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LAB. DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 2

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELÉCTRICA CURSO: LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS II GUIA DE LABORATORIO N0 6 RECONOCIMIENTO DEL MOTOR ASÍNCRONO TRIFÁSICO Y ELABORAR EL CIRCUITO DE ARRANQUE CON CONTACTORES, APLICANDO PUERTAS LÓGICAS TIPO TTL EN EL CIRCUITO DE CONTROL

1.- OBJETIVO: Revisar, estudiar y aplicar la teoría estudiada para reconocer y ubicar a los diferentes componentes de las máquinas asíncronas trifásicas, tomando lectura de las resistencias internas con el instrumento adecuado. Aplicar la teoría estudiada para elaborar el esquema de instalación y realizar el montaje del circuito correspondiente utilizando contactores, para la operación de un motor asíncrono trifásico. Medir la corriente que toma en el arranque y la corriente de operación normal.

2.- FUNDAMENTO TEORICO Desarrollar la teoría que explique el funcionamiento del motor de inducción trifásico, donde el circuito de control electromecánico es reemplazado por un circuito digital básico aplicando tecnología TTL o CMOS. Motor de inducción: Los motores asíncronos o de inducción son un tipo de motor de corriente alterna en el que la corriente eléctrica del rotor necesaria para producir torsión es inducida por inducción electromagnética del campo magnético de la bobina del estator. Por lo tanto un motor de inducción no requiere una conmutación mecánica aparte de su misma excitación o para todo o parte de la energía transferida del estator al rotor, como en los motores universales, motores DC y motores grandes síncronos. El primer prototipo de motor eléctrico capaz de funcionar con corriente alterna fue desarrollado y construido por el ingeniero Nikola Tesla y presentado en el American Institute of Electrical Engineers (en español, Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos, actualmente IEEE) en 1888. El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estator, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120º, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético Mario Alberto Molina Pandia

LAB. DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 2 variable va a inducir una tensión eléctrica en el rotor según la Ley de inducción de Faraday: La diferencia entre el motor a inducción y el motor universal es que en el motor a inducción el devanado del rotor no está conectado al circuito de excitación del motor sino que está eléctricamente aislado. Tiene barras de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia. Las barras están conectadas con anillos (en cortocircuito como dicen los electricistas) a cada extremidad del rotor. Están soldadas a las extremidades de las barras. Este ensamblado se parece a las pequeñas jaulas rotativas para ejercitar a mascotas como hámsters y por eso a veces se llama “jaula de ardillas”, y los motores de inducción se llaman motores de jaula de ardilla.

Funcionamiento. El motor asincrónico funciona según el principio de inducción mutua de Faraday. Al aplicar corriente alterna trifásica a las bobinas inductoras, se produce un campo magnético giratorio, conocido como campo rotante, cuya frecuencia será igual a la de la corriente alterna con la que se alimenta al motor. Este campo al girar alrededor del rotor en estado de reposo, inducirá corrientes en el mismo, que producirán a su vez un campo magnético que seguirá el movimiento del campo estátórico, produciendo una cupla o par motor que hace que el rotor gire (principio de inducción mutua). No obstante, como la inducción en el rotor sólo se produce si hay una diferencia en las velocidades relativas del campo estatórico y el rotórico, la velocidad del rotor nunca alcanza a la del campo rotante. De lo contrario, si ambas velocidades fuesen iguales, no habría inducción y el rotor no produciría par. A esta diferencia de velocidad se la denomina “deslizamiento” y se mide en términos porcentuales, por lo que ésta es la razón por la cual a los motores de inducción se los denomina asincrónicos, ya que la velocidad rotórica difiere lévemente de la del campo rotante. El deslizamiento difiere Mario Alberto Molina Pandia

