Comando de un Motor de Inducción Trifásico PDF

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE ELECTRÓNICA LABORATORIO MAQUINAS ELECTRICAS Experiencia N°1 Comando de un Motor de Inducción Trifásico Integrantes: Felipe Moncada Marcos Nuñez Marcelo Rogel Profesor: Rene Gutierrez 11 septiembre 2019 Introducción Los ...

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE ELECTRÓNICA LABORATORIO MAQUINAS ELECTRICAS

Experiencia N°1 Comando de un Motor de Inducción Trifásico

Integrantes:

Profesor:

11 septiembre 2019

Felipe Moncada Marcos Nuñez Marcelo Rogel Rene Gutierrez

Introducción Los motores asíncronos o de inducción, son máquinas que trabajan con corriente alterna por lo que prácticamente motores trifásicos, su principio de funcionamiento se basa principalmente en la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday. Son los motores más utilizados en la industria debido a su facilidad de puesta en funcionamiento. Para adoptar efectivamente el motor se debe tener en cuenta, las exigencias de la instalación donde se ha utilizado, considerando que como el motor tendrá ciertos límites, los cuales no deberán ser superadas; por otra parte, el motor con sus características propias, impondrá a la instalación ciertos requerimientos, que esta deberá satisfacer y a la vez se pueden utilizar directamente. Los motores de inducción de rotor devanado son menos utilizados, debido a su mayor costo, y a que requieren de más mantenimiento que los de jaula de ardilla. Para llevar a cabo el arranque de estos motores es necesario implementarlos a un circuito eléctrico que asegure su protección, y buen funcionamiento, para esto se utilizan relés térmicos, termo-magnéticos y contactores. Un contactor es fundamentalmente, un interruptor electromagnético, accionado por un electroimán o bobina de corriente. Como tal, se lo utiliza para permitir o interrumpir automáticamente el flujo de corriente a través de motores y otros tipos de cargas de potencia. En esta experiencia se llevarán a cabo diferentes conexiones con el uso de conector y las protecciones adecuadas para realizar el arranque y parada de un motor de inducción trifásico.

Objetivo ❖ Diseñar el circuito de fuerza y el circuito de mando requerido para realizar el arranque de un motor trifásico. ❖ Conocer los elementos que forman parte del circuito eléctrico del arranque de un motor trifásico. ❖ Esquematizar el montaje completo del control por medio de un diagrama. ❖ Demostrar el correcto accionamiento del arranque de forma práctica. ❖ Simular a través del CADE-SIMU la parte de circuito de mando y el circuito de fuerza.

Marco Teórico

Motor de inducción Los motores asíncronos o de inducción son un tipo de motor de corriente alterna en el que la corriente eléctrica del rotor necesaria para producir torsión es inducida por inducción electromagnética del campo magnético de la bobina del estator. Por lo tanto, un motor de inducción no requiere una conmutación mecánica aparte de su misma excitación o para todo o parte de la energía transferida del estator al rotor, como en los motores universales, motores DC y motores grandes síncronos. El primer prototipo de motor eléctrico capaz de funcionar con corriente alterna fue desarrollado y construido por el ingeniero Nikola Tesla en 1888. El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estator, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120º, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión eléctrica en el rotor según la Ley de inducción de Faraday: La diferencia entre el motor a inducción y el motor universal es que en el motor a inducción el devanado del rotor no está conectado al circuito de excitación del motor, sino que está eléctricamente aislado.

