia nominal a la tensión y frecuencia nominal. • Es una indicación de cuán rápido el eje de salida girará al equipo conectado cuando está cargado completamente cuando se aplica la tensión y frecuencia apropiada. 53

Deslizamiento (s) • La velocidad base de este motor es 1765 r.p.m. en 60 Hz. Se sabe que la velocidad síncrona de un motor 4 polos es 1800 r.p.m. Cuando el motor está cargado completamente el deslizamiento es del 1,9%. Si el equipo conectado está funcionando con una carga menor que la plena, la velocidad de la salida (RPM) será ligeramente mayor que el placa de identificación. 1800  1765 s 100 1800 s  1,9%

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Factor de servicio (fs) • Un motor diseñado para funcionar a sus HP nominales de la placa de datos tiene un factor del servicio de 1,0. Esto significa que el motor puede funcionar en el 100% de HP nominales. Algunas aplicaciones pueden requerir un motor que exceda los HP nominales. En estos casos un motor con un factor del servicio de 1,15 puede ser especificado. • El factor del servicio es un multiplicador que se puede aplicar a la potencia nominal. 55

Factor de servicio (fs) • Un motor con factor de servicio 1,15 puede funcionar un 15% más alto que los HP nominales. Un motor de 30 HP con factor de servicio 1,15, puede funcionar a 34,5 HP. Debe observarse que cualquier motor que funciona continuamente con un factor de servicio mayor a 1 tendrá una expectativa de vida útil reducida comparada si funcionaría a la potencia nominal. Además, las características de funcionamiento tales como, velocidad y corriente de plena carga, serán afectadas.

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Clase de aislamiento • La asociación nacional de fabricantes de material eléctrico (NEMA) ha establecido clases de aislamiento para resolver los requisitos de la temperatura del motor encontrados en diversos ambientes de funcionamiento. Las cuatro clases de aislamiento son A, B, F, y H. La Clase F es la comúnmente usada. La clase A se utiliza raramente.

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Clase de aislamiento • Antes de que se encienda un motor, sus bobinas están en la temperatura de medio circundante. Esto se conoce como temperatura ambiente. NEMA ha estandarizado una temperatura ambiente de 40° C, o 104° F dentro de un rango de altitud definido para todo las clases de motores.

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Clase de aislamiento • La temperatura se elevará en el motor tan pronto como se arranque. Cada clase de aislamiento tiene una elevación permisible de temperatura. La combinación de la temperatura ambiente y de la elevación permitida de la temperatura es igual a la temperatura máxima de la bobina del motor. Un motor con aislamiento la clase F, por ejemplo, tiene una elevación de temperatura máxima de 105° C cuando está funcionado en un factor de servicio 1,0. 59

Clase de aislamiento • La temperatura máxima de la bobina es 145° C (40°C ambiente más la elevación de 105°C). Se permite proporcionar un margen para un punto en el centro de las bobinas del motor donde es más alta la temperatura. Esto se refiere como el punto caliente del motor.

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Clase de aislamiento

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Sobretemperatura • La temperatura de funcionamiento de un motor es importante para la operación eficiencia y vida útil. El funcionamiento de un motor sobre los límites de la clase de aislamiento reduce la expectativa de vida del motor. Un incremento de 10° C en la temperatura de funcionamiento puede disminuir la expectativa de vida del aislamiento del motor tanto como en un 50%.

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Clase de diseño • La asociación nacional de los fabricantes de material eléctrico (NEMA) ha establecido los estándares para la construcción y el funcionamiento del motor. • Motor NEMA con diseño clase B son los más comúnmente empleados.

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Eficiencia (). • La eficiencia del motor AC se expresa como porcentaje. Es una indicación de cuánta entrada de energía eléctrica se convierte en energía mecánica a la salida. La eficiencia nominal de este motor es 93,6%. Es la eficiencia más alto.

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Eficiencia () • Un motor de 30 HP con 93,6% de eficiencia consumiría menos energía que un motor de 30HP con una eficiencia nominal del 83%. Esto puede significar ahorros significativos en el costo de la energía. • Una temperatura de funcionamiento más baja, una vida útil mayor, y niveles de ruidos más bajos son ventajas típicas de los motores de alta eficiencia. 65