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9. El Motor AC CAMIÓN KOMATSU 930E-4

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9.1 Partes principales

Motor Trifásico

Cubo

Mando final

Freno de servicio

Ubicación de los motores AC en los camiones 830E AC Los motores de corriente alterna se encuentran en el interior de las ruedas posteriores del camión (Axle box) 25t Motor de tracción, camión 930E-4 2

9.1 Partes principales Conector del Sensor de velocidad

Motor trifásico

Tipo de motor AC que emplean los camiones 830E AC Es un motor de inducción trifásico al que se le conoce como motor trifásico jaula de ardilla y también como motor asíncrono trifásico jaula de ardilla

Freno de parqueo

Motor AC GEB1616 del camión 930E 3

9.1 Partes principales

Rotor

Bobinado del estator

Entrehierro

Motor AC GEB1616 del camión 930E 4

9.1 Partes principales Freno de servicio Partes del motor AC Son similares a las de un motor trifásico usado en la industria. Como es de suponer, la diferencia se encuentra en las dimensiones del motor y la forma en que está construido, adecuado al motor de tracción

Motor trifásico

Mando final

Motor de tracción GDY106, camiones 930E 5

9.1 Partes principales

Freno de servicio, discos húmedos. Camión 930E-4 6

9.1 Partes principales

Mando final, camión 930E-4 7

9.1 Partes principales

Rotor

Eje rotor

Engranajes de alta

Mando final, camión 930E-4 8

Engranajes de baja

9.1 Partes principales

El motor de inducción tiene una estructura muy sencilla, esta característica es la que ha difundido su uso. Partes principales de un motor de inducción 9

9.1 Partes principales

Cuando se les opera con variadores de velocidad electrónicos, se requiere un nivel de aislamiento mayor, debido a los fenómenos ocasionados por la frecuencia de ondas con las que trabaja. Además, los motores trabajan con voltajes que superan los 1000V. Este es el caso de los camiones, que emplean este tipo de motor Desmontaje del motor GEB16, camión 930E-3 10

9.1 Partes principales

Estator motor de tracción 11

9.1 Partes principales

Rotor motor de tracción 12

9.1 Partes principales

TUVERAS

Corte de motor trifásico jaula de ardilla mostrando el rotor

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Estructura del rotor jaula de ardilla •Aparentemente es un bloque macizo de metal, pero en realidad es un conjunto de barras por donde circula corriente inducida. •Las barras están sujetas por placas circulares de material ferromagnético. No tiene escobillas o anillos rozantes, es decir no hay conexión eléctrica con el estator. •La conexión con el estator es magnética. Lo que sucede al interior del rotor es el descubrimiento del inventor del motor de inducción.

9.1 Partes principales Las barras forman algo parecido a una jaula, de allí su nombre “jaula de ardilla”. Están inclinadas y con las placas circulares se facilita la interacción de los campos magnéticos.

TUVERAS

Jaula de ardilla y corte del rotor 14

9.1 Partes principales Número de polos del estator El número de polos es importante para determinar la velocidad nominal del motor. Se le llama velocidad síncrona y el motor trabaja en realidad a un valor próximo a ella. Por ello es el nombre de motor asíncrono de inducción TUVERAS

f ⋅ 2π P N S = Velocidad _ síncrona NS =

f = Frecuencia P = Pares _ de − polos Corte de motor trifásico mostrando el devanado de campo 15

9.1 Partes principales Número de polos del motor AC del camión y velocidad síncrona El GEB16 del camión 930E tiene 6 polos. Si se trabajara a una frecuencia de 60Hz la velocidad síncrona sería:

60 ⋅ f NS = P P = Pares _ de _ polos f = Frecuencia 60 ⋅ 60 NS = = 1200 RPM 3 El motor girará a velocidades entre un 3% - 8% menos.

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9.1 Partes principales Inventor del motor de inducción Se declaran varios inventores pero al que se le adjudica mayormente la invención, es a Nikola Tesla. Croata emigrante a los EUA, desarrolló una serie de inventos donde algunos han pasado a la leyenda.

Nikola Tesla en su laboratorio 17

9.1 Partes principales Se cuenta que la invención de Tesla partió del deseo de tener un motor sin escobillas, como los que empleaban los del tipo DC que hasta ese tiempo, se conocían. El éxito de Tesla al conseguir obtener un modelo óptimo al cabo de un año de investigaciones (1884-1885), es considerado una proeza. Hoy en día el motor de Tesla se usa por millones y con el uso de los variadores de velocidad ha desplazado casi completamente al motor DC.

