Tema 7: El Motor de Inducción Trifásico. Descripción. (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
Grado Ingeniería de Diseño Industrial y Desarrollo del Producto - 2º curso
Asignatura Sistemas eléctricos
Año del apunte 2014
Páginas 18
Fecha de subida 26/06/2014
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El Motor de Inducción Trifásico. Descripción.
Descripción IM -1- Moving magnet cutting across a conducting ladder Ladder bent upon itself to form a squirrel cage.
Descripción IM -2- Campo rotativo en máquinas asíncronas trifásicas.
Descripción IM -3- Descripción IM -4- Typical torque-speed curves of NEMA Design B, C, and D motors Typical torque-speed curves when a 3-phase, squirrel-cage motor operates normally and when it operates on single-phase.
Descripción IM -5- Complete torque-speed curve of a 3-phase induction machine.
La máquina asíncrona como generador *. Por encima de la velocidad de sincronismo el par se vuelve resistente y entrega energía eléctrica.
*. Los generadores asíncronos se utilizan en sistemas de generación donde la fuente primaria es muy variable: energía eólica e hidráulica.
*. La máquina asíncrona convierte energía mecánica en eléctrica siempre que trabaje por encima de la velocidad de sincronismo. NO ES NECESARIO QUE GIRE A VELOCIDAD CONSTANTE.
*. En la actualidad existen máquinas con doble alimentación rotor – estator para mejorar el rendimiento en generación eólica e hidráulica.
Descripción IM -6- La máquina asíncrona como generador This Middelgrunden Offshore Wind Farm is located just outside Copenhagen Harbour, in Denmark. It consists of twenty 2 MW turbines yeilding a total output of 40 MW. The blades are 38 m long, revolving at a hub height of 64 m. The twenty turbines are equipped with squirrel-cage induction generators that together produce a guaranteed minimum of 89 000 MW h per year.
(Photo © BONUS Energy A/S) Descripción IM -7- Torque-speed curve of a 5 hp motor.
Torque-speed curve of a 5000 hp motor.
Descripción IM -8- The electric train makes the round trip between Zermatt (1604 m) and Gornergrat (3089 m) in Switzerland.
The drive is provided by four 3-phase, wound-rotor induction motors, rated 78 kW, 1470 r/m, 700 V, 50 Hz. Two aerial conductors constitute phases A and B, and the rails provide phase C. A toothed gear-wheel 573 mm in diameter engages a stationary rack on the roadbed to drive the train up and down the steep slopes. The speed can be varied from zero to 14.4 km/h by means of variable resistors in the rotor circuit. The rated thrust is 78 kN. (Courtesy of ABB) Descripción IM -9- Clasificación de los motores según el tipo de rotor: Normas NEMA T/Tnom 3 Clase D Clase C Clase A 2,5 2 Clase B 1,5 S M≅T Par motor MOTOR CLASE A: • 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 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 Descripción IM - 10 - Clasificación de los motores según el tipo de rotor: Normas NEMA MOTOR CLASE C (Doble jaula): • 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 Descripción IM - 11 - Características mecánicas de las cargas más habituales de los motores de inducción T TRR 2 T TRR=K =K**N N2 T TRR=K =K**N N T TRR=K =K T TRR=K/N =K/N N N MR ≅ TR Par resistente de la carga MR = K*N2 • Bombas centrífugas • Compresores centrífugos • Ventiladores y soplantes • Centrifugadoras MR = K*N • Prensas • Máquinas herramientas MR = K/N • Bobinadoras • Máquinas fabricación chapa MR = K • Máquinas elevación • Cintas transportadoras • Machacadoras y trituradoras • Compresores y bombas de pistones Descripción IM - 12 - Cálculo de los tiempos de arranque y frenado Momento de inercia de un cuerpo de masa “m” respecto a un eje de rotación, siendo “r” la distancia a dicho eje.
J = ∫ r ⋅ dm 2 [Kg ⋅ m2] La ecuación de la dinámica de rotación viene dada por: M es el par motor, MR es el par resistente, Jmotor es el momento de inercia del motor, Jcarga es el de la carga, w es la velocidad angular, [ ] M − M R = J motor + J c arg a ⋅ dw dt Integrando la ecuación se obtiene el tiempo de arranque.
tarranque = wno min al ∫ 0 J motor + J c arg a M − MR ⋅ dw MR + Mfreno es el par resistente total si se incluye un procedimiento adicional de frenado.
0 t frenado = ∫ wno min al J motor + J c arg a M − M R − M freno ⋅ dw Descripción IM - 13 - La variación de la velocidad de los motores asíncronos Resistencia rotórica creciente Par RR’3 RR’2 RR’1 Variación de la velocidad S VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD POR INSERCIÓN DE RESISTENCIAS ROTÓRICAS EN MOTORES DE ROTOR BOBINADO Bajo rango de variación.
Par Reducción tensión Vn 0,8Vn Variación de la velocidad S VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD POR REDUCCIÓN DE LA TENSIÓN Bajo rango bajo de variación y reducción del par motor.
Descripción IM - 14 - La variación de la velocidad de los motores asíncronos Reducción frecuencia Par 0,5fn fn 0,75fn S 0,5NS 0,75NS NS VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD POR VARIACIÓN DE LA FRECUENCIA Ns = 60 ⋅ f p • Variando de forma continua la frecuencia se puede variar también de forma continua la velocidad.
• Al reducir la frecuencia aumenta el flujo. Para evitar que la máquina se sature es necesario mantener la relación V/f constante.
Descripción IM - 15 - Significado de los códigos de protección IP e IK Envolvente: Es el elemento que proporciona la protección del material contra las influencias externas y en cualquier dirección, la protección contra los contactos directos.
