1. Aspectos constructivos: generalidades CIRCUITOS
MAGNÉTICOS Conjunto de chapas de Fe aleado con Si aisladas
y apiladas (Gp:) ROTOR (Gp:) Conjunto de espiras en cortocircuito
(Gp:) De jaula de ardilla (Gp:) Bobinado (Gp:) De Al fundido
(Gp:) De barras soldadas (Gp:) ESTATOR (Gp:) Devanado
trifásico distribuido en ranuras a 120º (Gp:)
Aleatorio: de hilo esmaltado (Gp:) Preformado
(Gp:) Rotor de aluminio Fundido (Gp:) Rotor de anillos Soldados
2. Aspectos constructivos: rotor II (Gp:) Anillos
Fotografías realizadas en los talleres de ABB Service –
Gijón
7.2. Rotor III Chapa magnética Barra de cobre Plato final
rotor Fijación chapa magnética Anillo de
cortocircuito Despiece de un rotor de jaula con barras de cobre
soldadas Catálogos comerciales
2.1 Rotor bobinado: anillos rozantes Escobillas Anillos rozantes
Anillos rozantes El rotor se cierra en cortocircuito desde el
exterior a través de unas escobillas y anillos rozantes ?
L. Serrano: Fundamentos de máquinas eléctricas
rotativas ? L. Serrano: Fundamentos de máquinas
eléctricas rotativas
DEVANADO DE HILO Tensión<600V 3. Aspectos
constructivos: estator DEVANADO PREFORMADO
Tensión>2300v Evitar contacto entre conductores a
distinta tensión Los materiales empleados en los
aislamientos son generalmente orgánicos Fotografías
realizadas en los talleres de ABB Service – Gijón
Fotografías realizadas en los talleres de ABB Service –
Gijón
3.1. Diferencias entre devanados de hilo y devanados preformados
Forma constructiva de los devanados Devanados de Hilo Devanados
de pletina Baja tensión < 2kV Potencia < 600CV
Devanado “aleatorio” dentro de la ranura Pletinas de
cobre aisladas Alta tensión y potencia Colocación
de bobinas “ordenada”
3.2. Elementos del aislamiento estatórico en motores con
devanados preformados I Habitualmente se colocan dos bobinas por
ranura. El aislamiento entre con- ductores elementales es
distinto del aislamiento frente a masa Cada espira puede estar
constituida por varios conductores elementales
MURO AISLANTE: elemento de mayor espesor que separa al conjunto
de la bobina del exterior. Debe estar dimensionado para soportar
la tensión correspondiente al nivel de aislamiento de la
máquina. AISLAMIENTO ENTRE ESPIRAS Y ENTRE CONDUCTORES
ELEMENTALES: las espiras pueden estar formadas conductores
individuales para reducir las pérdidas. Es necesario que
exista aislamiento entre ellas y entre conductores. CINTAS Y
RECUBRIMIENTOS DE PROTECCIÓN: se utilizan cintas y
recubrimientos protectores para proteger las bobinas en las zonas
de ranura. 3.2. Elementos del aislamiento estatórico en
motores con devanados preformados II
Zona de ranura Cabeza de bobina 3.2. Elementos del aislamiento
estatórico en motores con devanados preformados III
Fotografías realizadas en los talleres de ABB Service –
Gijón
El número de espiras de una bobina varía entre 2 y
12. El número de conductores elementales varía
entre 2 y 6. Las tensiones soportadas por los conductores
elementales son muy bajas. Los conductores elementales se
aíslan por separado, posteriormente se agrupan en el
número necesario para formar una espira. Se pliegan para
conformar cada espira y finalmente se aplica a la espira el
aislamiento correspondiente. Las principales solicitaciones que
aparecen sobre este tipo de devanado son de tipo térmico y
mecánico (durante el conformado de las espiras). 3.2.1.
