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Universidad Nacional de Ingeniería PRIMERA PARTE I. Objetivo   

Demostrar en forma práctica los ensayos del motor asíncrono y a partir de ellos determinar los parámetros del circuito equivalente de sustitución de estado estacionario. La estimación de las pérdidas rotacionales y el pronóstico teórico de su comportamiento como rotor o generador a partir del circuito equivalente. Comprobar el funcionamiento de la máquina asíncrona como generador.

II. Fundamento Teórico Si hacemos girar un imán en forma de U a la velocidad n s alrededor de una aguja imantada, esta girará a una velocidad n1 = ns por lo tanto es un motor síncrono. Si hacemos girar un imán en forma de U a la velocidad n s alrededor de una masa circular metálica, esta girará a una velocidad n 2 < ns por lo tanto es un motor asíncrono.

Principio de funcionamiento Para explicar el funcionamiento de un motor trifásico, nos vamos a servir del siguiente símil. Supongamos que tenemos un imán moviéndose a lo largo de una escalera conductora tal y como se indica en la figura adjunta. Este imán en su desplazamiento a velocidad y provoca una variación de flujo sobre estos recintos cerrados que forman

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Universidad Nacional de Ingeniería los peldaños de la escalera. Esta variación de flujo genera una f.e.m definida por la ley  d   de Faraday : e    dt  que a su vez hace que por dichos recintos circule una corriente. Esta corriente eléctrica provoca la aparición de una fuerza sobre la escalera definida por: F  ILB que hace que la escalera se desplace en el mismo sentido que lo hace el imán.

La escalera nunca podrá desplazarse a la velocidad del imán, pues en el supuesto caso de que se desplazase a la misma velocidad que el imán, la variación del flujo sobre los recintos sería nula, y por tanto la f.e.m. inducida también y por tanto la fuerza resultante también sería nula. En un motor asíncrono la escalera es el desarrollo lineal del rotor y el campo magnético que se desplaza es originado por un sistema trifásico de corrientes que circulan por el estator (Teorema de Ferraris )

Constitución de la máquina asíncrona trifásica

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Universidad Nacional de Ingeniería Estator Devanado trifásico distribuido en ranuras a 120º. Tienen tres devanados en el estator. Estos devanados están desfasados 2.pi/3P, siendo P el número de pares de polos de la máquina.

Rotor 

Bobinado: Rotor devanado: los devanados del rotor son similares a los del estator con el que está asociado. El número de fases del rotor no tiene porqué ser el mismo que el del estator, lo que sí tiene que ser igual es el número de polos. Los devanados del rotor están conectados a anillos colectores montados sobre su mismo eje.



Jaula de Ardilla: Los conductores del rotor están igualmente distribuidos por la periferia del rotor. Los extremos de estos conductores están cortocircuitados, por tanto no hay posibilidad de conexión del devanado del rotor con el exterior. La posición inclinada de las ranuras mejora las propiedades de arranque y disminuye los ruidos.

Motor con rotor Bobinado

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Rotor de Jaula de ardilla

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Motor con Rotor en doble jaula de ardilla El rotor en estos motores está constituido por dos jaulas, una externa, de menor sección y material de alta resistividad, y otra interna de sección mayor y materia de baja resistividad. Ambas jaulas están separadas entre sí en cada ranura por medio de una delgada rendija que aumenta el flujo de dispersión en la jaula interior. De este modo se consigue una jaula exterior de alta resistencia y baja reactancia y una jaula interior de baja resistencia y baja reactancia. En el arranque (la reactancia predomina sobre la resistencia, pues f es grande) la corriente fluye en su mayor parte por la jaula exterior (menor reactancia). A la velocidad nominal (la resistencia predomina sobre la reactancia, f es muy pequeña) la corriente fluye en su mayor parte por la jaula interior (menor resistencia). Con todo esto se consigue que en el arranque la resistencia sea alta, lo que implica un alto par de arranque y baja intensidad, y a la velocidad nominal, como la resistencia es baja, se tiene buen rendimiento.