Nikola Tesla (1856-1943) 18

9.1 Partes principales

Clasificación de los motores AC El invento de Tesla permitió generalizar los tipos de máquinas de corriente alterna incluyéndose aquí al solitario, hasta entonces, transformador. Se incluye al transformador, porque su principio de funcionamiento es similar al de las llamadas máquinas giratorias. Clasificación de las máquinas de corriente alterna 19

9.2 Principio de funcionamiento

TUVERAS

Cómo funcionan los motores AC Si colocamos una estructura de barras metálicas en forma de escalera, y sobre ella desplazamos un polo de un imán permanente, encontraremos que la escalera se desplaza hacia delante. Imán permanente moviéndose sobre estructura de barras (arrastre) 20

9.2 Principio de funcionamiento

TUVERAS

Recordemos el principio motor en los motores DC, aquí también se cumple este principio. Principio Motor, regla de la mano izquierda 21

9.2 Principio de funcionamiento

TUVERAS

Las líneas de campo del imán permanente y del conductor reaccionan. Líneas de campo de principio motor 22

9.2 Principio de funcionamiento

TUVERAS

En el ejemplo de la estructura de barras se cumple este principio, observemos el sentido del campo del imán permanente indicado con “x” es decir ingresando a la superficie. El imán permanente en movimiento es el campo magnético giratorio producido por el estator, y la estructura de barras es el rotor jaula de ardilla Principio motor sobre la estructura de barras 23

9.2 Principio de funcionamiento El campo magnético giratorio •Tres corrientes desplazadas en el tiempo 120°“eléctricos”, y colocados sus devanados separados 120°“mecánicos”; producen un campo magnético giratorio. •Grado eléctrico quiere decir distanciados en el tiempo el equivalente a 120°, en nuestro caso, del periodo de una onda que transcurre en 360°. •Los grados mecánicos son separaciones físicas de los tres devanados equivalentes a 1/3 de la circunferencia.

TUVERAS

Simplificación de los tres bobinados de un motor trifásico 24

9.2 Principio de funcionamiento

TUVERAS

Teorema de Ferraris: “Un arrollamiento polifásico que tenga P pares de polos y este recorrido por corrientes polifásicas equilibradas de pulsación ω produce P pares de polos ficticios que se deslizan, con velocidad angular ω/P, a lo largo del arrollamiento sin sufrir modificaciones” Campos magnéticos de un motor trifásico 25

9.2 Principio de funcionamiento

TUVERAS

Carga inductiva controlada por tiristores Al igual que con los diodos, la carga inductiva afecta el tiempo de conducción de los tiristores. Por ello, se emplean dispositivos adicionales para evitar este fenómeno. Variación del campo magnético en el entrehierro del motor de inducción 26

9.2 Principio de funcionamiento Relación entre velocidad del campo magnético giratorio y número de polos Recordemos que así como en movimiento lineal:

e = v ⋅t espacio = velocidad ⋅ tiempo En movimiento circular: Donde:

α = ω ⋅t ángulo = velocidad _ angular ⋅ tiempo

ω = 2π ⋅ f

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9.2 Principio de funcionamiento

TUVERAS

La velocidad síncrona depende del número de polos 28

9.2 Principio de funcionamiento

TUVERAS

Origen de la denominación máquina asíncrona •El rotor jaula de ardilla del motor AC del camión es similar a la masa circular metálica del dibujo mostrado. •La aguja imantada es similar al rotor devanado de los motores síncronos, esta polaridad la adquieren inyectándoseles corriente DC del mismo modo que los generadores DC. •Debe notarse que en este ejemplo se aprecia que la velocidad de la masa circular metálica no alcanzará a la del campo, producida por el imán permanente.