Aislamiento entre espiras y conductores
(Gp:) Soporta Tª hasta 220ºC Poliimida (Kapton) o
Poliamida en forma de película Poliimida (Kapton) o
Poliamida en forma de película + Fibra de vidrio con
poliéster (Daglas) Motores de hasta 4kV Motores de
más de 4kV 3.2.2. Materiales aislantes para los
conductores elementales Hasta los años 40 barnices Fibras
de amianto Desarrollo de materiales sintéticos Uso de
barnices solos y combinados
3.2.3. Materiales aislantes para el muro aislante (Gp:) Necesario
utilizar material soporte o aglomerante (Gp:) La mica en polvo o
escamas se aglutina con un material aglomerante (Gp:) Material de
base =Mica (Gp:) Muy buenas propiedades dieléctricas y
térmicas (Gp:) Silicato de alumnio (Gp:) Malas propiedades
mecánicas (Gp:) También se puede depositar sobre un
material soporte impregnando el conjunto con aglomerante (Gp:)
Muchos compuestos Catálogos comerciales
3.2.4. Aglomerantes y materiales soporte I (Gp:) AGLOMERANTES
TERMOESTABLES (Gp:) A partir de los años 50 (Gp:)
Poliéster Resinas epoxy (Gp:) Nuevos soportes: Fibra de
vidrio Poliéster (Gp:) Elevadas Temperaturas (Gp:)
COMPORTAMIENTO TÉRMOPLÁSTICO (Gp:) Tª
Máxima 110ºC CLASE B (Gp:) Material aglomerante =
compuesto asfáltico (Gp:) Material soporte = papel fibras
de algodón, etc. (Gp:) Hasta los años 60
3.2.4. Aglomerantes y materiales soporte II Fotografías
realizadas en los talleres de ABB Service – Gijón
Recubrimiento de reparto Recubrimiento conductor en la zona de
ranura 3.2.5. Recubrimientos de protección Recubrimientos
de protección Bobina con el recubri-miento externo
dañado Fotografías realizadas en los talleres de
ABB Service – Gijón
4. Procesos de fabricación actuales I PROCESO RICO EN
RESINA La mica en forma de láminas se deposita sobre un
material impregnado con una resina epoxy que polimeriza a alta
temperatura (cinta preimpregnada). Se recubre la bobina con este
material. Se introduce en un molde al que se le aplica
presión y calor: la temperatura y la presión logran
una impregnación homogénea en toda la bobina. El
proceso final de polimerización de la resina termoestable
se consigue sometiendo el motor a elevadas temperaturas en un
horno.
4. Procesos de fabricación actuales II PROCESO VPI EN
BOBINAS (“Vacuumm Pressure Impregnation”)
Inicialmente sólo se aplica la cantidad de resina
termoestable imprescindible para aglomerar la mica (cinta
porosa). El resto del aglomerante se introduce después de
haber creado el vacío dentro del tanque en el que se
encuentra la bobina. El vacío y posteriormente un gas a
presión consiguen que la resina termoestable impregne por
completo a la bobina. Una vez impregnadas las bobinas se extraen
y se les aplica presión para ajustar su forma y
tamaño. El curado se realiza a alta temperatura sobre el
motor completo.
PROCESO VPI GLOBAL Las bobinas se montan en las ranuras antes de
haber realizado el proceso de curado de la resina epoxy. Como
material soporte se utilizan cintas porosas con bajo contenido en
resina epoxy. Una vez colocadas todas las bobinas en sus
alojamientos y realizadas las conexiones se introduce el estator
en un tanque. A continuación, se hace el vacío con
lo que el tanque se inunda de resina epoxy. El estator se pasa a
otro tanque donde se aplica gas a alta presión y
temperatura para producir la polimerización de la resina.
4. Procesos de fabricación actuales III
Procesos VPI (Gp:) Precalentar el conjunto y hacer vacío
en el tanque (Gp:) 1 (Gp:) 3 (Gp:) Esperar tiempo de impreg-
nación y eliminar vacío (Gp:) 4 (Gp:) Transferir
resina al tanque y hacer curado en horno Proceso VPI de
VonRoll-Isola (Gp:) Transferir resina impreg- nación
debido al vacío (Gp:) 2 Catálogos comerciales
(Gp:) Motor de 25kW, 200V para el accionamiento de una bomba.
