1 instituto nacional tecnológico dirección general de formacion

1 instituto nacional tecnológico dirección general de formacion

INSTITUTO NACIONAL TECNOLÓGICO
DIRECCIÓN GENERAL DE FORMACION PROFESIONAL
DEPARTAMENTO DE CURRÍCULO
MANUAL PARA EL PARTICIPANTE
DEVANADO DE MOTORES TRIFASICO
ESPECIALIDAD:
INSTRUCTOR:
Electricidad
Roberto José Oviedo Díaz
MODO DE FORMACION: Aprendizaje
Marzo, 2009
1
INSTITUTO NACIONAL TECNOLÓGICO (INATEC)
DEPARTAMENTO DE CURRÍCULUM
Unidad de Competencia:
ü
Devanado de Maquinas Eléctricas
Elementos de Competencias:
ü Devanado de Motores Trifásicos
Marzo, 2009
2
ÍNDICE
Introducción .............................................................................................................................. 5
Objetivo General ....................................................................................................................... 5
Objetivos Específicos............................................................................................................... 5
Recomendaciones Generales .................................................................................................. 6
UNIDAD I: INTRODUCCION AL DEVANADO DE MOTORES TRIFASICOS ............................ 7
1.- INTRODUCCION ................................................................................................................... 7
2. FUNCIONAMIENTO Y ESTRUCTURA DEL MOTOR TRIFASICO ........................................ 7
3.- CLASIFICACION DE LOS MOTORES ASINCRONICOS TRIFASICOS ............................... 8
3.1. Motores de rotor tipo jaula de ardilla................................................................................ 8
3.2.- ‘Motores de rotor bobinado y anillos rozantes ............................................................... 9
4.- CONEXION DE MOTORES TRIFASICOS PARA VARIAS TENSIONES ............................ 10
4.1.- Bobinado en conexión triángulo (A).............................................................................. 10
4.2.- Bobinado en conexión estrella ...................................................................................... 12
5.- COMPONENTES DE UN ARROLLAMIENTO ..................................................................... 13
6.- DATOS PARA LA EJECUCION DE UN ARROLLAMIENTO .............................................. 14
6.1.- Etapas del bobinado de una máquina rotativa ............................................................. 14
6.2.- Plan de arrollamiento ..................................................................................................... 14
7.- TIPOS DE BOBINADO........................................................................................................ 15
7.1.- Devanados Concéntricos: Tipo Semicorona ................................................................ 15
7.2- Devanados excéntricos (Imbricados): Tipo corona ...................................................... 15
7.3.- Conexión de los bobinados ........................................................................................... 16
Conexión por polos consecuentes ........................................................................................ 16
Conexión por polos normales................................................................................................ 17
8.- CÁLCULO Y DISTRIBUCION DE LOS BOBINADOS DE MOTORES TRIFASICOS.......... 17
8.1.- Cálculo y distribución de un arrollamiento de motor trifásico con devanado
concéntrico (bobinado semi-corona): ................................................................................... 17
8.2.- Cálculo y distribución de un arrollamiento de motor trifásico con devanado
excéntrico (Bobinado corona). .............................................................................................. 27
9.- CALCULO DE UN MOTOR TRIFASICO A PARTIR DEL HIERRO..................................... 36
9.1.- Definición de la potencia nominal de un motor asincrónico trifásico ........................ 40
9.2.- Método # 1 (con placa de característica). ..................................................................... 47
9.2.1.-Datos de la placa y dimensiones del núcleo............................................................... 47
9.2.2.-Calcular el número de conductores por ranuras ........................................................ 47
9.2.3.- Para calcular la sección del conductor ...................................................................... 47
9.3.- Método # 2 (sin placa de característica)........................................................................ 48
9.3.1.-Fundamentos ................................................................................................................ 48
9.3.2.- Selección de los parámetros de cálculo. ................................................................... 48
- Factor de potencia:............................................................................................................... 49
- Pérdidas en el hierro: ........................................................................................................... 49
- Capacidad de sobrecarga: ................................................................................................... 49
- Densidad eléctrica total........................................................................................................ 49
9.3.3.-Proceso de cálculo ....................................................................................................... 54
10.- MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS DE VARIAS VELOCIDADES........................... 61
10.1.- Fundamentos de la conexión para un motor de dos velocidades con ..................... 62
un solo bobinado (Motor en conexión Dahlander) ............................................................... 62
10.1.2.- Normas para la ejecución de un bobinado en conexión Dahlander....................... 62
10.1.3 Hay dos posibilidades para conectar los devanados en altas y en bajas
velocidades ............................................................................................................................. 63
10.2.- Motor de dos devanados independientes en el estator ............................................. 65
3
10.3.- Motores de dos arrollamientos independientes conectados cada uno en
conexión Dahiander................................................................................................................ 66
11.- MOTORES TRIFASICOS CON BOBINADO FRACCIONARIOS. ..................................... 67
11.1.- Bobinados simétricos .................................................................................................. 67
11.2.- Proceso de cálculo para un bobinado fraccionario ................................................... 69
EJERCICIOS DE AUTO EVALUACIÓN ................................................................................... 74
GLOSARIO............................................................................................................................... 76
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................ 78
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Introducción
El manual del participante “Devanado de Motores Trifásicos”, pretende que
los(as) participantes adquieran las destrezas y habilidades necesarias para
devanar máquinas rotativas o motores trifásicos en la practica, aplicando
procedimientos técnicos.
El manual contempla dos unidades modulares, presentadas en orden lógico lo
que significa que inicia con los elementos más sencillos hasta llegar a los más
complejos.
El manual del participante está basado en sus módulos y normas técnicas
respectivas y corresponde a la unidad de competencia “Devanador de
Maquinas Eléctricas” de la especialidad de técnico en electricidad y se
abordará en un total de 320 horas.
Se recomienda realizar las actividades y los ejercicios de auto evaluación para
alcanzar el dominio de la competencia: Devanador de motores trifásicos.
Para lograr los objetivos planteados, es necesario que los(as) y las
participantes tengan en cuenta los tipos de devanado que se efectúan en un
motor Trifásico y las diferentes operaciones de trabajo que se realizan para
lograr la objetividad de acuerdo a las normas técnicas y de seguridad
establecidas.
Objetivo General
Realizar devanado de motores monofásicos de uso industrial de acuerdo a sus
aplicaciones técnicas
Objetivos Específicos
Explicar correctamente principio de funcionamiento del motor monofásico a
partir de aplicación de los fenómenos electromagnético.
Enumerar correctamente partes en que está compuesto un motor monofásico
de acuerdo a su estructura y funcionamiento.
Calcular correctamente devanado de un motor monofásico, aplicando métodos
normalizados.
Devanar correctamente bobinados de motores Monofásicos, aplicando normas
y procesos estandarizados.
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Recomendaciones Generales
Para iniciar el estudio del manual, debe estar claro que siempre tu dedicación y
esfuerzo te permitirá adquirir la unidad de competencia a la cual responde el
Módulo Formativo de devanado de motores trifasicos.
ü
Al iniciar el estudio de los temas que contiene el manual, debe estar claro
que tu dedicación y esfuerzo te permitirá adquirir la competencia a la cual
responde el módulo formativo.
ü
Al comenzar un tema, debes leer detenidamente los objetivos y
recomendaciones generales.
ü
Trate de comprender las ideas y analícelas detenidamente, para la
realización objetiva de los ejercicios de auto evaluación.
ü
Consulte siempre al instructor, cuando necesite alguna aclaración.
ü
Amplíe sus conocimientos con la bibliografía indicada u otros textos que
estén a su alcance.
ü
A medida que avance en el estudio de los temas, vaya recopilando sus
inquietudes o dudas sobre éstos, para solicitar aclaración durante las
sesiones de clase.
ü
Resuelva responsablemente los ejercicios de auto evaluación.
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UNIDAD I: INTRODUCCION AL DEVANADO DE MOTORES
TRIFASICOS
1.- INTRODUCCION
Los motores asíncronos o motores de ¡inducción son las máquinas de
impulsión eléctrica más utilizadas, ya que son sencillos, seguros y baratos.
El mayor campo de aplicación de estos motores es en el accionamiento de:
Taladradoras tornos, cepilladoras, sierras circulares, fresadoras, etc.
2. FUNCIONAMIENTO Y ESTRUCTURA DEL MOTOR TRIFASICO
En los motores asincrónicos trifásicos, la energía eléctrica se suministra al
bobinado del motor, el cual está colocado en un núcleo de chapas de hierro
dulce o de acero al silicio.
