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    LA MQUINA ASINCRONA

    I.-INTRODUCCION

    Se llaman mquinas asncronas a las mquinas de corriente alterna cuya velocidad de giro N es

    diferente a la velocidad de sincronismo Ns.

    Al igual que otras mquinas elctricas, stas pueden funcionar como generador o como motor,

    aunque su aplicacin ms difundida es como motor, denominndosele en este caso el nombre

    de motor de induccin.

    En la actualidad, el motor de induccin trifsico es el ms utilizado en la industria debido a su

    robustez, larga vida, facilidad de operacin y bajo costo.

    II.-OBJETIVOS

    * Demostrar en forma prctica los ensayos del motor asncrono y partir de ellos determinar los

    parmetros del circuito equivalente de sustitucin de estado estacionario.

    * La estimacin de las prdidas rotacionales y el pronstico terico de su comportamiento como

    rotor o generador a partir del circuito equivalente.

    * Comprobacin experimental del funcionamiento de la mquina asncrona como generador.

    * Realizar el Ensayo de cortocircuito o de rotor bloqueado.

    III.-FUNDAMENTO TEORICO

    Los motores asncronos o de induccin son un tipo de motores elctricos de corriente alterna.

    El motor asncrono trifsico est 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

    trifsicas y estn desfasadas entre s 120. Segn el Teorema de Ferraris, cuando por estas

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    bobinas circula un sistema de corrientes trifsicas, se induce un campo magntico giratorio que

    envuelve al rotor. Este campo magntico variable va a inducir una tensin en el rotor segn la

    Ley de induccin de Faraday:

    1. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

    2.1. EL ESTATOR

    Es la parte fija del motor. Est constituido por una carcasa en la que est fija una corona de

    chapas de acero de calidad especial provistas de ranuras. Desde el punto de vista constructivo,

    es tambin muy simple y semejante al de un generados sncrono trifsico, en el cual se alojan

    uno o ms grupos de tres bobinas conectadas en estrella o tringulo, tal como puede verse en la

    figura.

    2.2. EL ROTOR

    Es la parte mvil del motor. Est situado en el interior del estator y constituido por un

    apilamiento de chapas de acero formando un cilindro solidario con el rbol del motor. Entre los

    tipos ms utilizados se distinguen el rotor de jaula de ardilla y el rotor bobinado.

    2.3.1. El rotor de jaula de ardilla (rotor en corto circuito)

    Este rotor consta de un cierto nmero de barras de cobre o aluminio ubicadas en ranuras

    previamente construidas en el rotor, paralelamente a su eje y puestas todas en cortocircuito enambos extremos por medio de dos anillos metlicos. El conjunto tiene el aspecto de una jaula

    de ardilla, de donde proviene e l nombre de este tipo de rotor.

    En determinados motores, la jaula de ardilla est enteramente moldeada. Se suele utilizar el

    aluminio inyectado a presin; las aletas de refrigeracin hechas en la misma operacin, hacen

    masa con el rotor.

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    2.3.2. El rotor bobinado (rotor de anillos rozantes)

    Existe tambin otro tipo de rotor que lleva un arrollamiento similar en construccin y en

    nmero de polos al estator. Generalmente el rotor es trifsico. Un extremo de cada uno de los

    devanados est conectado a un punto comn (acoplamiento estrella). Los extremos libres

    pueden estar conectados a un acoplador centrfugo o a tres anillos de cobre aislados y solidarios

    al rotor. Encima de los anillos se colocan las escobillas de grafito conectadas al dispositivo de

    arranque. Por estas razones a este motor se le denomina de rotor bobinado o de anillos rozantes.

    Este motor se emplea poco debido a su mayor costo.

    El arrollamiento rotrico no recibe ningn tipo de alimentacin exterior como sucede con el

    resto de mquinas elctricas y las corrientes que por ste circulan, son simplemente inducidas

    por el estator, como si se tratara de un transformador.

    2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

    CAMPO MAGNETICO GIRATORIO

    El funcionamiento de estas mquinas se explica por la presencia de u campo magntico

    giratorio en el estator que gira a una velocidad constante, cuyos valores se distribuyen

    senoidalmente en el espacio y cuya amplitud se mantiene constante en el tiempo. Como se sabe,

    un campo de esta naturaleza slo puede ser producido por u sistema trifsico constituido por

    uno o ms grupos de tres bobinas distribuidas simtricamente en el espacio y que estn siendo

    alimentadas por un sistema trifsico equilibrado de corrientes. Se sabe tambin que este campogiratorio se mueve a la velocidad de sincronismo Ns:

    donde: f es la frecuencia (Hz)

    p es el nmero de polos

    El campo giratorio del estator corta a los conductores del rotor generando en ellos una f.e.m.

    como si se tratara de un transformador; estas f.e.ms. hacen circular corrientes en el rotor que, a

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    su vez, generan otro campo giratorio de la misma velocidad que aquel producido por el

    arrollamiento estatrico, ya que tienen el mismo nmero de polos.