Grado de protección: Es el nivel de protección proporcionado por una envolvente contra el acceso a las partes peligrosas, contra la penetración de cuerpos sólidos extraños, contra la penetración de agua o contra los impactos mecánicos exteriores, y que además se verifica mediante métodos de ensayo normalizados.
Código IP Es un sistema de codificación para indicar los grados de protección proporcionados por la envolvente contra el acceso a las partes peligrosas, contra la penetración de cuerpos sólidos extraños, contra la penetración de agua.
Este código IP esta formado por dos números de una cifra cada uno, situados inmediatamente después de las letras “IP” y que son independientes uno del otro, por ejemplo “IP65”.
La primera cifra característica esta graduada desde cero (0) hasta seis (6) y a medida que va aumentando el valor de dicha cifra, éste indica que el cuerpo sólido que la envolvente deja penetrar es menor.
Código IP: Norma UNE 20324, que es equivalente a la norma europea EN 60529.
Tabla 1 - Grados de protección indicados por la primera cifra característica Grado de protección Cifra Descripción abreviada Indicación breve sobre los objetos que no deben penetrar en la envolvente 0 No protegida.
1 Protegida contra los cuerpos sólidos de más de 50 mm 2 Protegida contra los cuerpos sólidos de más de 12 mm.
3 Protegida contra cuerpos sólidos de más de 2,5 mm.
4 Protegida contra cuerpos sólidos de mas de 1 mm.
5 Protegida contra la penetración de polvo.
No se impide totalmente la entrada de polvo, pero sin que el polvo entre en cantidad suficiente que llegue a perjudicar el funcionamiento satisfactorio del equipo.
6 Totalmente estanco al polvo.
Ninguna entrada de polvo.
Sin protección particular.
Cuerpos sólidos con un diámetro superior a 50 mm.
Cuerpos sólidos con un diámetro superior a 12 mm.
Cuerpos sólidos con un diámetro superior a 2,5 mm.
Cuerpos sólidos con un diámetro superior a 1 mm.
Descripción IM - 16 - Significado de los códigos de protección IP e IK Tabla 2 - Grados de protección indicados por la segunda cifra característica Grado de protección Cifra Descripción abreviada Tipo de protección proporcionada por la envolvente 0 No protegida Sin protección particular 1 Protegida contra la caída vertical de gotas de agua La caída vertical de gotas de agua no deberán tener efectos perjudiciales 2 Protegida contra la caída de gotas de agua con una inclinación máxima de 15º 3 Protegida contra la lluvia fina (pulverizada) 4 Protegida contra las proyecciones de agua El agua proyectada en todas las direcciones sobre la envolvente no deberá tener efectos perjudiciales 5 Protegida contra los chorros de agua El agua proyectada con la ayuda de una boquilla, en todas las direcciones, sobre la envolvente, no deberá tener efectos perjudiciales Las caídas verticales de gotas de agua no deberán tener efectos perjudiciales cuando la envolvente está inclinada hasta 15º con respecto a la posición normal El agua pulverizada de lluvia que cae en una dirección que forma un ángulo de hasta 60º con la vertical, no deberá tener efectos perjudiciales Código IK Es un sistema de codificación para indicar el grado de protección proporcionado por la envolvente contra los impactos mecánicos nocivos, salvaguardando así los materiales o equipos en su interior.
El código IK se designa con un número graduado de cero (0) hasta diez (10); a medida que el número va aumentado indica que la energía del impacto mecánico sobre la envolvente es mayor.
Este número siempre se muestra formado por dos cifras. Por ejemplo, el grado de protección IK 05, no quiere indicar más que es el número 5.
Código IK: Norma UNE-EN 50102.
Tabla 3 - Grados de protección IK Grado IK IK 00 IK 01 IK02 IK03 IK04 IK05 IK06 IK07 IK08 IK09 IK10 Energía (J) -- 0,15 0,2 0,35 0,5 0,7 1 2 5 10 20 Masa y altura de la pieza de golpeo -- 0,2 kg 70 mm 0,2 kg 100 mm 0,2 kg 175 mm 0,2 kg 250 mm 0,2 kg 350 mm 0,5 kg 200 mm 0,5 kg 400 mm 1,7 kg 295 mm 5 kg 200 mm 5 kg 400 mm Descripción IM - 17 - Selección de un motor para una aplicación específica ABB – “Guide for selecting a motor” 1.- SELECCIONAR LA CARCASA Y NIVEL DE PROTECCIÓN (IP).
2.- SELECCIÓNAR LA POTENCIA NOMINAL EN FUCIÓN DE LA POTENCIA NECESARIA PARA ARRASTRA LA CARGA.
3.- SELECCIONAR LA VELOCIDAD (NUMERO DE POLOS) EN FUNCIÓN VELOCIDAD CARGA.
NÚMERO DE POLOS VELOCIDAD SINCRONISMO (RPM) VELOCIDAD TÍPICA PLENA CARGA 2 4 6 8 10 12 16 3000 1500 1000 750 600 500 375 2900 1440 960 720 580 480 360 4.- SELECCIONAR LA FORMA NORMALIZADA DE MONTAJE EN FUNCIÓN DE UBICACIÓN.
5.- SELECCIONAR LA CLASE DE AISLAMIENTO EN FUNCIÓN Tª ESPERADA Y AMBIENTE DE TRABAJO.
6.- SELECCIONAR LA CARACTERÍSTICA MECÁNICA EN FUNCIÓN DE PAR DE ARRANQUE Y RESISTENTE DE LA CARGA.
Descripción IM - 18 - ...