Estas máquinas se componen básicamente de las siguientes partes:
A) La carcasa:
La cual contiene un paquete de chapas magnéticas (núcleo) en cuyas ranuras
se coloca el devanado formado por una serie de bobinas separadas o
despiezadas entro sí 120° eléctricos en el paquete de chapas magnéticas del
estator.
B) Bobinado:
En dicho devanado formado por tres grupos de bobinas desplazadas por 120
grados eléctricos se genera la corriente eléctrica trifásica suministrada por la
red de alimentación que representa las tres corrientes alternas con
desfasamiento temporal de 120 grados eléctricos encadenados creando un
campo de rotación electromagnético. Dicho campo de rotación gira con un
número de revoluciones que depende del número de polos en el estator y de la
frecuencia de la red.
A la vez el sentido de giro de este campo depende del orden de sucesión de
lar; fases con respecto a las corrientes en las bobinas, puse este sentido de
giro se puede invertir cuando se intercambian dos fases de alimentación.
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3.- CLASIFICACION DE LOS MOTORES ASINCRONICOS TRIFASICOS
Los motores asincrónicos se clasifican según el tipo de rotor:
a) Motores de rotor tipo jaula de ardilla
b) Motores de motor bobinado y anillos rozantes.
3.1. Motores de rotor tipo jaula de ardilla
El motor asíncrono trifásico con rotor en cortocircuito se conoce también como
motor trifásico con rotor de jaula o como motor trifásico con inducido en
cortocircuito.
En el paquete de chapas magnéticas del inducido se tienen varillas de cobre o
aluminio puestas en cortocircuito en las salidas correspondientes del paquete
de chapas por medio de un anillo de cortocircuito; las varillas y el anillo de
cortocircuito forman una jaula.
El campo de rotación del estator induce una tensión en las varillas del rotor.
Debido a los anillos de cortocircuito, circula por el rotor una corriente de
inducción. La corriente del rotor forma con el campo rotatorio del estator un par
motor. El número de revoluciones del rotor es siempre menor que él del campo
rotatorio al ceder el par motor, es decir, los dos números de revoluciones son
asincrónicos.
De lo anterior deducimos lo siguiente:
• Sobre el rotor de un motor aparece un par que actúa en el sentido del campo
giratorio; girando este con una frecuencia menor que la del campo magnético
(asincrónicamente).
• Dicho sentido de giro del rotor solo puede invertirse cambiando el sentido de
giro del campo magnético
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3.2.- ‘Motores de rotor bobinado y anillos rozantes
El motor de anillos rozantes también pertenece al grupo de los motores
asíncronos trifásicos. La estructura y el funcionamiento concuerdan con la
estructura y funcionamiento de las máquinas asíncronas trifásicas,
exceptuando la estructura del rotor.
En el paquete de chapas magnéticas se encuentra el carrete del rotor. Consta,
casi siempre, de tres devanados en conexión en estrella. El punto-estrella está
conectado en el interior del carrete. Los extremos de los devanados se
conducen por tres anillos colectores montados aisladamente sobre el eje del
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rotor. Por medio de tres escobillas de carbón y sus correspondientes líneas, los
anillos rozantes están conectados con el tablero de bornes del rotor montado
adicionalmente. Las caracterizaciones de conexión son K, L y M.
Las máquinas-herramientas pesadas y muy pesadas con regulación limitada
del número de revoluciones o los accionamientos con alto momento de
arranque, tales como funiculares aéreos, centrifiguradoras, aparejos y grandes
ventiladores, se equipan con motores trifásicos de anillos rozantes.
Con el correspondiente arranque, se puede lograr que la corriente de arranque
sea casi igual a la corriente de servicio; por tanto, el campo de aplicación son
accionamiento en redes que no permiten altas corrientes de arranque.
Como ventaja de este tipo de motor, sobre el motor de rotor en cortocircuito es
el hecho de que es posible variar la velocidad, variando la resistencia del
circuito del rotor, conectando resistencias adicionales los principios del
devanado del rotor o sea a los terminales K, L y M. ya que estos son accesibles
desde el exterior a través de los anillos rozantes.
4.- CONEXION DE MOTORES TRIFASICOS PARA VARIAS TENSIONES
Básicamente para la conexión de un motor trifásico existen dos formas de
conectar su bobinado; estas son:
- Bobinado en conexión triángulo (Delta).
- Bobinado en conexión estrella
4.1.- Bobinado en conexión triángulo (A)
Esta conexión consiste en conectar las fases del motor de la forma siguiente.
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El comportamiento de las magnitudes de la tensión y la intensidad es la
siguiente:
Para la tensión eléctrica tenemos:
Se dice que la tensión de línea en un motor trifásico en conexión triángulo es
igual a la tensión de fase.
Para la intensidad de corriente eléctrica tenemos:
Se dice que la corriente eléctrica de línea en un motor trifásico igual a 1 .73
veces por la intensidad de fase.
en conexión delta es
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4.2.- Bobinado en conexión estrella
Esta conexión en un motor trifásico consiste en unir los finales de las fases (U2,
V2, W2), (4, 5, 6); (X, Y, Z) en un solo punto quedando libre los principios (U1,
V1, W1); (1, 2, 3); (U, V, W) los cuales se conectaran a la red de alimentación
trifásica.
El comportamiento de las magnitudes de la tensión y la intensidad es la
siguiente:
Para la tensión eléctrica tenemos:
Se dice que la tensión de línea en un motor trifásico en conexión estrella es
igual a:
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5.- COMPONENTES DE UN ARROLLAMIENTO
Los arrollamientos están formados por el conjunto menos complejos.
Están compuestos a la vez por otras partes más conductor elemental que en la
mayoría de los casos de esmalte de aislante.
Bobinas:
En la práctica el elemento del arrollamiento más sencillo es la bobina simple.
Una bobina simple esta constituida por un hilo conductor provisto por un
aislante, que es arrollado sobre si mismo un número previsto de veces (vueltas,
espiras).
Es característica de una bobina, simple que el conductor o su forma es
continuo, solamente tiene un principio y un final; sin ninguna conexión
intermedia, o añadiduras.
Una bobina consta de dos terminales, dos lados de bobina y dos cabezas de
bobinas.
Lados de bobina:
Son los dos extremos que se incrustan en la ranura del rotor o del estator,
ambos lados tienen el mismo lado de conductores y coinciden con el número
de vueltas, es en este lugar donde se genera tensión eléctrica en el caso de los
generadores.
Cabezas de bobinas:
Son las partes salientes de las bobinas y las cuales tienen como función unir
los lados de las bobinas exclusivamente con lo cual se logra la suma de las
tensiones generales (caso del generador) o se transmite corriente a la siguiente
espira en el caso de los motores.
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Conexiones entre bobinas:
Al igual que cualquier conductor dos o más bobinas se pueden conectar en
serie, en paralelo o con derivación central para más de una velocidad.
6.- DATOS PARA LA EJECUCION DE UN ARROLLAMIENTO
6.1.- Etapas del bobinado de una máquina rotativa
El proceso de bobinado de una máquina eléctrica rotativa consta en la mayoría
de os casos en tres (3) etapas bien diferenciadas.
A) Construcción de las bobinas y de los grupos que compondrán el
arrollamiento total. B) Preparación y aislamiento de las ranuras de las
máquinas, donde se alojaran los
lados de las bobinas.
C) Colocación de las bobinas y conexión de las mismas.
Para poder realizar cada una de las etapas mencionadas el bobinador precisa
conocer una serie de datos previos al arrollamiento, tales como:
• Diámetro de los conductores y clase de aislamiento que lleva
• Número de conductores por bobina
• Dimensiones de las bobinas y forma geométrica
• Número de bobinas y grupos de bobinas
• Paso del devanado
• Esquema de las conexiones a realizar y distribución del bobinado
• Dimensiones de las ranuras.
6.2.- Plan de arrollamiento
Es una representación esquemática dibujada en un plano de las ranuras del
rotor o del estator donde se han de insertar los devanados.
Así como las de las bobinas y grupo tal como quedarán dispuestas al concluir
el arrollamiento, indicando también las conexiones pertinentes.