    Los dos campos girando a la misma velocidad interaccionan entre s, produciendo un torque

    electromagntico que pone en movimiento al rotor. Cuando el rotor comienza a girar a la

    velocidad N, la velocidad relativa entre el campo giratorio y el rotor disminuir a NsN. Como

    consecuencia de esto, las f.e.ms. y las corrientes inducidas n el rotor tendrn una frecuencia fr

    diferente a la frecuencia f del estator.

    3. EL DESLIZAMIENTO

    Como las frecuencias de las cantidades elctricas son proporcionales a las velocidades relativas

    de los campos con respecto a sus respectivos devanados, se tendr que:

    de donde se deduce:

    El valor de s se conoce con el nombre de deslizamiento y es muy importante para el estudio de

    la mquina asncrona; de esta relacin se obtiene:

    Para que haya produccin de torque a cualquier velocidad del rotor es necesario que los campos

    giratorios del estator y del rotor se desplacen a la misma velocidad, excepto cuando el rotor

    alcanza la velocidad sncrona por cuanto, al no haber movimiento relativo entre el campo

    giratorio del estator y el rotor no se inducen f.e.ms en el rotor.

    Esta es la gran diferencia con respecto a las mquinas sncronas en las que slo se produce

    torque a la velocidad de sincronismo.

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    4. CIRCUITO EQUIVALENTE DEL MOTOR DE INDUCCION

    TRIFASICO

    El motor de induccin es semejante a u transformador cuyo primario es el estator y secundario

    es el rotor. El estator y e rotor se pueden considerar como acoplados magnticamente por u

    transformador ideal de relacin de transformacin a.

    Suponiendo que est parado, s=1, su circuito equivalente monofsico ser como el que se indica

    en la figura.

    En este diagrama:

    Re : resistencia del bobinado del estator (ohm/fase)

    Xe : reactancia de dispersin del estator (ohm/fase)

    Rr : resistencia del bobinado del rotor (ohm/fase)

    Xr : reactancia de dispersin del rotor (ohm/fase)

    Rfe : resistencia de prdidas en el hierro (ohm/fase)

    Xr : reactancia de magnetizacin (ohm/fase)

    Ve : tensin aplicada por fase (V)

    Ee : f.e.m. inducida en el estator por fase (V)

    Er : f.e.m. inducida en el rotor por fase (V)

    Ie : corriente de fase del estator (A)

    Ir : corriente de fase del rotor (A)

    Io : corriente de fase de vaco (A)

    5. ARRANQUE, VACIO Y TRABAJO CON CARGA

    Cada vez que un motor es arrancado y puesto en marcha desarrolla siempre las mismas

    caractersticas naturales de torque y corriente en funcin de la velocidad de giro.

    Sin embargo deben distinguirse tres casos de arranque:

    a) Primero, cuando el motor arranca en vaco, es decir, sin carga mecnica acoplada en el eje.

    Evidentemente, estas son las mejores condiciones para la puesta en marcha del motor por

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    cuanto se produce rpidamente en vista de la ausencia de torque resistente.

    b) Segundo, cuando el motor arranca con carga, la cual puede ser ligera, mediana, plena o

    incluso con sobrecarga, las condiciones para la puesta en marcha son un tanto ms difciles. El

    motor se tardar cada vez ms en accionar la respectiva carga. Debe quedar claro que sea cual

    fuere la carga que un motor debe poner en marcha, el torque ni la corriente de arranque

    cambiarn; asimismo, que el tiempo que dura la puesta en marcha aumenta con la carga y que

    los tiempos largos contribuyen al recalentamiento de la mquina poniendo en peligro la vida del

    aislamiento.

    c) Por ltimo, los continuos rranques y paradas del motor en los accionamiento del tipo

    intermitente ocasionan que el motor trabaje en la regin de las velocidades bajas, donde

    precisamente las corrientes son elevadas con el consiguiente recalentamiento de la mquina al

    no darle tiempo para que se enfre.

