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Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

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Unidad

FORMACI‡N PROFESIONAL A DISTANCIA

CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO

Máquinas de Inducción

MÓDULO Electrotecnia

Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR Título del Módulo: ELECTROTECNIA Dirección:

Dirección General de Formación Profesional. Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente. Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera Autor: Romualdo Pérez Fernández

Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias Coordinación: Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Ramón García Rosino Luis Miguel Llorente Balboa de Sandoval José Manuel Álvarez Soto Estructuración y desarrollo didáctico: Isabel Prieto Fernández Miranda Diseño y maquetación: Begoña Codina González Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso Sofía Ardura Gancedo Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: 84-690-1473-0 Depósito Legal: AS-0593-2006 Copyright: © 2006. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo 1/2.996, de 12 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que “se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes”. Esta publicación tiene fines exclusivamente educativos. Queda prohibida la venta de este material a terceros, así como la reproducción total o parcial de sus contenidos sin autorización expresa de los autores y del Copyright.

Unidad

10 Máquinas de Inducción

Sumario general Objetivos ..............................................................................................

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Conocimientos ......................................................................................

5

Introducción ..........................................................................................

6

Contenidos generales ............................................................................

6

Máquinas eléctricas ............................................................................

7

Motores trifásicos de inducción: aspectos físicos ................................. 11 Motores trifásicos de inducción: funcionamiento y característica ................ 17 Motores trifásicos de inducción: métodos de arranque ............................ 36 Motores trifásicos de inducción: variación de velocidad ......................... 53 Motores monofásicos de inducción ..................................................... 59 Resumen de contenidos ........................................................................ 66 Autoevaluación ..................................................................................... 68 Respuestas de actividades ..................................................................... 70 Respuestas de autoevaluación ............................................................... 75

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Módulo: Electrotecnia

Objetivos

Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:

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Entender el principio de funcionamiento de un motor de inducción.

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Diferenciar las distintas velocidades de un motor de inducción. Describir el comportamiento de un motor ante variaciones de carga. Diferenciar los distintos métodos de arranque y su utilización. Diferenciar los distintos métodos de variación de velocidad y su utilización. Describir los diferentes tipos de motores monofásicos de inducción.

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Conocimientos que deberías adquirir CONCEPTOSS • Velocidad de sincronismo. • Campo magnético giratorio. • Inductor e inducido. • Deslizamiento. • Par electromagnético. • Par de carga. • Par e intensidad de arranque. • Devanados principal y auxiliar.

PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS • Realización del conexionado en estrella y en triángulo de los devanados de un motor trifásico en función de la tensión de la red. • Realización precisa y segura del conexionado para la realización de ensayos, con especial atención a las partes móviles del motor. • Descripción, a partir de las lecturas de los aparatos de medida, de las características de los motores.

ACTITUDESS • Cumplimiento de la normativa de seguridad de los laboratorios donde se realizan los ensayos.

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Introducción

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Los fenómenos físicos encargados de explicar el funcionamiento de los motores ya los hemos visto en la unidad didáctica 4 ≈Fenómenos Electromagnéticos∆, por ello te recomendamos que repases dicha unidad antes de abordar el estudio de la que se presenta a continuación. Los motores de inducción presentan la particularidad de que las intensidades necesarias para producir fuerzas de giro, son inducidas en la parte giratoria de la máquina, llamada rotor. Por tanto, es suficiente con conexionar el motor a la red eléctrica para obtener un campo magnético, y el resto del proceso viene por sí solo, lo cual facilita mucho la utilización y explotación de estos motores. Sin embargo, el ≈talón de Aquiles∆ siempre fue el margen de variación de velocidad que se podía obtener. Actualmente, gracias al desarrollo de la electrónica de potencia, este problema se ha solucionado a un precio asequible, lo cual convierte a los motores de inducción en reyes indiscutibles del mercado. La inmensa mayoría de motores industriales/comerciales (bombas, compresores, ventiladores, trenes de laminación, trenes de transporte de viajeros de RENFE y FEVEº) y domésticos (neveras, lavadoras, etc.) son motores de inducción.

Contenidos generales En esta unidad estudiaremos los motores de inducción, tanto monofásicos como trifásicos y sus sistemas de accionamiento más comunes.

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Máquinas eléctricas Se puede definir una máquina eléctrica como cualquier dispositivo que realice una transformación de energía eléctrica, siempre y cuando medie en esta transformación un campo magnético. Las máquinas eléctricas se dividen en estáticas y rotativas. Las estáticas son los transformadores que estudiamos en la unidad didáctica 9 ≈Trans-

formadores∆. Las rotativas, como su nombre indica, disponen de una parte móvil susceptible de girar alrededor de un eje y, pueden ser motores o generadores de energía eléctrica.

Máquinas eléctricas rotativas Las máquinas eléctricas rotativas son dispositivos reversibles, pueden funcionar como motor o como generador. En el esquema de la derecha se refleja que un motor absorbe energía eléctrica que transforma en energía mecánica (o energía de movimiento), mientras que un generador absorbe energía mecánica que transforma en eléctrica.

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Módulo: Electrotecnia

En un motor por tanto, producimos movimiento a partir de la energía eléctrica de la red y, a un generador le producimos nosotros el giro (mediante una turbina hidráulica, una turbina de gas, un motor de gasoil, un molino de viento, etc.) para que este genere una fuerza electromotriz, f.e.m., que alimenta a una red eléctrica.

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Desde el punto de vista constructivo y funcional, las partes constituyentes de las máquinas eléctricas son las siguientes:

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En el inducido son dos los efectos que puede producir el campo magnético y que ya estudiaste en la Unidad Didáctica 4 ≈Fenómenos Electromagnéticos∆: Si por los conductores del inducido circula intensidad, se inducen en ellos fuerzas que producen el giro (motor). Si los conductores del inducido ≈ven∆ flujo variable, se induce en ellos una f.e.m. (generador).

∂Cómo se corresponden el estator y el rotor con el inductor y el inducido? Esta correlación depende del tipo de máquina eléctrica. De todas formas la disposición más habitual se refleja en el esquema siguiente:

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Motores eléctricos En el siguiente esquema puedes ver la gran variedad de motores eléctricos que existen actualmente en el mercado.

No obstante desde el punto de vista de su utilización en aplicaciones industriales, los líderes indiscutibles son los motores trifásicos de inducción (asíncronos), que estudiaremos en esta unidad. Los motores trifásicos de inducción se alimentan directamente en AC, tienen buen rendimiento, alta estabilidad, fácil conexionado y gracias a la electrónica de potencia desarrollada actualmente, se pueden realizar regulaciones de velocidad y accionamientos muy precisos. En aplicaciones de refrigeración y climatización, estos motores se encargan del accionamiento de los compresores en los circuitos de fluido, tanto a nivel industrial y comercial (trifásicos) como doméstico (monofásicos). Los motores de AC síncronos debido a sus limitaciones en cuanto a regulación de velocidad, se utilizan solamente en aplicaciones industriales muy específicas. Una de ellas son las centrales hidráulicas de bombeo, en donde está máquina síncrona funciona alternativamente como generador y como motor.

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Los motores de corriente continua están quedándose obsoletos en la actualidad debido a las ventajas citadas de los motores de inducción, sobre todo desde los avances tecnológicos en cuanto a regulación de velocidad. El resto de motores se utilizan en aplicaciones muy concretas y normalmente en bajas potencias.

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Generadores eléctricos

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Motores trifásicos de inducción: aspectos físicos Los motores como todas las máquinas eléctricas rotativas, presentan un estator y un rotor. El estator es el responsable del campo magnético, y en el rotor se plasman las consecuencias de la acción magnética. La configuración del devanado del estator y el tipo de rotor, diferencian los diversos tipos de motores e influyen en características tan importantes como la velocidad de giro, la potencia, etc.

