INTRODUCCIÓN

Otra manera de lograr el arranque a voltaje reducido es usando un transformador de reducción simple del tipo de autotransformador. Con derivaciones al

Materia

Controles Eléctricos

Practica

“Arranque por autotransformador de un motor de inducción 3ᶲ”

INSTITUTO TECNOLÓGICODE LÁZARO CÁRDENAS

Ciudad y Puerto de Lázaro Cárdenas, Michoacán, Octubre del 2015.

TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas

autotransformador en puntos específicos, se pueden lograr diversas reducciones en el voltaje de salida del arrancador.  Los autotransformadores proporcionan una manera más costosa pero también más efectiva de reducir la corriente de arranque. Durante el ciclo de arranque, el voltaje en las terminales del motor se reduce en proporción a la relación de vueltas de transformador. Excepto por la caída de voltaje a través del transformador, el voltaje de terminal se mantiene relativamente constante. En términos de la corriente de línea y para una reducción dada en la torsión de arranque, el arranque por autotransformador da una mayor reducción en la corriente de arranque que el arranque con resistencia primaria.  El arrancador con autotransformador consiste en dos autotransformadores conectados en delta abierta. Algunos fabricantes utilizan tres transformadores aunque bastan dos. Generalmente hay tres derivaciones que dan 50, 65 y 80% del voltaje total de línea. La corriente del estator varía directamente con el voltaje aplicado aunque la corriente de línea varía con el cuadrado del voltaje aplicado. En consecuencia, la torsión de arranque varía directamente con la corriente de línea. Las ventajas principales del arranque por autotransformador respecto del arranque con resistencia primaria son menor corriente de línea y menor potencia de línea. Una desventaja es que el voltaje del motor se mantiene constante durante el primer paso del arranque, en tanto que con el arranque con resistencia primaria el voltaje aumenta uniformemente conforme acelera el motor, lo que da una mejor característica de torsión. Otra desventaja es que al conmutar la derivación a la línea, el motor se desconecta momentáneamente de ésta. Por estas dos razones, la aceleración con el arranque por autotransformador no es tan uniforme como con el arranque con resistencia.  Las funciones de operación básicas del arrancador con autotransformador son las mismas que las del arrancador con resistencia primaria.

PRINCIPIO DE ARRANQUE CON AUTOTRANSFORMADOR.

Las operaciones de interrupción se logran mediante contactores magnéticos en combinación con un relevador de sincronización. El relevador de tiempos inicia la transferencia de voltaje reducido a voltaje total. El primario de un autotransformador está conectado entre Ll y L2 y el primario del otro transformador entre L3 y L2: Los secundarios de salida están derivados del primario para dar un voltaje un poco menor que el de línea.  En la operación, la bobina del contactor de aceleración A recibe anergia conectar el motor a las derivaciones de voltaje reducido del autotransformador. Después dc un retraso para permitir al motor acelerar a voltaje reducido, el relevador TR de tiempo abre cl circuito de la bobina dc aceleración, interrumpe los contactos A y cierra cl circuito dc bobina al contactor principal M que conecta el motor a todo el

voltaje de línea. El relevador TR de tiempo entra en funcionamiento cuando se cierra el circuito de la bobina de aceleración.  La derivación elegida del autotransformador debe de dar al motor el valor de voltaje más bajo que pueda llevar al motor a cierta velocidad antes de que se haga el cambio a la operación a voltaje total. Si se hace la transferencia al voltaje total de línea antes de que el motor tenga la velocidad de operación completa, la corriente que se tome de la línea será más alta que la que se tome al arrancar con voltaje reducido. El ajuste del tiempo de transferencia y el uso de derivaciones de voltaje deben de dar la más baja corriente posible y la corriente en la transferencia no debe exceder la de arranque.

MARCO TEORICO

DESCRIPCION DE LOS COMPONENTES DE LA PRÁCTICA.

Estación de botones

Las aplicaciones de una estación de botones son amplias; desde controles de arranque – paro adecuados para un motor de un proceso aislado simple hasta para procesos de control de mediana complejidad como un ascenso descenso de una grúa o avance reversa de una banda transportadora.

Figura 1. Estación de botones

Contactor electromagnético

Un contactor 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 dé tensión a la bobina (en el caso de ser contactores instantáneos). 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, cuando no recibe acción alguna por parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando actúa dicha acción. Este tipo de funcionamiento se llama de "todo o nada".

