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Capitulo11 Motores de Induccion Delta Estrella

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Universidad Simn Bolvar Conversin de Energa Elctrica - Prof. Jos Manuel Aller

Captulo 11: Operacin de las Mquinas de Induccin 11.1 Introduccin La mquina de induccin es, sin lugar a dudas, la mquina ms utilizada en los accionamientos industriales. Esta mquina fue inventada por Tesla a finales del siglo pasado, y demostr las ventajas de los sistemas de corriente alterna con respecto a los sistemas de corriente continua. Desde ese momento y hasta el presente, la sencillez, robustez y reducido costo han hecho insustituible el uso masivo de esta mquina en la industria. En el captulo 9 se desarroll el circuito equivalente de la mquina de induccin y las ecuaciones que rigen su comportamiento. En el captulo 10 se analiz el diagrama de crculo de esta mquina, para alcanzar una comprensin grfica de su comportamiento. En este captulo se estudia la operacin de la mquina de induccin en diversos regmenes de operacin, tanto equilibrados como desequilibrados. Se discuten las modificaciones ms usuales de esta mquina para mejorar sus caractersticas de operacin. Tambin se evala el impacto de las armnicas espaciales en el campo y el efecto resultante cuando se alimenta la mquina de induccin con fuentes de tensin o corriente armnica. Existe actualmente un especial inters en la regulacin de velocidad mediante el control electrnico. En este captulo se presenta una descripcin elemental de los principales convertidores electrnicos de potencia utilizados para este fin. 11.2 Arranque de motores de induccin Cuando se utiliza una mquina de induccin para arrancar y accionar una carga mecnica a una velocidad determinada, es posible que sucedan tres situaciones diferentes: 1.El torque elctrico de arranque que suministra la mquina puede ser inferior al torque mecnico que requiere la carga en reposo para comenzar a moverse. En esta situacin la mquina no puede acelerar, el rotor est detenido o bloqueado. La corriente es varias veces la corriente nominal y si no se pone remedio a esta situacin, la mquina corre un serio riesgo de daarse por calentamiento excesivo. El torque elctrico es exactamente igual al torque de la carga. Esta situacin tiene los mismos problemas que el primer caso. Si los torquesCaptulo 11: Operacin de las Mquinas de Induccin

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elctrico y mecnico estn equilibrados, no es posible acelerar la mquina. 3.El torque elctrico de arranque es mayor que el torque mecnico de la carga. En estas condiciones, existe un torque acelerante que permite incrementar la velocidad del rotor, hasta un punto de la caracterstica torque elctrico - deslizamiento donde se equilibran los torques de la mquina y de la carga. Si la velocidad alcanzada en este punto es cercana a la velocidad sincrnica, la corriente disminuye a un nivel que permite la operacin en rgimen permanente. Cuando la mquina opera en este punto, un pequeo incremento de la carga mecnica, reduce la velocidad e incrementa el torque elctrico de accionamiento, obtenindose un nuevo punto de operacin.

TR'r = 0.03 p.u. R'r = 0.06 p.u.

T e1

Te2

puede arrancar

TmCarga mecnica

no puede arrancar

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 s

Condiciones de arranque para dos mquinas de induccin con diferente resistencia en el rotor Fig. -138-

En la figura -138- se observa que una mquina de induccin produce ms torque elctrico de arranque en la medida que la resistencia del rotor aumenta. Una mquina con alta resistencia en el rotor tiene deslizamientos de operacin ms grandes. Las prdidas en el rotor se incrementan durante la operacin en rgimen

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permanente cuando se utilizan resistencias grandes en estas bobinas, y esto repercute desfavorablemente en el rendimiento de la mquina. Es deseable que una mquina elctrica produzca un torque de arranque elevado y un rendimiento cercano a la unidad. Estas dos caractersticas de la mquina se contraponen con respecto a la variacin de la resistencia del rotor. Por esta razn en algunas mquinas de induccin se aade en el eje del rotor anillos deslizantes, cada uno de ellos se conecta a un extremo de las fases del rotor. Estos anillos, permiten conectar elementos en el exterior de la mquina con las bobinas del rotor, mediantes contactos deslizantes - carbones o escobillas -. Al disponer de acceso al circuito del rotor, es posible incluir resistencia adicional con la finalidad de incrementar el torque elctrico de la mquina durante el arranque. Cuando la mquina est operando en rgimen permanente es posible eliminar o cortocircuitar la resistencia adicional para mejorar el rendimiento.R Rotor bobinado R R

Escobillas Eje Eje Anillos deslizantes

Rotor devanado con anillos deslizantes y escobillas Fig. -139-

El rotor bobinado con acceso mediante anillos rozantes, es capaz de regular el torque de arranque, disminuir las corrientes durante el proceso de aceleracin y aumentar el rendimiento en el punto de operacin, eliminando la resistencia externa. Sin embargo, esta solucin encarece la mquina, incrementa las prdidas mecnicas por friccin con las escobillas.

