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Motores de caracteristicas especiales.

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Regulacin de la velocidad, Motores de 2 velocidades, devanados independientes, Motores de 2 velocidades, conexin Dahlander, Motores de 3 y 4 velocidades, Maquinas trifasicas sncronas y asncronas, Particularidades comunes, Forma constructiva y funciona

Agregado: 29 de AGOSTO de 2000 (Por ) | Palabras: 4302 | Votar! |
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    Motores

    de

    caractersticas

    especiales.

    Indice

    1.- Regulacin de la velocidad.

    2.- Motores de 2 velocidades, devanados independientes.

    3.- Motores de 2 velocidades, conexin Dahlander.

    4.- Motores de 3 y 4 velocidades.

    5.- Maquinas trifasicas sncronas y asncronas.

    5.1.- Particularidades comunes.

    5.2.- Forma constructiva y funcionamiento de una maquina sncrona.

    6.- Maquinas asncronas.

    6.1.- Generacin del campo giratorio.

    6.2.- Funcionamiento del rotor.

    6.3.- Arranque del motor trifasico. Corriente y par de arranque.

    Conexin estrella - tringulo.

    6.4.- Rotor con anillos rozantes, rotor de jaula y rotor de efecto Skin.

    Caractersticas del par.

    1.- Regulacin de la velocidad.

    En los trifasicos con rotor en cortocircuito, normalmente basta con que la velocidad sea bastante constante, pero a veces se necesita variar la velocidad, bien sea en forma gradual o escalonada, el procedimiento ms utilizado para esta regulacin de velocidad es la de variar el numero de polos del estator, puesto que sabemos que la velocidad de un motor depende de la frecuencia de la red y del numero de pares del motor.

    Luego en los motores trifasicos con rotor en cortocircuito, variando el numero de polos podemos obtener de una forma escalonada dos, tres, cuatro velocidades, resultando este procedimiento de regulacin de velocidad econmica y buenas caractersticas mecnicas.

    Los motores de varias velocidades tienen su principal utilidad en aquellos casos en los que la velocidad no tiene que regularse de forma progresiva, como es el caso de herramientas como tornos, fresas, taladradoras, etc, en general todas las que trabajan por arranque de virutas, pues de esta manera se reducen las transmisiones mecnicas, con lo que se reducen las perdidas.

    Este tipo de regulacin de velocidad se realiza por medio de varias velocidades. Con respecto a los motores de dos velocidades, pueden obtenerse de dos maneras diferentes :

    a) por medio de dos devanados diferentes, o sea, independiente.

    b) por medio de un solo devanado en conexin Dahlander.

    2.- Motores de dos velocidades, devanados independientes.

    So motores trifasicos con rotor en cortocircuito que llevan dos devanados separados, normalmente conectados cada uno de ellos en estrella y teniendo tambin cada uno de ellos distinto numero de polos para obtener una velocidad por cada bobinado.

    Estos tipos de motores solamente se pueden conectar a una tensin y solamente se puede realizar el tipo de arranque directo.

    Los motores con devanados independientes, tericamente, permiten cualquier relacin de velocidad y de potencia, aunque son preferibles los montajes a potencia constante y relacin de velocidad distinta a 2 : 1, cosa que no resulta posible en la conexin Dahlander.

    El empleo de este tipo de motores es bastante reducido y prcticamente ha desaparecido su uso, pues tienen poca potencia y mucho volumen.

    La relacin de velocidades con respecto al numero de polos suele ser :


    Velocidades 500 / 700 750 / 1000 1000 / 1500


    N de polos 12 / 8 8 / 6 6 / 4


    3.- Motor de dos velocidades conexin Dahlander.

    El motor de dos velocidades tiene las mismas caractersticas constructivas que el motor normal, su diferencia esta nicamente en el bobinado, pues mientras en el motor normal cada bobinado corresponde a una fase, en el motor Dahlander el bobinado de una fase est dividido en dos partes iguales con una toma intermedia. Segn conectemos estas bobinas conseguiremos una velocidad ms lenta o ms rpida, pues en realidad lo que se consigue es variar el numero de pares de polos del bobinado.