LAB. DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 2 con la carga mecánica aplicada al rotor, siendo máximo con la máxima carga aplicada al mismo. Sin embargo, a pesar de esto, el motor varía poco su velocidad, pero el par motor o cupla aumenta (y con ello la intensidad de corriente consumida) por lo que se puede deducir que son motores de velocidad constante. Eléctricamente hablando, se puede definir al motor asincrónico como un Transformador eléctrico cuyos bobinados del estator representan el primario, y los devanados del rotor equivalen al secundario de un transformador en cortocircuito. En el momento del arranque, producto del estado de reposo del rotor, la velocidad relativa entre campo estatórico y rotórico es muy elevada. Por lo tanto, la corriente inducida en el rotor es muy alta y el flujo de rotor (que se opone siempre al del estator) es máximo. Como consecuencia, la impedancia del estator es muy baja y la corriente absorbida de la red es muy alta, pudiendo llegar a valores de hasta 7 veces la intensidad nominal. Este valor no hace ningún daño al motor ya que es transitorio, y el fuerte par de arranque hace que el rotor gire enseguida, pero causa bajones de tensión abruptos y momentáneos que se manifiestan sobre todo como parpadeo en las lámparas lo cual es molesto, y puede producir daños en equipos electrónicos sensibles. Los motores de inducción están todos preparados para soportar esta corriente de arranque, pero repetidos y muy frecuentes arranques sin períodos de descanso pueden elevar progresivamente la temperatura del estator y comprometer la vida útil de los devanados del mismo hasta originar fallas por derretimiento del aislamiento. Por eso se utilizan en potencias medianas y grandes, dispositivos electrónicos de “arranque suave”, que minimizan la corriente de arranque del motor. Al ganar velocidad el rotor, la corriente del mismo disminuye, el flujo rotórico también, y con ello la impedancia de los devanados del estator, recordemos que es un fenómeno de inducción mutua. La situación es la misma que la de conectar un transformador con el secundario en corto a la red de CA y luego con una resistencia variable intercalada ir aumentando progresivamente la resistencia de carga hasta llegar a la intensidad nominal del secundario. Por ende, lo que sucede en el circuito estatórico es un reflejo de lo que sucede en el circuito rotórico. Los motores monofásicos de inducción son una variante de los motores síncronos con rotor en jaula de ardilla. La configuración tiene sus polos en forma saliente. El motor arranca como un motor asíncrono y luego pasa a motor síncrono, si no hay impedimento, por caga excesiva.

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LAB. DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 2 La velocidad es constante y viene determinada por la frecuencia de la red. La carga puede hacer que el motor pierda el sincronismo. MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCIÓN CON ESPIRAS EN CORTOCIRCUITO Este motor puede arrancarse directamente por si mismo, lo que se consigue por el efecto que producen las llamadas espiras en cortocircuito. El sistema consiste en dividir los polos en dos partes desiguales. Los motores de inducción con espira en corto circuito tienen gran aplicación en electrodomésticos y pequeños aparatos. Al no tener escobillas prácticamente no necesitan mantenimiento y al mismo tiempo están casi exentos de averías. MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCIÓN TIPO FASE PARTIDA Entre los procedimientos para iniciar el arranque o giro de este tipo de motores de inducción, está el llamado de fase partida, que consiste básicamente en crear un campo magnético giratorio que mueva el inducido durante el período de arranque El campo magnético se obtiene por capacidad o por inductancia. Para obtener el campo giratorio por capacidad, se utilizan dos arrollamientos de bobinas en serie, llevando una de ellas condensador, que es la que realiza el desfase y por tanto el arranque del motor. MOTORES DE JAULA DE ARDILLA La mayor parte de los motores que funcionan con c-a de una sola fase tienen el rotor de tipo jaula de ardilla. Los rotores de jaula de ardilla reales son mucho más compactos y tienen un núcleo de hierro laminado. Los conductores longitudinales de la jaula de ardilla son de cobre y van soldados a las piezas terminales de metal. Cada conductor forma una espira con el conductor opuesto conectado por las dos piezas circulares de los extremos. Cuando este rotor está entre dos polos de campos electromagnéticos que han sido magnetizados por una corriente alterna, se induce una fem en las espiras de la jaula de ardilla, una corriente muy grande las recorre y se produce un fuerte campo que contrarresta al que ha producido la corriente (ley de Lenz). Aunque el rotor pueda contrarrestar el campo de los polos estacionarios, no hay razón para que se mueva en una dirección u otra y