6.3. Clasificación de los arrollamientos de corriente alterna
Los devanados de estator de los motores de inducción pueden clasificarse en
dos categorías básicas:
- Devanados para ranuras semicerradas
- Devanados para ranuras abiertas
Puede decirse que se tiende a favorecer el uso de ranuras semicerradas, con
lo cual se obtiene un mejor aprovechamiento del material magnético, mientras
que desde el punto de vista de la fabricación podría considerarse que es más
fácil el embobinado cuando las ranuras están completamente abiertas, y que
resulta más sencilla la colocación de las bobinas.
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En la práctica se emplea el primer tipo de devanado en motores hasta de 300
hp. que trabajen a baja tensión, lo cual lo hace el tipo más ampliamente
aplicado.
En motores de mayor capacidad o para tensiones superiores a 600 y. es
necesario utilizar bobinas preformadas con la particularidad de que solo
pueden insertarse en ranuras abiertas. Este último sistema tiene la ventaja se
que las bobinas quedan perfectamente aisladas antes de su colocación en las
ranuras y de que el área neta de cobre dentro de una ranura es mucho mayor
que en el caso de ranuras semicerrada lo cual tiende a compensar la pérdida
en la superficie de laminaciones en el entrehierro. Esta pérdida resulta de abrir
la ranura y afecta a la capacidad que puede obtenerse de las laminaciones
dadas.
Los arrollamientos de corriente alterna para motores trifásicos de ranuras
semicerradas se clasifican en dos tipos.
a) Devanados concéntricos (1/amado también devanado semicorona)
b) Devanado excéntricos (llamado también devanado corona o imbricados).
7.- TIPOS DE BOBINADO
En el tema anterior clasificamos los arrollamientos de corriente alterna para
motores trifásicos de ranuras semicerradas en dos tipos:
a) Los devanados concéntricos, también llamados devanados semicorona.
b) Devanados excéntricos, también llamados devanados corona o imbricados.
A continuación explicaremos cada uno de estos devanados,
7.1.- Devanados Concéntricos: Tipo Semicorona
Es cuando los lados activos de una misma fase, situados frente a polos
consecutivos son unidos por cabezas concéntricas, formando así verdaderos
grupos de bobinas.
Por razones de economía, muchos motores se devanan en forma automática,
lo cual suele limitarse a casos con número entero de ranuras por polo y fase, y
prácticamente obliga a utilizar devanados concéntricos de los cuales hay una
gran variedad. Los más empleados son los siguientes:
• Devanado de cadena
• Devanado concéntrico común
• Devanado concéntrico equivalente al de paso completo
7.2- Devanados excéntricos (Imbricados): Tipo corona
Es cuando los lados activos de una misma fase, situados frente a polos
consecutivos, son unidos mediante un solo tipo de cabezas, de forma que el
bobinado está constituido por un determinado número de bobinas iguales.
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Este tipo de devanado se emplea en el estator de la mayor parte de los
motores de inducción.
Dentro de este segundo grupo es preciso distinguir los tipos siguientes:
• Bobinados imbricados de una capa por ranura
• Bobinados imbricados de dos capas por ranuras
• Bobinados ondulados de dos capas, llamados también de barras
7.3.- Conexión de los bobinados
Para la conexión de los diferentes tipos de bobinados, estudiados en el tema
anterior. Tenemos que estos podemos conectarlos de la siguiente manera:
Conexión por polos consecuentes
. Conexión por polos normales.
Conexión por polos consecuentes
Se dice que un bobinado es por polos consecuentes cuando existen por cada
fase tantos grupos de bobinas como la mitad del número de polos, es decir,
tantos grupos como pares de polos.
Un ejemplo de este bobinado es la siguiente figura.
En este tipo de bobinado, la corriente tiene un solo sentido por lo general solo
existe un lado de bobina por ranura.
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Para conseguir que un bobinado sea semi-corona polos consecuentes se debe
reunir las siguientes condiciones:
• Se debe alojar un lado de bobina por ranura
• La conexión entre grupos de bobinas de una misma fase se deben unir fin con
principio y principio con fin de tal forma que la corriente fluirá a un solo sentido.
Conexión por polos normales
Se dice que un bobinado es por polos cuando por cada fase hay tantos grupos
de bobinas como número de polos.
Ejemplo de este bobinado es la siguiente figura.
En este tipo de bobinado la corriente tiene dos sentidos contrarios entre grupos
contrarios de la misma fase. Por lo general se encuentran siempre dos lados de
bobinas por ranuras.
Es casi normativo encontrar solamente bobinas cuyos pasos es constante entre
sus dos lados activos.
Para conseguir que un bobinado sea CORONA de polos NORMALES debe
conservar las siguientes características:
• En cada ranura se deben de alojar únicamente dos lados de bobinas.
• La conexión entre grupos de bobinas de la misma fase debe hacerse así:
Se unirá el final del primer grupo con el final del segundo grupo, el principio de
éste con el ‘principio del tercer grupo, el final de éste con el final de cuarto y así
sucesivamente.
8.- CÁLCULO Y DISTRIBUCION DE LOS BOBINADOS DE MOTORES
TRIFASICOS
Con anterioridad estudiamos las características particulares de los bobinados
concéntricos y excéntricos, los cuales a su vez pueden ser de una capa o de
dos capas, no importando la conexión del bobinado, ya que sabemos que estos
se pueden conectar en: conexión por polos consecuentes o conexión por polos
normales.
A continuación estudiaremos el proceso de cálculo y distribución de cada uno
de estos bobinados.
8.1.- Cálculo y distribución de un arrollamiento de motor trifásico con
devanado concéntrico (bobinado semi-corona):
* Bobinados concéntricos por polos
* Bobinados concéntricos por polos consecuentes’
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Los datos necesarios para calcular un bobinado concéntrico polifásico son:
= Número de polos de la máquina
q = Número de fases
K = Número de ranuras del estator
El proceso de cálculo de un bobinado concéntrico es el siguiente:
A) De acuerdo con los números de fases y polos se elegirá la clase de
bobinado concéntrico:
* Bobinado concéntrico por polos (solamente para dos polos)
* Bobinado concéntrico por polos consecuentes (4,6 ... polos)
El bobinado concéntrico por polos puede ser con bobinas distribuidas y por
polo
Consecuentes con bobinas agrupadas.
B Elegida la clase de bobinado se comprobara la posibilidad de ejecución dada
por la siguiente formula
* Para los bobinados concéntricos por polos tenemos lo siguiente
El número de ranuras por polo y fase (Kpq) debe ser un número entero ya sea
par o impar.
Si el número es par: Todos los grupos tendrán el mismo número de bobinas Si
el número es impar: Recurrir a una de las dos soluciones siguientes:
Solución A
Preparar todos los grupos iguales, pero con la bobina exterior formada por la
mitad del número de espiras por ranura y colocar en determinadas ranuras dos
medias bobinas exteriores pertenecientes a grupos vecinos de la misma fase.
* Para los bobinados concéntricos por polos consecuentes tenemos lo
siguiente:
Es conveniente que el número de ranuras por polo y fase tengan un valor
entero, sea par o impar. Sin embargo en algunas ocasiones se presentan
bobinados por polos consecuentes cuyo, número de ranuras por polo y fase
tiene un valor entero más media unidad. Ejemplo de esto puede ser Kpq = 2.5;
35; 1.5.
Tal bobinado puede ser ejecutado por medio de la solución siguiente:
Preparar todos los grupos iguales pero con su bobina exterior formada por la
mitad del número de espiras por ranura y disponiendo en determinadas ranuras
dos medias bobinas exteriores pertenecientes a fases distintas.
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E) Conocido el número de bobinas por grupo determinar la amplitud de grupo el
cual consiste en el número de ranuras que se encuentran en el interior de dicho
grupo.
Ejemplo de amplitud de grupo.
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G) Elegir los principios de las fases; para lo cual se preparará la tabla de
principios, calculando el valor del paso de entradas mediante la fórmula
siguiente:
A continuación realizaremos tres ejercicios, aplicando el proceso de cálculo
para el bobinado concéntrico.
Ejemplo 1:
Calcular el bobinado concéntrico de un motor trifásico de 4 polos de 48
ranuras. a) Este bobinado será ejecutado por polos consecuentes por ser
trifásico multipolar.
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8.2.- Cálculo y distribución de un arrollamiento de motor trifásico con
devanado excéntrico (Bobinado corona).
Sabemos que los bobinados excéntricos pueden ser imbricados y ondulados,
ejecutándose indistintamente, en una o dos capas por ranuras.
