7.11. Ventajas de los motores de inducción VENTAJAS DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS La única alimentación eléctrica que reciben se hace a través de la línea trifásica que alimenta al devanado estatórico. NO HAY ESCOBILLAS O ELEMENTOS ROZANTES. El rotor de jaula es muy robusto ya que no incluye sistema aislante. Tienen par de arranque. No tienen problemas de estabilidad ante variaciones bruscas de la carga. Aumento del par de carga Reducción de la velocidad de giro Mayor par motor Mayor FEM Estabilidad Mayor corriente rotor 7.11. Inconvenientes de los motores de inducción INCONVENIENTES DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS La corriente de arranque es mucho mayor que la corriente de funcionamiento nominal. Entre 3 y 6 veces mayor. En mucho casos es necesario disponer procedimientos especiales de limitación de la corriente de arranque. La variación de su velocidad implica la variación de la frecuen-cia de la alimentación: es necesario disponer de un convertidor electrónico que convierta la tensión de red en una tensión de frecuencia variable. EQUIPO RECTIFICADOR TRIFÁSICO 3 FASES 50 Hz EQUIPO INVERSOR TRIFÁSICO BUS DE CC SISTEMA DE FILTRADO ONDA ESCALONADA DE f VARIABLE 3 FASES f VARIABLE 7.12. Deslizamiento en las máquinas asíncronas Velocidad de deslizamiento Ndes NS Nm NS S(%) Velocidad mecánica del rotor Deslizamiento S(%) 60 f P S m 100 S Ndes N Nm 100 S 100 NS NS S=0 Velocidad de sincronismo S=1 Rotor parado Nm 1 ( LOS MOTORES DE INDUCCIÓN TRABAJAN SIEMPRE CON VALORES MUY BAJOS DE S: S<5% NS Nm ) NS (1 S) NS NS m (1 S) S 7.13. Frecuencia en el rotor de las máquinas asíncronas I Frecuencia FEM inducida en el rotor La misma que la velocidad relativa del campo respecto al rotor (S) Reducción velocidad giro > velocidad relativa campo respecto rotor Aumento frecuencia inducida rotor frotor festator En el límite: S1; Nm 0 Aumento velocidad giro < velocidad relativa campo respecto rotor Disminución frecuencia inducida rotor En el límite: S0; Nm Ns frotor 0 7.13. Frecuencia en el rotor de las máquinas asíncronas II ROTOR BLOQUEADO: Nm=0 GIRO EN VACÍO: N m NS frotor frotor festator frotor S festator frotor 0 NS Nm festator NS NS Nm frotor P 60 Para cualquier velocidad entre 0 y N S NS 60 festator P 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona I Xs Rs I1 Reactancia Resistencia dispersión estator U1 estator E1 Reactancia magnetizante estator XR CIRCUITO EQUIVALENTE DEL ESTATOR PARA CUALQUIER VELOCIDAD DE GIRO ALIMENTADO A f1 frecuencia de red RR IRbloq Resistencia Reactancia rotor dispersión E2 rotor Reactancia magnetizante rotor U1 Rs jX S I1 E1 EQUIVALENTE POR FASE CIRCUITO EQUIVALENTE ROTOR CON LA MÁQUINA BLOQUEADA E2 RR jXR I Rbloq ALIMENTADO A f1 frecuencia de red EQUIVALENTE POR FASE CON ROTOR BLOQUEADO: frotor =festator 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona II LA FEM INDUCIDA EN EL ROTOR ES PROPORCIONAL A LA VELOCIDAD DEL CAMPO RESPECTO AL ROTOR (S) Con el rotor bloqueado se induce E2 En vacío se induce La FEM inducida en el rotor para una velocidad cualquiera N (corres-pondiente a un deslizamiento S) LA RESISTENCIA ROTÓRICA RR NO VARÍA CON LA FRECUENCIA Y, POR TANTO, TAMPOCO CON S LA REACTANCIA XR VARÍA CON S: CUANDO EL DESLIZAMIENTO ES S, XR PASA SER S*XR A una velocidad en-tre 0 y NS, es decir a un deslizamiento S 0 S*E2 SE INDUCE: S*E2 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona III S E2 RR jX R S IR s CIRCUITO EQ. ROTOR A DESLIZAMIENTO