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Curvas de respuesta mecánica par velocidad Par S>1 0<S<1 S<0 Freno Motor Generador Par máximo Par Nominal Par de Arranque Ti f (S) Velocidad de sincronismo 1 Zona de funcionamiento estable como motor 0 Deslizamiento S Tarr 1,2 2 Tnom Tmax 1,8 2,7 Tnom Curvas de respuesta mecánica par - velocidad La característica mecánica de los motores de inducción es prácticamente lineal entre vacío y plena carga El par máximo suele ser de 2 a 3 veces el nominal El par de arranque tiene que ser superior al nominal para permitir que el motor se ponga en marcha Para un determinado deslizamiento el par varía con el cuadrado de la tensión Curvas de respuesta mecánica par - velocidad Banda de dispersión Catálogos comerciales Características funcionales de los motores asincrónicos Corriente nominal Corriente absorbida en función de la velocidad 18 16 14 Corriente A 12 10 8 6 4 2 0 945 Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kW Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 RPM Polos: 6 960 965 950 955 Corriente de vacío 970 975 980 985 990 995 1000 RPM Velocidad de sincronismo Características funcionales de los motores asíncronos Potencia eléctrica absorbida en función de la velocidad 10000 Potencia eléctrica consumida plena carga 9000 8000 Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kW Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 RPM Polos: 6 Potencia W 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 945 950 955 960 965 970 975 980 985 990 995 1000 RPM Velocidad de sincronismo Características funcionales de los motores asíncronos Rendimiento a plena carga Rendimiento en función de la velocidad 0,900 0,800 Rendimiento % 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 945 Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kW Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 RPM 950 955 Polos: 6 960 965 Rendimiento en vacío 970 975 980 985 990 995 1000 RPM Velocidad de sincronismo Características funcionales de los motores asincrónicos fdp a plena carga Factor de potencia en función de la velocidad 0,9 Factor de potencia 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 945 Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kW Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 RPM Polos: 6 960 965 950 955 fdp en vacío 970 975 980 985 990 995 1000 RPM Velocidad de sincronismo Características funcionales de los motores asincrónicos Característica mecánica en zona estable 80 Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kW Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 RPM Polos: 6 70 Par (Nm) 60 50 40 30 20 10 0 945 950 955 960 965 970 975 980 985 990 995 1000 RPM Velocidad de sincronismo Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor Par Resistencia rotórica creciente Si la resistencia rotórica es elevada el par de arranque del motor también lo es Si la resistencia rotórica es elevada el par máximo del motor aparece con deslizamiento elevado S STMAX3 STMAX2 STMAX1 EL RENDIMIENTO DEL MOTOR ES BAJO Si el deslizamiento es elevado la potencia mecánica interna es baja Pmi 1 S Pg Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor Motor con RR’ elevada Motor con RR’ baja Buen par de arranque Bajo rendimiento MOTOR DE ROTOR BOBINADO: VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA ROTÓRICA SOLUCIÓN Bajo par de arranque Buen rendimiento DISEÑO DE UN ROTOR CON CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS VARIABLES SEGÚN LA VELOCIDAD DE GIRO Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor Barras de pequeña sección Alta resistencia, baja reactancia de dispersión A menor sección mayor RR’ Barras de ranura profunda Resistencia baja elevada reactancia de dispersión Doble jaula Pueden usarse dos tipos de material con diferente resistividad Combina las propiedades de las dos anteriores La sección y geometría de las barras rotóricas determina