Pero a la vez los bobinados excéntricos pueden ser enteros o fraccionarios
según resulte el valor de) número de bobinas por grupo.
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En esta clase estudiaremos los bobinados excéntricos enteros de una capa y
dos
capas.
A) Proceso de cálculo de un bobinado imbricado de una capa (corona de una
capa) (bobinado ingles)
Los datos necesarios son:
El proceso de cálculo es el siguiente:
1.) Determinar el número de ranuras por polos y fase.
2.) Determinar el número de bobinas.
3.) Determinar el número de grupos del bobinado.
4.) Determinar el número de bobinas que forman un grupo.
5.) Determinar l paso de ranura el cua’ debe ser forzosamente una cantidad
IMPAR.
6) Elegir los principios de las fases; para lo cual se prepara la tabla de
principios; calculando el valor de paso de entrada mediante la fórmula
siguiente.
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A continuación realizaremos das ejercicios, aplicando el proceso de cálculo
para el bobinado excéntrico.
Ejemplo # 3:
Calcular el bobinado excéntrico (tipo corona) de un motor trifásico de 24
ranuras para cuatro polos de una capa.
1) Número de ranuras por polo y fase
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9.- CALCULO DE UN MOTOR TRIFASICO A PARTIR DEL HIERRO
Influencia de bobinado en las características del nuevo motor
Las características de un motor de inducción depende de una porción de
condiciones diferentes. Debe ser capaz de arrancar sin tomar una corriente
anormal del circuito de alimentación.
De ser capaz de desarrollar la plena carga, durante el funcionamiento, con
una elevación de temperatura y un factor de potencia razonables.
Debe tener un buen rendimiento, es decir, no debe tomar del circuito de
alimentación una cantidad de energía excesiva con relación a la
correspondiente al trabajo que desarrolla.
Debe haber la mayor distancia posible entre las partes fija y móvil con
objeto de aumentar la duración de los cojinetes.
Debe tener una capacidad de sobrecarga momentánea de uno y medio a
dos veces el par normal de plena carga sin disminuir anormalmente la
velocidad o pararse. Y debe poseer todas estas cualidades sin producir un
ruido anormal, debido a la situación magnética o a la ventilación.
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Algunas de estas características puede ser mejorada a expensas de otras,
como, por ejemplo, es posible obtener un factor de potencia elevado a
expensas de construir el motor con una pequeña separación entre el rotor y
el estator, así como alcanzar un rendimiento alto a costas de un par de
arranque pequeño y de una corriente de arranque grande. Por esta razón,
en la venta de motores, el vendedor se limita a menudo en su propaganda a
hacer resaltar los puntos más favorables del tipo que ofrece y los puntos
desventajosos son someramente indicados; pero al hacer una verdadera
comparación de las relativas ventajas de dos tipos de motores en
competencia deben ser considerados todos estos puntos, dándoles a cada
uno el valor debido en vista del servicio a que debe estar destinado el
motor.
Se comprende que todas estas características son afectadas de varias
maneras por las diferentes condiciones del motor de que se trata; esto es,
por la relación entre la longitud y el diámetro del motor, o por el número de
ranuras o la calidad y espesor de las planchas de acero empleadas u otras
circunstancias por este estilo; pero la que tiene mayor influencia y puede ser
fácilmente modificada es el número de espiras del estator o arrollamiento
primario.
Al ocuparse de este detalle que es de principal importancia es conveniente
representarse mentalmente lo que ocurre a cada característica del motor al
variar la sección de los conductores o el número de espiras en el primario. Al
estudiar a fondo las características estas las analizaremos de forma separada.
Los puntos más importantes en el funcionamiento de un motor de inducción
son: par de arranque, corriente en el arranque, entrehierro o separación, factor
de potencia, rendimiento, elevación de temperatura, par máximo, ruido y
vibraciones mecánicas.
Si hubiese dos motores que fuesen exactamente iguales en sus dimensiones y
calidad del material, pero que un motor tuviese más espiras en el arrollamiento
que el otro, al comparar las características indicadas, el motor con mayor
número de espiras tendría un par y una corriente de arranque menor.
Probablemente tendría un mayor factor de potencia. Podría tener un
rendimiento más alto o más bajo debido a que las pérdidas en el cobre podrían
ser mayores y las pérdidas en el hierro menores y su preponderancia
determinaría si el rendimiento sería más alto o más bajo; en otras palabras,
según que las pérdidas en el cobre aumentan en mayor cantidad que las del
hierro, decrecen o viceversa. De una manera similar el calentamiento puede
ser mayor o menor, dependiendo de la suma de las pérdidas. En general, este
motor sería algo más silencioso y tendría menos tendencia a producir
vibraciones mecánicas.
Por otra parte, considerando el motor que tiene un número de espiras menor,
tendrá relativamente un par y una corriente de arranque mayores.
Probablemente tendrá un factor de potencia menor, así como un rendimiento
mayor o menor según la proporción de pérdidas en el hierro y en el cobre,
como se ha indicado en el párrafo anterior; similarmente, el calentamiento
variará con el aumento total de las pérdidas. Este motor tendría una tendencia
a ser menos silencioso y a producir vibraciones mecánicas.
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Debe observarse que estos cambios son los mismos que produciría un
aumento o disminución del voltaje aplicado al motor.
El aumentar el número de espiras en Ufl arrollamiento produce el mismo efecto
que disminuir el voltaje; y disminuir el número de espiras produce el mismo
efecto que aumentar el voltaje que actúa sobre el arrollamiento. Esto puede
verse en la figura # 28 donde se sitúan tres arrollamiento en paralelo sobre 100
voltios.
El arrollamiento número A tiene 8 espiras en serie y, por lo tanto,
corresponden 12,5 voltios efectivos por espira.
El arrollamiento número B tiene 10 espiras y le corresponden 10 voltios
efectivos por espira.
El arrollamiento número C tiene 12 espiras y la tensión efectiva sobre cada
una son 8 1/3 voltios.
Ya que las características del motor con respecto al par y demás
condiciones son proporcionales al voltaje por espira en el arrollamiento, el
número A o arrollamiento con 8 espiras funcionará corno si estuviese
sometido a una sobre tensión y el número C o arrollamiento con 12 espiras
funcionará como si estuviese sometido a un voltaje menor.
Expresando esto de otra manera, si consideramos el arrollamiento número
B como el arrollamiento normal para 100 voltios, el arrollamiento número A
bajo 100 voltios puede funcionar y da el mismo resultado, como si el
arrollamiento número B los sometiésemos a 125 voltios y de una manera
análoga el arrollamiento número C bajo 100 voltios trabajaría y darla el
mismo resultado que si al arrollamiento número C aplicáramos 8 1/3 voltios.
Esto nos demuestra que quizá el punto más esencial a determinar al
proyectar un arrollamiento es calcular el número de espiras en serie
conveniente en el estator que deben proverse para la tensión de la línea.
Otra consideración esencial es la sección transversal de los hilos de cobre o
conductores que forman el arrollamiento, necesaria para dejar pasar los
amperios requeridos para desarrollar la potencia deseada. Al objeto de dar
una idea sobre todos los puntos que deben ser considerados al hacer un
proyecto completo de un motor de inducción, haremos a continuación un
breve resumen de los diferentes puntos a tener en cuenta por el técnico
proyectista, con una breve indicación de cómo y por qué se han de
considerar cada uno de ellos.
1 ro.
Diámetro y longitud del núcleo de hierro laminado necesario para desarrollar
la potencia deseada a la velocidad y tensión dadas.
2do.
El flujo magnético o campo requerido para engendrar la tensión de línes.
38
3ro.
Número de vueltas o espiras en serie en el arrollamiento del estator, las
cuales, cortadas por el campo rotatorio, engendrarán la tensión de línea.
4to.
Sección transversal de los conductores del estator necesaria para dejar
pasar la corriente requerida para desarrollar (a potencia deseada con el
factor de potencia y rendimiento que correspondan aproximadamente según
el cálculo.
5to.
Número y tamaño de las ranuras del estator, ancho y profundidad, para
recibir el arrollamiento (3°) y (4°) después de aislado para el voltaje
requerido.
6to.
Densidad magnética en los dientes y núcleo del estator, dientes y núcleo del
rotor, así como en el entrehierro producida por el flujo magnético (2°).
7mo.
Corriente magnetizante o devanada requerida para producir el campo
mencionado en
(2°) con el número de espiras indicado en (3°) con las longitudes necesarias
según (1°) y (5°).
