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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Índice Guía de Laboratorio N° 6 .................................................................................................................... 1 1.

Objetivo ................................................................................................................................... 1

2.

Fundamento Teórico ............................................................................................................... 1 2.1.

Introducción .................................................................................................................... 1

2.2.

Concepto ......................................................................................................................... 1

2.3.

Concepto de Deslizamiento del rotor ............................................................................. 3

2.4.

Frecuencia eléctrica en el rotor....................................................................................... 3

2.5.

Arranque de motores asíncronos con rotor jaula por dispositivos electrónicos ............ 4

3.

Elementos a utilizar ................................................................................................................. 4

4.

Procedimiento de ejecución .................................................................................................... 5

5.

Cuestionario Y Evaluación...................................................................................................... 7

6.

Observaciones y Conclusiones .............................................................................................. 11

7.

6.1.

Observaciones ............................................................................................................... 11

6.2.

Conclusiones.................................................................................................................. 11

Bibliografía ........................................................................................................................... 11

Índice de figuras figura 1 esquema de inducción Estator - Rotor ................................................................................... 2 figura 2 Proceso de inducción de voltaje............................................................................................. 2 figura 3 Conexiones de la placa y sentidos de giro de rotación obtenidos en un motor trifásico ....... 5 figura 4 conexión real del circuito....................................................................................................... 5 figura 5 conexión 380/220................................................................................................................... 6 figura 6 esquema de fuerza y control para arranque del motor ........................................................... 7 figura 7 partes de motor trifásico ........................................................................................................ 8 figura 8 esquema de fuerza y mando del circuito ................................................................................ 9

LABORATORIO DE MAQUINAS ELÉCTRICAS II1

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Guía de Laboratorio N° 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 Teórico 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.

2.1. Introducción En las maquinas asíncronas trifásicas, estas son mayormente utilizadas como motores, por lo que nos dedicaremos al motor asíncrono solamente.

2.2. Concepto El devanado del estator de motor asíncrono trifásico está desfasado 120° eléctricos, y esta alimentado por una fuente trifásica desfasada 120°. Cuando la corriente pasa a través de los devanados en una frecuencia ‘ f ’, se produce una onda rotativa de fmm (Bs) la cual está distribuida sinusoidalmente, debido a que la fuente también es sinusoidal; esta distribución produce un flujo giratorio con una velocidad de: 𝑛𝑠 =

2 × 60 × 𝑓 𝑝

Donde ‘p’ es el número de polos y ‘f’ es la frecuencia. A esta velocidad se le llama como “velocidad de sincronismo”, el flujo giratorio producirá fem en los conductores del rotor, y si el circuito está cerrado aparecerán corrientes que reaccionarán con el flujo del estator. Entonces el voltaje inducido en cierta barra del rotor está dado por: 𝑒𝑖𝑛𝑑 = (𝑣 × 𝐵)𝑙 Donde ‘v’ velocidad de las barras en relación con el campo magnético, donde ‘B’ es el vector del flujo magnético y ‘l’ es la longitud del conductor en el campo magnético. Para determinar el sentido debe considerase que el rotor gira en sentido contrario al campo, en la siguiente figura se puede ver el sentido de la corriente inducida en los conductores del rotor.

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figura 1 esquema de inducción Estator - Rotor

Cuando circula corriente por los conductores del rotor se producen fuerzas cuyo sentido está dado por: 𝐹 = 𝑖(𝐿 × 𝐵) El cuál sería el par de arranque, el cual también puede ser dado por: 𝜏𝑖𝑛𝑑 = 𝑘𝐵𝑅 × 𝐵𝑆 BR es el campo magnético del rotor y Bs es el campo magnético del estator. En la siguiente grafica se puede ver la evolución del proceso desde la inducción del voltaje hasta el par producido.

figura 2 Proceso de inducción de voltaje

Pero hay un límite para la velocidad del motor, si el rotor gira a velocidad síncrona, no habrá voltaje inducido porque parece que sus bobinas están estacionarias. Si el ‘eind’ es igual a cero, no habría corriente en el rotor por lo que no habría campo magnético en él. Sin el campo magnético el para inducido seria cero y el rotor reducirá su velocidad por la fricción hasta detenerse, por lo que el rotor girara a una velocidad menor.