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Motor con rotor de ranuras profundas Un efecto análogo al anterior se obtiene mediante un rotor de ranuras profundas, ocupadas por barras altas y profundas, donde debido al efecto autoinductivo y de Folcault, la corriente se distribuye de forma diferente en el arranque y en el funcionamiento de trabajo.

Campo magnético giratorio El Campo magnético giratorio se obtiene con tres devanados desfasados 120º (acoplados en estrella o triángulo) y conectados a un sistema trifásico de c. a.

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Si por el arrollamiento del estator del motor de una máquina sincronía circula una corriente de pulsación w y si hay p pares de polos, se origina un campo magnético giratorio de p pares de polos y que giran a la velocidad w/p ( Teorema de Ferraris). Si el campo tiene distribución sinusoidal:

El campo magnético giratorio origina un flujo que induce corrientes en el rotor que interactúan con el campo magnético del estator. En cada conductor del rotor se produce una fuerza de valor F = iLB que da lugar al par motor.

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Conexión de los devanados

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Universidad Nacional de Ingeniería Cambio del sentido de giro del motor Intercambiando dos fases cambia el sentido de giro del campo magnético del estator y por lo tanto el sentido de giro del rotor.

Deslizamiento El rotor no puede girar a la velocidad Ns = w/p de los polos ficticios del estator (velocidad de sincronismo), pues en este caso, no habría ningún desplazamiento relativo de las espiras del rotor con relación a los polos ficticios del estator, ninguna f.e.m, ninguna corriente, ninguna fuerza electromagnética y por lo tanto ningún par motor. Llamamos deslizamiento a la diferencia de velocidad entre la velocidad síncrona y la velocidad del rotor, expresada e tanto por uno o en % ( a plena carga s = 3%-8%)

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Circuito Equivalente a motor parado La transferencia de energía de un motor asíncrono se produce de estator a rotor por inducción electromagnética de forma análoga a la transferencia en el transformador, pero ha de tenerse en cuenta que cuando el motor gira las frecuencias en el estator y rotor son diferentes. El circuito equivalente POR FASE de un motor asíncrono trifásico con el rotor parado, se obtiene de forma análoga al transformador. Designando con los subíndices 1 y 2 las magnitudes del estator y rotor respectivamente, el esquema equivalente es el siguiente:

Circuito equivalente con el rotor girando

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Circuito Equivalente del Motor Asíncrono Trifásico La (R2)/s ha de corresponder a la suma de la potencia debida a la resistencia del rotor R2 y la pontecia mecánica producida por el motor, representada en el circuito eléctrico equivalente por una resistencia llamada de carga Rc ( Potencia mecánica = 3I2RC).

El circuito equivalente POR FASE de un motor asíncrono trifásico es:

III. Bibliografía. 

MANUAL DE LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS

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IV. Procedimiento 1. ENSAYO EN VACÍO Medir previamente la resistencia (Ω) de cada fase del estator a temperatura ambiente, el promedio será el valor representativo. Luego la máquina debe ser arrancada sin carga en el eje, dejándosele marchar a un tiempo prudencial para que las condiciones de lubricación se estabilicen. Luego elevar la tensión de alimentación hasta aproximadamente 120% del valor nominal y registrar para esta tensión la potencia y corriente absorbida, disminuir la tensión de alimentación hasta aproximadamente 50%Vn. Anotar: V, P, I. 2. ENSAYO A ROTOR BLOQUEADO Bloquear el rotor y aplicar a la máquina asíncrona tensión reducida y tomar simultáneamente tomar varias lecturas de tensión, potencia y corriente absorbida hasta aproximadamente 150%In. Inmediatamente después de concluir la prueba, medir las resistencias por fase del estator. 3. ENSAYO COMO MOTOR BAJO CARGA Arrancar la máquina asíncrona aumentando gradualmente la tensión de alimentación hasta el valor nominal. Enseguida conectar a los bornes del generador de C.C. la resistencia de carga RL, la cual deberá estar en su máximo valor. Ajustar RL de tal manera que tenga una velocidad en el eje del motor correspondiente a un deslizamiento del 3%, a continuación registrar: velocidad, potencia y corriente absorbida, la tensión en los bornes y la corriente en la resistencia de carga.