El estator El estator de un motor de inducción es el inductor, es decir el encargado de crear el campo magnético. El inductor está formado por los siguientes circuitos: Circuito magnético: tambor con forma cilíndrica y ranurado, formado de chapas de Fe aleado al Si, aisladas entre sí con Carlite, para reducir las pérdidas por corrientes parásitas. La misión de las ranuras es alojar a los conductores de los devanados. Circuito eléctrico: formado por tres devanados monofásicos que al conexionarlos en estrella o triángulo, forman un devanado trifásico. En su concepción más elemental, estos devanados son tres bobinas desfasadas 120o. Cada bobina está formada por dos conductores diametralmente opuestos (bobina de paso diametral) y el estator precisa entonces de 6 ranuras para alojarlos (Fig. 1).

Fig. 1: Devanado estatórico elemental.

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De esta forma se desaprovecha la capacidad del estator puesto que solamente son necesarias 6 ranuras para 3 bobinas. En los devanados reales la disposición es muy distinta: El número de ranuras es normalmente 24, 36, 48, etc. Las bobinas no son de paso diametral.

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Cada devanado monofásico está formado de varias de estas bobinas conectadas en serie.

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Constructivamente las bobinas dependen del tipo de motor, diferenciando entre motores de BT (1.000 V): Motores de BT: las bobinas son de hilo esmaltado, de tal forma que este baño aislante garantiza el aislamiento entre ellas. (Fig. 2) Motores de MT: las bobinas son preformadas con pletinas de cobre aisladas con materiales orgánicos apropiados (poliamida, fibra de vidrio, etc.). (Fig. 2).

Motor de BT Devanado de hilo esmaltado

Cabeza de bobina

Motor de MT Devanado de preformado

Conductores de la bobina. Se alojan en las ranuras

Fig. 2: Devanados de hilo esmaltado y preformados.

Extremos de bobina para conexiones

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El rotor Es la parte giratoria y el inducido en los motores de inducción. Está formado por: Circuito magnético: formado de chapas de Fe aleado al Si, aisladas entre sí con Carlite, para reducir las pérdidas por corrientes parásitas. Circuito eléctrico: formado por un devanado trifásico. En función de la forma constructiva de este devanado, distinguimos entre rotor de jaula de ardilla y rotor bobinado.

o Rotor de jaula de ardilla La forma constructiva del devanado es realmente peculiar. Los conductores del rotor son barras de aluminio fundido, cortocircuitadas en sus extremos mediante anillos, que también son de aluminio. El conjunto forma una estructura que recuerda a una ≈jaula de ardilla∆, de ahí su denominación. La jaula a su vez se encuentra embebida en la masa ferromagnética del rotor, que dispone de ranuras para alojar los conductores (Fig. 3). Observa que el rotor de jaula de ardilla, no presenta conexiones eléctricas con el exterior, entonces ∂cómo es posible que circule intensidad por las barras rotóricas, sin conectarlas a ninguna toma de tensión? La respuesta la encontrarás más adelante.

Fig. 3: Rotor de jaula de ardilla.

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Se comprobó experimentalmente que el motor presenta menos vibraciones y más estabilidad si las barras rotóricas se inclinan respecto al eje de la jaula (Fig. 4). Existen además otras disposiciones constructivas, como los rotores de doble jaula o de ranuras profundas, para mejorar el par electromagnético suministrado por el motor en el arranque (Fig. 4).

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Fig. 4: Otros tipos de jaula de ardilla rotórica.

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Para que te hagas una idea más exacta del ensamblaje entre la carcasa del motor, el estator con sus ranuras y devanados y el rotor de jaula, puedes ver la Fig. 5.

Fig. 5: Cortes de un motor de jaula de ardilla.

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o Rotor bobinado o devanado

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La principal diferencia es que los conductores provienen de un devanado trifásico de hilo esmaltado, similar a los devanados estatóricos. Un extremo de cada devanado se conecta en estrella, y el otro se conecta con el exterior mediante tres anillos que rozan con tres escobillas. En el exterior hay que conectar en estrella mediante cables, para cerrar el circuito rotórico (Fig. 6). En vista de estas conexiones y del rozamiento anillos-escobillas, estos motores necesitan un mantenimiento del que carecen los de jaula.

Fig. 6: Rotor bobinado - aspecto y circuito.

En motores de rotor bobinado de gran potencia, se conectan durante el arranque resistencias al rotor, para aumentar el par de arranque, que posteriormente se cortocircuitan. Este sistema de arranque al igual que los motores de rotor bobinado, está actualmente obsoleto.

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Ante todo debes saber que este tipo de rotores está actualmente extinguiéndose y que el 95% de los motores de inducción son actualmente de jaula de ardilla; no obstante es necesario que los conozcas.

a

∂Qué crees que pasaría si conectamos el estator a la red y se nos olvidan las conexiones rotóricas externas?

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Motores trifásicos de inducción: funcionamiento y características Los motores de inducción presentan la particularidad de que las intensidades necesarias para producir fuerzas de giro son inducidas en el rotor. Por tanto, es suficiente conexionar el motor a la red eléctrica para obtener un campo magnético giratorio, y el resto del proceso viene por sí solo; lo cual facilita mucho la utilización y explotación de estos motores. La velocidad de giro del rotor y su capacidad para producir par de giro, van ligadas en la ≈curva de par∆ del motor.

El campo magnético giratorio En los motores trifásicos de inducción el estator es la parte que crea el campo magnético y, el rotor es donde se origina el par de fuerzas causante del giro. El estator está constituido por un devanado trifásico, es decir por tres devanados monofásicos desfasados 120≥ en el espacio. Al conectarse el devanado a una red trifásica equilibrada, las intensidades absorbidas son también trifásicas equilibradas. Esto da lugar a un campo magnético giratorio, que presenta las siguientes características: Su inducción magnética (B) es constante respecto al tiempo y, depende de la tensión y de la frecuencia de la red trifásica. Su número de polos depende de la configuración de las bobinas del devanado y del número de ranuras del estator. La velocidad de giro depende del número de polos del devanado estatórico y de la frecuencia de la red: Donde: Ns: velocidad del campo giratorio, vel. de sincronismo, en rpm. Ns =

60 × f P

f: frecuencia en Hz. P: número de pares de polos del devanado estatórico.

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Ten en cuenta que el estator es la parte estática de la máquina y que por tanto no gira; lo que sí gira es el campo magnético creado por su devanado trifásico.

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En la figura 7 puedes ver un campo magnético giratorio de un motor de 4 polos, donde los dos polos N están en color azul y en rojo los dos polos S. El conjunto se comporta como un imán giratorio. Observa como los polos penetran en el rotor.

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Fig. 7: Campo giratorio de 4 polos.

La frecuencia de las redes eléctricas es en Europa 50 Hz, de tal forma que las velocidades de sincronismo más habituales de los motores de inducción son las siguientes: polos Æ P = 1 Æ

Ns =

60 × 50 = 3.000 rpm 1

4 polos Æ P = 2 Æ

Ns =

60 × 50 = 1.500 rpm 2

6 polos Æ P = 3 Æ

Ns =

60 × 50 = 1.000 rpm 3

8 polos Æ P = 4 Æ

Ns =

60 × 50 = 750 rpm 4

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Supongamos un campo magnético de 4 polos, su velocidad de sincronismo es 1.500 rpm. Es fácil calcular que el tiempo que invierte en una vuelta son 40 (ms). En la figura 8 puedes ver la posición de los polos de campo (2 norte y 2 sur) para los tiempos de 0 ms, 10 ms (1/4 de vuelta) y 20 ms (media vuelta).

Fig. 8: Movimiento de un campo giratorio de 4 polos y 1500 rpm.

Un devanado trifásico crea un campo giratorio de inducción magnética constante, cuyo número de polos depende de su diseño y cuya velocidad se llama velocidad de sincronismo, NS.

Principio de funcionamiento Ya sabemos que existe un campo magnético giratorio, es decir un imán artificial ≈que da vueltas∆. Pero, ∂para qué nos sirve? Observa la figura 9.

Fig. 9: Principio de funcionamiento.

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En la figura 9 puedes ver un imán y una manivela que nos permite hacerlo girar a una velocidad que llamaremos NS (velocidad de sincronismo). Entre los polos del imán podemos ver a la izquierda una aguja imantada (otro imán) y a la derecha una pieza metálica. En ambos casos, si accionamos la manivela y giramos el imán, podemos observar como la pieza interior también gira a una velocidad que llamaremos Nr.