S S*XR RR IR Reactancia Resistencia dispersión rotor S*rEotor IRs S E2 E2 RR RR jXR jX R S 2 ALIMENTADO A: f2=S*f1 Se puede obtener la misma corriente en el mismo circuito alimentado a f1 con sólo cambiar RR por RR/S XR IR ES POSIBLE OBTENER EL CIRCUITO EQUIVALENTE DE LA MÁQUINA ASÍNCRONA TRABAJANDO SÓLO CON LA FRECUENCIA DEL ESTATOR. BASTA SIMULAR EL EFECTO DEL GIRO CON LA RESISTENCIA RR/S RR S E2 ALIMENTADO A: f1 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona IV PARA OBTENER EL CIRCUITO EQUIVALENTE COMPLETO SE UNIRÁN LOS CIRCUITOS EQUIVALENTES DE ROTOR Y ESTATOR SE PLANTEARÁ QUE LA MÁQUINA ASÍNCRONA ES “EQUIVALENTE” A UN TRANSFORMADOR (Estator=Primario, Rotor=Secundario Relación Transf.=rt) SE REDUCIRÁ EL SECUNDARIO (Rotor) AL PRIMARIO (Estator) Xs Rs X R’ IR ’ R' I1 S U1 E1 E 2’ E2 ' E2 rt E1 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona V Xs Rs XR ’ IR’ R' I1 S U1 E1 E2’ E2 ' E2 rt E1 COMO E1=E2’ SE PUEDEN UNIR EN CORTOCIRCUITO 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona VI Xs Rs IR’ XR’ R' I1 S U1 E2 ' E2 rt E1 I0 0 I0 I Componente de fe pérdidas I Componente magnetizante Ife Rfe I X 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona VII Xs I1 Rs I0 I U1 X R’ X RR ' 1 S RR 'RR ' S S IR’ R' Ife S Rfe LA RESISTENCIA VARIABLE SE PUEDE DIVIDIR EN DOS COMPONENTES 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona VIII Corriente de vacío Resistencia cobre estator ncia sión r Xs Rs I1 Tensión de fase (Estator) X Reactancia magnetizante Todos los elementos del circuito con ‘ están referidos al estator XR’ I0 I U1 Reactancia dispersión rotor IR’ Resistencia cobre rotor RR ’ Ife Rfe Resistencia potencia mecánica entregada S R R '1 S Resistencia pérdidas hierro El circuito equivalente se plantea por fase y con conexión en estrella 7.14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona IX Xs I1 (T. DE FASE) XR’ I0 I U1 Cos Rs X IR’ RR ’ Ife Rfe S R R '1 S Potencia entregada Con la carga nominal (S bajo) el circuito el factor de potencia a la entrada es alta (0,8 aprox) En vacío (S=0) la rama del rotor queda en circuito abierto: el circuito es principalmente inductivo fdp 0,1 - 0,2 aprox En un motor asíncrono la corriente de vacío no es despreciable 7.15. Cálculo de las pérdidas en la máquina asíncrona I P13V1 I1Cos POTENCIA ABSORBIDA DE LA RED ELÉCTRICA 2 PCuest 3 RS I1 PÉRDIDAS EN LOS CONDUCTORES DEL ESTATOR (Cu) PCuRot 3 RR 'IR '2 PÉRDIDAS EN LOS CONDUCTORES DEL ROTOR (Cu) Pfe 3 E12 PÉRDIDAS EN EL HIERRO. SUELEN CONSIDERARSE CON-CENTRADAS EN EL ESTATOR. EN EL ROTOR LA f ES MUY BAJA R fe Pg P1 PCuest Pfe Se disipa en la resistencia variable Pmi Pg Pcurot POTENCIA QUE ATRAVIESA EL ENTREHIERRO DE LA MÁQUINA RR ' Pg 3 IR ' 2 S 1 S 2 3 R R ' I ' R S La potencia que atraviesa el entrehierro es la que disipa en la resistencia total de la rama del rotor (RR’/S) POTENCIA MECÁNICA INTER-NA: ATRAVIESA EL ENTREHIE-RRO Y PRODUCE TRABAJO 7.15. Cálculo de las pérdidas en la máquina asíncrona II Pmi Pg Pcurot Pg S Pg 1S Pg Pg Pmi 1 SPg Ti S Velocidad angular de giro del rotor OTRA FORMA DE CALCULAR-LA A PARTIR DEL DESLIZA-MIENTO PAR INTERNO: EL PAR TOTAL DESARROLLADO INTERNA-MENTE POR LA MÁQUINA Velocidad angular de sincronismo PU Pmi Pérdidas mecánicas y rotacional es PU TU PAR ÚTIL: EL PAR QUE ES CAPAZ DE DESARROLLAR EL MOTOR EN EL EJE 7.16. Cálculo del par de una máquina asíncrona I jXs I1 Rs A jXR’ IR ’ R' CALCULANDO EL EQUIVALENTE THEVENIN ENTRE A y S + jX U1 Se puede despreciar Rfe B B jXth I1 Rth A jXR’ IR ’ R' S + Vth Vth Z th B U1 jX RS j XS X R S jX S jX RS j XS X 7.16. Cálculo del par de una máquina asíncrona II jXth I1 Rth A jXR’ IR’ IR ' R' S + Vth B Pg 3 RR ' IR '2 S Rth Ti f(S) Vth R th R R' jX th X R ' S V IR ' th 2 RR ' 2 X X ' R th R th S 2 R ' 3 Vth R S 2 R ' 2 R Xth XR ' S RR ' 2 V th Pg 3 S Ti 2 S S RR ' 2 X X ' R th R th S 7. 