sus propiedades eléctricas y la forma de variación de éstas con la velocidad de giro de la máquina Control de las características mecánicas de los motores de inducción mediante el diseño del rotor Ranura estatórica Circuito equivalente de una barra rotórica La reactancia de dispersión aumenta con la profundidad = que el flujo de dispersión Flujo de dispersión: se concentra hacia el interior Resistencia Reactancia dispersión ARRANQUE S VALORES ELEVADOS Aumento del par de arranque CONDICIONES NOMINALES Mejora del rendimiento frotor ELEVADA Reducción sección útil: aumento RR’ S VALORES BAJ0S frotor BAJA Aumento sección util: Reducción RR’ y Par Efecto de la reactancia de dispersión (2frotor*Ldispersión) MUY ACUSADO La corriente circula sólo por la parte más externa de la barra Efecto de la reactancia de dispersión (2frotor*Ldispersión) MUY POCO ACUSADO La corriente circula por toda la sección de la barra Simulación del efecto real 6000 A 5000 4000 3000 60.69% 2000 41.93% DURANTE EL ARRANQUE CIRCULA UN 41,93% DE LA CORRIENTE POR LA ZONA ROJA DE LA BARRA 1000 0 1 3 5 7 9 11 Itotal 800 13 15 17 Isup 19 21 23 Iinf 25 27 Nº barra A 700 600 75.65% 500 400 300 200 24.35% 100 0 1 3 5 7 9 11 Itotal 13 15 17 Isup 19 21 Iinf 23 25 27 Nº barra MOTOR SIMULADO Fabricante: SIEMENS Potencia: 11 kW Tensión: 380 V Corriente: 22 A Velocidad : 1450 RPM Polos: 4 DURANTE EL FUNCIONAMIENTO EN CONDICIO-NES NOMINALES CIRCU-LA UN 24,35% DE LA CORRIENTE POR LA ZONA ROJA DE LA BARRA Simulación del campo real durante un arranque Las líneas de campo se concentran en la superficie LÍNEAS DE CAMPO DURANTE EL ARRANQUE LÍNEAS DE CAMPO EN FUNCIONAMIENTO NOMINAL Clasificación de los motores según el tipo de rotor: Normas NEMA MOTOR CLASE A T/Tnom 3 2,5 2 Clase D Clase C Clase A Clase B 1,5 S Par de arranque bajo Par nominal con S<5% Corriente arranque elevada 5 – 8 In Rendimiento alto Uso en bombas, ventiladores, máquina herramienta, etc, hasta 5,5 kW Para potencias > 5,5 kW se usan sistemas de arranque para limitar la corriente Clasificación de los motores según el tipo de rotor: Normas NEMA MOTOR CLASE B Par arranque similar clase A Corriente arranque 25% < clase A Par nominal con S<5% Rendimiento Alto Aplicaciones similares al clase A pero con < I arranque Son LOS MÁS UTILIZADOS MOTOR CLASE C (Doble jaula) Par arranque elevado (2 veces Tnom aprox.) Corriente de arranque baja Par nominal con S<5% Rendimiento Alto Aplicaciones que requieren alto par de arranque Tmax < clase A MOTOR CLASE D Par arranque muy elevado (> 3 Tnom) Corriente de arranque baja Par nominal con S elevado (7 –17%) Rendimiento bajo Aplicación en accionamientos intermitentes que requieren acelerar muy rápido 7.24. Características mecánicas de las cargas más habituales de los motores de inducción TR=K TR=K*N2 TR=K*N Prensas Máquinas herramientas TR=K/N Bombas centrífugas Compresores centrífugos Ventiladores y soplantes Centrifugadoras Bobinadoras Máquinas fabricación chapa TR Máquinas elevación Cintas transportadoras Machacadoras y trituradoras Compresores y bombas de pistones TR=K*N2 TR=K*N TR=K TR=K/N N El arranque de los motores asincrónicos Corriente máxima Duración del arranque Corriente de vacío tras alcanzar velocidad máxima LA CORRIENTE MÁXIMA NO DE-PENDE DE LA CARGA Corriente máxima Corriente nominal tras alcanzar velocidad máxima Arranque en vacío Fabricante: EMOD Potencia: 7,5 kW Tensión: 380 V Corriente: 17 A Velocidad : 946 RPM Polos: 6 Arranque a plena carga Duración del arranque El arranque de los motores asíncronos El reglamento de BT establece límites para la corriente de arranque de los motores asíncronas. Por este motivo, es necesario disponer procedimientos específicos para el arranque Métodos de arranque Arranque directo de la red Sólo válido en motores pequeños o en las centrales eléctricas Arranque mediante inserción de resistencias en el rotor Sólo válido en motores de rotor bobinado y anillos rozantes Arranque