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Sin embargo hay una diferencia fundamental:

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En el caso de la izquierda, la aguja imantada gira a la misma velocidad que el imán exterior, por tanto, se cumple que Nr = NS. Se dice que hay sincronismo y tenemos un motor síncrono. En el caso de la derecha, la aguja gira a menos velocidad que el imán exterior, por tanto, se cumple que Nr < NS. Se dice que no hay sincronismo y tenemos un motor asíncrono. Ya tenemos ante nosotros un motor. Pero ∂por qué se produce el giro? En ambos casos la pieza central ve un ≈campo magnético variable∆ puesto que este está girando a su alrededor. Esto origina corrientes parásitas y la interacción entre el campo giratorio y estas corrientes, da lugar al giro. En esta unidad estudiamos los motores asíncronos que también se llaman ≈de inducción∆. En estos la pieza metálica de la Fig. 9 es el rotor y en él, se inducen las corrientes necesarias para producir el giro; es decir el rotor de los motores de inducción no se conecta a ninguna red eléctrica, porque las

El rotor de los motores de inducción, no se conecta a ninguna red eléctrica, porque sus corrientes son inducidas por el campo giratorio.

El principio de funcionamiento de los motores de inducción o motores asíncronos, sigue los siguientes pasos: 1. Se conecta el estator a la red trifásica y se origina un campo giratorio de velocidad NS (velocidad de sincronismo). 2. Los conductores del rotor ≈ven∆ un flujo variable puesto que el campo magnético está girando, por tanto se induce en ellos una fuerza electromotriz, f.e.m.

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3. Si los conductores del rotor forman un circuito cerrado, se inducen corrientes rotóricas. 4. La interacción entre el campo magnético y las corrientes rotóricas produce el par de fuerzas responsable del giro, con lo cual el rotor comienza a girar a una velocidad Nr inferior a la del campo magnético (Nr < NS).

Motor asíncrono

Sistema Sistema Trifásic Trifásico

Estator

Devanado trifásico alimentado con sistema trifásico de tensiones

Rotor

Conductores en cortocircuito

Conexión al

Campo giratorio (Ns)

Circulación de corriente por los conductores del rotor

FEM inducida por el campo giratorio en los conductores del rotor

Fuerza sobre los conductores del rotor

Giro de la máquina (Nr Mmotor = Mcarga

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Curvas de par y de intensidad En la figura 12 (página 28) puedes ver la curva del par motor (M) y de intensidad (I) (intensidad estatórica absorbida de la red), en función de la velocidad del motor (Nr). Recuerda que la velocidad de sincronismo del campo giratorio (Ns) es constante. Vamos a analizarlas punto a punto, tomando como referencia el punto 1, que es punto nominal: Punto 1: es el punto de funcionamiento nominal. La velocidad es alta y el deslizamiento bajo, como ya viste el la Tabla1 del apartado anterior. Como es lógico en este punto la intensidad es la nominal, luego el motor está preparado para soportarla indefinidamente sin calentamientos excesivos. Punto 2: en este punto el motor debe de producir un par mayor (porque la carga ≈pesa más∆), lo que supone más consumo de intensidad. La velocidad es más baja y el deslizamiento mayor. El motor está sobrecargado y los calentamientos pueden ser peligrosos si la situación se mantiene durante mucho tiempo. Además estos calentamientos suponen una pérdida de energía, luego el rendimiento en este punto es malo. Punto 3: el par y la intensidad son aún mayores que en el punto 2, luego el motor está muy sobrecargado corriendo peligro de quemarse. La velocidad es más baja y el deslizamiento mayor. Punto 4: es el punto de par máximo, donde la intensidad es elevadísima, al igual que los calentamientos. La velocidad es más baja que en el punto 3 y el deslizamiento mayor. El motor no puede permanecer en este punto porque se quemaría rápidamente.

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Punto 5: es el punto de arranque, cuando el motor está conectado a la red pero la velocidad del rotor aún es cero. El deslizamiento será: S arranque (%) =

N S − Nr N −0 × 100 = S × 100 = 100% NS NS

La intensidad en el arranque es la máxima del motor. Los valores de esta intensidad y del par de arranque dependen del tipo de motor (en los motores de jaula simple, no son elevados). En la tabla 2 puedes ver los valores típicos con respecto al punto nominal.

MOTOR DE JAULA NORMAL

MOTOR DE DOBLE JAULA

MOTOR CON RANURA PROFUNDA

Iarra / In

Marra / Mn

Iarra / In

Marra / Mn

Iarra / In

Marra / Mn

4-7

0,8 - 2

3,3 √ 5,5

1-2

4 √ 4,8

1,2 √ 1,5

Tabla 2: Valores de intensidad y par de arranque típicos de los motores de inducción.

Punto 6: funcionamiento en vacío, sin carga mecánica acoplada al eje. El motor solo tiene que vencer los rozamientos, luego la velocidad es muy elevada (próxima a la de sincronismo). La intensidad por este motivo es la mínima del motor. Sería equivalente en el ejemplo anterior, a quitar la pesa y tirar de la barra; solo habría que vencer el rozamiento del cable con la polea. El deslizamiento es muy bajo.

Ejemplo Ns = 1.500 rpm Nr (vacío) = 1.490 rpm

S vacío =

1.500 − 1.490 × 100 = 0,66 % 1.500

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M (Nm) 4

M máximo

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3

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M arranque

5

M nominal M vacio

2

1

S

6

Nr (rpm) I (A)

I arranque

I nominal I vacío

S Nr (rpm)

Fig. 12: Curvas de par y de intensidad.

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Arranque y punto de funcionamiento del motor Como viste antes en el ejemplo de la pesa de 50 kg, inicialmente hay que aplicar algo más de 50 kg para vencer la inercia. En los motores pasa lo mismo en el arranque; para que un motor pueda arrancar, el par de arranque debe ser superior al par resistente de la carga. Cuanto más superior sea, más rápidamente alcanzará la velocidad de funcionamiento. Condición de arranque √> Marranque > Mcarga Fíjate en la figura 13 donde tenemos un motor de 2 polos y 3.000 rpm de velocidad de sincronismo. En el arranque el par del motor supera al resistente, luego el motor arrancará. El punto de funcionamiento del motor será la intersección entre la curva de par del motor y el valor del par resistente de la carga; este punto es el punto 2 donde la velocidad es 2.900 rpm. Luego el motor acelera desde 0 hasta llegar a 2.900 rpm, permaneciendo a esta velocidad hasta que ocurra algún cambio en sus condiciones de trabajo.

M (Nm) M máximo

M arranque

2

se produce el arranque

M carga Punto de funcionamiento M nominal

1 Punto Nominal

S 2900 rpm

3000 rpm

Nr (rpm)

2935 rpm

Fig. 13: El motor funciona en el punto 2.

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Observa el punto 1 o punto nominal, cuya velocidad es 2.935 rpm. ∂Qué diferencias hay entre el punto de trabajo de nuestro motor (punto 2) y el punto nominal? El motor genera más par y gira más despacio en el punto 2. Por este motivo, absorbe algo más de intensidad que el en punto nominal (ver figura. 13), luego está ligeramente sobrecargado.

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El deslizamiento en el punto 2 es mayor:

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Spto 2 (%) =

3.000 − 2.900 × 100 = 3,33% 3.000

Spto 1=nominal (%) =

3.000 − 2.935 × 100 = 2,16 % 3.000

Al consumir más intensidad, presenta más pérdidas de calor y menos rendimiento. Después de esta comparativa, obtenemos una conclusión muy interesante sobre el funcionamiento de los motores:

Si aumenta Mcarga

{

disminuye la velocidad

aumenta la intensidad

aumenta el deslizamiento

aumenta las pérdidas

disminuye el rendimiento

Nuestro motor está ligeramente sobrecargado, consumiendo algo más de intensidad que la nominal. ∂Es esto peligroso? ∂Corre riesgo de quemarse? No si la sobrecarga es ligera, porque los fabricantes diseñan los motores con la capacidad de sobrecargarse en un 125 % aproximadamente, durante un determinado tiempo, sin que los calentamientos sean excesivos. Ante sobrecargas mayores entonces la vida del motor corre serio peligro y serán las protecciones las que deban de actuar y desconectarlo de la red.