Fabricado en Pittsburg por Westinghouse en 1900 en funcionamiento
hasta 1978 (Gp:) Motor de inducción de 1000 kW, 4 kV y
3600 RPM para el accionamiento de un compresor. Fabricado por
Westinghouse en la actualidad 5. Aspecto físico de los
mo-tores asíncronos Catálogos comerciales
Catálogos comerciales
5. Aspecto físico II: motores de BT Catálogos
comerciales
6. Aspecto físico III: formas constructivas normalizadas
Catálogos comerciales
7. Conexión de los devanados (Gp:) Cajas de terminales
(Gp:) Catálogos comerciales
Cabezas de bobina Refuerzos carcasa Fijación cojinetes
Refuerzos rotor Núcleo magnético rotor
Núcleo magnético estator 8. Despiece de un motor de
MT Catálogos comerciales
9. Despiece de un motor de BT Catálogos comerciales
10. Principio de funcionamiento I EL ESTATOR DE UN MOTOR
ASÍNCRONO ESTÁ FORMADO POR 3 DEVANADOS SEPARADOS EN
EL ESPACIO 120º. En la figura se representa sólo una
espira de cada uno de los devanados (RR’, SS’,
TT’) LOS 3 DEVANADOS ESTÁN ALIMENTADOS MEDIANTE UN
SISTEMA TRIFÁSICO DE TENSIONES. POR TANTO, LAS CORRIENTES
QUE CIRCULAN POR LAS ESPIRAS SON SENOIDALES Y ESTÁN
DESFASADAS 120º
10. Principio de funcionamiento II F Rotor Estator a Sucesivas
posiciones del campo Campo giratorio Avance del campo Rotor NS
(Gp:) El campo magnético resultante de las tres corrientes
de fase es un campo que gira en el espacio a 60*f/P RPM. Donde P
es el núme-ro de pares de polos del estator (depende de la
forma de conexión de las bobinas que lo forman) y f la
frecuencia de alimentación. (Gp:) Velocidad de
sincronismo
10. Principio de funcio-namiento III: simulación (Gp:)
T=0.340 s (Gp:) 1 (Gp:) T=0.352 s (Gp:) 2 (Gp:) T=0.370 s (Gp:)
3
10. Principio de funcio-namiento III: simulación (Gp:)
MOTOR DE 2 PARES DE POLOS (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 3 (Gp:) 4 T=1 S
T=1,015 S
(Gp:) Motor asíncrono (Gp:) Estator (Gp:) Rotor (Gp:)
Devanado trifásico a 120º alimentado con sistema
trifásico de tensiones (Gp:) Espiras en cortocircuito
Sistema Trifásico Devanado trifásico a 120º
Campo giratorio 60f/P FEM inducida por el campo giratorio en las
espiras del rotor Espiras en corto sometidas a tensión
Circulación de corriente por las espiras del rotor Ley de
Biot y Savart Fuerza sobre las espiras del rotor Par sobre el
rotor Giro de la Máquina 10. Principio de funcionamiento
IV
EL MOTOR ASÍNCRONO SIEMPRE GIRA A VELOCIDAD INFERIOR A LA
VELOCIDAD DE SINCRONISMO: EN CASO CONTRARIO NO SE
INDUCIRÍA FUERZA ELECTROMOTRIZ EN EL ROTOR DE LA
MÁQUINA Y, POR TANTO, NO HABRÍA PAR MOTOR 10.