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2.3. Concepto de Deslizamiento del rotor El voltaje inducido en las bobinas del rotor depende de la velocidad del rotor en relación con los campos magnéticos, por lo que aquí se hablara de la velocidad relativa. Hay dos términos que se usan para definir el movimiento relativo del rotor y los campos magnéticos. Uno es la velocidad de deslizamiento, que es la diferencia entre la velocidad síncrona y la velocidad del rotor: 𝑛𝑑𝑒𝑠 = 𝑛𝑠 − 𝑛𝑚 Dónde:   

𝑛𝑑𝑒𝑠 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑙𝑖𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑛𝑠 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜𝑠 𝑚𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜𝑠 𝑛𝑚 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑒𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟

El otro es el que se utiliza para describir el movimiento relativo es el deslizamiento, el cual está dado por: 𝑆= 𝑆=

𝑛𝑑𝑒𝑠 × (100%) 𝑛𝑠

𝑛𝑠 − 𝑛𝑚 × (100%) 𝑛𝑠

Esta ecuación también puede describirse en términos de velocidad angular la cual sería: 𝑆=

𝜔𝑠 − 𝜔𝑚 × (100%) 𝜔𝑠

De esta ecuación se puede notar que si la velocidad del rotor es igual a la velocidad síncrona, entones S=0. Pero si el rotor esta estacionario entonces S=1. Donde todas las velocidades normales del motor caen dentro de estos dos límites.

2.4. Frecuencia eléctrica en el rotor La máquina síncrona se comporta como un transformador, pero no son iguales porque puede que la frecuencia en el secundario (rotor) no necesariamente sea igual al primario (estator). En el caso de que la velocidad del rotor sea cero, la frecuencia del rotor (fr) será igual a la frecuencia del estator (fe) y el deslizamiento es igual a 1. Pero si la velocidad del rotor es igual a la velocidad síncrona, entonces la frecuencia del rotor es cero y el deslizamiento también es cero; por lo que la frecuencia en el rotor es directamente proporcional a las diferencias entre el campo magnético y la velocidad del rotor, entonces se tendrá: 𝑓𝑟 = 𝑆𝑓𝑒 𝑓𝑟 =

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𝑛𝑠 − 𝑛𝑚 𝑓𝑒 𝑛𝑠

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2.5. Arranque de motores asíncronos con rotor jaula por dispositivos electrónicos Los arrancadores electrónicos son una mejor solución que los autotransformadores gracias a la posibilidad de su arranque suave, permitiendo un aumento en la vida útil de todas las partes involucradas. Los mismos consisten básicamente en un convertidor estático alterna-continua-alterna ó alternaalterna, generalmente de tiristores, que permiten el arranque de motores de corriente alterna con aplicación progresiva de tensión, con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque. En algunos modelos también se varía la frecuencia aplicada. Al iniciar el arranque, los tiristores dejan pasar la corriente que alimenta el motor según la programación realizada en el circuito de maniobra, que irá aumentando hasta alcanzar los valores nominales de la tensión de servicio. La posibilidad de arranque progresivo, también se puede utilizar para detener el motor, de manera que vaya reduciendo la tensión hasta el momento de la detención. Estos arrancadores ofrecen selección de parada suave, evitando por ejemplo, los dañinos golpes de ariete en las cañerías durante la parada de las bombas; y detención por inyección de corriente continúa para la parada más rápida de las masas en movimiento. Además poseen protecciones por asimetría, contra sobre temperatura y sobrecarga, contra falla de tiristores, vigilancia del tiempo de arranque con limitación de la corriente, control de servicio con inversión de marcha, optimización del factor de potencia a carga parcial, maximizando el ahorro de energía durante el proceso y permiten un ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes.

3. Elementos a utilizar       

Multímetro Puente de resistencias Megómetro Motor asíncrono triásico Amperímetro analógico Contactor Pulsador

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4. Procedimiento de ejecución 4.1. 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).

figura 3 Conexiones de la placa y sentidos de giro de rotación obtenidos en un motor trifásico

figura 4 conexión real del circuito

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4.2. 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. Bobina

Resist .de aislamiento Tiende a ∞

Datos de Placa Motor

3~

Potencia

0.9 HP

Velocidad

1676 rpm

Tensión

220/440 V

Corriente

3.1/ 1.55 A

Conexión

DD / YY / D

Aislamiento

F

Resistencia [Ω]

R 1-1

9.981

R 2-2

9.984

R 3-3

9.974

4.3. 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 ).

figura 5 conexión 380/220 LABORATORIO DE MAQUINAS ELÉCTRICAS II

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4.4. Elaborar el diagrama completo del circuito de fuerza para una tensión de alimentación de 380V. Elaborar el diagrama del circuito de control considerando una tensión de alimentación a la bobina del contactor de 220V.

figura 6 esquema de fuerza y control para arranque del motor

5. Cuestionario Y Evaluación 5.1. Defina la función de cada componente ubicado en el motor ensayado.  

  



Motor Trifásico Asíncrono - es un tipo de motor de corriente alterna, está formado por un rotor, y un estator, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Bobinas. - 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 de los muelles (resortes) que separan la armadura del núcleo, de manera que estas dos partes pueden juntarse estrechamente Carcasa - 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. Núcleo - es una parte metálica, de material ferromagnético, generalmente en forma de E, que va fijo en la carcasa. Su funciones 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 construcciones parece a la del núcleo, pero sin espiras de sombra, Su funciones cerrar el circuito magnético una vez energizada la bobina, ya que en