Unidad

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Un motor trifásico de inducción presenta buenas características a velocidades altas y deslizamientos bajos. Por encima del punto nominal se puede sobrecargar en un 125 % durante un tiempo, sin que los calentamientos sean peligrosos.

Rendimiento Como sabes el motor absorbe potencia activa eléctrica de la red y la convierte en potencia mecánica de movimiento. Sin embargo se deja en el camino parte de la potencia, que se transforma en calor (pérdidas). En la figura 14 puedes ver un balance de potencia en un motor de inducción.

Fig. 14: Balance de potencia.

El rendimiento es por tanto:

η(%) =

Pmec × 100 Pelec

El rendimiento depende del punto de funcionamiento del motor. El valor típico en el punto nominal es 80 % y disminuye al aumentar el deslizamiento y sobrecargarse el motor.

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a

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∂Por qué crees que los motores tienen peor rendimiento que los transformadores? Justifica tu respuesta.

Características nominales y conexionado Son las características de funcionamiento cuando trabaja en el punto nominal y son las óptimas del motor. Las podemos ver en la placa de características que llevan todos los motores (Fig. 15).

Fig. 15: Placa de características de un motor trifásico.

Unidad

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En la unidad didáctica 7 ≈Sistemas Polifásicos∆ ya estudiaste la doble posibilidad de conectar los receptores trifásicos, tanto en estrella como en triángulo, en función de la tensión nominal de la red. Recuerda que de las dos tensiones, la mayor corresponde a la estrella y la pequeña al triángulo. Además la disposición de bornes en la caja es la que puedes recordar en la figura 16.

Fig. 16: Caja de bornes y conexiones.

Fig. 17: Caja de bornes en conexión estrella.

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Módulo: Electrotecnia

Las características nominales de los motores que debes tener en cuenta son: Tensiones nominales: son dos valores, el mayor para conectar en estrella y el menor para conectar en triángulo. En la figura 15 son 400/230 V.

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Corrientes nominales: las absorbidas de la red cuando el motor trabaja en el punto nominal, de tal forma que el fabricante garantiza la correcta refrigeración. En la figura 15 son 29/50 A.

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Velocidad nominal: la velocidad de giro del rotor en el punto nominal. Es un valor alto próximo al de sincronismo. En la figura 15 es 2.910 rpm, luego el motor es de 3.000 rpm y dos polos. Potencia mecánica nominal: es la potencia que el motor entrega a la carga mecánica en forma de movimiento, cuando trabaja en el punto nominal. En la figura 15 es 20 CV. También se la llama potencia útil, y se determina en cualquier punto de funcionamiento con la siguiente expresión:

Pmec =

2π M × Nr 60

Donde: Pmec: potencia mecánica entregada a la carga en watios (W). M: par motor en newtons por metro (Nm). Nr: velocidad del motor (rotor) en rev/min (rpm).

Normalmente se expresa en caballos de vapor (CV). Recuerda que: 1 CV = 736 W Par nominal: normalmente no viene en la placa de características, pero lo podemos determinar, aplicando la fórmula anterior de la potencia mecánica, en el punto nominal. Rendimiento nominal: no suele verse en las placas de características y su valor típico es del 80 %. En la placa del motor podemos ver otros detalles prácticos interesantes como el grado de protección (en la figura 15 es IP54), el código de refrigeración y la clase de aislamiento.

Unidad

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4

a

10 Máquinas de Inducción

En la siguiente imagen puedes ver la placa de un motor Siemens. Si se conecta sobre una red de 400 V y 50 Hz, determina: a. El tipo de conexión dibujando la caja de bornes. b. La corriente nominal. c. La velocidad y el deslizamiento nominal. d. La potencia activa nominal, absorbida de la red.

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e. El rendimiento nominal.

a

∂Por qué el motor anterior, si se conecta en EE.UU. a 60 Hz, es más rápido que en Europa?

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Módulo: Electrotecnia

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Motores trifásicos de inducción: métodos de atranque

36

Los motores trifásicos de inducción presentan una intensidad en el momento del arranque del orden de entre 4 y 7 veces la nominal, para motores de jaula sencilla. Esta sobre-intensidad decrece rápidamente conforme el motor adquiere velocidad, hasta estabilizarse en un valor razonable en su punto de trabajo. No obstante esta ≈punta de corriente de arranque∆ provoca caídas de tensión y perturbaciones en la red que puede afectar a otros receptores. El REBT en la instrucción ITC-BT-47, obliga a incorporar sistemas adecuados que limiten la intensidad en el arranque. En esta unidad solo se estudiará el principio teórico de estos sistemas de arranque; el desarrollo práctico de los mismos respecto al mando y control, puedes estudiarlos en el módulo ≈Instalaciones Eléctricas y Automatismos∆.

ITC-BT 47 apdo 6 En general, los motores de potencia superior a 0,75 kilovatios (1 CV) deben estar provistos de reóstatos de arranque o dispositivos equivalentes que no permitan que la relación de corriente entre el período de arranque y el de marcha normal que corresponda a su plena carga, según las características del motor que debe indicar su placa, sea superior a la señalada en el cuadro siguiente (tabla 3):

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Potencia nominal del motor

Constante máxima de proporcionalidad entre la corriente de arranque y la de plena carga

Potencia nominal del motor

Constante máxima de proporcionalidad entre la corriente de arranque y la de plena carga

De 0,75 kW a 1,5 kW

2,5

De 0,75 kW a 1,5 kW

4,5

De 1,5 kW a 5,0 kW

2,0

De 1,5 kW a 5,0 kW

3,0

De más de 5,0 kW

1,5

De más de 5,0 kW

2,0

De más de 15,0 kW

1,5

Tabla 3: Intensidades máximas permitidas en el arranque, según REBT.

Unidad

10 Máquinas de Inducción

En la figura 18 puedes recordar la forma de la curva de intensidad de un motor trifásico asíncrono y observar en ella la elevada corriente en el punto de arranque, donde la velocidad del rotor es 0 rp) y el deslizamiento del 100%.

I (A)

I arranque

corrientes de sobrecarga

I nominal

I nominal

S Nr (rpm)

Fig. 18: Curva de intensidad.

Los sistemas de arranque más habituales para cumplir con el REBT son los siguientes:

Obsoleto

Obsoleto

Se basan en la disminución de tensión en el estator

37

6

ctividad

Módulo: Electrotecnia

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

a

38

Un motor de 3,3 CV e intensidad de arranque 4 veces la intensidad de plena carga, se arranca directamente desde la red ∂es correcto?. Justifica tu respuesta.

En los siguientes apartados vamos a desarrollar los métodos de arranque más usados, prescindiendo de los que actualmente están casi obsoletos.

Arranque directo de la red Como su propio nombre indica, el motor se conecta directamente a la red de su tensión nominal, y con la R conexión adecuada S para dicha tensión T (estrella o triángulo). CP

En el caso de que su potencia supere 1 CV, debe de ser un motor cuya relación IA/IN no supere los valores establecidos por el REBT en ITC-BT- 47 (IA: corriente de arranque). En la figura 19 puedes observar el esquema de un arranque directo.

1

3

5

2

4

6

F0

Seccionador con fusibles

1

3

5

2

4

6

KM

Contactor

F1

Relé térmico U

V

M 3~

W

Motor

Fig. 19: Esquema de arranque directo.

Unidad

10 Máquinas de Inducción

Normalmente el responsable de la conexión entre el motor y la red es un contactor tripolar de la clase AC3 (para cargas inductivas), gobernado por un circuito de mando o control, que puede ser cableado o programable. Aguas arriba es habitual algún dispositivo de corte para aislar el motor de la red; en este caso es un seccionador. Además de aislar el seccionador incorpora fusibles, para la protección frente a cortocircuitos. El relé térmico es un dispositivo de protección frente a sobrecargas de intensidad, producidas por pares de carga mayores del nominal que originan que el motor funcione a menos velocidad, más deslizamiento y más intensidad (Fig. 19). Este dispositivo en el caso de detectar una sobrecarga, desconecta la bobina del contactor y este a su vez, desconecta el motor de la red. Existen también otras alternativas, como el uso de guardamotores, que protegen frente a cortocircuitos y frente a sobrecargas, sustituyendo al seccionador-fusibles y al relé térmico.

