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INSTITUTO TECNOLOGICO DE MERIDA
TRABAJO DE INVESTIGACION
INVESTIGACION UNIDAD 4
PRESENTA:
BR. VÍCTOR EMMANUEL CANCHE ANGULO.
PROFESOR:
I.E. JUAN JOSÉ AGUAYO PUC
MERIDA, YUCATÁN, MÉXICO
Fecha 13/05/2016
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Tabla de Contenido
Resumen......................................................................................................................................3
Capítulo I Arranque y control de velocidad del motor de inducción ..........................................4
arranques de motores de inducción.........................................................................................4
control de velocidad del motor de inducción.......................................................................................8
Capítulo II Letra de código para los motores de inducción.......................................................11
Capítulo III Clasificación de los motores según NEMA...........................................................12
Capítulo IV Motor monofásico de inducción............................................................................14
Resultados..................................................................................................................................15
Capitulo V Elementos básicos de los motores monofásicos.....................................................16
Capitulo VI Arranque con capacitor y operación continua con capacitor. ...............................20
Arranque con capacitor..............................................................................................................20
Operación continúa con capacitor.............................................................................................21
capitulo VII Aplicación de los motores monofásicos.22
referencias 24
3
Resumen
El presente trabajo tiene como finalidad, el estudio del arranque, control y clasificación
de los motores de inducción. Dicho documento nos servirá como guía para el control de los
motores de inducción así como para conocer su clasificación según su letra de código y de
acuerdo a la normativa NEMA, y sus aplicaciones.
En los tipos de arranque se estudiaran los siguientes tipos: Arranque directo, Arranques
a Tensión Reducida, Arranque estrella triángulo, Arranque con autotransformador, Arranque
con impedancias estatóricas, Arrancadores suaves, y Arranque con resistencias rotóricas.
Al igual que las 3 formas conocidas de controlar la velocidad de nuestro motor
(Variación del número de polos, Variación del resbalamiento, y Variación de la frecuencia).
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Capítulo I
Arranque y control de velocidad del motor de inducción
Arranque de motores de inducción
Como estos motores se construyen con dos tipos de rotor, los métodos de arranque son
distintos en un caso que en el otro.
La gran mayoría de los motores de inducción poseen rotor en cortocircuito, también llamado
rotor “jaula de ardillas” o simplemente “jaula”; pero para aplicaciones que requieren gran
cupla de arranque y baja corriente, se emplean motores con rotor bobinado, que por su mayor
complejidad son más costosos que los de rotor en cortocircuito.
Los distintos métodos de arranque se pueden clasificar de la siguiente manera.
Arranque directo
Es el más simple de todos los métodos de arranque, consiste en conectar directamente el motor
a una red de su tensión y frecuencia nominales; no requiere más equipamiento que el de
maniobra y protección, por lo tanto es el más económico.
El motor desarrolla toda su cupla, que en el momento del arranque es de 1 a 2,5 veces
la nominal y absorbe una corriente de 5 a 7 veces la nominal. Debido a la gran cupla
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desarrollada, el motor acelera y alcanza la velocidad de régimen rápidamente. Desde el punto
de vista del motor, esto en bueno, ya que también la corriente se reducirá rápidamente y
producirá poco calentamiento del mismo.
Los problemas que se pueden presentar son dos:
a) Que la carga conectada al motor no admita aceleraciones bruscas, como por ejemplo
ascensores, máquinas textiles, de imprenta, para la fabricación de papel o hilos, etc.
b) Que la caída de tensión producida por la corriente de arranque supere el valor
admitido por otros usuarios o equipamiento conectados a la misma red de alimentación. La
reglamentación de la Asociación Electrotécnica Argentina AEA, establece que esa caída de
tensión no debe superar el 15% de la tensión nominal de la red. La caída de tensión que se
produce en la red depende de la capacidad de la misma, es decir de su impedancia serie o, en
otras palabras, de su potencia de cortocircuito.
Arranques a Tensión Reducida
A una dada velocidad, el motor de inducción se comporta como una impedancia casi lineal, es
decir la corriente absorbida es proporcional a la tensión aplicada; por lo tanto si se reduce ésta
última, la corriente se reducirá proporcionalmente.
Pero la cupla desarrollada por el motor depende del cuadrado de la tensión aplicada, entonces
variarán ambas magnitudes.
Arranque estrella triángulo
Es el más simple de los arranques a tensión reducida, el equipamiento auxiliar necesario es
mínimo. Consiste en conectar el motor a la red primero en estrella y luego cambiar las
conexiones a triángulo. El cambio de conexiones del motor se puede realizar manualmente,
por medio de un conmutador especial, o como es lo más común, por medio de tres contactores
y un temporizador que fija el momento de la conmutación.