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 





este donde reposo debe estar separado del núcleo, por acción de un muelle. Este espacio de separación se denomina entrehierro cota de llamada. Eje - es un elemento constructivo destinado a guiar el movimiento de rotación a una pieza o de un conjunto de piezas, como una rueda o un engranaje, Contactores - es un componente electromecánico que tiene por objetivo establecer o interrumpir el paso de corriente, ya sea en el circuito de potencia o en el circuito de mando, tan pronto se energice la bobina. Un contactor es un dispositivo con capacidad de cortar la corriente eléctrica de un receptor o instalación, con la posibilidad de ser accionado a distancia, que tiene dos posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo. Cojinete - es la pieza o conjunto de ellas sobre las que se soporta y gira el árbol transmisor de momento giratorio de una máquina. De acuerdo con el tipo de contacto que exista entre las piezas el cojinete puede ser un cojinete de deslizamiento o un rodamiento respectivamente. Ventiladores - son los dispositivos mecánicos que mueven el aire caliente y otros gases, que pueden ser dañosos en lo que respecta a la seguridad de la unidad del motor

figura 7 partes de motor trifásico

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?. La resistencia de aislamiento fue medida con el megometro y el valor obtenido fue de infinito debido a que la resistencia de aislamiento del estator debe ser muy elevada por eso tiende a ser infinito. La comprobación de la resistencia de aislamiento se realiza para descartar las posibles fallas provocadas por el constante cambio de temperatura lo cual provoca un deterioro del motor.

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Los valores de las resistencia internas de las bobinas del motor trifásico deben ser iguales o casi iguales debido a que están desfasadas 120° entre ellas y por tal motivo el valor de sus resistencia debe ser similares. Si los valores de estas resistencias no son iguales se puede decir que el estado del motor no es el adecuado. Bobina

Resistencia [Ω]

R 1-1

9.981

R 2-2

9.984

R 3-3

9.974

Resist .de aislamiento ∞

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.

figura 8 esquema de fuerza y mando del circuito

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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. 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.

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6. Observaciones y Conclusiones 6.1.Observaciones     

Se debe revisar el correcto armado de los enclavamientos en el circuito de mando para evitar daños en los equipos En delta se toma más corriente de la red que en la configuración estrella La configuración estrella es útil para maquinas donde se necesite velocidad y no torque (ejemplo: ventiladores) Se denomina motor asíncrono al motor de corriente alterna cuya parte móvil gira a una velocidad distinta a la de sincronismo. Los devanados del estator pueden estar configurados ya sea en delta o en estrella dependiendo de la disponibilidad de la tensión de red.

6.2.Conclusiones       

La configuración delta es útil para maquinas donde se requiera torque El torque de partida en el motor de rotor bobinado puede ser controlado mediante la resistencia en el rotor, es así como a mayor resistencia del rotor, menor será el torque de partida El motor asíncrono de inducción está formado constituido por un circuito magnético y 2 circuitos eléctricos, uno está colocado en el estator y otro en el rotor. El motor eléctrico de corriente alterna basa su funcionamiento en la acción que ejerce el campo magnético generado en el estator sobre las corrientes que circulan por los conductores situados sobre el rotor. El estator de un motor trifásico de inducción está formado por un conjunto de tres bobinas, las cuales son alimentadas por un sistema trifásico de corrientes, lo cual da origen a un campo magnético giratorio de modulo constante. Para comprobar el buen estado del motor se realiza las mediciones de las resistencias internas de los bobinados los cuales deben de tener el mismo valor, de no ser así el motor puede presentar algún defecto. Al igual que los motores de corriente continua existe una corriente de arranque que será mayor a la corriente de vacío que se presentara por unos segundos, aproximadamente 5 a 8 veces mayor.

7. Bibliografía       

CONTROLES Y AUTOMATISMOS ELECTRICOS, Teoría y prácticas, Luís Flower Leiva, Séptima edición, Panamericana Formas e Impresiones SA. 2001 páginas 21-42. CHAPMAN Stephen J., Máquinas Eléctricas Editorial MaGraw Hill, Tercera edición, Colombia, 2000 Maquinas Eléctricas II. Dario Biela-Bianchi. http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448141784.pdf http://intranet2.minem.gob.pe/web/archivos/dge/legislacion/codigonacional/codigo1.pdf http://es.calameo.com/read/0000021402b4afd71ce02 http://www.die.eis.uva.es/~daniel/docencia/te/TEIQPractica7.pdf http://www.ifent.org/lecciones/cap07/cap07-06.asp

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