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LAB. DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 2 así permanece parado. Es similar al motor síncrono el cual tampoco se arranca solo. Lo que se necesita es un campo rotatorio en lugar de un campo alterno. Cuando el campo se produce para que tenga un efecto rotatorio, el motor se llama de tipo de jaula de ardilla. Un motor de fase partida utiliza polos de campo adicionales que están alimentados por corrientes en distinta fase, lo que permite a los dos juegos de polos tener máximos de corriente y de campos magnéticos con muy poca diferencia de tiempo. Los arrollamientos de los polos de campo de fases distintas, se deberían alimentar por c-a bifásicas y producir un campo magnético rotatorio, pero cuando se trabaja con una sola fase, la segunda se consigue normalmente conectando un condensador (o resistencia) en serie con los arrollamientos de fases distintas. Con ello se puede desplazar la fase en más de 20° y producir un campo magnético máximo en el devanado desfasado que se adelanta sobre el campo magnético del devanado principal. Desplazamiento real del máximo de intensidad del campo magnético desde un polo al siguiente, atrae al rotor de jaula de ardilla con sus corrientes y campos inducidos, haciéndole girar. Esto hace que el motor se arranque por sí mismo. El devanado de fase partida puede quedar en el circuito o puede ser desconectado por medio de un conmutador centrífugo que le desconecta cuando el motor alcanza una velocidad predeterminada. Una vez que el motor arranca, funciona mejor sin el devanado de fase partida. De hecho, el rotor de un motor de inducción de fase partida siempre se desliza produciendo un pequeño porcentaje de reducción de la que sería la velocidad de sincronismo. 3.- ELEMENTOS A UTILIZAR: Describa las características de los elementos que se utilizaron en el desarrollo de la practica. 

Multimetro.



Puente de resistencias



Megómetro



Motor asíncrono trifásico.

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LAB. DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 2 4.- PROCEDIMIENTO DE EJECUCIÓN: 

Reconocer e identificar los terminales del motor, elaborar el esquema de conexiones de los componentes encontrados. (Indicar el tipo de motor según la información obtenida).



Medir con el instrumento adecuado el valor de la resistencia interna de cada componente, la resistencia de aislamiento del estator. Registrar los datos de placa.



Reconocer e identificar los terminales del motor, elaborar el esquema de conexiones de las bobinas. (Indicar las características del motor según la información de su placa).

Datos de placa del motor Potencia

0,9 HP

Tipo de Conexión/V/A

220DD-3,1A

Tipo de Conexión/V/A

380YY-1,8A

Peso

8,1Kg

RPM

1675

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Ivacio

2,065A

Rbobina1

9,981Ω

Rbobina2

9,987Ω

Rbobina3

9,974Ω

Corriente en los devanados Conexión delta Max 2,7A-2,7A-2,7A Vacio 2,2A-2A-1,9A Conexión Estrella Max 2,4A-2,4A-2,3A Vacio 0,05A-0,04A-0,05A

5.- CUESTIONARIO: 5.1 Defina la función de cada componente ubicado en el motor ensayado •Estator: Un estátor es una parte fija de una máquina rotativa, la cual alberga una parte móvil (rotor). En los motores asíncronos trifásicos, tienen un bobinado distribuido en ranuras a 120º. Tienen tres bobinados en el estator, estos bobinados están desfasados 2 π/ (3P), siendo P el numero de polos de la maquina . •Rotor: El Rotor es el componente que gira (rota) en una máquina eléctrica, generalmente montada en un eje. En los motores asíncronos existen dos tipos, jaula de ardilla o rotor bobinado: Jaula de ardilla: en su interior contiene barras conductoras a lo largo ,de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. Los bobinados inductores en el estator de un motor de inducción instan al campo