8vo.
Pérdidas en el hierro debidas a la densidad (6°).
9no.
Pérdidas en el hierro debidas a las aberturas de las ranuras primarias.
lOmo.
Número y tamaño de las ranuras del rotor.
11avo.
Si el rotor es de jaula de ardilla o está bobinado.
l2avo.
Voltaje e intensidad del rotor si está bobinado.
l3avo.
• Deslizamiento en tanto por ciento o pérdidas en el cobre del rotor.
l4avo.
Pérdidas en el cobre del estator.
l5avo.
Pérdidas previstas por fricción en los cojinetes y ventilación.
l6avo.
Reactancia de dispersión por las ranuras del estator y rotor y finales de
bobinas, así como también en los cruces y cuerpo de la bobina, o dispersión
diferencial.
l7avo.
Factor de potencia.
18 avo.
De (13°) y (16°) se deduce el valor del par máximo y de arranque.
l9avo.
De la potencia y (8°), (9°), (13°), (14°) y (16°) se deduce el valor del
rendimiento.
Puesto que estamos tratando de un núcleo o carcasa perteneciente a un
motor usado,
39
o sea, ya existente, para muchos de estos datos puede- partirse de un valor
supuesto,
y algunos están ya determinados.
Las preguntas que hay que considerar para adoptar un motor ya existente a
unas nuevas condiciones correspondientes a determinada velocidad,
potencia, voltaje, fase o frecuencia son, como fundamentales, las
siguientes:
¿Será el núcleo de dimensiones suficientes para la potencia y velocidad que
se desea?
¿La sección de hierro situada debajo de las ranuras es suficiente para dejar
pasar el flujo magnético que se requiere en el entrehierro para poder
desarrollar la potencia que se desea obtener?
Qué número de amper-vueltas se necesitan en el arrollamiento del estator?
¿Cuál será la sección transversal o tamaño del conductor del arrollamiento
del estator.
¿Cuál debe ser la sección transversal de las varillas del rotor, así como la
de los aros extremos, suponiendo un devanado del tipo de jaula de ardilla?
¿Permitirá el diámetro del rotor girar a la velocidad que se necesita?
Muy pocas de estas preguntas pueden ser contestadas rápidamente;
usualmente se obtienen datos que caen entre ciertos limites generales,
entre los cuales puede comprobarse si el caso de que se trata puede ser
adaptado. Esta comprobación se acostumbra a hacerla solamente para
algunos de los puntos o cuestiones; pero en general si el devanado está
comprendido entre estos límites, el funcionamiento del motor será
aceptable.
9.1.- Definición de la potencia nominal de un motor asincrónico trifásico
* De vez en cuando se tiene-un motor asincrónico sin devanado y sin
placas. Para usarlo otra vez se tiene que saber, que potencia mecánica
puede dar éste motor y que potencia aparente necesita.
* La potencia mecánica de cada motor depende de sus dimensiones y de su
número de revoluciones (Número de polos y frecuencia).
* Para definir la potencia nominal de un motor se necesitan las siguientes
medidas del estator:
Diámetro interno del paquete de chapas del motor.
Diámetro externo
Longitud del paquete de chapas
h: Altura de la culata
K: Números de ranuras.
40
* Primero se tiene que determinar el número de polos esto hay una relación
fija entre el diámetro exterior y el
Mínimo de la máquina, para diámetro interior.
Dex/Di
1.70
1.55
1.40
1.30
1.90
1.65
1.40
2P
2
4
1.50
8.10
Tabla # 8. Número de polos según relación D. ext/ D. mt.
Determinado el número de polos según tabla # 8 podemos aumentar el
número de polos sin problemas, pero lo que no se puede hacer es disminuir
el número de, polos, ya que en este caso la inducción magnética (B)
aumenta a valores inadmisibles en el hierro.
Ejemplos de esfuerzos magnéticos en la culata con diferentes números de
polos.
* Segundo se busca en las tablas de potencia, que es para determinado
número de polos, un motor que tiene dimensiones cerca de las dimensiones
medidas.
— Los valores en la tabla para Di y De, deben ser un poco más pequeños o
iguales
que los valores del motor, Si la longitud del paquete de chapas( e) tiene
otro
Valor, se multiplica la potencia nominal de este tamaño con la relación e
(medio)
e (tabla)
— el valor nuevo para la potencia mecánica es más exacto.
— En las tablas de potencia también se podrán encontrar valores para:
Rendimiento..
Factor de potencia.. .Cos
Número de revoluciones asincrónicas….n
Ejemplo 7:
Un motor sin devanado y sin placas tiene las siguientes dimensiones:
di = 95mm dext = 164mm
e = lO4mm hc = l5mm
K= 36
a) Determinar el número de polos mínimos según tabla # 8
b) Determinar la potencia del núcleo por tablas de potencia.
41
Solución
Di =95mm
a) Dex = 164mm
Dext 1 64mm
2p= Dext/ Di = 164 mm /95 mm = 1.726
Según tabla de número de polos 1.726 = 2 polos
O sea que el núcleo es capaz de entregarnos una frecuencia de giro de
3600 RPM equivalentes a 2 polos.
b) Según tabla de potencia para dos polos, las dimensiones del núcleo
corresponden a un motor del tamaño normalizado según IEC tipo 100L, el
cuál tiene una potencia mecánica de 3.60 K, un rendimiento de 82%, un
factor de potencia de
89%
O sea que el motor perfectamente nos puede entregar una potencia de 5
H.P o caballos de fuerza.
42
43
44
45
46
9.2.- Método # 1 (con placa de característica).
A continuación estudiaremos, como calcular el número de conductores por
ranura en un motor trifásico, cuando este tiene su placa de característica.
Siempre que un motor trifásico tenga su placa de característica, es posible
realizarle un cálculo; para determinar el número de conductores y la sección
del mismo.
9.2.1.-Datos de la placa y dimensiones del núcleo.
U: Tensión de alimentación del motor en voltios en conexión triángulo.
2p: Número de polos del motor, este se puede deducir según tabla #8 o
bien por las revoluciones por minuto de la placa del motor.
Frecuencia de la red de alimentación, que normalmente esta puede ser de
50- 60 Hertz (Hz) para nuestro caso, aquí en Nicaragua esta es de 60 Hz.
Lk: Longitud de ranura expresada en metro, también llamada en algunos
casos (longitud axial del hierro) descontando los espacios de ventilación.
Di: Diámetro interno del estator, expresado en metros.
K: Número de ranuras o canales del estator.
BLM: Constante de la densidad del flujo magnético.
0.70 Motores viejos
0.72 Motores usados
0.80 Motores nuevos.
9.2.2.-Calcular el número de conductores por ranuras
a través de la siguiente fórmula:
N= 1.43xUx2p / 2XFXLkXDiXBLMXK
Espiras por ranura Ecuación (1)
Nota:
Siempre se calcula con la tensión de línea de menor valor (230V).
9.2.3.- Para calcular la sección del conductor
Esta se obtiene a través de la siguiente fórmula:
qcu = l( ) =
A
A / mm 2
Donde qcu = sección del conductor a usar en (mm2)
l( ) = Corriente absorbida por el motor en conexión estrella para 440v.
Cuando el motor solo este para una tensión de 230v. Se toma la corriente
absorbida en 230v y se divide entre dos con lo cual obtendremos la
corriente que consumiría en 440v.
D = Densidad de corriente eléctrica en (Amperios/mm2) esta se puede
tomar entre 3 y 6.5 A/mm2 dependiendo del tipo de ventilación para el
motor.
Los siguientes valores recomendados son:
2.8 A/mm2 para motores cerrados
3.5-4.5 A/mm2 para motores con ventilación normal
4.5-5.5 A/mm2 para motores de 2 polos con ventilación normal
47
5.5-6.5 A/mm2 para motores semiabiertos o motores de otro tipo no
consideración en estas especificaciones.
Luego de calculada la sección; se puede determinar el diámetro del mismo
a través de la siguiente fórmula:
qcu
= mm
Ecuación (3)
CU =
0.785
Donde
CU = Diámetro del conductor en (mm)
qcu = Sección del conductor en (mm2)
0.785 = /4 constante.
Teniendo y determinada la sección el diámetro procedemos a buscar el
calibre del conductor en las tablas de alambre magnético normalizarla AWG
(calibres de alambre americano).
9.3.- Método # 2 (sin placa de característica).