Diferencia entre máquina síncrona y asíncrona 29

9.2 Principio de funcionamiento

Debe producirse primero la inducción, luego se genera la corriente (Ley de la inducción de Faraday) y aparece el campo magnético en la masa circular. El campo magnético giratorio era mostrado por Tesla en un famoso experimento.

dφ e = −K ⋅ dt

Ley de Faraday 30

9.2 Principio de funcionamiento

S% =

NS − Nr ⋅ 100 NS

TUVERAS

El Deslizamiento Deslizamiento es la diferencia entre la velocidad del campo magnético giratorio (velocidad síncrona) y el rotor. Se suele dar en porcentaje respecto a la velocidad síncrona. En funcionamiento a plena carga el deslizamiento está entre 3%- 8% Velocidades del deslizamiento 31

9.2 Principio de funcionamiento

TUVERAS

El torque en el motor AC Se cumple también el principio motor. Campo producido por el estator y el rotor 32

9.2 Principio de funcionamiento Las líneas de fuerza se distorsionan y al igual que un material flexible comprimido trataría de desplazar al conductor.

TUVERAS

Interacción de los dos campos y la fuerza que produce el movimiento 33

9.2 Principio de funcionamiento

TUVERAS

Las líneas de fuerza se distorsionan y al igual que un material flexible comprimido trataría de desplazar al conductor. Distorsión de las líneas de fuerza del campo resultante 34

9.2 Principio de funcionamiento

TUVERAS

Relación del motor de inducción con el transformador El circuito equivalente del motor se parece a un transformador cargado con una resistencia cuyo valor depende del deslizamiento.

Circuito equivalente por fase del motor de inducción 35

9.2 Principio de funcionamiento

N DES = N S − N r Velocidad _ rotor _ relativa = Velocidad _ síncrona − Velocidad _ rotor La frecuencia de la corriente del rotor será:

N DES f rotor = P ⋅ 2π N DES = S ⋅ N S Entonces : S ⋅ NS f rotor = P ⋅ 2π Como : P ⋅ NS f estator = 2π Finalmente : f rotor = S ⋅ f estator

Corriente en el rotor La corriente por el estator es una onda alterna cuya frecuencia está afectada por el deslizamiento. Esta frecuencia es mucho menor que la del estator. La velocidad relativa del rotor respecto a la velocidad síncrona es:

Por ejemplo si la frecuencia de la corriente del estator es de 60Hz, y el deslizamiento es 5%; la frecuencia de la corriente del rotor es de 3Hz. 36

9.2 Principio de funcionamiento TUVERAS

Torque

Velocidad

Velocidad del motor AC El motor de inducción trabaja a velocidades próximas a la síncrona con pequeñas fluctuaciones. Podemos considerar que funciona a velocidad constante. El punto de operación es según la curva característica Par-Velocidad en la región estable Curva característica del motor asíncrono 37

9.2 Principio de funcionamiento

Ventilador

Torque

Velocidad

Faja transportadora

TUVERAS

Punto de operación del motor El punto de operación depende de la característica de la carga, hay cargas de torque o par constante como los elevadores o fajas transportadoras, y cargas de potencia constante como los bobinadores. Punto de trabajo de acuerdo a la carga del motor 38

9.2 Principio de funcionamiento Perdidas por efecto Joule

TUVERAS

Pérdidas por rozamiento

Pérdidas por corrientes de Foucault

Sentidos de las velocidades de rotor y campo giratorio Tienen el mismo sentido y en el gráfico se observan también las pérdidas del motor. Sentidos de rotación y pérdidas en el motor de inducción 39

9.3 Formas de operación del motor AC

Las tres formas de operación del motor AC El motor AC puede tomar tres estados o formas de operación. a) Como Motor que corresponde al estado de propulsión del camión b) Como Generador correspondiente al estado de retardo del camión c) Como Freno o Motor en marcha inversa que corresponde en los camiones a parte del retardo Estos estados se determinan de acuerdo al deslizamiento que puede tomar valores desde menores a cero hasta mayores a 1. Esto quiere decir que cuando la velocidad rotor es mayor que la velocidad síncrona el deslizamiento es negativo y estamos en el caso generador.

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9.3 Formas de operación del motor AC

TUVERAS

Curva característica completa del motor de inducción: motor frenado, motor y motor como generador AC 41

9.3 Formas de operación del motor AC

TUVERAS

Funcionamiento del motor AC como generador Podemos reconocer dos características: a) El sentido de giro del CMG (Campo Magnético Giratorio) y el rotor es el mismo b) El torque es negativo lo que quiere decir que proviene del exterior. Comportamiento del motor AC como generador 42

9.3 Formas de operación del motor AC

Corriente de excitación del motor asíncrono como generador asíncrono El motor de inducción asíncrono cuando genera se convierte en un generador o alternador bastante peculiar. Generador o alternador asíncrono conectado a la red trifásica 43

9.3 Formas de operación del motor AC

Corriente inducida en el rotor al cortarse la alimentación del estator 44

9.3 Formas de operación del motor AC

Requiere corriente de excitación para poder inducir corriente en el rotor jaula de ardilla, esta debe provenir, en el caso de estar conectado el motor a la red trifásica, de la misma red.