Arranque mediante disminución de la tensión en el estator Todos los métodos que vamos a ver en este apartado se basan en disminuir la tensión de alimentación durante el arranque, con lo cual disminuye el flujo del campo magnético estatórico y el motor se convierte en un motor más débil. De esta forma se reducen los valores de par y de intensidad, para los mismos valores de velocidad del rotor (Fig. 20). M (Nm)

Curva a tensión nominal

Curva a menos tensión de la nominal

M

AN

M

A

S Nr (rpm)

Fig. 20: Curvas de motor a diferente tensión (continuación en la página siguiente).

39

Módulo: Electrotecnia

I (A)

I

Curva a tensión nominal

AN

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

IA

40

Curva a menos tensión de la nominal

S Nr (rpm)

Fig. 20 (Continuación): Curvas de motor a diferente tensión.

Puedes observar en la figura como se reduce la intensidad en el arranque (punto de velocidad nula); pero que también disminuye el par, con lo cual, estos métodos pueden no servir ante cargas de elevado par de arranque (cargas a las que cuesta arrancar). Se demuestra matemáticamente que las variaciones del par y de la intensidad con la tensión, en el arranque son las siguientes:

Donde:

⎛ V ⎞ MA ⎟ = ⎜⎜ M AN ⎝ VN ⎟⎠

2

IA V = I AN VN

V: tensión inferior a la nominal. VN: tensión nominal. MA: par de arranque a la tensión V. MAN: par de arranque a la tensión nominal VN. IA: corriente de arranque a la tensión V. IAN: corriente de arranque la tensión nominal VN. Estas ecuaciones quieren decir que la corriente IA disminuye de igual forma que la tensión y el par MA lo hace de forma cuadrática.

Unidad

10 Máquinas de Inducción

Por ejemplo si la tensión se reduce la mitad tenemos:

V = 0,5 ⇒ VN

⎧ IA ⎪ I = 0,5 ⎪ AN ⎨ ⎪ M A = 0,5 × 0,5 = 0,25 ⎪⎩ M AN

7

ctividad

Por tanto, si la tensión disminuye la mitad, IA disminuye la mitad y MA la cuarta parte.

a

Si un método de arranque por disminución de tensión la reduce en un 75%, ∂cuánto disminuyen en porcentaje el par y la corriente de arranque respecto a sus valores a tensión nominal?

o Arranque por resistencias estatóricas en serie Si en el momento del arranque conectamos en serie resistencias, éstas producirán una caída de tensión que consigue que la tensión del motor sea inferior a la nominal. Una vez que este se acerca a la velocidad de funcionamiento, las resistencias se cortocircuitan y el motor queda alimentado a tensión nominal. La secuencia de funcionamiento (Fig. 21) es la siguiente: 1. Se cierra el contactor KM1, quedando el motor a tensión nominal. 2. Tras un tiempo prefijado, se cierra KM2 cortocircuitando las resistencias.

41

Módulo: Electrotecnia

R S T CP

F0

1

3

5

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

guardamotor

42

I> 2

4

6

1

3

5

2

4

6

contactor

KM1

resistencias

1

3

5

2

4

6

KM2

contactor

U

V

W

Fig. 21: Esquema de arranque de resistencias estatóricas.

A. Ventajas Muy sencillo y barato.

B. Desventajas El par de arranque disminuye de forma cuadrática, luego solo es válido ante cargas de bajísimo par de arranque. En la actualidad está casi obsoleto.

Unidad

10 Máquinas de Inducción

o Arranque por autotransformador En este método la reducción de tensión se realiza mediante un autotransformador. Normalmente durante el proceso de arranque el número de espiras del secundario no se varía, por lo que la relación de transformación (rt) es constante, aunque puede regularse de cara a un siguiente arranque en función del par resistente de la carga (Fig. 23). R S T CP 1

F0

3

5

guardamotor

I> 2

4

6

1

3

5

KM1

contactor 2

4

6

1

3

5

2

4

6

KM3 autotrafo 1

3

5

2

4

6

contactor

KM2 contactor

U

V

W

Fig. 22: Esquema de arranque con autotransformador.

43

Módulo: Electrotecnia

La secuencia de funcionamiento es la siguiente (Fig. 23): 1. Se cierra KM1 y KM2, haciéndose la estrella en el secundario del autotrafo y alimentándose el motor a la tensión del secundario (punto 1). El punto de funcionamiento evoluciona desde 1 hacia 2. 2. Tras un tiempo prefijado, se abre KM2 y se cierra KM3 de forma casi simultánea, conectando el motor a su tensión nominal. El motor pasa del punto 2 al 3.

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

3. Finalmente se estabiliza en el punto de funcionamiento (4) a su tensión nominal.

44

M (Nm)

Tensión nominal sin autotrafo

3

M

2 AN

M

1 A

Punto de funcionamiento final

4

Tensión con autotrafo V Potencia nominal del motor Reducción par de arranque

RESISTENCIAS ESTAT‡RICAS

AUTOTRANSFORMADOR

ESTRELLATRIŸNGULO

Regulado a 1 3 1 9

Regulado a 1 3 1 9

1 3 1 3

Tabla 4: Tabla comparativa para distintos arranques.

B. Desventajas El par y la corriente de arranque disminuyen siempre de regulación.

1 3

en , sin posibilidad

Debe utilizarse solo ante cargas de bajo par de arranque.

9

ctividad

No siempre es posible ejecutarlo porque debemos disponer de una red cuya tensión coincida con la tensión nominal más baja del motor. Para un motor de 400/230 V, el arranque Y-∆ debe realizarse sobre una red de 230 V, casi obsoleta hoy en día. Necesitaríamos un motor de 690/400 V.

a

Un motor presenta las siguientes características y se arranca en estrella-triángulo. 400/690 V

5,6/3,2 A

50 Hz

1.450 rpm

cosϕ=0.82

3,5 CV

4 polos

IA=6IN

a. ∂Qué tensión debe de tener la red trifásica de alimentación? b. ∂Cuál es la punta de intensidad en el arranque?

49

Módulo: Electrotecnia

o Arrancadores estáticos

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

El término estático designa a todo aquello construido a base de electrónica de potencia, por tanto podríamos también llamarlos ≈arrancadores electrónicos∆. Se basan también en la disminución del valor eficaz de la tensión que alimenta al motor, al igual que en los métodos vistos. Sin embargo, esta reducción de tensión eficaz la realizan troceando la onda senoidal y no disminuyendo su amplitud (Fig. 27).

50

Reducción de tensión eficaz por disminución de amplitud 150 V eficaces y y y

Se utiliza en los arranques: resistencias estatóricas autotransformador estrella-triángulo

230 V eficaces 150 V eficaces

Reducción de tensión eficaz por recorte de onda Se utiliza en los arranques mediante dispositivos electrónicos 80 V eficaces

Fig. 27: Recorte de onda.

Por tanto, estos arrancadores llamados también ≈choppers∆ trocean la onda senoidal y consiguen alimentar el motor a la tensión adecuada. Además sus circuitos de regulación calculan cual es la evolución apropiada de la tensión para realizar arranques suaves en función del par resistente de la carga.

Unidad

10 Máquinas de Inducción

A. Ventajas Arranques suaves con aceleración programable por el usuario. Los precios de la electrónica de potencia bajaron esta última década, con lo cual su compra es asequible.

B. Desventajas Aunque los arrancadores no son caros, el arranque estrella-triángulo es mucho más barato y en algunas casos suficientemente efectivo. Están siendo eclipsados por los variadores de frecuencia (ver variación de velocidad).

Fig. 29: Arrancadores estáticos.

Inversión de giro Para invertir el giro del motor habrá que invertir el giro del campo magnético creado por el estator; de esta forma el rotor tenderá a seguirlo y girará en sentido contrario. Para conseguirlo, basta con invertir un par de fases cualesquiera de la línea trifásica de alimentación al motor, lo que en la práctica se realiza con dos contactores de conexión a red (tabla 5 y Fig. 29).