    ENSAYOS DE VACIO Y ROTOR BLOQUEADO

    Las constantes del circuito equivalente del motor de induccin pueden obtenerse de una prueba

    hecha con el motor girando libre y de la prueba del rotor bloqueado. Estas pruebas son

    equivalentes a las pruebas de vaco y de cortocircuito del transformador.

    * ENSAYO EN VACIO

    El ensayo en vaco de un motor de induccin mide las prdidas rotacionales del motor y

    proporciona informacin sobre su corriente de magnetizacin. Algunos vatmetros, un

    voltmetro y tres ampermetros se conectan a un motor de induccin, el cual se deja rodar

    libremente. La nica carga en el motor es la friccin y las prdidas por vendaval, por tanto, toda

    la PCONV de este motor la absorben las prdidas mecnicas y el deslizamiento del motor es

    muy pequeo. Con el deslizamiento muy pequeo, la resistencia correspondiente a su potenciaconvertida R2(1-x)/s, es mucho ms grande que la resistencia correspondiente a las prdidas del

    cobre del rotor R2 y mucho ms grande que su reactancia X2.

    En este motor, en condiciones de vaco, la potencia de entrada dbilmente medida debe ser

    igual a las prdidas en el motor. Las prdidas en el cobre del rotor se desprecian, por que la

    corriente I2 es extremadamente pequea. Las prdidas en el cobre del estator se dan por

    PSCL = I21R1

    Y entonces, la potencia de entrada debe ser igual a

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    Pant = PSCL + PNUCLEO + PF&W + PMISN = 3*I21R1 + PROT

    En donde Prot es la perdida rotacional del motor

    Prot = PNUCLEO + PF&W + PMISN

    Entonces, si se conoce la potencia de entrada al motor, pueden determinarse las prdidas

    rotacionales del mismo.

    El circuito equivalente que describe el funcionamiento del motor en estas condiciones contiene

    las resistencias RC Y R2(1-s)/s en paralelo con la reactancia de magnetizacin XM. Lacorriente necesaria para establecer un campo magntico es bastante grande en un motor de

    induccin, debido a la alta reluctancia de su entrehierro, por lo cual la reactancia XM ser

    mucho mas pequea que las resistencias que estn en paralelo con ella y el factor de potencia

    total de entrada ser muy pequeo. Con una corriente de atraso tan grande, la mayor parte de la

    cada de voltaje se dar a travs de los componentes inductivos del circuito. Entonces, la

    impedancia de entrada equivalente es aproximadamente.

    * ENSAYO DE ROTOR BLOQUEADO

    Otro ensayo que puede realizarse en un motor de induccin, para determinar los parmetros de

    su circuito, se denomina ensayo del rotor bloqueado. Este ensayo corresponde al de corto

    circuito en los transformadores. En l, el rotor esta bloqueado de modo que no se puede mover,

    se le aplica un voltaje al motor y se miden el voltaje, la corriente y la potencia resultante.

    Las conexiones para el ensayo del rotor bloqueado. Para realizarlo, se aplica un voltaje de CA

    al estator y el flujo de corriente de ajusta para

    que sea aproximadamente igual al valor de plena carga, cuando la corriente tiene un valor de

    plena carga, se miden el voltaje, la corriente y la potencia que fluye en el motor. Obsrvese que

    como el rotor no se mueve, el deslizamiento s = 1 y por eso la resistencia R2/s del rotor es

    precisamente igual a R2. Como R2 y X2 son tan pequeos, casi toda la corriente de entrada

    circulara a travs de ellos, en lugar de hacerlo a travs de una reactancia de magnetizacin

    mucho ms grande XM. Por tanto, en estas condiciones, el circuito parece una combinacin en

    seria de X1, X2, y R2.

    Despus de que los ensayos de voltaje y frecuencia se han llevado a cabo, el flujo de corriente

    en el motor se ajusta rpidamente hasta un valor cercano al valor nominal y se mide la potencia,

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    el voltaje y las corrientes de alimentacin del motor se hallan por medio de

    de tal modo que le factor de potencia del rotor bloqueado se encuentra mediante

    Y el ngulo de impedancia es precisamente igual a cos-1 (FP).

    IV.-EQUIPOS Y MATERIALES

    .Un transformador regulador de voltaje

    * 1 resistencia de 1600.

    * 1 resistencia de 0 - 220.

    * 2 voltmetros de 0300V CA.

    * 1 ampermetro digital de 06

    * 1 multmetro digital Fluke modelo 10

    * Cables para la mquina generalizada pequea

    * 1 interruptor tripolar

    * 1 extensin monofsica

    * 4 cables de 2 metros

    * 1 vatmetro WATTAVI

    * 1 voltmetro 0150300V CA.