Principio de funcionamiento V CUANDO TRABAJA EN VACÍO GIRA
MUY PRÓXIMO A LA VELOCIDAD DE SINCRONISMO. EN ESE CASO, EL
ÚNICO PAR MOTOR DESARROLLADO POR LA MÁQUINA ES EL
NECESARIO PARA COMPENSAR LAS PÉRDIDAS
11. Ventajas de los motores de inducción (Gp:) 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.
(Gp:) VENTAJAS DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS Aumento del par
de carga (Gp:) Reducción de la velocidad de giro (Gp:)
Mayor FEM (Gp:) Mayor corriente rotor (Gp:) Mayor par motor (Gp:)
(Gp:) Estabilidad
11. Inconvenientes de los motores de inducción (Gp:) 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. (Gp:) INCONVENIENTES DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS
(Gp:) EQUIPO RECTIFICADOR TRIFÁSICO (Gp:) EQUIPO INVERSOR
TRIFÁSICO (Gp:) SISTEMA DE FILTRADO (Gp:) 3 FASES 50 Hz
(Gp:) 3 FASES f VARIABLE (Gp:) BUS DE CC (Gp:) ONDA ESCALONADA DE
f VARIABLE
12. Deslizamiento en las máquinas asíncronas (Gp:)
Velocidad mecánica del rotor (Gp:) Velocidad de
deslizamiento (Gp:) Deslizamiento (Gp:) S=0 Velocidad de
sincronismo S=1 Rotor parado LOS MOTORES DE INDUCCIÓN
TRABAJAN SIEMPRE CON VALORES MUY BAJOS DE S: S<5%
13. Frecuencia en el rotor de las máquinas
asíncronas I Frecuencia FEM inducida en el rotor (Gp:) En
el límite: S?1; Nm? 0 (Gp:) En el límite: S?0; Nm?
Ns (Gp:) frotor ? festator (Gp:) frotor?0 (Gp:) Aumento
frecuencia inducida rotor (Gp:) Disminución frecuencia
inducida rotor (Gp:) > velocidad relativa campo respecto rotor
(Gp:) < velocidad relativa campo respecto rotor (Gp:) Aumento
velocidad giro (Gp:) Reducción velocidad giro (Gp:) La
misma que la velocidad relativa del campo respecto al rotor
(S)
13. Frecuencia en el rotor de las máquinas
asíncronas II (Gp:) GIRO EN VACÍO: Nm? NS (Gp:)
frotor?0 (Gp:) ROTOR BLOQUEADO: Nm=0 (Gp:) frotor? festator (Gp:)
Para cualquier velocidad entre 0 y NS
14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona I
(Gp:) CIRCUITO EQUIVALENTE DEL ESTATOR PARA CUALQUIER VELOCIDAD
DE GIRO (Gp:) ALIMENTADO A f1 frecuencia de red (Gp:) Reactancia
dispersión estator (Gp:) Resistencia estator (Gp:)
Reactancia magnetizante estator (Gp:) EQUIVALENTE POR FASE (Gp:)
CIRCUITO EQUIVALENTE ROTOR CON LA MÁQUINA BLOQUEADA (Gp:)
ALIMENTADO A f1 frecuencia de red (Gp:) Reactancia
dispersión rotor (Gp:) Resistencia rotor (Gp:) Reactancia
magnetizante rotor (Gp:) EQUIVALENTE POR FASE (Gp:) CON ROTOR
BLO-QUEADO: frotor=festator
LA FEM INDUCIDA EN EL ROTOR ES PROPORCIONAL A LA VELOCIDAD DEL
CAMPO RESPECTO AL ROTOR (S) 14. Circuito equivalente de la
máquina asíncrona II (Gp:) Con el rotor bloqueado
se induce E2 (Gp:) En vacío se induce 0 (Gp:) A una
velocidad en-tre 0 y NS, es decir a un des-lizamiento S (Gp:) SE
INDUCE: S*E2 (Gp:) La FEM inducida en el rotor para una velocidad
cualquiera N (corres-pondiente a un deslizamiento S) (Gp:) S*E2
(Gp:) Reactancia dispersión rotor (Gp:) Resistencia rotor
(Gp:) ALIMENTADO A: f2=S*f1 (Gp:) Circuito equivalente para el
rotor con deslizamiento S (Gp:) LA RESISTENCIA ROTÓRICA RR