Funcionamiento. El motor asincrónico funciona según el principio de inducción mutua de Faraday. Al aplicar corriente alterna trifásica a las bobinas inductoras, se produce un campo magnético giratorio, cuya frecuencia será igual a la de la corriente alterna con la que se alimenta al motor. Este campo al girar alrededor del rotor en estado de reposo, inducirá corrientes en el mismo, que producirán a su vez un campo magnético que seguirá el movimiento del campo estatórico, produciendo una cupla o par motor que hace que el rotor gire (principio de inducción mutua). No obstante, como la inducción en el rotor sólo se produce si hay una diferencia en las velocidades relativas del campo estatórico y el rotórico, la velocidad del rotor nunca alcanza a la del campo rotante. De lo contrario, si ambas velocidades fuesen iguales, no habría inducción y el rotor no produciría par. A esta diferencia de velocidad se la denomina “deslizamiento” y se mide en términos porcentuales, por lo que ésta es la razón por la cual a los motores de inducción se los denomina asincrónicos, ya que la velocidad rotórica difiere levemente de la del campo rotante. El deslizamiento difiere con la carga mecánica aplicada al rotor, siendo máximo con la máxima carga aplicada al mismo. Sin embargo, a pesar de esto, el motor varía poco su velocidad, pero el par motor o cupla aumenta (y con ello la intensidad de corriente consumida) por lo que se puede deducir que son motores de velocidad constante. En el momento del arranque, producto del estado de reposo del rotor, la velocidad relativa entre campo estatórico y rotórico es muy elevada. Por lo tanto, la corriente inducida en el rotor es muy alta y el flujo de rotor (que se opone siempre al del estator) es máximo. Como consecuencia, la impedancia del estator es muy baja y la corriente absorbida de la red es muy alta, pudiendo llegar a valores de hasta 7 veces la intensidad nominal. Este valor no hace ningún daño al motor ya que es transitorio, y el fuerte par de arranque hace que el rotor gire enseguida, pero causa bajones de tensión abruptos y momentáneos que se manifiestan sobre todo y puede producir daños en equipos electrónicos sensibles. Al ganar velocidad el rotor, la corriente del mismo disminuye, el flujo rotórico también, y con ello la impedancia de los devanados del estator. La situación es la misma que la de conectar un transformador con el secundario en corto a la red de CA y luego con una resistencia variable intercalada ir aumentando progresivamente la resistencia de carga hasta llegar a la intensidad nominal del secundario. Por ende, lo que sucede en el circuito estatórico es un reflejo de lo que sucede en el circuito rotórico.

Protección Térmica (Relé Térmico) Es un mecanismo que sirve como elemento de protección del motor. Su misión consiste en desconectar el circuito cuando la intensidad consumida por el motor, supera durante un tiempo corto, a la permitida por este, evitando que el bobinado se queme. Esto ocurre gracias a que consta de tres láminas bimetálicas con sus correspondientes bobinas calefactoras que en el momento en que el motor reciba una sobrecarga provocan el calentamiento del bimetal. La cantidad de calor que desprende la resistencia, aumentará en el caso de las sobrecargas, calentándose a su vez la plancha bimetálica, que se combaron hacia arriba dejando libre la

palanca que abrirá los contactos que controlan el funcionamiento de la bobina magnética, quedando abiertos los contactos de fase, lo que provocará la parada del motor. Para arrancar el motor nuevamente, se cierran los contactos mediante un botón destinado al efecto, pero solo se podrá arrancar cuando la plancha bimetálica se enfríe y retorne a su posición original.

La velocidad de corte no es tan rápida como en el interruptor termomagnético. Se debe regular la Intensidad Nominal del motor (In), para el arranque directo. Esta intensidad deberá venir indicada en la placa de características del motor.

Interruptor termo-magnético Su misión es la de proteger a la instalación y al motor, abriendo el circuito en los siguientes casos: ● Cortocircuito: En cualquier punto de la instalación. ● Sobrecarga: Cuando la intensidad consumida en un instante, supera la intensidad a la que está calibrada el magneto térmico.

Pulsador Los pulsadores son elementos de accionamiento que sirven para cerrar o abrir un circuito permitiendo el paso o no de la corriente a través de ellos.

Contactor (KM1) Un contactor es un elemento electromecánico que tiene la capacidad de establecer o interrumpir la corriente eléctrica de una carga, con la posibilidad de ser accionado a distancia mediante la utilización de elementos de comando, los cuales están compuesto por un circuito bobina / electroimán por la cual circula una menor corriente que la de carga en sí. Constructivamente son similares a los relés, y ambos permiten controlar en forma manual o automática, ya sea localmente o a distancia toda clase de circuitos. Pero se diferencian por la misión que cumple cada uno: los relés controlan corrientes de bajo valor como las de circuitos de alarmas visuales o sonoras, alimentación de contactores, etc. y los contactores se utilizan como interruptores electromagnéticos en la conexión y desconexión de circuitos de iluminación y fuerza motriz de elevada tensión y potencia. Funcionamiento de un Contactor Se dispone de un elemento electroimán (bobinas) que atrae un eje al cual están solidario los contactos móviles que cierran el circuito interconectando los correspondientes contactos principales, además posee contactos auxiliares (NA / NC) que sirven para realizar acciones de enclavamiento (dejar que el contactor siga funcionando sin tener que presionar todo el tiempo un pulsador). Cuando la bobina del contactor queda excitada por la circulación de la corriente, mueve el núcleo en su interior y arrastra los contactor principales y auxiliares, estableciendo a través de los polos el circuito entre la red y el receptor. Este arrastre o desplazamiento puede ser: ● Por rotación, pivote sobre su eje. ● Por traslación, deslizándose paralelamente a las partes fijas. ● Combinación de movimientos, rotación y traslación.