17. Curvas de respuesta mecánica par - velocidad I Par S>1 0<S<1 S<0 Freno Motor Generador Par máximo Par Nominal Par de Arranque Ti f(S) Velocidad de sincronismo 1 Zona de funcionamiento estable como motor 0 Deslizamiento S Tar r 1,2 2 Tnom Tmax 1,8 2,7 Tnom 7. 17. Curvas de respuesta mecánica par - velocidad II La característica mecánica de los motores de inducción es prácticamente lineal entre vacío y plena carga El par máximo suele ser de 2 a 3 veces el nominal El par de arranque tiene que ser superior al nominal para permitir que el motor se ponga en marcha Para un determinado deslizamiento el par varía con el cuadrado de la tensión 7.17. Curvas de respuesta mecánica par - velocidad III Banda de dispersión Catálogos comerciales 7.17. Curvas de respuesta mecánica par - velocidad IV Catálogos comerciales 7.18. Par máximo de un motor de inducción I jXth I1 Rth jXR’ A El par será máximo cuando Pg sea máxima, es decir cuando se transfiera a RR’/S la máxima potencia IR’ RR ' S + Vth B RR ' S S T MA X R th X th X R ' RR ' Rth X th X R ' 2 2 2 2 Tmax TEOREMA TRANSFERENCIA MÁX. POT 3 Vth2 2 S Rth R th2 X th XR '2 7.18. Par máximo de un motor de inducción II Tmax 3 Vth2 2 S R th R th2 X th XR '2 RR ' S T MA X 2 2 R th Xth X R ' Par El par máximo NO depende de la resistencia rotórica R R’ Resistencia rotórica creciente EL deslizamiento al que se produce el par máximo SÍ DEPENDE DE RR’ Esta propiedad se usa para el arran-que mediante inserción de resisten-cias en máquinas de rotor bobinado S STMAX3 STMAX2 STMAX1 7.19. Ensayo de rotor libre Condiciones ensayo: En vacío S0: Motor girando sin carga -S Si S 0 : R R ' 1 S V y f nominales U1(t) + I0(t) + Xs W 1 A I0 W2 Z0 XR’ Rs Ife I U1 RR’ Rfe X + Al no circular corriente por RR’ puede considerarse que en este ensayo las pérdidas en el Cu son sólo las del estator P0 W1 W2 Pcuest Pmec Pfe Z0 R 0 jX 0 Impedancia por fase del motor VLínea 3 Z0 I0 R0 P0 3 I0 2 2 2 X 0 Z0 R 0 X s X 7.20. Ensayo de rotor bloqueado I Condiciones ensayo: El ensayo se realiza subiendo gradualmente la tensión de alimentación hasta que la corrien-te circulante sea la nominal Rotor bloqueado V reducida e I nominal Ucc(t) I (t) 1n + + W1 Xs A Rs XR’ I1n V W 2 + Tensión de ensayo muy reducida Corriente por X despreciable Muy pocas pérdidas Fe Se elimina rama paralelo Zcc Ucc 3 Rfe despreciable Se puede despreciar la rama paralelo Zcc Rcc jXcc Rcc Rs RR ' Xcc Xs XR ' RR’ 7.20. Ensayo de rotor bloqueado II Xs XR’ Rs RR’ I1n Zcc Ucc 3 Se puede despreciar la rama paralelo CÁLCULO PARÁMETROS CIRCUITO EQUIVALENTE Pcc W1 W2 Pcuest Pcurot Z cc Ucc 3 I1n R cc devanados del estator MOTOR CLASE C: X S XR ' X S 0,4 X S XR ' XR ' 0,6 X S XR ' X S 0,3 X S XR ' XR ' 0,7 X S XR ' MOTOR CLASE D: X S XR ' MOTOR CLASE B: 3 I 1n 2 RS Se obtiene por medición directa sobre los XS y XR’ Regla empírica según tipo de motor MOTOR CLASE A: Pcc 7.20. Ensayo de rotor bloqueado III CÁLCULO PARÁMETROS CIRCUITO EQUIVALENTE X RR’ Después de aplicar la Regla empírica anterior para obtener las reactancias de rotor y estator se aplica el resultado del ensayo de vacío Se obtiene restando a RCC (Ensayo de rotor bloqueado) el valor de RS (medición directa) X X0 XS RR ' Rcc RS 7.21. Características funcionales de los motores asíncronos I Corriente nominal Corriente absorbida en función de la velocidad 18 16 14 Corriente A 12 10 8 6 4 2 0 945 Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kW Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 RPM P95o0los:9565 960 965 Corriente de vacío 970 975 980 985 990 995 1000 RPM Velocidad de 7.21. Características funcionales de los motores asíncronos II Potencia eléctrica absorbida en función de la velocidad 10000 Potencia eléctrica consumida plena carg a 9000 8000 Potencia W 7000 Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kW Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 RPM Polos: 6 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 945 950 955 960 965 970 975 980 985 990 995 1000 RPM Velocidad de 7.21. Características funcionales de los motores asíncronos III Rendimiento a plena carga Rendimiento en función de la velocidad 0,900 0,800 Rendimiento % 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 945 Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kW Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 RPM P9o50los:9565 960 965 Rendimiento en vacío 970 975 980 985 990 995 1000 RPM Velocidad de 7.21. Características funcionales de los motores asíncronos IV fdp a plena carga Factor de potencia en función de la velocidad 0,9 0,8 Factor de potencia 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 945 Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kW Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 RPM P9o5l0os:9655 960 965 fdp en vacío 970 975 980 985 990 995 1000 RPM Velocidad de 7.21. Características funcionales de los motores asíncronos V Característica mecánica en zona estable 80 Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kW Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 RPM Polos: 6 70 Par (Nm) 60 50 40 30 20 10 0 945 950 955 960 965 970 975 980 985 990 995 1000 RPM Velocidad de 7.21. Características funcionales de los motores asíncronos VI NÚMERO DE POLOS VELOCIDAD SINCRONISMO (RPM) VELOCIDAD TÍPICA PLENA CARGA 2 3000 2900 4 6 1500 1000 1440 960 8 750 720 10 12 600 500 580 480 16 375 360 VELOCIDADES DE GIRO TÍPICAS Fuente: ABB – “Guide for selecting a motor” 7.21. Características funcionales de los motores asíncronos VII Tª 114 ºC: Motor Clase F: Tª max= 155 ºC Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kW Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 RPM Polos: 6 Evolución de la temperatura de los devanados desde el arranque hasta el régimen permanente térmico 7.22. Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor I Par Resistencia rotórica creciente Si la resistencia rotórica es elevada el par de arranque del motor también lo es Si la resistencia rotórica es elevada el par máximo del motor aparece con deslizamiento elevado S STMAX3 STMAX2 STMAX1 EL RENDIMIENTO DEL MOTOR ES BAJO Si el deslizamiento es elevado la potencia mecánica interna es baja Pmi 1 SPg 7.22. Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor II Motor con RR’ elevada Motor con RR’ baja Buen par de arranque MOTOR DE ROTOR BOBINADO: VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA ROTÓRICA Bajo rendimiento SOLUCIÓN Bajo par de arranque Buen rendimiento DISEÑO DE UN ROTOR CON CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS VARIABLES SEGÚN LA VELOCIDAD DE GIRO 7.22. Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor II Barras de pequeña sección Alta resistencia, baja reactancia de dispersión A menor sección mayor RR’ Barras de ranura profunda Resistencia baja elevada reactancia de dispersión Doble jaula Pueden usarse dos tipos de material con diferente resistividad Combina las propiedades de las dos anteriores La sección y geometría de las barras rotóricas determina sus propiedades eléctricas y la forma de variación de éstas con la velocidad de giro de la máquina 7.22. Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor III Ranura estatórica Circuito equivalente de una barra rotórica La reactancia de dispersión aumenta con la profundidad = que el flujo de dispersión Flujo de dispersión: se concentra hacia el interior Resistencia Reactancia dispersión ARRANQUE S VALORES frotor ELEVADOS ELEVADA Aumento del par de arranque CONDICIONES NOMINALES Mejora del rendimiento Reducción sección útil: aumento RR’ S VALORES frotor BAJ0S BAJA Aumento sección util: Reducción RR’ y Par Efecto de la reactancia de dispersión (2frotor*Ldispersión) MUY ACUSADO La corriente circula sólo por la parte más externa de la barra Efecto de la reactancia de dispersión (2frotor*Ldispersión) MUY POCO ACUSADO La corriente circula por toda la sección de la barra Simulación del efecto real 6000 A 5000 4000 3000 60.69% 2000 41.93% DURANTE EL ARRANQUE CIRCULA UN 41,93% DE LA CORRIENTE POR LA ZONA ROJA DE LA BARRA 1000 0 1 3 5 7 9 11 Itotal 800 13 15 17 Isup 19 21 23 25 27 Nº barra Iinf A 700 600 75.65% 500 400 300 24.35% 200 100 0 1 3 5 7 9 11 Itotal 13 15 17 Isup 19 21 Iinf 23 25 27 Nº barra MOTOR SIMULADO Fabricante: SIEMENS Potencia: 11 kW Tensión: 380 V Corriente: 22 A Velocidad : 1450 RPM Polos: 4 DURANTE EL FUNCIONAMIENTO EN CONDICIO-NES NOMINALES CIRCU-LA UN 24,35% DE LA CORRIENTE POR LA ZONA ROJA DE LA BARRA Simulación del campo real durante un arranque Las líneas de campo se concentran en la superficie LÍNEAS DE CAMPO DURANTE EL ARRANQUE LÍNEAS DE CAMPO EN FUNCIONAMIENTO NOMINAL 7.23. Clasificación de los motores según el tipo de rotor: Normas NEMA I MOTOR CLASE A T/Tnom 3 2,5 2 Clase D Clase C Clase A Clase B 1,5 S Par de arranque bajo Par nominal con S<5% Corriente arranque elevada 5 – 8 In Rendimiento alto Uso en bombas, ventiladores, máquina herramienta, etc, hasta 5,5 kW Para potencias > 5,5 kW se usan sistemas de arranque para limitar la corriente 7.23. Clasificación de los motores según el tipo de rotor: Normas NEMA II MOTOR CLASE C (Doble jaula) MOTOR CLASE B Par arranque similar clase A Corriente arranque 25% < clase A Par nominal con S<5% Rendimiento Alto Aplicaciones similares al clase A pero con < I arranque Son LOS MÁS UTILIZADOS Par arranque elevado (2 veces Tnom aprox.) Corriente de arranque baja Par nominal con S<5% Rendimiento Alto Aplicaciones que requieren alto par de arranque Tmax < clase A MOTOR CLASE D Par arranque muy elevado (> 3 Tnom) Corriente de arranque baja Par nominal con S elevado (7 –17%) Rendimiento bajo Aplicación en accionamientos intermitentes que requieren acelerar muy rápido 7.24. Características mecánicas de las cargas más habituales de los motores de inducción TR=K TR=K*N2 TR=K*N Prensas Máquinas herramientas TR=K/N Bombas centrífugas Compresores centrífugos Ventiladores y soplantes Centrifugadoras Bobinadoras Máquinas fabricación chapa TR Máquinas elevación Cintas transportadoras Machacadoras y trituradoras Compresores y bombas de pistones TR=K*N2 TR=K*N TR=K TR=K/N N 7.25. El arranque de los motores