estrella – triángulo El método más barato y utilizado Arranque con autotransformador Reducción de la tensión durante el arranque mediante autotrafo Arranque con arrancadores estáticos Gobierno del motor durante el arranque por equipo electrónico Arranque por inserción de resistencias rotóricas Resistencia rotórica creciente Par Para el arranque de la máquina se introducen resistencias entre los anillos rozantes que se van eliminando conforme aumenta la velocidad de giro RR’3 RR’2 RR’1 S Sólo vale para los motores de rotor bobinado y anillos rozantes El arranque mediante autotrafo R S T Para el arranque de la máquina se introduce un autotransformador reductor (rt>1) C1 C3 Inicialmente C1 y C2 están cerrados: el motor arranca con la tensión reducida En las proximidades de plena carga C2 se abre: el motor soporta una tensión ligeramente inferior a la red debido a las caídas de tensión en el devanado del autotrafo C2 M Se cierra C3: el motor soporta toda la tensión de la red Arranque estrella - triángulo R R Iarr-estrella I arr triángulo Iarr-triángulo 3 Vlínea Vlínea 3 Zcc Zcc Vlínea Zcc Zcc Zcc Zcc S T Vlínea I arr estrella S T I arr triángulo 3 3 Z CC I arr estrella I arr triángulo 3 Vlínea Z CC TArranque 3 RR 'IR ' Arranque 2 S Esta relación es válida para las dos conexiones. La corriente que aparece en ella es la que circula por Zcc R R Iarr-estrella Vlínea Vlínea 3 Zcc I arr triángulo Iarr-triángulo 3 Zcc Vlínea Zcc Zcc Zcc Zcc S T TArr estrella S T IR ' Arr triángulo 3 TArr triángulo RR ' S 3 I arr triángulo I arr estrella 3 3 RR 'IR ' Arr estrella2 S Tarr triángulo 3Tarrestrella 2 Catálogos comerciales Arrancadores estáticos con microprocesador de potencias hasta 2500 kW 7200V Arrancador 90 kW 690V Arrancadores estáticos Arrancador 4 kW Arrancador para aplicaciones navales y militares Catálogos comerciales El frenado eléctrico de los motores asincrónicos Existen aplicaciones en las que es necesario poder aplicar un par de frenado al motor que permita detenerlo rápidamente: ascensores, grúas, cintas transportadoras, tracción eléctrica, etc. En este caso, las propiedades eléctricas de la máquina se utilizan para lograr el frenado. TIPOS DE FRENADO ELÉCTRICO FRENADO REGENERATIVO O POR RECUPERACIÓN DE ENERGÍA FRENADO POR CONTRACORRIENTE O CONTRAMARCHA FRENADO DINÁMICO (Por inyección de CC) El frenado eléctrico de motores asincrónicos Curva de funcionamiento con 2P polos Curva de funcionamiento con 60 f P polos Ns 2P Par Ns P P 60 f 60 f 2 2Ns 2P P P 2 Par resistente Velocidad (RPM) FRENADO REGENERATIVO Ns2P NsP Zona de funcionamiento como freno Para frenar se modifican las conexiones del estator pasando de P polos a 2P polos. El frenado se consigue al convertirse el motor en generador. La energía generada se disipa en resistencias o se devuelve a la red El frenado eléctrico de motores asincrónicos R S T M Funcionamiento normal: giro en un sentido S>1 Corriente R S T M S 1 S 2 Frenado a contracorriente: inversión del sentido de giro LIMITACIONES Giro horario Giro antihorario ZONA DE FRENO NS N NS N N S 1 NS NS NS Par resistente Par de frenado bajo Frenado en zona inestable de la curva Par-S Corriente durante el frenado muy alta Solicitación del rotor muy elevada Necesario construcción especial El frenado eléctrico de los motores asincrónicos El FRENADO DINÁMICO consiste en dos acciones sobre el funcionamiento del motor: eliminación de la alimentación en alterna e inyección de CC por el estator. La inyección de CC provoca la aparición de un campo de eje fijo que genera un par de frenado Catálogos comerciales Equipo para el frenado de motores asíncronos por inyección de CC (Potencia 315 kW) Resistencias para frenado reostático de motores Catálogos comerciales Cálculo de tiempos de arranque y frenado Momento de inercia de un cuerpo de masa m respecto a un eje. r es la distancia al eje J r 2 dm T TR Jmot Jc arg nominal t arranque 0 0 d dt Ecuación de la dinámica de