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