    Para conseguir la velocidad pequea o lenta, conectaremos la lnea a los bornes marcados con la letra P o sea, en los bornes correspondientes a la conexin tringulo, dejando libres los otros. De esta manera el numero de polos es mayor y el numero de revoluciones es ms pequeo.

    Para conseguir la velocidad rpida conectaremos la lnea a los bornes marcados con la letra M y unimos entre si los marcados con la letra P . De esta manera conseguimos un menor numero de polos y aumentamos el numero de revoluciones.

    El bobinado en esta conexin queda dividido en dos partes, conectadas en estrella y en paralelo entre si, formando una conexin en doble estrella.

    En la conexin Dahlander hemos de tener en cuenta lo siguiente :

    1.- En la conexin tringulo - doble estrella permite el arranque estrella - tringulo y se reduce la corriente de arranque.

    2.- Solamente lleva una tensin y corresponde a la de la lnea.

    3.- Al pasar de la conexin tringulo a la de doble estrella se produce una inversin del campo giratorio, por lo que el motor invertir el sentido de giro, para evitar esto, se debe preveer la adecuada conexin en los elementos de accionamiento del motor.

    4.- La relacin de potencias entre la velocidad lenta y la rpida es de 1 : 15.

    5.- La relacin entre las velocidades en la conexin Dahlander es de 2 : 1 , mientras que en el motor de dos velocidades independientes no existe esta relacin.

    Las velocidades ms utilizadas en la conexin Dahlander son :


    Velocidad 500 / 1000 750 / 1500 1500 / 3000


    N de Polos 12 / 6 8 / 4 4 / 2

    4.- Motores de tres y cuatro velocidades.

    Para obtener las tres velocidades utilizamos un devanado independiente y otro en conexin Dahlander. La velocidad del devanado no tiene ninguna relacin con la conexin Dahlander, por lo que al realizar el correspondiente esquema de conexiones para la puesta en marcha del motor hemos de tener en cuenta el orden de las velocidades, que normalmente son :


    Velocidad 1000 / 1500 / 3000 750 / 1000 / 1500 750 / 1500 / 3000


    N de Polos 6 / 4 / 2 8 / 6 / 4 8 / 4 / 2

    Las velocidades subrayadas corresponden al devanado independiente.

    1 Velocidad 2 Velocidad 3 Velocidad

    Si queremos tener cuatro velocidades, utilizamos dos devanados en conexin Dahlander, alternando los polos correspondientes para obtener la velocidades inmediatas, o sea, si un devanado corresponde a 500 y 1000 revoluciones por minuto y el otro es de 750 y 1500 revoluciones por minuto, el orden correlativo sera : 500 - 750 - 1000 - 1500 revoluciones por minuto, alternando como se ve los dos devanados ; las relaciones de las velocidades serian :


    Velocidad 500 750 1000 1500

    N de polos 12 8 6 4

    Devanado 1 2 1 2

    A la hora de realizar el esquema de conexiones para la puesta en marcha del motor, hemos de tener en cuenta estas circunstancias.

    5.- Maquinas trifsicas sncronas y asncronas.

    5.1.- Particularidades comunes.

    Todas las maquinas elctricas, sean de C.A monofsica o trifsica , sean de C.C, necesitan para su funcionamiento como generador o como motor :

    Un campo magntico inductor.

    Un arrollamiento inducido.

    El campo magntico comn a todas las maquinas trifasicas es un campo giratorio que puede generarse de distintas manera. Este campo gira siempre a la velocidad sincrona de la maquina que depende del numero de pares de polos de sta y de la frecuencia de la corriente alterna.

    En la tabla numrica 13 figuran los valores de la velocidad sncrona para una frecuencia de 50 Hz y diversos nmeros de pares de polos. Si la frecuencia es de 60 Hz, estas cifras resultan un 20 % ms elevadas.

    Tabla Numrica 13

    Velocidades sncronas a 50 Hz

    N de Pares de Polos

    p

    Velocidad sncrona

    ns

    rev / min.

    N de Pares de Polos

    p

    Velocidad sncrona

    ns

    rev / min.