En los esquemas eléctricos, su simbología se establece con las letras KM seguidas de un número de orden.

Figura 2. Contactor electromagnético

Fuente de alimentación trifásica

Una fuente de alimentación es un adaptador que convierte la electricidad de corriente alterna suministrada por las compañías de energía en la corriente continua que necesitan los equipos electrónicos. La fuente de alimentación se encuentra ya sea dentro de la carcasa del equipo o forma parte de la clavija que conecta el equipo a la energía de la casa. Las compañías eléctricas producen electricidad en tres fases, que se transmite en tres cables. Una casa normalmente tiene una o dos fases. Las fuentes de alimentación que se conectan a la corriente de la casa de 110 voltios son monofásicas. Las fuentes industriales tienen tres fases.

Figura 3. Fuentes de alimentación trifásica

Transformadores de control

En muchas aplicaciones industriales y electrónicas, existe la necesidad de un voltaje constante de corriente que se dé rápidamente y con una pequeña variación en una carga inicial. Entre los equipos que requieren de esto se incluyen los relés, interruptores eléctricos controlados electrónicamente, solenoides, bobinas electromagnéticas que se mueven con corriente aplicada. Cada uno de estos, requiere una señal de control eléctrica que sea rápida y precisa, de lo contrario algunos equipos no funcionarán adecuadamente. Aquí es donde aparecen los transformadores de control.

Figura 5. Transformadores de control

Cable de conexión

Cables conectores es un término resolución de problemas eléctricos. No se refiere a ayudar a arrancar la batería de un coche, a pesar de que los cables conectores de la batería llevan a cabo la misma función básica que los cables de conexión eléctricos que completan un circuito. Los cables de conexión completan el circuito de un sistema eléctrico de un automóvil a otro, mientras que los cables de conexión completan un circuito dentro de un dispositivo eléctrico para ayudar a aislar

Figura 6. Cables de conexión

Motor inducción jaula de ardilla

Un rotor de jaula de ardilla es la parte que rota usada comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna. Un motor eléctrico con un rotor de jaula de ardilla también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de anillos, las barras y la rueda de un hámster (ruedas probablemente similares existen para las ardillas domésticas).

Figura 7. Motor inducción jaula de ardilla

Temporizadores off y on delay

Son temporizadores que se caracterizan porque cuando su bobina se energiza sus contactos cambian de posición de manera instantánea, pero el cambio retardado de sus contactos lo realizan después que su bobina se des energía.

Figura 8. Timer on delay

Relé térmico

Los relés térmicos son los aparatos más utilizados para proteger los motores contra las sobrecargas débiles y prolongadas. Se pueden utilizar en corriente alterna o continua. Este dispositivo de protección garantiza:

Optimizar la durabilidad de los motores, impidiendo que funcionen en condiciones de calentamiento anómalas.

La continuidad de explotación de las máquinas o las instalaciones evitando paradas imprevistas.

Volver a arrancar después de un disparo con la mayor rapidez y las mejores condiciones de seguridad posibles para los equipos y las personas.

Figura 9. Relé térmico

Autotransformador

Al igual que los transformadores, los autotransformadores funcionan basados en el principio de campos magnéticos variantes en el tiempo, por lo que no pueden ser utilizados en circuitos de corriente continua. Para reducir al mínimo las

pérdidas en el núcleo debidas a corrientes de Foucault y a la histéresis magnética, se suele utilizar acero eléctrico, laminado en finas chapas que luego se apilan y compactan. Las láminas del núcleo así construido se orientan haciendo coincidir la dirección del flujo magnético con la dirección de laminación, donde la permeabilidad magnética es mayor.

La relación de transformación de un autotransformador es la relación entre el número de vueltas del devanado completo (serie + común) y el número de vueltas del devanado común. Por ejemplo, con una toma en la mitad del devanado se puede obtener una tensión de salida (en el devanado "común") igual a la mitad del de la fuente (o viceversa). Dependiendo de la aplicación, la porción del devanado que se utiliza sólo para el circuito de alta tensión se puede fabricar con alambre de menor calibre (puesto que requiere menos corriente) que la porción del devanado común a ambos circuitos; de esta manera la máquina resultante es aún más económica.