rotación: T es el par motor, TR el par resistente Jmot el momento de inercia del motor, Jcarg el de la carga y la pulsación de giro Jmot Jc arg d T TR Jmot Jc arg t frenado d T TR Tfreno nominal Kg m2 Integrando la ecuación se obtiene el tiempo de arranque TR+ Tfreno es el par resistente total si se incluye un procedimiento adicional de frenado 7.28. La variación de velocidad de los motores asíncronos I Variación de la velocidad del campo giratorio Variación de la velocidad de giro de la máquina Control de velocidad en cualquier rango para cualquier motor Motores con devanados especiales Equipo eléctrónico para variar frecuencia de red Sólo posible 2 o 3 velocidades distintas 60 f NS P Variar f Variar P Variación discreta de la velocidad Cambio en la conexión del estator La variación de velocidad de los motores asincrónicos: métodos particulares Resistencia rotórica creciente Par RR’3 Par Reducción tensión Vn RR’2 RR’1 Variación de la velocidad VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD POR INSERCIÓN DE RESISTENCIAS ROTÓRICAS EN MOTORES DE ROTOR BOBINADO BAJO RANGO DE VARIACIÓN 0,8Vn S Variación de la velocidad S VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD POR REDUCCIÓN DE LA TENSIÓN BAJO RANGO DE VARIACIÓN REDUCCIÓN DEL PAR MOTOR La variación de velocidad de los motores asincrónicos: Variación de la frecuencia 60 f NS P VARIANDO DE FORMA CONTINUA LA FRECUENCIA SE PUEDE VARIAR DE FORMA CONTÍNUA LA VELOCIDAD Reducción frecuencia Par 0,5fn fn 0,75fn Al reducir la frecuencia aumenta el flujo. Para evitar que la máquina se sature es necesario mantener la relación V/f constante: al disminuir f se aumenta V y viceversa S 0,5NS 0,75NS NS VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD POR VARIACIÓN DE LA FRECUENCIA La variación de velocidad de los motores asincrónicos: variación de la frecuencia Sistema eléctrico trifásico Motor de Inducción Rectificador Filtro Inversor INVERSOR PWM VR + VS + VT + T1 T3 T5 Rmot T4 T6 T2 Smot Tmot Funcionamiento del inversor VR + VS + VT + T1 T3 T5 Rmot T4 T6 Smot T2 Tensión del rectificador sin filtro Tensión del rectificador con filtro La tensión después del condensador es continua Tmot Funcionamiento del inversor Bus de tensión contínua Rmot Smot Tmot El inversor haciendo conmutar los IGBT’s “trocea” la tensión continua con la que es alimentado El disparo de los IGBT’s se realiza utilizando una técnica conocida como PWM (Pulse width modulation) que consiste en comparar una señal (portadora) triangular con una señal (moduladora) senoidal De esta comparación se obtiene una señal similar a la senoidal pero escalonada para cada una de las fases del inversor Variando la amplitud y frecuencia de moduladora y portadora es posible obtener señales de distinta frecuencia y tensión a la salida del inversor Funcionamiento del inversor A 1 1 Señales moduladora y portadora Bus de tensión contínua 0 2 Rmot Smot Tmot -1 0 1 /2 f 1 1 /f 1 TENSIÓN DE SALIDA EN LA FASE R B 1 Cuando triangular < senoidal dispara el 1 0 -1 0 1 /2 f 1 1 /f 1 0 20 m S Catálogos comerciales Convertidor para motor de CC Inversor 55 kW 0 – 400 Hz para motor asíncrono con control vectorial Inversor 0,75 kW 0 – 120 Hz para control de máquina herramienta Inversor 2,2kW 0 – 400Hz de propósito general Variadores de velocidad 7.30. La máquina asíncrona como generador La máquina asíncrona se puede utilizar como generador Los generadores asincrónicos se utilizan en sistemas de generación donde la fuente primaria es muy variable: energía eólica e hidraúlica En la actualidad existen máquinas con doble alimentación rotor – estator para mejorar el rendimiento en generación eólica e hidráulica Por encima de la velocidad de sincronismo el par se vuelve resistente y entrega energía eléctrica La máquina asíncrona convierte energía mecánica en eléctrica siempre que trabaja por encima de la velocidad de sincronismo. NO ES NECESARIO QUE GIRE A VELOCIDAD CONSTANTE