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Como el motor queda conectado a la red en triángulo, para poder aplicar este método de
arranque, se debe cumplir que la tensión de línea nominal del motor, conectado en triángulo,
debe ser igual a la tensión de línea de la red.
El principal inconveniente de este procedimiento es la reducida cupla de arranque que posee el
motor cuando está conectado en estrella y que puede no alcanzar para acelerar la carga en un
tiempo razonable. Por este motivo, el arranque estrella triángulo se emplea para cargas que
requieren muy poca cupla de arranque, como ser ventiladores, bombas centrífugas o máquinas
que pueden arrancar sin carga.
Arranque con autotransformador
Si el método anterior no es adecuado por la escasa cupla de arranque, se puede reducir la
tensión aplicada al motor por medio de un autotransformador, en este caso el factor de
reducción de tensión α < 1 se lo puede elegir con el valor más adecuado a la aplicación en
particular. Por su gran versatilidad, este es uno de los métodos más empleados y en cuanto al
costo es un poco más caro que el estrella triángulo ya que se le agrega el autotransformador de
arranque, que por su diseño es bastante económico. Otra ventaja de este procedimiento es que
no hay restricciones en cuanto a la conexión del motor, basta que su tensión nominal coincida
con la de la red.
Haciendo un análisis de la corriente absorbida y de la cupla desarrollada resulta que ambas se
reducen en α 2.
Arranque con impedancias estatóricas
En algunas aplicaciones particulares la puesta en marcha se realiza intercalando entre el
mismo y la red una impedancia, la que puede ser un reactor o una simple resistencia, que es lo
más económico, que luego de un cierto tiempo se cortocircuita. En este método la reducción
de la tensión se debe a la caída en la impedancia serie, la que depende de la corriente
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absorbida. Si se denomina α al factor de reducción de tensión, que en este caso no es
constante, la corriente se reduce en α pero la cupla lo hace en α 2, es decir se reduce más la
cupla que la corriente.
Con esta forma de puesta en marcha se consiguen arranques suaves, una aplicación bastante
frecuente es en ascensores.
Arrancadores suaves
Estos son dispositivos electrónicos que varían la tensión aplicada al motor recortando la
tensión de la red, sin variar su frecuencia fundamental y, como en el caso anterior, también
reducen en mayor proporción la cupla que la corriente absorbida.
Arranque con resistencias rotóricas
Como ya se dijo, existen motores asincrónicos que poseen un rotor bobinado con un
arrollamiento trifásico semejante al del estator; esta construcción más costosa se emplea
porque permite intercalar en las fases rotóricas, a través de anillos rozantes y escobillas, un
reóstato de arranque. En el momento de la puesta en marcha se intercala el máximo valor de
resistencia y, a medida que el motor acelera, esa resistencia se va reduciendo, en forma manual
o automática, hasta llevarla al cortocircuito.
Como se puede deducir a partir del circuito equivalente de la máquina, el procedimiento
anterior permite obtener elevados valores de cupla durante toda la aceleración y bajos valores
de corriente absorbida que de otra manera no se pueden alcanzar.
Debido a su mayor costo, este tipo de motores se emplea cuando es realmente necesario y en
aplicaciones tales como grúas, guinches, cintas transportadoras, molinos y en aquellos casos
que los motores deben arrancar con una carga pesada.
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Control de velocidad del motor de inducción.
Formas para variar la velocidad de los motores asíncronos o de inducción
Variación del número de polos
La cantidad de polos que desarrolla el devanado estatórico de una máquina depende de su
diseño y en general es una característica que no se puede variar, pero se han desarrollado
arrollamientos especiales que, reconectándolos desde el tablero de bornes del motor, pueden
generar distinta cantidad de polos y consecuentemente campos rotantes de distintas
velocidades sincrónicas.
Ya que el número de pares de polos tiene una variación discreta, estrictamente hablando estos
son motores de dos, tres o hasta cuatro velocidades, sin una variación continua entre las
mismas; sin embargo pueden resolver una gran cantidad de situaciones prácticas.
Variación del deslizamiento o resbalamiento
Dentro de ciertos límites es posible variar el resbalamiento de los motores de inducción, en
particular los de rotor bobinado, por ejemplo intercalando resistencias en serie en las fases del
rotor, lo que aumenta el resbalamiento y baja la velocidad. Pero este procedimiento requiere
de un motor con rotor bobinado (más costoso) y de un reóstato que disipa potencia activa y
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baja el rendimiento del conjunto. Si bien se has diseñado dispositivos electrónicos que
permiten recuperar esa potencia, este procedimiento es muy limitado.