Por otro lado existe siempre la posibilidad que no siempre el motor posea su
placa de característica, en estos casos se procederá calcular el devanado a
través del método que analizaremos a continuación.
9.3.1.-Fundamentos
El diseño y cálculo de los motores de inducción o asíncronos monofásicos y
trifásicos
Se hacen basándose en formulaciones técnicas y experimentales, siendo
las primeras (formulaciones técnicas) fundamentadas en planteamientos de
orden teórico y las segundas de los datos y de las experiencias de diseño y
construcciones anteriores.
De hecho, los fabricantes de motores eléctricos diseñan y construyen sobre
valores de máquinas normalizadas siendo raro sobre diseños especiales.
Actualmente estos diseños se hacen por medio de computadoras, lo que
agiliza el tiempo o permitiendo ensayar distintos tipos de variantes.
Independiente de las formas de las metodologías de cálculo usados, los
fundamentos de diseño son los mismos y se basan principalmente en las
características de los materiales usados en el circuito magnético, los
aislamientos, conductores y aspectos específicos como el sistema de
ventilación, técnicas constructivas etc.
Los fundamentos de cálculo de ¡os motores de inducción se basan en los
conceptos generales para el cálculo de máquinas rotativas.
9.3.2.- Selección de los parámetros de cálculo.
En esta unidad lo que se pretende es tratar de verificar o modificar
características de motores de inducción, en donde ocasiones el
procedimiento puede ser tan simple corno contar el número de espiras de
una bobina y su calibre de conductor o bien pesar el alambre de las bobinas
y reproducir las características de las mismas. Pero no siempre el proceso
es tan simple como lo anterior y es entonces que necesitamos tener
nociones de cálculo lo cual es lo que pretendemos estudiar en esta unidad.
48
Dentro de los parámetros básicos de cálculo se pueden mencionar los
siguientes:
- Factor de potencia:
Para que este factor no sea pobre el valor de la densidad de flujo en el
entrehierro debe ser pequeño de otra forma la máquina demanda una
corriente de magnetización excesiva. Este flujo en el entrehierro debe de
ser de tal manera que no produzca saturación en ninguna parte del circuito
magnético.
En la tabla # 15 se dan valores típicos de factor de potencia en motores
trifásicos.
- Pérdidas en el hierro:
Sabemos que a medida que aumenta el valor de la densidad en el
entrehierro, aumentan las pérdidas en el hierro y se reduce en
consecuencia la eficiencia. Por esta razón es importante mantener un
entrehierro tan pequeño como sea posible.
- Capacidad de sobrecarga:
El valor de la densidad de flujo en el entrehierro determina la capacidad de
sobrecarga. Un valor elevado de “Bprorn” significa que el valor de flujo por
polo es elevado, por lo tanto, para un mismo voltaje, el devanado requiere
de menos espiras por fase y si el número de espiras es menor, la reactancia
de dispersión también es menor. Es decir que a mayor valor de Bprom” se
tiene un valor mayor de capacidad de sobrecarga.
Los valores de diseño en motores trifásicos de inducción para Bprom se
encuentran entre 0.3 y 0.6 weber/M2.
Para máquinas con diseños especiales que requieren una capacidad de
sobrecarga elevada se usan hasta 0.65 weber/M2.
- Densidad eléctrica total
: ( et )
Al número total de ampere-conductores alrededor de una armadura o un
estator se le conoce como la densidad eléctrica y se calcula con la siguiente
expresión.
et = IZ X Z
Donde: Iz = Corriente en cada conductor
Z = Número total de conductores en la armadura o el estator.
49
50
51
52
También kp se puede determinar de esta otra manera:
A continuación algunos ejemplos de motores para calcular YK
53
9.3.3.-Proceso de cálculo
Ahora bien tomando en cuenta todos los parámetros anteriores, podemos
definir el siguiente proceso de cálculo para determinar la potencia de salida
aproximada del núcleo en kilo watts; el número de espiras por fase del
devanado; el número de conductores por ranura; la corriente de fase del
bobinado; la sección y calibre del conductor.
PROCESO DE CALCULO
1.- Realizar cálculo y distribución
2.- Determinamos la potencia entregada por el núcleo
Donde:
B prom Flujo promedio, el cual se encuentra desde 0.35 w/m2 a 0.55 wIm2.
ac Densidad eléctrica, la cual se encuentra desde 15,000 hasta 25,000
ampere
54
conductor/metro.
kw: Factor de devanado el cual lo podemos calcular o tomarlo de las tablas
# 13 y #14.
11: Una constante
10 -3 : Una constante (0.001)
Calculamos la potencia de entrada de la máquina (S)
Donde:
Di: Diámetro interior en metro
Lk: Longitud de ranura en metro
Co: Coeficiente de salida
Ns: Revoluciones por segundo
Calculamos la potencia nominal de la máquina (Pn)
Pn = S x Cos. = Kw
Donde:
S: Potencia de entrada (KVA).
Cos. : Factor de potencia, este se puede tomar según tabla # 15.
- Calculamos el número de espiras por fase
- Determinamos el flujo por polo en el estator ( m)
Espiras pór fase del bobinado (Nf)
Uf: Tensión de fase. En este punto es conectar el bobinado si es en
conexión estrella de los casos hay que calcular su tensión de fase.
Importante definir como queremos o conexión triángulo. Para cualquiera
Calculamos el número de espiras por ranura
Número de
Z = 6 x Nf
conductores en el núcleo (Z)
- Número de conductores por ranura (Zk)
Zk= Z/K
Donde:
5- Calculamos la intensidad de corriente por fase en el estator (lf)
Donde:
= Rendimiento de la máquina según tabla # 15 Pn
55
Pn = Potencia nominal en watts.
Cos = Factor de potencia, el cual se puede tomar según tabla # 15.
También es posible asumir al producto ( x Cos ) con un valor de 0.785,
esto equivale a suponer un valor de 0.89 para el rendimiento y 0.88 para el
factor de potencia u otra cualquier combinación cuyo producto de 0.785, sea
como fuere este es un valor medio que sastiface ampliamente una gran
cantidad de motores de diferentes potencias.
Donde:
lf: Intensidad de corriente por fase
D: Densidad de corriente según los valores recomendados para la densidad
en método # 1 pág. # 52.
Luego para determinar el calibre este se determina según tabla de
conductores magnéticos AWG.
Ejemplo #8
Se tomaron los datos del estator de un motor trifásico de inducción a 220v.
que debe operar a 1,800 RPM; 60 Hz y se encontró que tiene una longitud
axial de 6.1 cm y un diámetro de 7 cm. Se desea determinar las
caracteristicas a las que puede operar el motor si tiene 36 ranuras el
estator.
Calcular:
1) Realizar cálculos y distribución del bobinado
2) Determinar la potencia entregada por el núcleo
3) Calcular el número de espiras por fases
4) Calcular el número de espiras por ranura
5) Calcular la intensidad de corriente por fase
6) Calcular la sección y calibre del conductor.
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Cálculo y distribución:
Distribución:
Adoptando los siguientes valores para BPROM y ac; tenemos que Co será.
BPROM :O.4O weber/m2
ac: 25000 ampere - conductor/M
Determinar potencia entrada por el núcleo:
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58
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10.- MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS DE VARIAS VELOCIDADES
Los motores de varías velocidades se fabrican en los siguientes tipos:
• Arrollamientos del estator con toma central (conexión Dahlander).
• Dos arrollamientos separados galvanicamente en el estator con número
diferentes de pares de polos.
(Motor de dos devanados independientes, en el estator).
• Dos arrollamientos separados galvanicamente en el estator provistos,
adicional- mente de tomas centrales respectivos.
(Motor dedos devanados independientes cada uno en conexión Dahiander)
o solo uno.
10.1.- Motores asincrónicos trifásicos en conexión Dahlanders
Los motores asincrónicos, trifásicos de dos velocidades son cada vez más
frecuentes, en la práctica resulta que los bobinadores tienen que
comprender claramente las particularidades de los arrollamientos que para
estos motores se realiza, puesto que la velocidad (n) de un arrollamiento
prescindiendo del deslizamiento esta en función de la frecuencia de la red a
que se conecta y del número de polos de las máquinas.
Mientras la fuente de alimentación se mantenga constante no hay otra
forma de variar la velocidad del motor, si no es modificando el número de
polos del arrollamiento.