    * 1 ampermetro digital de 06A

    * Tacmetro fotoelctrico.

    IV.-PROCEDIMIENTO

    Tomar los datos de la placa de caractersticas de la mquina

    S. Amp=134 A

    V=220

    In=12 A

    Vrotor=1746 rpm

    1.

    Armar el circuito de la figura 3.

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    PARA EL ENSAYO EN VACO:

    2. Arrancar la mquina y esperar un tiempo prudencial para que las condiciones delubricacin se estabilicen

    3.

    Luego por medio del Variac Trifsico de 5KVA, regular la tensin al 120% de latensin nominal.

    4. Tomar los datos requeridos en esta prueba.

    PRUEBA DE VACIO

    V(Volt) W(Watt) I (A)

    190.1 400 1.7176.5 400 1.7146.2 380 1.8133 380 1.85

    122.5 3 1.9109.2 3 2.2

    87 3 2.7

    PARA EL ENSAYO A ROTOR BLOQUEADO

    5. Haciendo uso del tornillo de banco, que se encuentra fijado a la base de concreto demotor, aplicar un freno al eje de la mquina(ver figura 2)

    6. Arrancar la mquina y regular la tensin hasta producir el 120% de la corriente nominalde la mquina.

    7. Tomar los datos requeridos para esta prueba.

    ENSAYO A ROTOR BLOQUEADO

    W I V

    5

    7

    6

    3

    7 5

    3

    6 52

    5

    4

    1

    3

    2

    5

    2

    2

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    ENSAYO A ROTOR BLOQUEADO

    W I V

    5

    7

    6

    3

    7 5

    3

    6 52

    5

    4

    1

    3

    2

    5

    2

    2

    V.-CUESTIONARIO.-

    1.-Calcular los parmetros del circuito "T" equivalente de sustitucin de lamaquina asncrona para tensin nominal. Incluir las perdidas rotacionales en laresistencia "Rm".

    A base de la analoga en la descripcin matemtica para la maquina asncrona reducida altransformador, se puede utilizar el circuito equivalente (de sustitucin) del transformador. elcircuito de sustitucin se muestra arriba.

    La resistencia R'mec = R'2(1-s)/s es como la resistencia de carga del transformador condevanado secundario reducido. Las prdidas de potencia en esta resistencia sonnumricamente iguales a la potencia mecnica desarrollada por la maquina asncrona.

    El circuito de sustitucin refleja el sistema de las siguientes ecuaciones:

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    Determinamos el circuito equivalente por fase referido al estator.

    Este circuito tambin se puede determinar colocando la rama de excitacin como unadisposicin en serie de la conductancia Go y la supceptancia Bo.

    Go

    Rm = -----------

    Go2+Bo2-Bo

    Xm = ----------

    Go2+Bo2

    Dnde:R1 : resistencia de prdidas de cobre en el estator

    X1 : reactancia de dispersin en el estator

    R2': resistencia de prdidas de cobre en el rotor

    X2': reactancia de dispersin en el

    rotor Rm : resistencia de prdidas en

    el ncleo Xm : reactancia de

    magnetizacin

    Es de notar la similitud del circuito equivalente del motor asncrono de induccincon el circuito equivalente del transformador debido a la identidad del diagrama vectorial

    para cada uno de ellos.

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    En el caso de motor de induccin los circuitos primario y secundario son

    mutuamente mviles a una velocidad que vara con la carga

    Determinacin de los parmetros del circuito equivalente:

    R1 es la resistencia de prdidas de cobre en el estator por

    fase: R1 = Rf = 2.3Tomaremos el circuito equivalente con la rama de excitacin enseriada Rm con Xm

    En el ensayo de vacio:

    A condiciones nominales en tensinIo = 2.2 A ; Vn = 200 V

    Sabemos:

    PFe + Pcu + Prot = Ptot (por fase)

    Luego:

    Ptot =694.55/3 = 133.67 Watt

    Pcu =(Io)2*R1/3 = 3.711

    Watt

    Las prdidas rotacionales son las prdidas estacionales, estas prdidas son las que debe

    vencer el motor para su funcionamiento en vacio. Estas prdidas constantes estan

    constituidas por las prdidas mecnicas, las prdidas por efecto de ventilacin, prdidas por

    friccin. Las prdidas por efectos de ventilacin y las prdidas por friccin son pequeas, ello

    hace que las prdidas de rotacionales sean igual aproximadamente a las prdidas mecnicas

    Las prdidas rotacionales se obtienen a partir de la grfica Poo vs. V donde las

    prdidas rotacionales estarn dadas por la interseccin de la curva de la grfica con el eje Poo.