    1

    3000

    7

    429

    2

    1500

    8

    375

    3

    1000

    9

    333

    4

    750

    10

    300

    5

    600

    12

    250

    6

    500

    15

    200

    Todas las maquinas trifasicas tienen adems en comn el arrollamiento trifsico estatrico. Est est repartido simtricamente en tres ramas ( fases ), cada una de las cuales va dispuesta en las ranuras que ha dicho efecto existen en el paquete de chapas estatrico. Adoptando otra distribucin para el arrollamiento estatrico pueden obtenerse arrollamientos adecuados para corriente alterna monofsica o bifsica.

    5.2.- Forma constructiva y funcionamiento de una maquina sncrona

    La maquina asncrona es generalmente de polos interiores contrariamente a la de corriente continua, el arrollamiento de excitacin necesario para crear el campo magntico situado en el rotor ( rueda polar ). En la figura 127 se ha representado en corte una maquina sncrona tetrapolar con la disposicin de las lneas de fuerza del campo inductor. La mquina es excitada independientemente por medio de una batera o de un generador de corriente continua ( excitatriz ) acoplado al mismo eje. La tensin de excitacin puede escogerse libremente de modo que resulte un arrollamiento de fcil ejecucin.

    Al montar este arrollamiento sobre la rueda polar deben preverse soportes especiales para cada bobina con objeto de contrarrestar de forma segura las fuerzas centrifugas que aparecen en servicio.

    Excitando una maquina sncrona con corriente continua y hacindola girar luego su rueda polar, se crea un campo rotatorio que induce en cada uno de los tres arrollamientos estatricos una tensin alterna. Estas tres tensiones estn desfasadas 120 entre si ; la maquina funciona como generador trifasico. Si el estator est conectado a una red trifasica con carga, los arrollamientos del mismo suministraran corriente a dicha red en cuanto acte sobre la rueda polar la fuerza de accionamiento necesario. El arrollamiento estatrico de la mayora de generadores existentes en las centrales elctricas suele trabajar a tensiones elevadas de hasta 10000 V.

    Si la maquina sncrona recibe energa elctrica de un red trifasica en vez de energa mecnica en su rueda polar, aparece en esta ultima un efecto motor. El motor sncrono puede accionar entonces cualquier mquina de trabajo acoplada al eje de su rueda polar, conservando siempre un mismo numero de revoluciones constante ( velocidad sncrona ). Esta condicin es exigida en muchos casos.

    Fig. 127.- Campo inductor un generador Fig. 128.- Lneas de fuerza en una maquina

    sncrono tetrapolar trifsica con arrollamiento bipolar.

    6.- Mquinas asncronas.

    Contrariamente a las mquinas sncronas empleadas normalmente como generadores, las mquinas asncronas han encontrado su principal aplicacin como motores, debido a la sencillez de su construccin . El motor asncrono trifsico es hoy el motor usual de accionamiento en todas las redes de distribucin.

    6.1.- Generacin del campo giratorio.

    El campo magntico del motor asncrono es tambin un campo giratorio. En el caso de un motor trifsico est generado por las tres corrientes desfasadas que circulan por el arrollamiento estatrico. La figura 128 representa la disposicin que adoptan las lneas de fuerza en un instante determinado para un arrollamiento bipolar.

    Para que se genere el campo giratorio es preciso que los arrollamientos estn uniformemente repartidos en la periferia del estator, como lo estn en el tiempo ( es decir, en el orden de sucesin ) las 3 corrientes de fase. En maquinas bipolares el ngulo entre bobinas correspondientes de cada fase deber ser, por consiguiente, de 120. Las 3 corrientes estatricos del lugar entonces a 3 campos alternos, tambin desfasados 120 entre si, cuya resultante es un campo magntico giratorio. La direccin que posee este campo en un momento dado puede representarse por medio de una flecha. En la figura 129 se ha indicado para diferentes instantes de tiempo.

    Fig 129.- Posiciones del campo giratorio de una maquina trifsica bipolar durante una revolucin completa.

    El sentido de las corrientes y la direccin del campo giratorio en una mquina bipolar, que por razones de sencillez se ha supuesto provista nicamente de 6 ranuras. El tiempo correspondiente a cada posicin puede deducirse a partir del ngulo girado por el campo ( de 0 a 360 ), que figura en la cabecera de cada esquema. Esta representacin grfica permite ver que el campo resultante gira en el espacio en este caso en el sentido de las agujas de un reloj ; as girar tambin el rotor de la maquina .