Cerrado KM1 Cerrado KM2

R-S-T U-V-W R-S-T U-W-V

Tabla 5: Conexiones para invertir el giro.

51

Módulo: Electrotecnia

R S T CP

F0

1

3

5

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

guardamotor

52

I> 2

4

6

1

3

5

2

4

6

KM1

1

3

5

2

4

6

KM2

contactor KM2

contactor KM1

U

V

W

Fig. 29: Esquema de arranque directo con inversión de giro.

Advertencia de Seguridad: los contactores no pueden cerrarse simultáneamente porque se produciría un cortocircuito entre las fases intercambiadas (V y W en este ejemplo). El control del automatismo debe de prever esta situación, ≈enclavando∆ ambos contactores.

Unidad

10 Máquinas de Inducción

Motores trifásicos de inducción: variación de la velocidad La variación de la velocidad siempre fue el ≈talón de Aquiles∆ en los motores de inducción, puesto que se conseguían márgenes muy bajos y además con mal rendimiento. Sin embargo la ≈explosión∆ de la electrónica de potencia y la bajada de los precios, supuso el empujón definido y la supremacía de estos motores frente a los de continua. Actualmente el 95 % de los motores industriales y el 100% de los motores de trenes, están accionados por variadores de frecuencia.

Por variación de tensión Si variamos el valor eficaz de la tensión estatórica del motor, mediante alguno de los métodos citados en el arranque, se modifica la curva del par, con lo que para una misma carga conseguimos una variación de la velocidad. Supongamos que mediante un autotransformador reducimos la tensión del motor desde el valor nominal hasta un 80 % del mismo. Observa en la siguiente página en la figura 30 la reducida variación de velocidad del punto 1 al 2. El gran inconveniente de este sistema de variación de velocidad está relacionado con el hecho de que los márgenes de variación del mismo son muy pequeños. Además en el punto 2 el deslizamiento es mayor, con lo que aumentan las pérdidas y disminuye el rendimiento. Si disminuimos la tensión por debajo del 80 % de la nominal, el motor perderá mucha capacidad de producir par, con lo cual es posible que no pueda vencer el par resistente de la carga, a riesgo de sobrecargarse o incluso de calarse.

53

Módulo: Electrotecnia

M (Nm)

Curva a tensión nominal

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

Curva al 80% de la nominal

54

M AN

MA margen pequeño

2 1

S Nr (rpm)

Fig. 30: Comparación de velocidades a diferente tensión.

A. Ventajas Actualmente ninguna.

B. Desventajas Márgenes de variación de velocidad muy bajos. Pérdida de par motor. Pérdidas altas y rendimiento bajo.

Por variación de frecuencia o Principio teórico La filosofía del método se basa en modificar la velocidad del campo magnético del estator (Ns), de esta forma y puesto que el rotor le sigue, se modificará la velocidad real del rotor (Nr). Recuerda que: Ns =

60 × f P

Unidad

10 Máquinas de Inducción

Para modificar Ns hay por tanto dos posibilidades: 1. Modificar el número de pares de polos del devanado estatórico (P). 2. Modificar la frecuencia de la red de alimentación (f).

10

ctividad

Aquí nos ocupa la 2≤ posibilidad, modificar la frecuencia. En la práctica esta modificación es una disminución por debajo del valor nominal de frecuencia; es decir una reducción de la frecuencia por debajo de 50 Hz, disminuyendo así las velocidades Ns y Nr.

∂Por qué motivo crees que normalmente no se aumenta la frecuencia por encima de 50 Hz? ∂Tendrá algo que ver con el motor?

a

En la figura 31 podemos ver el resultado de disminuir la frecuencia a 25 Hz en un motor de 4 polos, manteniendo la tensión en su valor nominal. La nueva velocidad de sincronismo (Ns) es por tanto 750 rpm. ∂Ves algo anormal? Curva a 400 V y 25 Hz

M (Nm)

Curva a tensión y frecuencia nominal 400 V y 50 Hz

MA

M AN

S 750 (rpm)

1500 (rpm)

Fig. 31: Comparación de curvas a distinta frecuencia e igual tensión.

55

Módulo: Electrotecnia

Ahora no sólo el motor reduce la velocidad sino que presenta más capacidad de producir par, debido a que el campo magnético estatórico tiene más inducción y más flujo. Sin embargo, este aumento de las características magnéticas por encima de las nominales, produce graves daños (saturación) en los circuitos magnéticos, con lo cual no es viable en la práctica. Por tanto ∂cómo podemos variar la frecuencia sin saturar el circuito magnético?

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

El flujo del campo magnético estatórico es proporcional al cociente entre la tensión y la frecuencia. Esta afirmación queda representada a través de la siguiente fórmula.

56

ΦN = K

VN fN

Donde: ΦN: flujo nominal. VN: tensión nominal. fN: frecuencia nominal. K: constante de proporcionalidad (sin importancia).

Por tanto si queremos reducir la frecuencia sin alterar el flujo, debemos reducir también la tensión en la misma proporción.

El cociente V/f debe de mantenerse constante.

Ejemplo ∂A qué tensión y frecuencia se debe alimentar un motor de 400 V/50 Hz y 2 polos, si se pretende reducir a la mitad de velocidad de sincronismo? El cociente V/f debe ser constante -> VN/fN -> 400/50= 8 NS es 3.000 rpm a 50 Hz. Para reducirla a 1.500 rpm habrá que alimentar a 25 Hz. Por tanto la tensión: V/f=8 -------> V/25 =8 -------> V=200 V

Unidad

10 Máquinas de Inducción

o Curvas de par y velocidad del rotor Al variar la frecuencia y la tensión en la misma proporción por debajo de los valores nominales, la curva de par se desplaza hacia la izquierda sin deformarse y manteniendo el mismo par máximo. La velocidad del rotor (Nr) puede calcularse fácilmente (ante cargas de par resistente constante), puesto que el deslizamiento no varía (Fig. 32).

M (Nm) 200 V y 25 Hz

300 V y 37,5 Hz

400 V y 50 Hz

100 V 12,5 Hz

M carga constante

S 750 (rpm)

S (%)

2225 (rpm)

1500 (rpm) S (%)

S (%)

3000 (rpm)

S (%)

mismo deslizamiento

Fig. 32: Curvas de par variando V y f.

Ejemplo Si el motor del ejemplo anterior gira a 2.900 rpm alimentado a V y f nominal, ∂a qué velocidad gira si alimentamos a 25 Hz y 200 V? El deslizamiento a tensión y frecuencia nominal es: S(%) =

NS − Nr 3.000 − 2.900 X 100 = X 100 = 3,33% NS 3.000

A 25 Hz se conserva el mismo deslizamiento (siempre y cuando el par resistente de carga sea constante), luego:

N2 = 1.500 − (1.500 ×

3,33 ) = 1,500 − 50 = 1,450 rpm 100

57

Módulo: Electrotecnia

o Variadores de frecuencia (y de tensión)

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

A partir de la década de los 90 el precio de los variadores de frecuencia los hizo asequibles en el mercado, de forma que actualmente abundan incluso en la pequeña industria.

58

R S T CP

Red 400 V 50 Hz

Estos dispositivos electróVariador de velocidad nicos ajustan la tensión y la frecuencia de alimentación del motor a valor que deciTension variable Frecuencia variable da el usuario, y además son V/f=cte U V W capaces de regular la velocidad manteniéndola a valor constante e inmune a Motor de inducción las variaciones de carga. Se basan en la conmutación de transistores de potencia Fig. 33: Esquema de conexiones de un variador de frecuencia. y el método de generación tensiones de distinta frecuencia se llama PWM (Modulación de ancho de pulso). En la figura 33 podemos ver el sencillo conexionado de un variador de velocidad.

A. Ventajas Gran rango de variación de velocidad. Velocidad de giro configurable por software desde un PC conectado al variador. No hay pérdida de par. Buen rendimiento. El precio de los variadores es actualmente asequible. Los variadores consiguen el arranque a baja frecuencia limitando la punta de corriente.