asíncronos I Corriente máxima Duración del arranque Corriente de vacío tras alcanzar velocidad máxima LA CORRIENTE MÁXIMA NO DE-PENDE DE LA CARGA Corriente máxima Corriente nominal tras alcanzar velocidad máxima Arranque en vacío Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kW Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 RPM Polos: 6 Arranque a plena carga Duración del arranque 7.25. El arranque de los motores asíncronos II El reglamento de BT establece límites para la corriente de arranque de los motores asíncronas. Por este motivo, es necesario disponer procedimientos específicos para el arranque Arranque directo de la red Métodos de arranque Sólo válido en motores pequeños o en las centrales eléctricas Arranque mediante inserción de resistencias en el rotor Sólo válido en motores de rotor bobinado y anillos rozantes Arranque estrella – triángulo El método más barato y utilizado Arranque con autotransformador Arranque con arrancadores estáticos Reducción de la tensión durante el arranque mediante autotrafo Gobierno del motor durante el arranque por equipo electrónico 7.25. El arranque de los motores asíncronos III 2 Ti Pg S RR ' S Vth 3 2 S R R ' 2 R X X ' th th R S Pg 3 Vth2 RR ' TArranque S S Rth RR '2 X th XR '2 PAR DE ARRANQUE IR ' TArranque Par de un motor asíncrono. En el arranque S=0 Vth 2 RR ' 2 X X ' R th R th S 3 RR 'IR 'Arranque 2 S IR 'arranque Corriente rotórica. En el arranque S=0 Vth R th RR '2 X th XR '2 7.25. El arranque de los motores asíncronos V: arranque por inserción de resistencias rotóricas Resistencia rotórica creciente Par Para el arranque de la máquina se introducen resistencias entre los anillos rozantes que se van eliminando conforme aumenta la velocidad de giro RR ’3 RR ’2 RR ’1 S Sólo vale para los motores de rotor bobinado y anillos rozantes 7.25. El arranque de los motores asíncronos VI: arranque mediante autotrafo R S T Para el arranque de la máquina se introduce un autotransformador reductor (rt>1) C1 Inicialmente C1 y C2 están cerrados: el motor arranca con la tensión reducida C3 En las proximidades de plena carga C2 se abre: el motor soporta una tensión ligeramente inferior a la red debido a las caídas de tensión en el devanado del autotrafo C2 Se cierra C3: el motor soporta toda la tensión de la red M Fases del arranque con autotransformador R R R S S S T T T C1 C1 C1 Ligera caída de tensión C2 C3 C2 M M M 7.25. El arranque de los motores asíncronos VII: arranque estrella - triángulo Iarr Xs Vlínea 3 Rs R R’ XR’ Se desprecia la rama en paralelo S=1 Iarr Vlínea 3 Zcc Vlínea 3 I arranque Z CC Circuito equivalente del motor durante el arranque El arranque estrella - triángulo consiste en conectar los devanados del motor en estrella para arrancar la máquina conmutando a conexión en triángulo una vez que la máquina ha elevado su velocidad El motor conectado en estrella consume menos corriente y entrega menos par. De este modo, se limita la corriente de arranque. 7.25. El arranque de los motores asíncronos VII: arranque estrella - triángulo R R Iarr-estrella Iarr triángulo Iarr-triángulo 3 Vlínea Vlínea 3 Zcc Zcc Vlínea Zcc Zcc Zcc Zcc S T Vlínea S T 3 I arrestrella Z CC I arrestrella Iarrtriángulo 3 Iarrtriángulo 3 Vlínea Z CC TArranque 3 RR 'IR 'Arranque 2 S Esta relación es válida para las dos conexiones. La corriente que aparece en ella es la que circula por Zcc R R Iarr-estrella Vlínea Vlínea 3 Zcc Iarr triángulo Iarr-triángulo 3 Zcc Vlínea Zcc Zcc Zcc Zcc S T TArr estrella