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SEGUNDA PARTE

V. Cuestionario V.1 Hoja de datos Resistencia R-S S-T T-R

VN = 230 v max = 4000 RPM

V (volts) 247 211 190 185 117 72,3

ENSAYO EN VACÍO I (Ampere) P (x20) V generador 1,70 14 78,8 1,41 13 78,6 1,32 12 78,6 1,31 11 78,4 1,27 10 77,4 1,23 9 73,6

Ω / fase

2,4 2,4 2,3

RPM 3570 3566 3566 3562 3542 3446

ENSAYO A ROTOR BLOQUEADO V (volts)

I (Ampere) 58,9 57,7 55,6 54,2 53,2

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P (x20) 7,01 6,89 6,55 6,40 6,14

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19 18 17 16 15

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Nominal Con carga

V (volts) 230 228 227

5,88 5,72 5,57 5,34 5,06 4,79 4,50 4,12 3,97 3,71

14 13 12 11 10 9 8 7 6 5

ENSAYO COMO MOTOR BAJO CARGA I P V RPM VL IL (Ampere) (vatios) Generad. (volts) (A) 1,69 19 78,8 3570 0 0 2,8 45 76,9 3490 248 1,6 3,8 67 75,7 3446 265 2,8

V.2 A partir de los juegos de valores del ensayo de vacío calcular: Poo = Po - (pérdidas en el cobre estator) Coso = Po / (3*V*Io); y tabularlas como funciones de la tensión aplicada V. Po, Io: potencia y corriente absorbida por la máquina en vacío. Para la prueba de vacío se sabe que: Po= Pfe + Pcu + (Perdidas mecánicas) En vacío las Pcu son mucho menores que Pfe y Pmec, entonces la potencia absorbida es: Po = Pfe + (Perdidas mecánicas). Si consideramos que las pérdidas mecánicas permanecen constantes y que las Pfe varían con la tensión aplicada, podemos extrapolar la relación Po vs Voltaje. Para el punto donde la tensión es cero las perdidas en el fierro son despreciables, entonces este valor representa las pérdidas mecánicas es 173,78 vatios.

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Las Pcu son despreciables entonces Poo = Po Po Además: Coso  3 *V * I Obtenemos la siguiente tabla: V (volts) 247 211 190 185 117 72,3

Io 1,70 1,41 1,32 1,31 1,27 1,23

Poo 280 260 240 220 200 180

Pfe 106,22 86,22 66,22 46,22 26,22 6,22

Pmec 173,78 173,78 173,78 173,78 173,78 173,78

Coso 0,2223 0,2913 0,3190 0,3026 0,4487 0,6747

V.3 Graficar las características de un motor asíncrono en régimen de marcha en vacío (Poo, Io, Coso como funciones de la tensión aplicada). Explicar las tendencias y el intercepto que determinaría en el eje de las ordenadas la curva que pasa por los puntos Poo.

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A medida que aumenta la tensión en vacío aumentan las pérdidas en el fierro del estator si consideramos que las pérdidas mecánicas permanecen constantes En el proceso de prueba.

La corriente de vacío aumenta al aumentar la tensión (alrededor de un 50% para este caso) Es normal que ambos aumenten porque esta aumentando la potencia consumida.

Al aumentar la tensión de alimentación el factor de potencia en vació disminuye con una tendencia a ser cero, por lo que la potencia activa aumenta su valor.