B. Desventajas Generan corrientes perjudiciales para la red que alimenta al variador (armónicos).

Unidad

10 Máquinas de Inducción

Motores monofásicos de inducción Los motores monofásicos de inducción si bien no tienen representación a nivel industrial, si que la tienen a nivel doméstico y en el sector servicios. Casi todos los frigoríficos y expositores de frío comerciales de los supermercados están accionados por compresores cuyos motores son monofásicos; lo mismo que las lavadoras domésticas; los portones de los garajes, etc. Podemos considerar los motores monofásicos como los hermanos pequeños de los trifásicos, puesto que comparten con ellos la sencillez del conexionado y el principio de funcionamiento; sin embargo no se pueden comparar en rendimiento energético ni en potencia. En este capítulo veremos: Los motores de fase partida. Los motores de espira de sombra.

Motores de fase partida o Principio de funcionamiento En principio si partimos del concepto de motor de inducción y construimos un motor monofásico de inducción con rotor de jaula de ardilla, obtendríamos una máquina cuya curva de par sería la siguiente (Fig. 34).

M (Nm)

M arranque Nr (rpm)

Fig. 34: Curva de par de un motor monofásico.

59

Módulo: Electrotecnia

Resulta evidente que el motor no tiene par de arranque y por tanto no podría vencer en vacío ni sus propios rozamientos. Esto es lógico porque un devanado monofásico recorrido por una corriente alterna, no produce el campo giratorio necesario.

Entonces, ∂cómo producir un campo giratorio a partir de una red monofásica?

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

La respuesta es obtener un campo bifásico a partir de 2 devanados desfasados 90o en el espacio y recorridos por corrientes también desfasadas 90o Estos devanados se llaman:

60

Principal o de funcionamiento (RUN): ocupa 2/3 de las ranuras y presenta alta reactancia y baja resistencia (Z muy inductiva). Auxiliar o de arranque (START): ocupa 1/3 de las ranuras y presenta baja reactancia y alta resistencia (Z poco inductiva) (Fig 35).

90º

Dev. de arranque

Dev. principal

Fig. 35: Devanados del estator.

Estos devanados se conectan en paralelo y se alimentan a la tensión de red (230 V), obteniéndose un desfase entre las corrientes del orden de 30o y no de los 90o necesarios. Por este motivo el campo giratorio se encuentra deformado, obteniendo un motor con muy bajo par de arranque y mal rendimiento. (Fig. 36).

Unidad

10 Máquinas de Inducción

C V V

I

I

principal

arranque

I

30º

R

I

S

arranque

principal

Fig. 36: Esquema de conexiones y diagrama vectorial.

o Tipos de motores de fase partida Como acabamos de ver el motor de fase partida tiene muy poco par de arranque, lo que limita muchísimo su utilización. La solución a este problema pasa por mejorar el campo giratorio; para ello las corrientes de los devanados deben de estar desfasadas una valor próximo a 90≥ (90≥ sería ideal). Esto se consigue conectando un condensador en serie con el devanado de arranque, de forma que la intensidad de este devanado (IA) adelanta respecto a V y se desfasa mucho con respecto a IP (Fig. 37). El par de arranque aumentó notablemente y este motor se llama motor de fase partida con condensador de arranque.

C I

A

V V

I

P

I

R

A

90º

S

I

P

condensador de arranque

Fig. 37: Esquema de conexiones y diagrama vectorial (motor de arranque por condensador).

61

11

ctividad

Módulo: Electrotecnia

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

a

62

∂Por qué motivo el desfase entre las corrientes se aproxima a 90o al conectar el condensador? Para resolver esta cuestión te recomendamos que repases la unidad didáctica 5 ≈Corriente

Alterna. Circuitos Básicos∆.

En aplicaciones más exigentes, el condensador de arranque deberá tener más capacidad para que el par de arranque sea el suficiente. Esto se puede conseguir con dos condensadores: Un condensador permanente siempre conectado en serie con el devanado auxiliar. Un condensador de arranque, conectando en paralelo con el permanente en el momento del arranque, para aumentar la capacidad, y que luego será desconectado (Fig 38). La secuencia de funcionamiento es la siguiente: 1. Se produce el arranque (punto 0) con ambos condensadores en paralelo (se suman las capacidades) obteniendo alto par de arranque. 2. Cerca del punto de funcionamiento del motor, se elimina el condensador de arranque (punto 1). 3. El motor evoluciona hasta el punto 2 sólo con el condensador permanente.

Unidad

10 Máquinas de Inducción

M (Nm) con condensador permanente y de arranque

con condensador permanente

0

1

2

M carga

se desconecta C arranque

S Nr (rpm)

C

V

I

I

P

R

A

S CP CA

contacto del: - interruptor centrífugo - relé de intensidad

Fig. 38: Conexiones, diagrama vectorial y curvas de par (motor de condensador permanente y de arranque).

63

Módulo: Electrotecnia

Para eliminar el condensador se utilizan, en función del tipo de motor (Fig. 39): Interruptores centrífugos: conforme la velocidad se aproxima a la nominal (un 80% aproximadamente), abren un contacto desconectando CArranque.

64

Relés de intensidad (típicos de compresores de frío): la bobina del relé se conecta en serie con el devanado principal. Cuando la intensidad se aproxima a la nominal (un 80 % aproximadamente), significa que el motor ya esta ≈lanzado∆ y el contacto del relé se abre desconectando CArranque. Fig. 39b: Relé de intensidad.

12

ctividad

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

Fig. 39a: Interruptor centrífugo.

a

Observa la figura 38 de la página anterior. ∂Por qué crees que se desconecta el condensador de arranque una vez que el motor se aproxima a su punto de funcionamiento?

Unidad

10 Máquinas de Inducción

Ejemplo Ejemplos de motores monofásicos de fase partida:

Motores de espira de sombra Son motores de muy pequeña potencia cuyo uso es muy limitado. La interacción entre el campo magnético pulsante principal y los campos creados por la corrientes inducidas en las ≈espiras de sombra∆, produce un débil y deformado campo giratorio, capaz de producir el arranque del motor. El inducido es un pequeño rotor de jaula de ardilla (ver la figura 40).

Fig. 40: Motor de espira de sombra.

65

Módulo: Electrotecnia

Resumen

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

Motores trifásicos de inducción: aspectos físicos

66

Los motores de inducción presentan el inductor en el estator y el inducido en el rotor. El estator está formado por 3 devanados iguales separados 120o en el espacio y que crean un campo giratorio. Pueden ser preformados o de hilo esmaltado. El rotor puede ser de jaula de ardilla (casi siempre) o de rotor bobinado. Las chapas del circuito magnético son de Fe aleado al Si, aisladas entre sí y apiladas.

Motores trifásicos de inducción: funcionamiento y características

El estator crea un campo giratorio que cuya velocidad (velocidad de sincronismo) depende del número de polos y de la frecuencia. El rotor gira a una velocidad inferior a la de sincronismo. La diferencia porcentual entre ambas se llama deslizamiento. Las corrientes rotóricas son inducidas y la interacción entre estas y el campo giratorio, producen el par electromagnético responsable del giro. El par y la intensidad de arranque son superiores a sus respectivos valores nominales.

Motores trifásicos de inducción: arranque

(continúa en la página siguiente)

La elevada corriente de arranque obliga a utilizar procedimientos para reducirla. Todos los arranques basados en una reducción de tensión, originan pérdida en el par de arranque.

Unidad Arranque (continuación)

10 Máquinas de Inducción

El más usado de entre los clásicos, es el arranque estrella-triángulo, aunque solo es recomendable ante cargas de bajo par de arranque. Los arrancadores electrónicos (estáticos) disminuyen el valor eficaz de la tensión mediante el recorte de onda.

Motores trifásicos de inducción: variación de velocidad

Motores monofásicos de inducción

Actualmente la variación de frecuencia para cambiar la velocidad de sincronismo, es el método más utilizado. Además para no perder par, la tensión también se debe de variar. La proporción V/f, debe de mantenerse constante.

Precisan de un devanado auxiliar y de un condensador en serie, para producir un campo giratorio bifásico y un par de arranque aceptable. Algunos presentan un condensador permanente y otro de uso exclusivo en el arranque.

67

Módulo: Electrotecnia

Autoevaluación 1. Realiza un esquema resumen de las características físicas constituyentes de los motores de inducción.