Una de las formas de conseguir que un motor pueda funcionar con dos
velocidades será siempre insertando en las ranuras del estator dos
arrollamientos independientes cada uno con diferentes números de polos,
entonces según el bobinado que se conecte el motor girará a una y otra
velocidad siendo la otra alternativa de insertar un solo bobinado de polos
commutables el cual esta en función del doble o la mitad de la frecuencia de
giro.
61
10.1.- Fundamentos de la conexión para un motor de dos velocidades con
un solo bobinado (Motor en conexión Dahlander)
Esta se basa en la conexión de dos bobinas idénticas, lo que provoca una
reducción de polos, una mayor velocidad y una adaptación de tensión
media de la tensión nominal de no ser dividida la bobina.
Si alimentamos dos bobinas de la siguiente forma:
Se forman cuatro polos y podrá soportar la tensión máxima, ha que ha sido
diseñado
el circuito.
En cambio si conectamos esas mismas bobinas de otra forma obtendremos
menos polos y las bobinas soportaran la tensión media de la tensión
nominal para la que ha sido diseñada el circuito.
Debido a la especial construcción de los mismos y la particularidad de sus
conecciones tengamos presente las siguientes advertencias:
Cuanto menor es el número de polos do un motor, tanto más amplio debe
ser el camino previsto para el flujo magnético.
— Todo cambio de polaridad del arrollamiento del estator exige análogo
cambio en el rotor (rotor bobinado).
10.1.2.- Normas para la ejecución de un bobinado en conexión Dahlander
— Para efectuar la conexión hay que realizar los siguientes pasos:
* Será un bobinado imbricado de dos capas y su ancho de bobina, será
aproximadamente, diametral con respecto al mayor número de polos, o lo
que es igual, será acortado a la mitad del paso polar que corresponde al
menor número de polos.
* El número de grupos de bobina de cada fase será igual el número menor
de polos, estos grupos se distribuirán en dos mitades exactamente iguales,
62
una de las cuales estará formada por todos los grupos impares de esta fase
y la otra mitad por todos los grupos pares, es decir que los grupos de una
misma fase que se vayan (encontrando siguiendo la periferia del bobinado
pertenecerán, alternativamente, a una y otra mitad por ser igual las dos
mitades de cada fase será posible conectarla voluntad ya sea en serie o en
paralelo.
* Las dos mitades de cada fase se unirán entre si (en serie o en paralelo)
dejando en el puente de unión una salida.
* De cada fase del motor deberán salir 3 ó 4 terminales al exterior
correspondiente al principio, final y puente medio.
10.1.3 Hay dos posibilidades para conectar los devanados en altas y en
bajas velocidades
Estas condiciones son:
* Conexión estrella serie - doble estrella ( - )
* Conexión triángulo serie - doble estrella ( )
A continuación explicaremos cada una de éstas condiciones.
Conexión estrella serie - doble estrella
Con esta conexión se unen los terminales F1-F2-F3, de las fases
interiormente formando una estrella simple, y se sacan al exterior 6
terminales libres, tres son los principios P1-P2-P3 , y los otros tres
corresponden a los puentes M1-M2-M3. Asi, dispuesto el bobinado podrá
ser alimentado de dos maneras distintas:
1) Dejando abierto las terminales M1-M2-M3 de los puentes y conectando a
las líneas los principios P1-P2-P3 se obtiene el número de polos más alto
(velocidad baja)
2) En cambio uniendo los principios P1-P2-P3 se forma así la doble estrella
y conectando a la red los terminales M1-M2-M3 se obtiene el número de
polos más pequeño (velocidad alta).
63
Conexión triángulo serie - doble estrella
En esta conexión se unen interiormente, en triángulo las tres fases del
bobinado y se sacan al exterior seis terminales libres, tres los vértices del
triángulo que designaremos por P1-P2-P3, así dispuesto podemos alimentar
el bobinado de dos maneras diferentes:
1) Dejando abie.rtos los terminales M1-M2-M3 de los puentes y conectando
a la red los terminales P1-P2-P3 de esta manera se conseguirá el mayor
número de polos del motor (velocidad baja).
2) Uniendo entre los terminales P1-P2-P3 el bobinado formará una doble
estrella si conectamos a los terminales a la red M1-M2-M3 se obtiene el
número de polos más pequeño (velocidad alta):
Ejemplo # 9:
Se desea realizar el cálculo y el diagrama de conexión de un motor trifásico
para 2 velocidades, dicho motor posee 24 ranuras y el bobinado se desea
para 4 y 8 polos respectivamente.
Realizar:
a) Cálculo del bobinado
b) Diagrama de conexión
Resolución:
Los datos son:
K =24
2p= 4,8
El tipo de bobinado según norma será un bobinado imbricado de dos capas.
El proceso de cálculo que se realiza en estos tipos de bobinados, es el
normal para un bobinado imbricado de dos capas, exceptuando en el paso
de ranura (YK) el cual se calcula para el mayor número de polos, que en
nuestro ejemplo este es de 8 polos.
64
.
10.2.- Motor de dos devanados independientes en el estator
Cuando se requiere más de dos velocidades es posible colocar un segundo
devanado en el estator, obteniendo número de revoluciones que están en
relación 2:1. Tales máquinas se producen en conexión en estrella y en
conexión en triángulo, siendo posible para las dos conexiones dos números
de revoluciones.
Para la conexión de este tipo de motor tenemos, que para la baja velocidad
se conecta la red de alimentación los siguientes puntos: Li con 1u, L2 con
1v y L3 con 1w.
Mientras que para la velocidad alta se conecta a la red los siguientes
terminales: L1 Con 2U, L2 con 2V y L3 con 2W.
En la figura # 38 polos.
se muestra un motor asincrónico trifásico en conexión estrella de 2 y
65
10.3.- Motores de dos arrollamientos independientes conectados cada
uno en conexión Dahiander.
Cuando se requiere más de dos velocidades es posible colocar un segundo
devanado en el estator, el cual a su vez puede usarse para obtener más de
una velocidad. Obteniendo número de revoluciones que están en relación
2:1. Esto significa que los dos devanados separados (independientes) es
posible conectarlos uno o ambos en conexión Dahlander. Este tipo de
motores asincrónos, podrán presentar entonces hasta cuatro velocidades
de giro distintas.
El inconveniente del cambio de número de polos reside en que solamente
pueden obtenerse determinadas frecuencias de giro y que a la frecuencia
de nuestra red (60 Hz) todas ellos se encontraran por debajo de 3600 RPM.
En algunas aplicaciones resulta satisfactorio este tipo de control por pasos
discretos; pero existen otros tipos de cargas, como hornos rotatorios y
algunos tipos de máquinas centrifugas que no se prestan a tal ajuste de
velocidad.
66
11.- MOTORES TRIFASICOS CON BOBINADO FRACCIONARIOS.
Se considera un bobinado imbricado fraccionario cuando no resulta par el
número de bobinas (U) un número entero, o sea U = B/2pq
Este tipo de bobinado es muy empleado en alternadores ya que con ellos se
obtiene una curva de fuerza electromotriz (F.e.m) casi exactamente
senoidal, lo que siempre es conveniente.
Por lo tanto este tipo de bobinado en muchos casos es posible aplicarlo
para estatores de motores trifásicos de diferentes números de ranuras en
los cuales no se pueda distribuir un bobinado normal, ya sea esto por falta
de ranuras o por la cantidad de números de polos de la máquina.
Resolviéndose esto, calculándose un bobinado fraccionario.
Clasificación:
Los bobinados fraccionarios se clasifican en los siguientes tipos:
• Bobinados simétricos
• Bobinados asimétrico
11.1.- Bobinados simétricos
En los bobinados fraccionarios simétricos, las fuerzas electromotrices
generadas en las distintas fases que componen el conjunto son
exactamente iguales y están desfasadas en el ángulo característico del
sistema. Si no cumpliera cualquiera de estas condiciones, el bobinado sería
asimétrico.
En muchos de los bobinados fraccionarios se puede conseguir la perfecta
igualdad de las f.e.ms de todas las fases, así como su correcto desfase,
mediante el reparto del bobinado de forma que las fases estén constituidas
por igual número de bobinas.
67
Aunque no sea posible que todos los grupos tengan el mismo número de
bobinas, se puede conseguir distribuirlas de forma tal que haya una cierta
simetría al obtener los llamados “grupo de repetición”.
Estos grupos de repetición no es nada más que el conjunto formado por
varios grupos polares, que se repiten una o más veces en cada fase del
bobinado.