Figura 10. Autotransformador

OBJETIVO GENERAL

Construir un arrancador a tensión reducida utilizando autotransformadores.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar las características de torsión por ampere de un arrancador por autotransformador.

Comparar el arrancador con autotransformador contra el arrancador con resistencia primaria.

MATERIAL Y EQUIPO

2 Estaciones de botones.

2 Contactores electromagnéticos.

1 Fuente de alimentación trifásica 220Vca, 3f-4h, 15A, 0-220Vca 120Vcd.

1 Relé térmico.

1 Transformador de control 440-220/220-120Vca.

Cables para conexión.

1 motor de inducción de jaula de ardilla 3rb 1.2A, 1/4hp 208Vca.

1 Timer on delay.

2 Transformadores con derivaciones 220/180/110/24 Vca.

PROCEDIMIENTO

1. Conectar el siguiente circuito.

Circuito 1. Diagrama de conexión para la práctica arranque con autotransformador.

2. Conectar 2 voltímetros en las terminales del motor con el fin de medir VL-L Y VL-N.

3. Observe los contactos A normalmente cerrados en serie con la bobina de operación del Contactor principal M. estos contactos actúan como un cierre de combinación eléctrico que impide que se cierren los contactos M normal abiertos hasta que el Contactor A de aceleración se haya soltado, evitando que fluyan altas corrientes en los transformadores.

4. Monta el volante de inercia y el dinamómetro.

5. Ajusta el timer a 10 s.6. Enciende la fuente, arranca el motor y observa su comportamiento (repite 3

veces)

7. Pará el motor y anota los voltajes de arranque del motor de las 3 pruebas.

ARRANQUE CON AUTOTRANSFORMADOR Tiempo del timer = 10sPrueba Voltaje L-L Voltaje L-N

1 104 Vca 0.4 Vca2 105 Vca 0.4 Vca3 105 Vca 0.4 Vca

Promedio 104.466 Vca 0.4 Vca

Tabla 1. Voltajes obtenidos en la práctica arranque con autotransformador.

8. ¿La aceleración con el arranque por autotransformador es tan uniforme como lo fue con las resistencias?

Fue un poco más lenta, pero se observa una mayor reducción de voltaje y corriente. Debido a que el autotransformador se ajustó a su máximo nivel de reducción, ya que este presentaba problemas al utilizar otra de sus derivaciones.

9. ¿Cuál fue el voltaje promedio del arranque con autotransformador?

El voltaje promedio del arranque de línea a línea fue igual a 104.466 Vca.

10.Conecta amperímetros a las terminales del motor. Arranca 3 veces el motor y observa las lecturas de corriente. Anota las lecturas.

ARRANQUE CON AUTOTRANSFORMADOR Tiempo del timer = 10sPrueba Corriente de arranque

1 1.6 A2 1.9 A3 1.8 A

Promedio 1.766 A

Tabla 2. Corrientes de arranque obtenidas en la práctica arranque con autotransformador.

11.Promedia las corrientes de arranque.

La corriente de arranque promedio del arranque fue igual a 1.766 A

12.Ajusta el retraso a 0 segundos y anota las corrientes máximas de arranque (3 veces) y promédialas.

ARRANQUE DEL MOTOR EN DIRECTA

Tiempo del timer = 0s

Prueba Voltaje L-L Voltaje L-N Corriente de arranque1 220 Vca 1.62 Vca 6 A2 220 Vca 1.64 Vca 6.3 A3 220 Vca 1.64 Vca 6.1 A

Promedio 220 Vca 1.63 Vca 6.13 A

Tabla 3. Voltajes y corrientes de arranque obtenidas en la práctica arranque con autotransformador con tiempo de timer igual a cero segundos.

La corriente de arranque promedio del arranque fue igual a 6.13 A y el voltaje promedio del arranque de línea a línea fue igual a 220 Vca.

13.Calcula en porcentaje la reducción de corriente de arranque por autotransformador.

Porcentajede reduccion=Corriente dearranque conautotransformadorCorriente dearranque endirecta

X100

Porcentaje dereduccion=28.80 %

PARTE II: CALCULO DE LA TORSIÓN CON Y SIN ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR.

14.Acopla el dinamómetro al motor de inducción jaula de ardilla mediante la banda de sincronización.