NO VARÍA CON LA FRECUENCIA Y, POR TANTO, TAMPOCO CON S
(Gp:) LA REACTANCIA XR VARÍA CON S: CUANDO EL
DESLIZAMIENTO ES S, XR PASA SER S*XR
14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona
III Se puede obtener la misma corriente en el mismo circuito
alimentado a f1 con sólo cambiar RR por RR/S 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
(Gp:) CIRCUITO EQ. ROTOR A DESLIZAMIENTO S (Gp:) Reactancia
dispersión rotor (Gp:) Resistencia rotor (Gp:) ALIMENTADO
A: f2=S*f1 (Gp:) ALIMENTADO A: f1
14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona IV
(Gp:) PARA OBTENER EL CIRCUITO EQUIVALENTE COMPLETO SE
UNIRÁN LOS CIRCUITOS EQUIVALENTES DE ROTOR Y ESTATOR (Gp:)
1 (Gp:) SE PLANTEARÁ QUE LA MÁQUINA
ASÍNCRONA ES “EQUIVALENTE” A UN TRANSFORMADOR
(Estator=Primario, Rotor=Secundario Relación Transf.=rt)
(Gp:) 2 (Gp:) SE REDUCIRÁ EL SECUNDARIO (Rotor) AL
PRIMARIO (Estator) (Gp:) 3
14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona V
(Gp:) COMO E1=E2’ SE PUEDEN UNIR EN CORTOCIRCUITO
14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona VI
(Gp:) Componente magnetizante (Gp:) Componente de pérdidas
(Gp:) X? (Gp:) I? (Gp:) Rfe (Gp:) Ife (Gp:) I0
14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona
VII (Gp:) LA RESISTENCIA VARIABLE SE PUEDE DIVIDIR EN DOS
COMPONENTES
14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona
VIII Tensión de fase (Estator) (Gp:) Resistencia cobre
rotor (Gp:) Reactancia dispersión rotor (Gp:) Resistencia
potencia mecánica entregada (Gp:) Resistencia cobre
estator (Gp:) Reactancia dispersión estator (Gp:)
Reactancia magnetizante (Gp:) Resistencia pérdidas hierro
(Gp:) Corriente de vacío El circuito equivalente se
plantea por fase y con conexión en estrella Todos los
elementos del circuito con ‘ están referidos al
estator
14. Circuito equivalente de la máquina asíncrona IX
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 (Gp:) Potencia entregada En un
motor asíncrono la corriente de vacío no es
despreciable (Gp:) (T. DE FASE) (Gp:) Cos?
15. Cálculo de las pérdidas en la máquina
asíncrona I (Gp:) j (Gp:) × (Gp:) × (Gp:) =
(Gp:) Cos (Gp:) I (Gp:) 3V (Gp:) P (Gp:) 1 (Gp:) 1 (Gp:) 1 (Gp:)
POTENCIA ABSORBIDA DE LA RED ELÉCTRICA (Gp:)
PÉRDIDAS EN LOS CONDUCTORES DEL ESTATOR (Cu) (Gp:)
PÉRDIDAS EN EL HIERRO. SUELEN CONSIDERARSE CON-CENTRADAS
EN EL ESTATOR. EN EL ROTOR LA f ES MUY BAJA (Gp:) POTENCIA QUE
ATRAVIESA EL ENTREHIERRO DE LA MÁQUINA (Gp:)
PÉRDIDAS EN LOS CONDUCTORES DEL ROTOR (Cu) La potencia que
atraviesa el entrehierro es la que disipa en la resistencia total
de la rama del rotor (RR’/S) (Gp:) POTENCIA MECÁNICA
INTER-NA: ATRAVIESA EL ENTREHIE-RRO Y PRODUCE TRABAJO (Gp:) Se
disipa en la resis- tencia variable
15. Cálculo de las pérdidas en la máquina
asíncrona II (Gp:) OTRA FORMA DE CALCULAR-LA A PARTIR DEL
DESLIZA-MIENTO (Gp:) PAR INTERNO: EL PAR TOTAL DESARROLLADO
INTERNA-MENTE POR LA MÁQUINA (Gp:) Velocidad angular de
giro del rotor (Gp:) Velocidad angular de sincronismo (Gp:) PAR
ÚTIL: EL PAR QUE ES CAPAZ DE DESARROLLAR EL MOTOR EN EL
EJE