Ejempl o:
Bobinado exapolar en el cual los seis grupos de una fase tienen
sucesivamente (2-3-2- 3-2-3) bobinas, llamaremos el grupo de repetición
dos grupos polares ya que como vemos1 se repite tres veces la distribución
(2-3) bobinas. Por lo tanto en cada fase de este bobinado hay dos grupos
de repetición.
Condición de simetría:
Sabemos que no todos los bobinados fraccionarios permiten conseguir una
perfecta simetría. Para que dicha simetría sea posible es necesario y
suficiente que se cumpla la siguiente condición:
El número total de bobinas de la armadura debe ser exactamente divisible
por la llamada constante propia del bobinado.
Esta constante propia del bobinado es un valor que depende del número de
polos de la máquina y el número de fases del bobinado.
A continuación analizamos un ejemplo de un bobinado trifásico el cual se
desea calcular:
a) Si el bobinado es fraccionario
b) Si el bobinado es simétrico o asimétrico
68
Ejemplo # 10:
Se tiene un motor trifásico de 42 ranuras el cual se quiere bobinar tipo
corona de dos capas para 8 polos.
a) Calculamos el número de bobinas (U)
b) como podemos observar U no es número entero par, sino que es un
número fraccionario, por lo tanto asegurando que se puede calcular para
un bobinado fraccionario.
c) b) Verificar si el bobinado es simétrico o asimétrico.
La constante para nuestro ejemplo, según tabla # 17 es igual a tres, por lo
tanto procedemos a calcular el número total de bobinas (B).
como podemos observar el número de ranura (K) es divisible por la
constante, por lo tanto podemos concluir que en nuestro ejemplo el
bobinado se puede construir como fraccionario simétrico.
11.2.- Proceso de cálculo para un bobinado fraccionario
Para efectuar la distribución utilizamos el método del mínimo común
múltiplo (mcm) el cual consiste en lo siguiente:
1) Se determina el MCM del número total de bobinas y del producto de los
números de polos, fases o sea 2pq. Designando por M dicho mínimo común
múltiplo
2) Se prepara un cuadro que contenga un número total de cuadritos igual al
valor M. Estos cuadritos serán dispuestos formando un cuadro rectangular
con tantas líneas horizontales como número de polos tenga la máquina o
sea 2p. En consecuencia el número de columnas verticales será el cociente
entre M/2P Número columnas.
Dicho número total de columnas quedará subdividido en tantos trozos como
números de fases tenga el bobinado.
3) Seguidamente se calcula el llamado paso de cuadro, teniendo en cuenta
que en los M cuadritos del cuadro deben ser repartidas uniformemente, las
6 bobinas que constituyen el bobinado. Así pues, designamos por Yc al
paso de cuadro, su valor será igual a:
Ejemplo # 11:
Se tiene un motor trifásico al cual se le desea calcular para un bobinado
corona para 8 polos, cuyo núcleo tiene 54 ranuras. Determinar:
a) Calcular el bobinado corona.
b) Verificar si el bobinado es normal o fraccionario.
c) Verificar si el bobinado es simétrico o asimétrico.
d) Aplicar el método del mínimo común múltiplo (mcm).
Desarrollo:
a) Cálculo del bobinado corona:
69
Como podemos ver el bobinado no se puede construir de forma normal ya que
(U) no es entero, por lo tanto podemos concluir que el bobinado se puede
construir como bobinado fraccionario.
Los principios de cada una de las fases pueden salir en las siguientes ranuras:
Fase A: En la ranura 1
Fase B: En la ranura 19
Fase C: En la ranura 10
b) Verificando el bobinado:
c) Verificar si el bobinado es simétrico o asimétrico, tenemos:
Según tabla # 17 la constante del bobinado fraccionario para 8 polos es 3,
por lo tanto tenemos que:
como podemos observar B es entero
definiendo que el bobinado es simétrico.
70
d) Aplicando el método del mínimo común múltiplo (mcm) tenemos:
Con este mínimo común múltiplo obtenido (216) procedemos a construir el
cuadro de distribución el cual nos permitirá obtener el número de grupo (G)
y el número de bobinas por grupos (U)
Dicho cuadro de distribución se construye tomando en cuenta los
siguientes pasos:
• Según el resultado del (m.c.m.) que en nuestro ejemplo es 216, se
procede construir un cuadro que tenga la cantidad de cuadritos del valor del
(m.c.m).
• Por lo tanto tomaremos el valor de 2p como la cantidad de filas
horizontales a trazar en el cuadro, que en nuestro ejemplo es 2p = 8 o sea,
8 filas horizontales.
• Para obtener la cantidad de filas verticales se toma el valor del (m.c.m) y
se divide entre la cantidad del número de polos (2p) del bobinado y este a
su vez se divide entre el número de fase del devanado (q), para nuestro
ejemplo tenemos:
71
• Comprobando el cuadro de distribución podemos ver que este tiene 8 filas
correspondientes al número de polos (2p) y 27 columnas subdivididas éstas
por 9 columnas por fase (q).
• Para determinar la cantidad de bobinas por grupo se calcula el paso de
cuadro (Yc) el cual es igual a: Yc m.c.m = 4 obteniendo la siguiente
distribución:
B 54
AAABBCC LAABBBCC / AABBCCC / AABBCC 1° grupo de repetición
AAABBCC 1 AABBBCC / AABBCCC / AABBCC 2° grupo de repetición
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73
EJERCICIOS DE AUTO EVALUACIÓN
I. Responda cada una de las siguientes preguntas.
1. Explique el funcionamiento y estructura del motor trifásico.
2. Clasificación de los motores asincrónicos trifásicos
3. Explique el funcionamiento y estructura de los motores con rotores tipo
ardilla
4- Explique las dos formas de conectar so bobinado en los motores trifásicos
5- Que es un componente por arrollamiento
6- explique las etapas del bobinado de una maquina rotativa.
7- Explique el proceso de devanado concéntrico tipo Semicorona
8- Explique el proceso de devanado excéntrico tipo corona
9- Explique el proceso de conexión por polos consecuentes
10- Explique el proceso de conexión por polos normales
11- Explique el proceso de devanado concéntrico tipo corona
12- Explique el proceso de cálculo del devanado imbricado de una capa,
corona de una capa
13- Explique el proceso de cálculo del devanado excéntrico de dos capas
14- Defina la potencia nominal de un motor asincrónico trifásico
15 –Como se calcula el numero de conductores por ranura en un motor trifásico
cuando existe la placa característica
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16 –Como se calcula el numero de conductores por ranura en un motor trifásico
cuando no existe la placa característica
17 – Como es proceso de calculo para determinar la potencia de salida
aproximada del núcleo en KILOWATT
75
GLOSARIO
Mando
automático:
Mando de una maniobra, efectuada sin intervención humana,
cuando se producen las condiciones ...
Mando
manual:
Mando de una maniobra efectuada por intervención humana.
Maniobra:
(de un aparato mecánico de conexión) Paso de unos contactos
móviles de una posición a otra.
Maniobra de
Maniobra por medio de la cual se hace pasar al aparato de la
abertura o
posición cerrado a la posición abierto.
desconexión:
Maniobra de
(de un aparato mecánico de conexión) Maniobra por medio de
cierre o
la cual se hace pasar al aparato de la ...
conexión:
Motor de inducción Trifásico
Son maquinas de impulsión eléctrica donde la energía eléctrica es
suministrada al bobinado del motor .
Los campos alternos
Es cuando una de otras darán lugar a un campo magnético giratorio cuando el
desfase entre las dos corrientes que circulan por ellas sea aproximadamente
90º
A
Amplitud o abertura de bobinas , inclusive (no debe confundirse con el paso
que representa la abertura de avance de ranuras.
Brincador
Consiste en una junta larga entre bobinas.
D.C
Delga del conmutador
Devanar
Operación técnica que consiste en efectuar arrollamientos de alambres en
diferentes planos para la producción de energía eléctrica
Deslizador
76
Cubierta de ranura se proyecta más allá de la abertura de esta
D.F.C
Diferencia del extremo de la flecha D.F a los cabezales
77
BIBLIOGRAFÍA
•
Electrotecnia curso elemental libro GTZ. H.Hubscher, J. Klaue W. Pfluger, S
Appelt
•
Fundamentos de electricidad, Mileaf Harry.
•
Rebobinado de motores y transformadores , Kart Wilkinson
•
Tecnología Eléctrica 2 Ricardo Casado
78