También se puede variar el resbalamiento inyectando una tensión adecuada en el rotor de un
motor con rotor bobinado, no obstante lo complejo del método se ha desarrollado un motor de
velocidad variable.
Una forma limitada, pero sencilla, de aumentar el resbalamiento en un motor con rotor en
cortocircuito es reduciéndole la tensión aplicada. Si bien la disminución de la velocidad no es
muy grande, este procedimiento es muy empleado en ventiladores domésticos, ya que el
caudal de aire depende en gran medida de la velocidad. La tensión suele reducirse intercalando
un reactor en serie con la red.
Variación de la frecuencia
Desde la aparición en el mercado de los motores de inducción se trató de controlar su
velocidad variando la frecuencia de la alimentación, pero esto no nada fácil ya que las redes de
corriente alterna son de frecuencia constante. No obstante se inventaron grupos de máquinas
que lo permitían, pero no prosperaron y durante mucho tiempo resultó más económico utilizar
motores de corriente continua que son muy fáciles de controlar.
Con el advenimiento de la electrónica de potencia cambió la situación, pero aún los primeros
equipos resultaban costosos y se hacían a pedido, solamente con la aparición de dispositivos
de potencia de estado sólido, de relativamente bajo precio y características destacadas, cambió
radicalmente la situación. Los dispositivos más usados son los denominados IGBT del inglés
Isolated Gate Bipolar Transistor que comenzaron a comercializarse alrededor del año 1990.
A fin de no modificar el flujo en el motor, si se varía la frecuencia también se debe variar la
tensión aplicada; si esto no se hace el motor puede perder cupla o saturarse y amentar su
calentamiento. Esto complica el control y se cumple dentro de ciertos límites.
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Hay dos tipos de convertidores de frecuencia: los que pasan directamente de corriente alterna
de una frecuencia a corriente alterna de otra frecuencia, denominados “cicloconvertidores” y
los que primero transforman la corriente alterna en corriente continua y luego ésta a corriente
alterna de otra tensión y frecuencia, genéricamente se los denomina “convertidores de enlace”.
En los cicloconvertidores es complicado variar la tensión de salida y requieren una gran
cantidad de semiconductores de potencia; por esos motivos se los emplea en casos especiales,
de potencias muy elevadas y con rangos de variación de la velocidad reducidos.
Los convertidores de enlace que convierten la CC en CA utilizando IGBT son los más
empleados, por su costo y prestaciones y utilizan la denominada modulación de ancho de
pulso PWM (Pulse Wide Modulation) la que permite ajustar la frecuencia y la tensión de
salida dentro le límites muy amplios. Estos variadores ofrecen una gran variedad de
prestaciones tales como mantener la velocidad constante en el valor de consigna con
tolerancias muy estrechas, rampas de aceleración y frenado, limitación de corriente, protección
contra sobrecarga del motor, frenado disipativo y con recuperación de energía, comando a
distancia, inversión de marcha, etcétera.
El empleo de un variador de velocidad elimina la necesidad de utilizar algún otro método de
arranque.
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Capítulo II
Letra de código para los motores de inducción.
La letra de código para los motores de inducción sirve para poder identificar el rango de KVA por HP bajo rotor bloqueado.
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Capítulo III
Clasificación de los motores según NEMA
Clasificación NEMA
Los motores trifásicos de potencias mayores de 1 HP son clasificados por las normas NEMA,
según el diseño de la jaula del rotor de la siguiente manera:
Motor de diseño NEMA A
Torque alto, deslizamiento nominal bajo y corriente de arranque alta.
Es un motor de inducción con rotor tipo jaula de ardilla, diseñado con características de torque
y corriente de arranque que exceden los valores correspondientes al diseño NEMA B, son
usados para aplicaciones especiales donde se requiere un torque máximo mayor que el normal,
para satisfacer los requerimientos de sobrecargas de corta duración. Estos motores también
son aplicados a cargas que requieren deslizamientos nominales muy bajos y del orden del 1%
o menos (velocidades casi constantes).
Motor de diseño NEMA B
Torque normal, corriente de arranque normal y deslizamiento nominal normal.
Son motores con rotor tipo jaula de ardilla diseñados con características de torque y corriente
de arranque normales, así como un bajo deslizamiento de carga de aproximadamente 4% como
máximo. En general es el motor típico dentro del rango de 1 a 125 HP. El deslizamiento a
plena carga es de aproximadamente 3%. Este tipo de motor proporcionará un arranque y una
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aceleración suave para la mayoría de las cargas y también puede resistir temporalmente picos
elevados de carga sin detenerse.