S T 3 RR 'IR 'Arr estrella 2 S TArr triángulo Iarrestrella IR 'Arr triángulo 3 RR ' S 3 I arrtriángulo 3 Tarrtriángulo 3Tarrestrella 2 Catálogos comerciales Arrancadores estáticos con microprocesador de potencias hasta 2500 kW 7200V Arrancador 90 kW 690V Arrancadores estáticos Arrancador 4 kW Arrancador para aplicaciones navales y militares Catálogos comerciales 7.26. El frenado eléctrico de los motores asíncronos I Existen aplicaciones en las que es necesario poder aplicar un par de frenado al motor que permita detenerlo rápidamente: ascensores, grúas, cintas transportadoras, tracción eléctrica, etc. En este caso, las propiedades eléctricas de la máquina se utilizan para lograr el frenado. FRENADO REGENERATIVO O POR RECUPERACIÓN DE ENERGÍA TIPOS DE FRENADO ELÉCTRICO FRENADO POR CONTRACORRIENTE O CONTRAMARCHA FRENADO DINÁMICO (Por inyección de CC) 7.26. El frenado eléctrico de los motores asíncronos II Curva de funcionamiento con 2P polos Curva de funcionamiento con 60 f P polos Ns 2P Par NsP P 60 f 60 f 2 2N s 2P P P 2 Par resistente Velocidad (RPM) FRENADO REGENERATIVO Ns2P NsP Zona de funcionamiento como freno Para frenar se modifican las conexiones del estator pasando de P polos a 2P polos. El frenado se consigue al convertirse el motor en generador. La energía generada se disipa en resistencias o se devuelve a la red 7.26. El frenado eléctrico de los motores asíncronos III R S T M R S T M S NS N NS N N 1 NS NS NS S 1 S 2 Funcionamiento normal: giroFrenado a contracorriente: inver-sión del sentido de giro en un sentido S>1 Corriente LIMITACIONES Giro horario Giro antihorario ZONA DE FRENO Par resistente Par de frenado bajo Frenado en zona inesta-ble de la curva Par-S Corriente durante el fre-nado muy alta Solicitación del rotor muy elevada Necesario construcción especial 7.26. El frenado eléctrico de los motores asíncronos IV El FRENADO DINÁMICO consiste en dos acciones sobre el funcionamiento del motor: eliminación de la alimentación en alterna e inyección de CC por el estator. La inyección de CC provoca la aparición de un campo de eje fijo que genera un par de frenado Catálogos comerciales Equipo para el frenado de motores asíncronos por inyección de CC (Potencia 315 kW) Resistencias para frenado reostático de motores Catálogos comerciales 7.27. Cálculo de tiempos de arranque y frenado Momento de inercia de un cuerpo de masa m respecto a un eje. r esla distancia al eje J r 2 dm T TR Jmot Jc arg nominal t arranque d dt 0 0 Ecuación de la dinámica de rotación: T es el par motor, TR el par resistente Jmot el momento de inercia del motor, Jcarg el de la carga y la pulsación de giro Jmot Jc arg d T TR Jmot Jcarg tfrenado d T T T R freno nominal Kg m2 Integrando la ecuación se obtiene el tiempo de arranque TR+ Tfreno es el par resistente total si se incluye un procedimiento adicional de frenado 7.28. La variación de velocidad de los motores asíncronos I Variación de la velocidad del campo giratorio Variación de la velocidad de giro de la máquina Control de velocidad en cualquier rango para cualquier motor Motores con devanados especiales Equipo eléctrónico para variar frecuencia de red Sólo posible 2 o 3 velocidades distintas 60 f NS P Variar f Variar P Variación discreta de la velocidad Cambio en la conexión del estator 7.28. La variación de velocidad de los motores asíncronos II: métodos particulares Resistencia rotórica creciente Par RR’3 Par Reducción tensión Vn RR ’2 RR ’1 Variación de la velocidad VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD POR INSERCIÓN DE RESISTENCIAS ROTÓRICAS EN MOTORES DE ROTOR BOBINADO BAJO RANGO DE VARIACIÓN 0,8Vn S Variación de la velocidad S VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD POR REDUCCIÓN DE LA TENSIÓN BAJO RANGO DE VARIACIÓN REDUCCIÓN DEL PAR MOTOR 7.28. La variación de velocidad de los motores asíncronos III: Variación de la frecuencia 60 f NS P VARIANDO DE FORMA CONTINUA LA FRECUENCIA SE PUEDE VARIAR DE FORMA CONTÍNUA LA VELOCIDAD Reducción frecuencia Par 0,5fn fn 0,75fn Al reducir la frecuencia aumenta el flujo. Para evitar que la máquina se sature es necesario mantener la relación V/f constante: al disminuir f se aumenta V y viceversa S 0,5NS 0,75NS NS VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD POR VARIACIÓN DE LA FRECUENCIA 7.28. La variación de velocidad de los motores asíncronos III: variación de la frecuencia Sistema eléctrico trifásico Motor de Inducción Rectificador Filtro Inversor INVERSOR PWM VR + VS + VT + T1 T3 T5 Rmot T4 T6 T2 Smot Tmot Funcionamiento del inversor I VR + VS + VT + T1 T3 T5 Rmot T4 T6 Smot T2 Tensión del rectificador sin filtro Tensión del rectificador con filtro La tensión después del condensador es continua Tmot Funcionamiento del inversor II Bus de tensión contínua Rmot Smot Tmot El inversor haciendo conmutar los IGBT’s “trocea” la tensión continua con la que es alimentado El disparo de los IGBT’s se realiza utilizando una técnica conocida como PWM (Pulse width modulation) que consiste en comparar una señal (portadora) triangular con una señal (moduladora) senoidal De esta comparación se obtiene una señal similar a la senoidal pero escalonada para cada una de las fases del inversor Variando la amplitud y frecuencia de moduladora y portadora es posible obtener señales de distinta frecuencia y tensión a la salida del inversor Funcionamiento del inversor III A 1 1 Señales modula-dora y portadora Bus de tensión contínua 0 2 Rmot Smot Tmot -1 0 /2 f 1 /f 1 TENSIÓN DE SALIDA EN LA FASE R B 1 Cuando triangular < senoidal dispara el 1 0 -1 0 1 /2 f 1 1 /f 1 0 20 m S Catálogos comerciales Convertidor para motor de CC Inversor 55 kW 0 – 400 Hz para motor asíncrono con control vectorial Inversor 0,75 kW 0 – 120 Hz para control de máquina herramienta Inversor 2,2kW 0 – 400Hz de propósito general Variadores de velocidad 7.29. Selección de un motor para una aplicación específica SELECCIONAR CARCASA Y NIVEL DE PROTECCIÓN (IP) SELECCIONAR FORMA NORMALIZADA DE MONTAJE EN FUNCIÓN DE UBICACIÓN SELECCIÓNAR POTENCIA EN FUCIÓN DE LA POTENCIA NECESARIA PARA ARRASTRA LA CARGA SELECCIONAR CLASE DE AISLAMIENTO EN FUNCIÓN Tª ESPERADA Y AMBIENTE DE TRABAJO SELECCIONAR VELOCIDAD (P) EN FUNCIÓN VELOCIDAD CARGA SELECCIONAR CARACTERÍSTICA MECÁNICA EN FUNCIÓN DE PAR DE ARRANQUE Y RESISTENTE DE LA CARGA ABB – “Guide for selecting a motor” 7.30. La máquina asíncrona como generador La máquina asíncrona se puede utilizar como generador Los generadores asíncronos se utilizan en sistemas de generación donde la fuente primaria es muy variable: energía eólica e hidraúlica En la actualidad existen máquinas con doble alimentación rotor – estator para mejorar el rendimiento en generación eólica e hidráulica Por encima de la velocidad de sincronismo el par se vuelve resistente y entrega energía eléctrica La máquina asíncrona convierte energía mecánica en eléctrica siempre que trabaja por encima de la velocidad de sincronismo. NO ES NECESARIO QUE GIRE A VELOCIDAD CONSTANTE