    Permutando dos bornes de la red ( como se ha efectuado en la figura n 130 ) se invierte el sentido de giro del campo. El rotor se movera entonces en sentido contrario al de las agujas de un reloj.

    Fig n 130.- Inversin del sentido de giro del campo debida a la permutacin de dos fases.

    6.2.- Funcionamiento del rotor.

    El rotor del motor trifasico es atravesado por el campo giratorio engendrado en el estator. El arrollamiento rotorico puede ejecutarse como el estatorico en forma repartida, con las bobinas unidas en serie ( rotor bobinado o con anillos rozantes) ; o tambin a base de barras ( rotor de jaula o en cortocircuito ). Estas barras, de aluminio, estn conectadas en paralelo y al mismo tiempo puestas en cortocircuito por medio de dos aros estremos. Dichos aros suelen fundirse conjuntamente con la aleacin de aluminio que rellena lasa ranuras del rotor.

    En uno y otro caso queda el arrollamiento rotrico en cortocircuito una vez el motor est en servicio. Igual que en el secundario de un transformador, en el arrollamiento rotrico se induce tambin una f.e.m., la cual, por estar ste cerrado sobre s mismo, da lugar a la circulacin de una corriente rotrica. La accin conjunta del campo giratorio y del campo debido a la corriente rotorica determina, como en todos los motores, un par de giro. ste par arrastra al rotor en el sentido de rotacin del campo giratorio y le comunica una velocidad muy prxima a la de sincronismo. Tanto en reposo como en el instante inicial del arranque, el motor trifsico funciona igual que un transformador normal y genera en el rotor la tensin rotrica de reposo, cuya magnitud depende asimismo de la relacin entre los nmeros de espiras. En motores con rotor bobinado puede medirse esta tensin en los anillos rozantes (con el arrollamiento abierto). El valor de misma suele estar indicado en la placa de caractersticas.

    Una vez el motor puesto en marcha se induce en el rotor, adems de la tensin de reposo, una contratension producida por el movimiento de los conductores rotoricos en el campo giratorio. Con el motor en servicio, la tensin rotorica efectiva equivale pues solamente a la diferencia entre las dos anteriores.

    Si el rotor llegase a girar a la velocidad de sincronismo es evidente que ambas tensiones seran iguales (en magnitud), con lo cual la tensin rotrica efectiva resultara nula. En tal caso no circulara tampoco corriente alguna por el rotor y desaparecera el par de giro. El motor trifsico funciona, pues, siempre algo rezagado con respecto a la velocidad de sincronismo: se dice que desliza. La diferencia entre esta ltima y la velocidad real del motor constituye la velocidad relativa de ste con respecto al campo. Recibe el nombre de deslizamiento el cociente de dividir la velocidad relativa por la de sincronismo; suele venir expresado en tanto por ciento. El motor trifasico es, por consiguiente, esencialmente asincrono. A medida que la carga aumenta y con ella la corriente rotrica, va disminuyendo el numero de revoluciones. El deslizamiento a plena carga de los motores trifsicos normales es del orden de 5 % para potencias pequeas y de 2-3 % para las mayores. La caracterstica de servicio del motor trifsico (fig. 131) es parecida a la del motor derivacin de corriente continua. Intercalando resistencias en el circuito rotrico es posible conseguir.

    Fig. 131.- Caracterstica de servicio del motor trifasico, con y sin resistencias en el rotor.

    una caracterstica de ms pronunciado descenso a efectos de regulacin de la velocidad, pero entonces se originan prdidas ms elevadas y el rendimiento del motor baja.

    6.3.- Arranque del motor trifsico. Corriente y par de arranque. Conexin Estrella - Tringulo

    Si el motor trifsico se conecta directamente a la red, sin intercalar resistencia alguna en el circuito rotrico, circula por ste una corriente de arranque que es prcticamente de cortocircuito.