Motor de diseño NEMA C
Torque alto, deslizamiento nominal normal, corriente de arranque normal. Son motores de
inducción con rotor de doble jaula de ardilla, que desarrollan un alto torque de arranque y por
ello son utilizados para cargas de arranque pesado. Estos motores tienen un deslizamiento
nominal menor que el 5%.
Motor de diseño NEMA D
Torque alto, alto deslizamiento nominal, baja corriente de arranque.
Este motor combina un alto torque de arranque con un alto deslizamiento nominal.
Generalmente se presentan dos tipos de diseño, uno con deslizamiento nominal de 5 a 8% y
otro con deslizamiento nominal de 8 a 13%. Cuando el deslizamiento nominal puede ser
mayor del 13%, se les denomina motores de alto deslizamiento o muy alto deslizamiento
(ULTRA HIGH SLIP). El torque de arranque es generalmente de 2 a 3 veces el par nominal
aunque para aplicaciones especiales puede ser más alto. Estos motores son recomendados para
cargas cíclicas y para cargas de corta duración con frecuentes arranques y paradas.
Motores de diseño NEMA F
Torque de arranque bajo, corriente de arranque baja, bajo deslizamiento nominal.
Son motores poco usados, destinándose a cargas con frecuentes arranques. Pueden ser de altos
torques y se utiliza en casos en los que es importante limitar la corriente de arranque.
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Capítulo IV
Motor monofásico de inducción.
La necesidad del motor de inducción monofásico se explica de la siguiente forma:
Existen muchas instalaciones, tanto industriales como residenciales a las que la compañía
eléctrica sólo suministra un servicio de ca monofásico. Además, en todo lugar casi siempre
hay necesidad de motores pequeños que trabajen con suministro monofásico para impulsar
diversos artefactos electrodomésticos tales como máquinas de coser, taladros, aspiradoras,
acondicionadores de aire, etc.
Construcción.
En cuanto a la construcción del motor monofásico de inducción, hay que señalar que el rotor
de cualquier motor monofásico de inducción es intercambiable con algunos polifásicos de
jaula de ardilla. No hay conexión física entre el rotor y el estator, y hay un entrehierro
uniforme entre ellos.
Debido a que los motores monofásicos de inducción no generan por sí solos par de arranque,
se tienen dos devanados: el de marcha o principal; y el auxiliar o de arranque, cuya finalidad
es producir el giro del rotor. Tanto el devanado principal como el auxiliar, están distribuidos
en ranuras espaciadas uniformemente alrededor del estator; sin embargo, el último se
encuentra alojado en ranuras con orientación desplazada 90° en el espacio eléctrico con
respecto a las del devanado principal.
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Clasificación de motores monofásicos.
Un motor monofásico de inducción no tiene par de arranque intrínseco. Existen tres técnicas
para lograr que uno de los dos campos magnéticos giratorios sea más fuerte que el otro en el
motor y, en consecuencia, dar un apoyo inicial en una u otra dirección:
1. Devanados de fase partida.
2. Devanados con capacitor.
3. Polos estatóricos sombreados.
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Capítulo V
Elementos básicos de los motores monofásicos.
Estator
El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a
cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente.
Existen dos tipos de estatores
a) Estator de polos salientes
b) Estator rasurado
El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio que
tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la
parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos.
Los polos de un motor siempre son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por ello el mínimo
de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un sur).
Elementos básicos de los motores monofásicos
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Rotor
El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de
energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que
forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos.
a) Rotor ranurado
b) Rotor de polos salientes
c) Rotor jaula de ardilla
Carcasa
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La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material empleado para su
fabricación depende del tipo de motor, de su diseño y su aplicación. Así pues, la carcasa puede
ser:
a) Totalmente cerrada
b) Abierta
c) A prueba de goteo
d) A prueba de explosiones
e) De tipo sumergible
Base
La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación del motor,
puede ser de dos tipos:
a) Base frontal
b) Base lateral
Caja de conexiones
Por lo general, en la mayoría de los casos los motores eléctricos cuentan con caja de
conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los conductores que
alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier
elemento que pudiera dañarlos.
Tapas
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Son los elementos que van a sostener en la gran mayoría de los casos a los cojinetes o
rodamientos que soportan la acción del rotor.
Cojinetes
También conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima operación de las partes
giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción,
lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes pueden dividirse en
dos clases generales:
a) Cojinetes de deslizamiento.- Operan el base al principio de la película de aceite, esto
es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra del eje y la superficie de
apoyo
b) Cojinetes de rodamiento.- Se utilizan con preferencia en vez de los cojinetes de
deslizamiento por varias razones:
Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el arranque.