    De la grfica el valor aproximadamente es

    Prot = 120.61 Watt

    PFe = 9.346 Watt

    Pero las prdidas en el ncleo (PFe) estar dado

    por: PFe = Io2*Rm/3

    Luego:

    Rm =

    3PFe/Io2

    Rm =

    5.793

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    La impedancia de entrada:

    Zoc = V/(Io/ 3) =157.46

    Ademas

    : Zoc - (R1 + Rm) = (X1 + Xm)

    X1 + Xm = 157.25

    Del ensayo a rotor bloqueado:

    In = 6A , V = 51V

    Obtuvimo

    s: Zcc = 14.72

    Rcc = 9.03

    R1 + R2' = Rcc =9.03

    Como: R1 =

    R2' R1 = Rcc/2 = R2' = 4.515

    La impedancia de entrada:

    Zcc - (R1 + R2') = (X1 + X2')

    X1 +X2' =14.0125

    luego suponiendo

    X1 = X2' =

    14.0125/2

    X1 = X2' =7.006

    Como se determin:

    X1 + Xm =

    157.25

    luego Xm =

    150.24

    Como la cada por impedancia del primario I1(R1 + jX1) es un pequeo porcentaje de la

    tensin aplicada V1, es muy pequeo el error al considerar un traspaso a la entrada, luego el

    circuito T reducido ser:

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    2.-A partir de 1 evaluar los parmetros del circuito equivalente "L" invertida.

    Para este caso tenemos:

    C1 = coeficiente complejo = (Z1 + Zo)/Zo = c' + j c''

    c' = [(Ro + R1)Ro + (Xo + X1)Xo]/(Ro + Xo)

    c''= [(Xo + X1)Ro - (Ro + R1)Xo]/(Ro + Xo)

    I''2 = I1 - Ioo = - I'2/C1

    3.-A partir de 2 se pide:

    Operacin como motor:

    - Para un deslizamiento de 3% determinar:corriente, potencia absorbida, factor de potencia, potencia en el eje y eficiencia.

    -Comparar estos resultados con los obtenidos experimentalmente. Explicar las divergencias

    - El deslizamiento al producirse el torque mximo

    - La mxima potencia en el eje

    - Del grfico determinamos la corriente I1 = 2.2 A y la corriente I2 = 1.33 A,la potencia en el -eje Peje = 371.1 y la eficiencia = 75%

    Estos valores tiene mucha aproximacin con los valores determinados en el laboratorio, las

    divergencias se deben a diversos motivos como es el caso de que el diagrama circular es

    obtenido de dos ensayos de laboratorio como es el ensayo de vaco y el de rotor bloqueado,

    otro factor que nos da esta divergencia es la sensibilidad de los instrumentos.

    En la grfica 1 se muestra adicionalmente a un deslizamiento de 0.3 para una mayor

    observacin de las corrientes I1 e I2 y dems parmetros. Adems con ello notar que para

    un deslizamiento de esta naturaleza los valores de corrientes y potencias tienen una notable

    variacin.

    - Del grfico 2 el deslizamiento a condiciones nominales es s = 0.16, el torque es = 0.256

    N/m, el factor de potencia es cos = 0.82 y un rendimiento de 68 %.

    -Del grfico 2 el deslizamiento para torque mximo es s = 0.387 (38.7%)

    -La potencia mxima en el eje es Peje = 888.688 W

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    FIEE - UNMSM

    4.-.Dibujar el diagrama fasorial

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    FIEE - UNMSM

    OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

    * Para el presente laboratorio se tuvo que De la curva caracterstica en vaco se observa

    que segn disminuye el valor del voltaje va aumentando de lo que se puede deducir que

    para un valor muy pequeo de voltaje se obtendra un valor muy elevado de potencia.

    * Observamos que con la ayuda de solamente los dos ensayos se ha logrado obtener el

    diagrama circular, a partir del cual se pueden calcular los valores de operacin sin

    necesidad de otros ensayos, ni clculos con circuitos equivalentes.

    * Del diagrama circular concluimos que en vaco el motor alcanza la mayor velocidad

    posible, pero esta no llega a alcanzar la velocidad de sincronismo.

    * Conforme va aumentando la carga el motor va disminuyendo su velocidad en forma casi

    proporcional hasta alcanzar la nominal con una carga plena.