    En motores normales con rotor de jaula es del orden de 5 a 8 veces la intensidad de corriente nominal. Intercalando resistencias en el arrollamiento rotrico puede reducirse la corriente de arranque al valor que se desee. Esto se logra, en motores con rotor bobinado, poniendo los anillos rozantes en contacto con el arrancador (fig. 132). A pesar de la elevada corriente de arranque absorbida por el rotor normal de jaula (que puede provocar grandes cadas de tensin en las redes de distribucin), el par de arranque desarrollado por el mismo resulta muy bajo, ya que en dicho instante el factor de potencia rotrico es tambin muy pequeo. En rotores bobinados puede mejorarse notablemente el factor de potencia inicial gracias al arrancador, con lo cual se consigue un par de arranque ms elevado. Cuando la corriente de arranque no debe exceder de un valor moderado (como se exige en las redes pblicas), los motores con rotor de jaula se arrancan mediante la conexin estrella - tringulo (fig. 133). Para ello es preciso que el arrollamiento estatrico est dimensionado de forma que la conexin normal de servicio sea la conexin en tringulo. Alimentando el motor con una red trifsica a 220/380 V, en cada fase estatrica queda entonces aplicada una tensin de 380 V. En cambio, si mediante el arrancador

    Fig. 132 .- Esquema de un motor trifasico fig. 133 .- Conexin Estrella - Tringulo mediante

    con rotor de anillos rozantes y arrancador de carrera cilndrica ( tambor)

    resistencias de arranque.

    se conectan primero las tres fases del estator en estrella, es evidente que el motor queda capacitado para trabajar en una red cuya tensin compuesta fuera de 660 V. Como de hecho slo se le aplican 380 V, la corriente de arranque absorbida viene a ser (en virtud de la reaccin rotrica) solamente 1/3 de la que tomara conectado directamente a la red y con sus fases en tringulo.

    Si suponemos, por ejemplo, que en este ltimo caso la corriente de arranque es 6 veces superior a la nominal, con la conexin en estrella se logra reducir este factor a 2. Hay que tener presente, sin embargo, que el par de arranque tambin disminuye en la misma proporcin. Por consiguiente, slo es posible efectuar el arranque en vaco o a media carga, condicin suficiente en la mayora de casos. Como el arrancador estrella - tringulo, a causa de sus numerosos contactos, exige un entretenimiento peridico, se procurar prescindir del mismo en aquellas instalaciones donde no existan tales cuidados. Para subsanar este inconveniente se han ideado rotores de jaula provistos de ranuras especiales, con los cuales se consigue un par de arranque elevado

    y una corriente de arranque relativamente pequea aun en el caso de conectar el motor directamente a la red.

    6.4.- Rotor con anillos rozantes, rotor de jaula y rotor de efecto skin.

    Caractersticas del par

    Las caractersticas de arranque del motor con rotor bobinado o con rotor de jaula sencilla se deducen de las curvas que dan la variacin del par en funcin de la velocidad (como las representadas en la figura 134 para un motor del primer tipo). Cada una de estas curvas corresponde a una determinada resistencia del circuito rotrico. Si no hay ninguna resistencia adicional (curva R2 ), el par, relativamente pequeo en el instante del arranque, crece basta alcanzar un valor mximo (par critico) y desciende luego casi en lnea recta hasta anularse. El par crtico, que se produce cuando el rotor gira aproximadamente al 90 % de la velocidad sncrona, suele ser en motores normales de 2 a 3 veces superior al par nominal. ntercalando resistencias adicionales en el circuito rotrico por medio del arrancador, se obtienen las curvas caractersticas designadas por 2 R2-5 R2. Con ello se consigue desplazar progresivamente el valor critico del par en el

    fig. 134.- Curvas del par en funcin del n de revoluciones para distintas resistencias rotricas, en un motor

    trifasico con rotor de anillos rozantes

    sentido de las velocidades decrecientes, hasta alcanzar el eje de ordenadas (instante del arranque). El motor puede entonces arrancar con un par ele vado. La resistencia adicional intercalada se va desconectando luego escalonadamente por medio del arrancador. Estas resistencias escalonadas se dimensionan de manera que el motor, conservando su elevado par inicial, se vaya acelerando gradualmente. En motores con rotor de jaula sencilla no es posible obtener un par de arranque elevado (curva R2 de la figura 134). El elevado precio de los motores con rotor bobinado y el entretenimiento que exigen los contactos de los anillos rozantes limitan el empleo de aqullos a casos especiales (por ejemplo, en dispositivos de elevacin, que requieren un arranque bajo carga).