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LAB. DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 2 magnético a rotar alrededor del rotor. El movimiento relativo entre este campo y la rotación del rotor induce corriente eléctrica, un flujo en las barras conductoras. Alternadamente estas corrientes que fluyen longitudinalmente en los conductores reaccionan con el campo magnético del motor produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor, dando por resultado un esfuerzo de torsión para dar vuelta al eje. Los conductores se inclinan levemente a lo largo de la longitud del rotor para reducir ruido y para reducir las fluctuaciones del esfuerzo de torsión que pudieron resultar, a algunas velocidades, y debido a las interacciones con las barras del estator. El número de barras en la jaula de la ardilla se determina según las corrientes inducidas en las bobinas del estator y por lo tanto según la corriente a través de ellas. Las construcciones que ofrecen menos problemas de regeneración emplean números primos de barras. El núcleo de hierro sirve para llevar el campo magnético a través del motor. Su estructura y material se diseña para reducir al mínimo las pérdidas. Las láminas finas, separadas por el aislamiento de barniz, reducen las corrientes parásitas que circulan resultantes de las corrientes de Foucault. El material, un acero bajo en carbono pero alto en silicio, con varias veces la resistencia del hierro puro, en la reductora adicional. El contenido bajo de carbono le hace un material magnético suave con pérdida bajas por histéresis. •Carcaza: Es el soporte fabricado en material no conductor, con un alto grado de rigidez y rigidez al calor , sobre el cual se fijan todos los componentes conductores del contactor. •Electroimán: Es el elemento motor del contactor. Está compuesto por una serie de elementos cuya finalidad es transformar la energía eléctrica en magnetismo, generando un campo magnético muy intenso, el cual a su vez producirá un movimiento mecánico. •Bobina: Es un arrollamiento de alambre de cobre muy delgado y un gran número de espiras, que al aplicársele tensión genera un campo magnético. El flujo magnético produce un electromagnético, superior al par resistente delos muelles (resortes) que separan la armadura del núcleo, de manera que estas dos partes pueden juntarse estrechamente. Cuando una bobina se energía con A.C la intensidad absorbida por esta, denominada corriente de llamada, es relativamente elevada, debido a que en el circuito prácticamente solo se tiene la resistencia del conductor. Esta corriente elevada genera un campo magnético intenso, de manera que el núcleo puede atraer a la armadura, a pesar del gran entrehierro y la resistencia mecánica del resorte o muelle que los mantiene separados en estado de reposo. Una vez que se cierra el circuito magnético, al juntarse el núcleo con la armadura, aumenta la impedancia de la bobina, de tal manera que la corriente de llamada se reduce considerablemente, obteniendo de esta manera una corriente de mantenimiento o trabajo mucho más baja. •Núcleo: Es una parte metálica, de material ferromagnético, generalmente en forma de E, que va fijo en la carcaza. Su función es concentrar y aumentar el flujo magnético que genera la bobina (colocada en la columna central del núcleo), para atraer con mayor eficiencia la armadura. •Armadura: Elemento móvil, cuya construcción se parece a la del núcleo, pero sin espiras de sombra, Su función es cerrar el circuito magnético una vez energizada la bobina, ya que en este estado de reposo debe estar separado del núcleo, por acción de un muelle. Este espacio de separación se denomina entre hierro o cota de llamada. Las características del muelle permiten que, tanto el cierre como la apertura del circuito magnético, se realizan en forma muy rápida (solo unos 10milisegundos). Cuando el par

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LAB. DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 2 resistente del muelle es mayor que el par electromagnético, el núcleo no lograra atraer la armadura o lo hará con mucha dificultad. Por el contrario, si el par resistente del muelle es demasiado débil, la separación de la armadura no se producirá con la rapidez necesaria. •Contactos: Son elementos conductores que tienen por objeto establecer o interrumpir el paso de corriente, tanto en el circuito de potencia como en circuito de mando, tan pronto se energice la bobina, por lo que se denominan contactos instantáneos. Todo contacto está compuesto por tres elementos: dos partes fijas ubicadas en la coraza y una parte móvil colocada en la armadura, para establecer o interrumpir el de la corriente entre las partes fijas. El contacto móvil lleva un resorte que garantiza la presión y por consiguiente la unión de las tres partes. Contactos principales: Su función específica es establecer o interrumpir el circuito principal, permitiendo o no que la corriente se transporte desde la red a la carga. Contactos auxiliares. Contactos cuya función específica es permitir o interrumpir el paso de la corriente a las bobinas de los contactares o los elementos de señalización, por lo cual están dimensionados únicamente para intensidades muy pequeñas.

5.2 De los valores registrados de resistencia de aislamiento y resistencia interna de las bobinas haga la evaluación correspondiente y determine sí son los adecuados, explique ¿por qué?.

Rbobina1

9,981Ω

Rbobina2

9,987Ω

Rbobina3

9,974Ω

*tiende a tener valores pequeños debido a los arrollamientos de cobre.

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LAB. DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 2 5.3 De acuerdo al Código Eléctrico Nacional elabore el diagrama unifilar completo de instalación del motor asíncrono trifásico para operar con las protecciones adecuadas, en arranque directo.