V.4 A partir de las lecturas de ensayo a rotor bloqueado calcular Zcc y Rcc en ohmios por fase y tabularlas como funciones de la tensión aplicada. Las relaciones aplicadas son:

Zcc  Vcc

Icc

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Rcc  Pcc

2

3 * I cc

Xcc 

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Zcc 2  Rcc 2

Universidad Nacional de Ingeniería Obtenemos la siguiente tabla: Coscc V (volts) Pcc(w) 58,9 0,307 380 57,7 0,302 360 55,6 0,311 340 54,2 0,308 320 53,2 0,306 300 50,7 0,313 280 49,5 0,306 260 48,2 0,298 240 46,0 0,299 220 44,0 0,299 200 41,8 0,300 180 39,9 0,297 160 36,7 0,309 140 35,4 0,285 120 33,3 0,270 100

Icc (A) 7,01 6,89 6,55 6,40 6,14 5,88 5,72 5,57 5,34 5,06 4,79 4,50 4,12 3,97 3,71

Rcc 2,58 2,53 2,64 2,60 2,65 2,70 2,65 2,58 2,57 2,60 2,62 2,63 2,75 2,54 2,42 2,60

Zcc 8,40 8,37 8,49 8,47 8,66 8,62 8,65 8,65 8,61 8,70 8,73 8,87 8,91 8,92 8,98 8,67

Xcc 8,00 7,98 8,07 8,06 8,25 8,19 8,24 8,26 8,22 8,30 8,33 8,47 8,47 8,55 8,64 8,27

V.5 Graficar Pcc, Icc, Zcc y Rcc como funciones de la tensión aplicada. Explicar las tendencias.

La prueba de rotor bloqueado se realizó con la tensión reducida (15-25% Vn) y corriente de corto circuito, considerando las pérdidas en el FE despreciables, además se sabe que la medición del vatímetro a rotor bloqueado o cortocircuito mide las pérdidas en el cobre del reactor y estator. En la grafica se puede observar que la corriente de corto y la tensión describen una tendencia lineal y que la potencia crece con una tendencia

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Universidad Nacional de Ingeniería cuadrática; como la tensión crece con la corriente entonces se notará un mayor crecimiento de la potencia con relación a la corriente ya que ña potencia es proporcional al producto de la corriente y la tensión. Como Icc y V crecen de manera lineal Zcc mantiene una tendencia cuasilineal al igual que Xcc. Rcc también tiene un crecimiento lineal. V.6 Calcular los parámetros del circuito equivalente “T” de sustitución de la máquina asíncrona para tensión nominal. Incluir las pérdidas rotacionales en la resistencia “Vm”.

Reflejado al primario:

V1= 230v

y

R1=2,4/3=0.8,

De la prueba de vacío: R1+Ro = Poo /3Io2=280/3*1.7*1.7,

Entonces Ro = 31.49

Zo=Vf/If=247/(1.73*1.7)=83.88 Entonces X=x1+x0=RAIZ(Zo2-Ro2)= 77.4158 De la prueba de rotor bloqueado en promedio: Rcc =2.6  = R1 + R2, entonces R2 = 1.8 Zcc =8.67 Xcc = 8.27 = X1 + X2, Considerando que X1= X2, entonces X1 = X2= 4,135 Xo = 77.4158 – 4.135 =73.28

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Universidad Nacional de Ingeniería RL=1.8*(1-s)/s V.7 A partir de 5.6 evaluar los parámetros del circuito equivalente “L” invertida. Para evaluar los parámetros de “L” invertida necesitamos conocer el parámetro x1 4.135  1  1.0564267 C, tal que: C  1  x0 73.28 Z1=0.8+j4.135 Z’2=1.8+j4.135 Zm=31.49+j73.28 RL=1.8(1-s)/s

Z’1=0.845+j4.368 Z’’2=1.9+j4.368 Z’m=35.144+j81.78 RL’=1.9(1-s)/s

V.8 Construir un diagrama circular usando al circuito equivalente “L” invertida

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