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11.3 El rotor de jaula de ardilla El aplicacin industrial de mquinas de induccin con rotor devanado no es muy frecuente, debido a que existe una solucin mucho ms econmica. El campo producido por las bobinas del estator produce fuerza electromotriz sobre cualquier conductor localizado en el rotor. En lugar de construir un bobinado similar al del estator, se pueden colocar barras conductoras en la periferia del rotor. Sobre estas barras, paralelas al eje de la mquina, se inducen fuerzas electromotrices por el campo magntico rotatorio producido en el estator. Si estas barras estn cortocircuitados en sus extremos mediante dos anillos conductores, circula corriente por las barras y se genera un campo magntico rotatorio en el rotor. La interaccin entre los dos campos magnticos rotatorios produce el torque elctrico.Rotor de jaula de ardilla Anillo conductor

Eje

Eje

Barras

Anillo conductor Rotor de jaula de ardilla Fig. -140-

El rotor de jaula de ardilla es muy simple desde el punto de vista constructivo, adems es capaz de soportar esfuerzos elctricos y mecnicos mucho mayores que el rotor devanado. En este rotor no es posible incluir resistencia adicional en serie con los conductores. Sin embargo, durante la construccin del rotor se puede variar el valor de la resistencia controlando el espesor de los anillos que cortocircuitan las barras. El rotor de jaula de ardilla se puede disear utilizando barras profundas o doble jaula, una externa muy resistiva y otra profunda con menor resistencia. Estas modificaciones permiten utilizar el efecto pelicular para producir una variacin de laCaptulo 11: Operacin de las Mquinas de Induccin

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resistencia equivalente del rotor durante el arranque. Con el rotor en reposo, el deslizamiento es grande y la frecuencia de las corrientes que circulan por el rotor es proporcional al deslizamiento. Si las barras son profundas o el rotor es de doble jaula, la corriente de alta frecuencia fluye por la periferia de la barra o por la jaula ms externa y resistiva, incrementando sustancialmente la resistencia equivalente del rotor en esta condicin. Cuando la mquina est operando cerca del punto nominal, los deslizamientos son cercanos a cero y la frecuencia de las corrientes que circulan por el rotor tambin es reducida. En este caso las corrientes se distribuyen uniformemente por la barra profunda o por las dos barras, consecuentemente la resistencia equivalente disminuye. De esta forma es posible construir mquinas econmicas y robustas, de alta eficiencia y torques de arranque importantes. Estas razones justifican por si solas, la difusin industrial alcanzada por este tipo de accionamiento.BARRAS PROFUNDAS ALTA RESISTENCIA BAJA RESISTENCIA

Eje

Eje

NUCLEO JAULA DE BARRA PROFUNDA DOBLE JAULA

Cortes transversales de rotores de jaula de ardilla Fig. -141-

La mquina de induccin de doble jaula se puede modelar mediante un circuito equivalente que considere los enlaces de flujo mtuos entre el estator y las barras del rotor, as como los enlaces de dispersin de cada una de las jaulas. Cada uno de estos enlaces se representan en el circuito equivalente por una reactancia. Las resistencias de cada una de las jaulas se modela independientemente. En la figura 142- se muestra el circuito equivalente y los flujos en las barras.

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Re

Xe Im

X12 I1

a

X2 I2

Ie

Ve

R Ee Rm Em Xm

s

1

R E2

s

2

b

feESTATOR

fmJaula 1

ENTREHIERRO

ROTOR

f12

f2Jaula 2

Circuito equivalente de la mquina de induccin con rotor de doble jaula Fig. -142-

En los motores de doble jaula, el torque elctrico se calcula superponiendo los torques producido por cada una de las jaulas: R R m 2 2 Te = w e [ I s1 + I s2 ] 1 2 eCaptulo 11: Operacin de las Mquinas de Induccin

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