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LAB. DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 2 5.4 Enumere las diferencias operativas y constructivas entre un motor trifásico que tiene sus devanados del estator en conexión estrella y otro que tenga los devanados en conexión delta.  Cuando conectas los devanados de un motor en estrella, y conectas las terminales sobrantes a las tres líneas de la trifásica, la tensión en cada fase(devanado) del motor es 1/√3 del voltaje "de línea" -es decir, el voltaje entre existente entre cada par de líneas de la trifásica. Algo así como el 57.7% del voltaje de línea. Conectado en delta, la tensión sobre cada fase es la misma que la de línea. 

Esta relación mutua entre las tensiones de fase "en delta" y "en estrella es siempre la misma. En Europa, por ejemplo, utilizan 380 V para el suministro industrial. En este caso, la tensión de fase para un motor conectado en estrella es de 220 V, que es 380/√3.



Por cierto, lo dicho para las tensiones es válido también para las corrientes, sólo que a la inversa. Es decir, si tengo un motor conectado en delta, la corriente que circula por cada uno de los hilos de alimentación, al llegar al motor, encuentra dos caminos. La corriente "por fase", o sea, en cada devanado, es igual a la corriente de línea dividido entre √3. Por el contrario, si la conexión fuera en estrella, cada fase queda en serie con una de las líneas, yla corriente, obligadamente, es la misma.



Sintetizando: Conexión en estrella: Voltaje por fase = voltaje de línea/√3.Corriente por fase = corriente de línea. Conexión en delta: Voltaje por fase = voltaje de línea. Corriente por fase = corriente de línea /√3.



Por otra parte, el hecho de que la conexión en delta no tenga neutro obedece auna imposibilidad física. Sencillamente, la configuración no lo admite. No es posible tener una terminal común que se pueda dejar "flotante", pues todas las terminales ya están ocupadas. Obviamente, este no es el caso de la conexión estrella.

5.5 Si el motor analizado operaría con un variador de frecuencia, que restricciones pondría para que el motor mantenga sus características operativas Al trabajar con variador de frecuencia, los principales problemas del uso de motores convencionales serian:  Problemas a bajas velocidades: La auto ventilación es insuficiente para el régimen permanente a bajas revoluciones, al menos si se quiere mantener el par nominal, lo que nos obliga a instalar ventilación forzada exterior (dificultades de montaje) o bien a sobredimensionar el motor.

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Problemas a altas velocidades: El fabricante del motor no suele garantizar el rango de velocidades por encima de la nominal durante el que mantiene la potencia constante. De hecho, la auto ventilación provoca una caída muy rápida de la potencia a medida que aumenta la velocidad de giro, debido a la potencia mecánica absorbida por el propio ventilador, potencia que debería estar dedicándose a mover la carga.



Destrucción de bobinados: Los armónicos presentes en la salida de potencia del variador son ricos en muy altas frecuencias y con el tiempo acaban degradando los bobinados, cuyos aislamientos no están preparados a largo plazo para un bombardeo permanente de transiciones abruptas de tensión.



Caso de aplicaciones en lazo cerrado: El motor convencional no suele incorporar encoder de fábrica, siendo el técnico el que debe instalarlo, operación no siempre fácil y que comporta ciertos riesgos y complicaciones en la operación de puesta en marcha.

6.- OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES:  Para el cálculo de la Resistencia de los devanados del motor de inducción se debe tomar en cuenta el valor de Resistencia de los cables conexión para tener valores reales.  El cálculo de la resistencia de aislamiento fue erróneo debido al que el megger de laboratorio no funciona adecuadamente.  Una aplicación muy interesante del puente Wheatstone en la industria es como sensor de temperatura, presión, etc. (dispositivos que varían el valor de sus resistencias de acuerdo a la variación de las variables antes mencionadas).  El resultado de este informe es presentar las aplicaciones de los motores eléctricos y las fallas que en ellos existen, pero debemos tener en cuenta que son conceptos que están íntimamente relacionados.  Se debe reconocer los equipos como es los terminales de el contactor y tener una elección de conexión del motor para evitar variaciones en los cálculos. 7.- BIBLIOGRAFÍA:   

https://www.monografias.com/trabajos91/motor-asincrono/motorasincrono.shtml#iiconstita http://motores.nichese.com/asincrono.htm http://insmaquinaselectricas.blogspot.com/2010/03/motores-asincronos-derotor-bobinado.html

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