Son compactos en su dice
Tienen una alta precisión de operación.
No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante.
Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares
Capítulo VI
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Arranque con capacitor y operación continua con capacitor.
Arranque con capacitor.
Como medio de mejorar el par relativamente bajo del motor de fase partida se agrega un
capacitor al devanado auxiliar para producir una relación casi real de 90° entre las corrientes
de los devanados de arranque y de marcha, en lugar de aproximadamente 25°, elevando el par
de arranque a los límites normales del par nominal.
Debido a su mayor par de arranque, que es de 3.5 a 4.5 veces el par nominal, y a su reducida
corriente de arranque para la misma potencia al instante del arranque, el motor de arranque por
capacitor se fabrica hoy en tamaños de caballaje integral hasta de 7.5 hp.
Operación continúa con capacitor.
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Este tipo de motor tiene dos devanados permanentes que, en general, se arrollan con alambre
del mismo diámetro y el mismo número de vueltas; es decir, los devanados son idénticos.
Ya que trabaja en forma continua como motor de arranque por capacitor no se necesita
interruptor centrífugo. Los motores de este tipo arrancan y trabajan en virtud de la
descomposición de la fase de cuadratura que producen los dos devanados idénticos
desplazados en tiempo y espacio. En consecuencia, no tiene el alto par de marcha normal que
producen los motores ya sea de arranque por capacitor o de arranque por resistencia.
El capacitor que se usa se diseña para servicio continuo y es del tipo de baño de aceite. El
valor del capacitor se basa más en su característica de marcha óptima que en la de arranque. Al
instante de arranque, la corriente en la rama capacitiva es muy baja. El resultado es que estos
motores, a diferencia de los de arranque por capacitor, tienen par de muy deficiente, de entre
50 a 100 por ciento del par nominal, dependiendo de la resistencia del rotor.
Debido a su funcionamiento uniforme y a la posibilidad de controlar la velocidad, las
aplicaciones de este motor pueden ser ventiladores de toma y descarga en máquinas de oficina,
unidades de calefacción o aire acondicionado.
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Capitulo VII
Aplicación de los motores monofásicos.
Los motores de inducción son el sistema de accionamiento más utilizado, desde menos de un
caballo hasta cientos de caballos de potencia, cuando no se requiere variación de la velocidad
de giro. Los motores de inducción monofásicos son muy utilizados en aplicaciones de baja
potencia. Por lo tanto, el diseño del rodamiento depende en gran medida de la aplicación final
del motor. Los tipos de motores de potencia fraccionada son:
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Motores de inducción de fase partida
Este tipo de motor tiene una buena eficacia y un par de arranque moderado. Son muy
utilizados como motores de accionamiento para lavadoras, secadoras y lavavajillas.
Motores de inducción de arranque por condensador
Tienen el mismo rendimiento durante el funcionamiento que los motores de fase partida, pero
un par de arranque más elevado. Se utilizan principalmente en sistemas de accionamiento de
lavadoras.
Motores de condensador dividido permanente
Las principales características de este motor son su alta eficiencia, el funcionamiento
silencioso y la reversibilidad continua. Esto hace que sea adecuado para una amplia gama de
electrodomésticos, tales como lavadoras, secadoras, ventiladores y aparatos de aire
acondicionado.
Motores de polos partidos
Son adecuados para aplicaciones de baja potencia (menos de 200 W). Se utilizan
habitualmente en ventiladores domésticos pequeños.
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Referencias
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lep/salvatori_a_m/capitulo3.pdf
http://campus.fi.uba.ar/pluginfile.php/111440/mod_resource/content/1/09%20Arranque%20M%C3%A1quina%20Asincr%C3%B3nica.pdf
ftp://ftp.unicauca.edu.co/Facultades/FIET/DEIC/Materias/Control%20de%20maquinas/documentos/tesis%20jorge-diana/Anteproyecto%2004_1.doc
http://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/ie/profesores/jrodrigu/conv1/mca/CALIMPCA.HTM
http://tricidadibf.bligoo.cl/media/users/1/80488/files/154598/MOTORES_ELECTRICOS_DE_CA.pdf
http://tangara.uis.edu.co/biblioweb/tesis/2010/133923.pdf
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lep/salvatori_a_m/capitulo2.pdf
http://www.skf.com/mx/industry-solutions/electric-motors/electric-motors-for-consumer-goods/applications/ac-single-phase-induction-motors/index.html