    Ningn motor trifsico puede sobrepasar el par crtico de su caracterstica de servicio. Si se obliga al motor a suministrar un par superior al critico, el rotor se para; como se dice vulgarmente, el motor se cala . Por este motivo las prescripciones VDE fijan para motores normales los valores mnimos del par critico: 1,6 veces el par nominal si el servicio es permanente, y 2 veces dicho

    Fig. 135.- Diferentes disposiciones constructivas para ranuras rotricas.

    par si el servicio es intermitente. El par normal de servicio de un motor trifsico oscila por tanto entre el 35 y el 50% de su par critico.

    Como ya se ha indicado al final del apartado anterior, han sido ideados rotores en cortocircuito con una ejecucin especial de las ranuras que permite alcanzar elevados pares de arranque. En todos ellos se hace aplicacin del efecto pelicular (skin), y por tal motivo se designan con el nombre rotores de efecto skin. stos pueden ser de varios tipos. El llamado de doble jaula se compone de dos jaulas independientes cuyas barras respectivas, unidas en paralelo, van alojadas en dos ranuras especiales superpuestas y separadas por una angosta rendija. La forma de estas ranuras es muy diversa. En la figura 135 c - g se han reproducido las ejecuciones constructivas ms frecuentemente empleadas.

    El objeto perseguido en todas es que la corriente se distribuya desigualmente entre las barras de la superior y las de la jaula inferior. Las barras superiores o inferiores pueden unirse elctricamente una vez montadas, pero generalmente se funde la doble jaula entera de aluminio, con los aros de cortocircuito, en moldes especiales. A causa de su exigua tensin no es necesario aislar las del rotor. El rotor de corrientes parsitas lleva las barras alojadas en ranuras relativamente estrechas y profundas ( fig. 135, a - b ).

    El funcionamiento del rotor de doble jaula radica en la diferente reactancia de la jaula superior y de la inferior. En el momento del arranque las frecuencias del rotor y del estator son iguales, exactamente como en el primario y el secundario de un transformador. Debido al tipo y configuracin de las ranuras, las barras rotricas pueden considerarse representadas por una conexin pueden considerarse representada por una conexin en serie de

    Fig.136.- Desplazamiento de corriente ( efecto skin ) en el rotor de doble jaula.

    resistencias hmicas y reactancias. La reactancia de las barras inferiores es relativamente mayor que la de las barras superiores, ya que el nmero de lneas de fuerza abrazado por las primeras es tambin ms grande (fig. 136 a ). Durante el arranque, por consiguiente, la mayor parte de la corriente rotrica circula por la jaula superior, como si fuera empujada hacia arriba. Por ser las barras superiores de seccin muy reducida, el efecto es el mismo que si se hubiera intercalado una resistencia de arranque.

    Fig. 137.- Curvas del par de la corriente de arranque en un motor con escaso efecto skin

    ( conexin en estrella tringulo ) .

    A medida que el motor se acelera va disminuyendo el deslizamiento, que una vez alcanzado el rgimen de servicio es del orden del 5 %. Con ello disminuye tambin la frecuencia rotrica hasta valores de slo 1-2 Hz. La reactancia de las barras inferiores desciende entonces a un valor muy bajo ( ya que, como sabemos, es proporcional a la frecuencia ) y la corriente puede circular tambin por ellas, que son de gran seccin (fig. 136 b). La resistencia del circuito rotrico, casi puramente hmica, es ahora muy pequea.

    Ejecutando las ranuras del rotor de distintas formas se obtienen tambin diferentes pares de arranque. En las figuras 137 a 139 se han representado las

    Fig. 138.- Curvas del par y de la corriente de Fig. 139.- Curvas del par y de la corriente de

    arranque en un rotor de corriente parsitas. de arranque en un rotor de doble jaula ( conexin

    en estrella y tringulo ).

    caractersticas del par y de la corriente en funcin de la velocidad para varios casos, que corresponden respectivamente a ranuras diseadas segn los tipos a, b, e de la figura 135. Se observa que el primero y tercero de estos tipos son tambin adecuados para el arranque con conexin estrella - tringulo ( par y corriente de arranque reducidos ).

     
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