2. Realiza un esquema similar al anterior, que explique el principio de funcionamien-

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

to de los motores de inducción.

68

3. Un motor de inducción presenta la placa de características que puede verse en la fotografía.

Si se conecta sobre una red de 400 V/50 Hz, determinar: a. El tipo de conexión, dibujando la placa de bornes. b. La velocidad y el deslizamiento nominales. c. La potencia mecánica, eléctrica y el rendimiento nominales. d. Razona qué ocurre si aumenta el par de carga. e. ∂Se puede arrancar directamente de la red?

Unidad

10 Máquinas de Inducción

4. El motor de la pregunta de Autoevaluación 3 gira a 1.400 rpm y se le pretende regular la velocidad mediante variación de frecuencia. Si la frecuencia se varía a 10 Hz. a. ∂A qué tensión hay que alimentarlo?

b. ∂A qué velocidad girará?

5. En la fotografía podemos ver la caja de bornes de un motor didáctico de inducción.

a. ∂De qué tipo de motor se trata?

b. Dibuja el cableado para conectar el motor a la red de alimentación de forma correcta.

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Módulo: Electrotecnia

Respuestas Actividades 1. En el caso de no conectar la ≈estrella∆ en los bornes rotóricos, el devanado del rotor quedaría a circuito abierto y no habría corrientes. Sin corrientes rotóricas, el motor no puede producir par y no giraría.

Técnico en Montaje y Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

Sin embargo sobre los devanados se origina una f.e.m., luego el rotor se comporta como el secundario de un transformador trifásico en vacío.

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Esta es una situación peligrosa puesto que un contacto en estos bornes puede producir un choque eléctrico para una persona.

2. En la situación planteada debemos tener en cuenta que nunca el rotor por sí mismo puede alcanzar la velocidad de sincronismo. Si así fuese, los conductores rotóricos girarían a la misma velocidad que el campo giratorio y no verían variación de flujo, con lo cual en ellos no se induciría una f.e.m., no habría corrientes, se anularían las fuerzas y el rotor se pararía.

3. La respuesta a la cuestión planteada en la actividad está relacionada con el hecho de que los transformadores son máquinas eléctricas estáticas y no tienen pérdidas por rozamientos, a diferencia de todas las máquinas eléctricas rotativas. Por lo tanto, si tienen menos pérdidas, tienen mejor rendimiento.

4. Para responder a las cuestiones debemos tener en cuenta que a 50 Hz las características nominales son: ∆/Y 400/690 V 11,4/6,6 A

En función de esta información, las respuestas a las cuestiones planteadas son:

Unidad

10 Máquinas de Inducción

a. Sobre una red de 400 V debe conectarse en triángulo (tensión más pequeña).

b. 11,4 A. c. La velocidad nominal se ve en la placa y es 1.455 rpm, con lo cual la velocidad de sincronismo es 1.500 rpm. El deslizamiento nominal es:

S (%) =

Ns − Nr 1.500 − 1.455 × 100 = = 3% Ns 1.500

d. La potencia de 5,5 kW que ves en la placa en la potencia mecánica nominal del motor. La potencia eléctrica absorbida de la red no aparece, pero la podemos calcular:

Pele = 3 × V × I × cosϕ = 3 × 400 × 11,4 × 0,81 = 6.390 W

e. El rendimiento nominal: η (%) =

Pmec 5.500 × 100 = × 100 = 86% Pele 6.390

5. Para contestar a esta pregunta lo importante es saber que en EE.UU la frecuencia es 60 Hz. Por tanto los campos giratorios y los motores, son ligeramente más rápidos. Observa que la velocidad nominal es 1.755 rpm a 60 Hz.

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Módulo: Electrotecnia

6. Para responder a esta actividad recuerda que 1 CV = 0,75 kW. Según esta relación 3,3 CV son 3,3 x 0,75 = 2,47 kW.

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MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

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MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Potencia nominal del motor

Constante máxima de proporcionalidad entre la corriente de arranque y la de plena carga

De 0,75 kW a 1,5 kW

2,5

De 0,75 kW a 1,5 kW

4,5

De 1,5 kW a 5,0 kW

2,0

De 1,5 kW a 5,0 kW

3,0

De más de 5,0 kW

1,5

De más de 5,0 kW

2,0

De más de 15,0 kW

1,5

Potencia nominal del motor

Constante máxima de proporcionalidad entre la corriente de arranque y la de plena carga

En la tabla anterior podemos ver que si la relación I A > 3 , el REBT obliga a disIN poner de algún método de arranque.

7. Según las relaciones vistas:

V = 0,75 ⇒ VN

⎧ IA ⎪ I = 0,75 ⎪ AN ⎨ ⎪ M A = 0,75 × 0,75 = 0,56 ⎪⎩ M AN

La IA se reduce el 75 % y el MA el 56 %, respecto a sus valores a tensión nominal.

8. Según las relaciones vistas:

V 230 1 = = ⇒ VN 400 3

1 ⎧ IA = 0,57 ⎪I = 3 ⎪ AN ⎨ ⎪ MA = 1 × 1 = 1 ⎪⎩ M AN 3 3 3

La IA se reduce al 56 % y el MA a la tercera parte, respecto a sus valores a tensión nominal.

Unidad

10 Máquinas de Inducción

9. Para responder a esta actividad es necesario tener en cuenta las características del motor: 400/690 V

5,6/3,2 A

50 Hz

1.450 rpm

cosϕ = 0.82

3,5 CV

4 polos

IA=6IN

a. En un arranque Y-∆, el motor solamente funciona en Y durante los primeros instantes tras su conexión a la red; posteriormente el automatismo conmuta a triángulo. Por lo tanto, la tensión correcta de funcionamiento es la correspondiente a la conexión triángulo, en este caso 400 V. b. De la tabla obtenemos que la intensidad nominal del motor en ∆ es 5,6 A y que la punta de intensidad de arranque es 6 veces la intensidad nominal. Por tanto en un arranque Y-∆: IA (∆) 6 × IN 6 × 5,6 33,6 = = = = 11,2 A 3 3 3 3 un arranque directo. IA (Y − ∆) =

, frente a los 33,6 A de

10. El motivo es principalmente mecánico, excepto en motores especialmente preparados para ello. Por encima de 50 (Hz), la velocidad de sincronismo supera siempre el valor nominal y la velocidad del rotor lo superará en muchas ocasiones, con lo cual mecánicamente puede ser perjudicial para el funcionamiento del motor.

11. Al conectar el condensador en serie con el devanado auxiliar, este devanado se convierte en una impedancia capacitiva, con características:

Z = R2 + (X L − X C )2

ϕ = tan −1 (

XL − XC ) R

De esta forma, la intensidad IA adelanta φo respecto a V y 90o con respecto a IP.

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Módulo: Electrotecnia

12. Observando la figura se concluye que la respuesta a la actividad es la siguiente: M (Nm)

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con condensador permanente y de arranque

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con condensador permanente

0

1

2

M carga

se desconecta C arranque

S Nr (rpm)

Si no se desconecta el condensador de arranque, el motor funcionaría en el punto 1, a menos velocidad y más deslizamiento que en el punto 2, lo cual implica más consumo de intensidad, más pérdidas y menos rendimiento.

disminuye la velocidad

aumenta el deslizamiento

aumenta la intensidad

aumenta las pérdidas

disminuye el rendimiento

Unidad

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Respuestas Autoevaluación 1. El esquema que has elaborado para responder a esta cuestión debe contener la

{ { {

información que se refleja en el siguiente esquema:

Conjunto de conductores en cortocircuito

ROTOR

ESTATOR

De jaula de ardilla Bobinado

Devanado trifásico distribuido en ranuras a 120º

CIRCUITOS MAGNÉTICOS

De Al fundido De barras soldadas

De hilo esmaltado

Preformado

Conjunto de chapas de Fe aleado con Si aisladas y apiladas

2. En el esquema elaborado deben aparecer los siguientes contenidos: Sistema Trifásico

Conexión al estator

Campo giratorio (Ns)

Circulación de corriente por los conductores del rotor

FEM inducida por el campo giratorio en los conductores del rotor

Fuerza sobre los conductores del rotor

Giro de la máquina (Nr