15.Ajusta el dinamómetro a su máxima posición en el sentido de carga máxima.

16.Ajusta el retraso a cero.

17.Arranca el motor y mide la torsión de arranque en conjunto de las tres corrientes de línea.

ARRANQUE DEL MOTOR EN DIRECTA

Tiempo del timer = 0s

Línea Corrientes de arranque Torsión de arranque1 6.2 A

28.2 lbs.*in2 6.3 A3 6.2 A

Promedio 6.23 A

Tabla 4. Torsión y corrientes de arranque medidos a carga máxima con tiempo de timer igual a cero segundos.

18. Pará el motor y calcula la corriente promedio de línea para el arranque a través de la línea.

La corriente de arranque promedio del arranque fue igual a 6.23 A.

19. Calcula la torsión por ampere de línea dividiendo la torsión de arranque entre la corriente promedio de línea. 

Torsión/Amperes = 4.52 lbs.*in 20. Ajusta el retraso del timer a 10 segundos. 21. Oprime el botón de arranque y mida la torsión de arranque y las tres corrientes de línea.  

ARRANQUE CON AUTOTRANSFORMADOR Tiempo del timer = 10sLínea Corrientes de arranque Torsión de arranque

1 1.43 A

3 lbs.*in2 1.38 A3 1.43 A

Promedio 1.41 A

 Tabla 5. Torsión y corrientes de arranque medidos a carga máxima con tiempo de timer igual a diez segundos.

22. Calcule la corriente promedio de línea para arranque con autotransformador.

 La corriente de arranque promedio del arranque fue igual a 1.41 A.

23. Calcule la torsión por ampere de línea dividiendo la torsión de arranque entre la corriente promedio de línea.  

Torsión/Amperes = 2.12 lbs.*in 24. Apaga la fuente y ajusta el retraso a 0 segundos.  25. Enciende el motor, mide la torsión de arranque y las tres corrientes de línea.  

ARRANQUE DEL MOTOR EN DIRECTO Tiempo del timer = 0sLínea Corrientes de arranque Torsión de arranque

1 6 A

29.1 lbs.*in2 5.9 A3 6.1 A

Promedio 6 A

Tabla 5. Torsión y corrientes de arranque medidos a carga máxima con tiempo de timer igual a cero segundos.

 26. Para el motor y calcula la corriente promedio de línea para el arranque con autotransformador.

  La corriente de arranque promedio del arranque fue igual a 6 A.

27. Calcule la torsión por ampere de línea dividiendo la torsión de arranque entre la corriente promedio de línea.  

Torsión/Ampere= 4.85 lb*in 28. Calcula en porcentaje la reducción en la torsión de arranque cuando se usa el arranque por autotransformador.

 Porcentajede reduccion=Torsion dearranque conautotransformador

Torsionde arranque endirectaX 100

Porcentajede reduccion=10.30 %

30. Compara las características de torsión/ampere del arrancador con autotransformador con resistencia primaria.

Sin duda alguna el utilizar un autotransformador para arrancar motores síncronos trifásicos presenta una gran ventaja, ya que la reducción de corriente y par es mayormente significativa a comparación de un arranque con resistencias primarias.

Además el autotransformador presenta una mejor comodidad al momento de ajustar los niveles de corriente para arrancar dichos motores, ya que cuenta con diferentes porcentajes de reducción (Devanados). En cambio para utilizar resistencias es necesario calcular su resistividad y por lo general es un poco más tedioso ya que se tienen que cambiar si se desea realizar este tipo de maniobras.

CONCLUSIONES

Como se mencionó anteriormente el autotransformador presento fallas por lo cual los resultados obtenidos no fueron los esperados. Sin embargo se buscó la manera para poder solucionarlo, conectándolo en un devanado secundario que brindara mayor voltaje, ya que el motor no podía vencer la inercia de arranque.

En la práctica se observó el funcionamiento del motor arrancado mediante un autotransformador conectado en dos líneas. Se obtuvieron las mediciones correspondientes de voltaje de línea y línea-neutro así como la corriente y torsión de arranque con y sin carga máxima.

A su vez se observó como este tipo de arranque con autotransformador es más eficiente que los otros arranques convencionales, ya que permite una mayor reducción de voltajes, corrientes y torsión de arranque, así como una mejor comodidad al momento de querer ajustar dichas valores.