En el camión, la única forma de tener nuevamente corriente en el rotor después de cortar la alimentación del campo del motor de tracción es haciéndolo funcionar nuevamente como motor pero en sentido contrario o marcha inversa, para continuar el frenado dentro del proceso del retardo.

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9.3 Formas de operación del motor AC

Introducción de nueva corriente de excitación al rotor 46

9.3 Formas de operación del motor AC Excitación del motor AC del camión AC No es un proceso continuo, se realiza a intervalos de milisegundos con control de interruptores electrónicos llamados inversores AC/DC y DC/AC.

Potencia del motor de tracción durante el retardo 47

9.3 Formas de operación del motor AC

La excitación del rotor se hace por inducción El camión, es un sistema eléctrico independiente; la posibilidad de devolver energía a una red no existe. Seria posible esto si se desarrolla el vehículo tipo tranvía con “trolley” conectado a la red de todo un sistema. Banco de condensadores, camión 930E-4 48

9.3 Formas de operación del motor AC

El camión durante el frenado, emplea esta energía para la excitación del generador asíncrono y en mayor parte para ser disipada en forma de calor en las parrillas. La excitación para el motor como alternador asíncrono, durante el retardo, se consigue de un banco de condensadores de gran capacidad. Condensadores electrolíticos de 2700uF-1800V DC, camión 930E-4 49

9.3 Formas de operación del motor AC

TUVERAS

Funcionamiento del motor AC como freno En el funcionamiento como freno, no existe ninguna corriente externa de excitación para el motor AC que está como alternador. La corriente del rotor será a consecuencia de su inductancia y por cierto se irá extinguiendo. Motor AC en situación de frenado 50

9.3 Formas de operación del motor AC

•

•

Motor AC frenado Se invierte el CMG (Campo Magnético Giratorio) cambiando la secuencia del sistema trifásico en el caso del camión por medio del control de los inversores. El Motor estará en marcha inversa. Así el rotor tendrá un sentido de giro opuesto al CMG e irá perdiendo velocidad frenándose. Aquí el deslizamiento es mayor que 1, puesto que la velocidad del rotor será menor que la velocidad del CMG.

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9.3 Formas de operación del motor AC

Formas de operación del motor AC en el camión 52

9.3 Formas de operación del motor AC

Excitación DC

Alternador Síncrono

Tensión trifásica Frecuencia constante

Excitación AC

Motor AC Asíncrono (Alternador)

Tensión trifásica Frecuencia desconocida

Diferencia del motor AC como generador y el alternador principal El generador asíncrono emplea corriente alterna para la excitación recordemos que el alternador síncrono emplea corriente continua.

Motor AC asíncrono como alternador 53

9.3 Formas de operación del motor AC

•

Cuando el deslizamiento es mayor que 1, se dice que el motor está a velocidad “hipersíncrona”.

•

Otra característica es que la frecuencia que produce el generador asíncrono es la misma de la red que lo excita y es independiente de la velocidad hipersíncrona.

•

En los camiones 830E AC y 930E esta frecuencia dependerá del control de los inversores siendo la forma de onda seguramente alejada de la forma senoidal.

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9.3 Formas de operación del motor AC

Mantenimiento del motor AC • Es común a todo motor eléctrico medir el aislamiento, el manual recomienda para el motor AC una tensión de prueba de 1000V y 2 MΩ de resistencia de aislamiento como mínimo. • Por ser empleado con variadores de velocidad el motor debe tener requerimientos de aislamiento superiores debido al fenómeno de onda reflejada que provoca altos picos de tensión. • Estos motores son en general robustos y resistentes, de gran rendimiento y confiabilidad como lo demuestra su uso en las últimas generaciones de camiones y es lo mismo que ha sucedido en la industria.

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9.3 Formas de operación del motor AC

•Normas internacionales recomiendan para el tipo de motor del camión niveles de voltaje de prueba y resistencia de aislamiento mayores. •Se recomienda 100MΩ

Megado del motor AC, camión 930E-4 56