Cuando la bobina deja de ser alimentada, abre los contactos por efecto del resorte de presión de los polos y del resorte de retorno de la armadura móvil. La bobina está concebida para resistir los choques mecánicos provocados por el cierre y la apertura de los contactos y los choques electromagnéticos debidos al paso de la corriente por sus espiras, con el fin de reducir los choques mecánicos de la bobina o circuito magnético, a veces los dos se montan sobre amortiguadores. Si se debe gobernar desde diferentes puntos, los pulsadores de arranque se conectan en paralelo y el de parada en serie. Tipos: ● Contactos principales: Su función es establecer o interrumpir el circuito principal, consiguiendo así que la corriente se transporte desde la red a la carga. ○ Simbología: se referencian con una sola cifra del 1 al 6. ● Contactos auxiliares: Su función específica es permitir o interrumpir el paso de la corriente a las bobinas de los contactores o los elementos de señalización, por lo cual están dimensionados únicamente para intensidades muy pequeñas. Estos forman parte del circuito auxiliar del contactor y aseguran las realimentaciones, los mandos, enclavamientos de contactos y señalizaciones en los equipos de automatismo. Los tipos más comunes son: ○ Instantáneos: Actúan tan pronto se energiza la bobina del contactor. Se encargan de abrir y cerrar el circuito. ○ Temporizados: Actúan transcurrido un tiempo determinado desde que se energiza la bobina o desde que se desenergiza la bobina. ○ De apertura lenta: El desplazamiento y la velocidad del contacto móvil es igual al de la armadura. ○ De apertura positiva: Los contactos cerrados y abiertos no pueden coincidir cerrados en ningún momento. En su simbología aparecen con dos cifras donde la unidad indica: ○ 1 y 2, contactos normalmente cerrados, NC. ○ 3 y 4, contactos normalmente abiertos, NA. ○ 5 y 6, contacto NC de apertura temporizada o de protección. ○ 7 y 8, contacto NA de cierre temporizado o de protección.

Materiales ● ● ● ●

Módulo de contactores (laboratorio de máquinas eléctricas) Polímetro digital o tester de pinza Cables de conexión Motor de inducción trifásico

Trabajo de Laboratorio Antes de comenzar se explicará por momentos cuando se utilizó los circuitos para utilizar un motor, y luego un tipo de generador. Primero el profesor de catedra nos explicó como es el funcionamiento en grandes rasgos de un contactor electromagnético, básicamente es energizar una bobina para crear un campo magnético, y este campo actúa como fuerza para cerrar contactos normalmente abiertos, estos unidos por un resorte que el campo logra vencer es el mecanismo para retornar los contactos (cerrados por la acción del campo magnético) a su condición normal en ausencia de la energización de la bobina. Un contacto normalmente cerrado básicamente es un corto circuito a la espera de ser accionado por el medio que sea propio de el para serlo abierto. Por otro lado, un contacto normalmente abierto es un circuito abierto a la espera de ser accionado por cualquier medio propio de el para quedar en condición de cortocircuito. La tensión con la que energizaremos la bobina principal, es cualquiera a disposición de la tensión trifásica disponible, 220 [V], tensión de fase. La corriente que permitirá el circuito de mando para los contactores principales será la corriente que necesita el motor para vencer el estado inicial, que es una fuerza superior a la que necesita el circuito cuando el motor ya se encuentra en un estado estable. Para esto se genera un transitorio, en el laboratorio se midió esta corriente con un ampermetro de tenazas arrojando un valor de 7,36[A] para condición de partida, luego el generador logra estar en un estado estacionario, la corriente se reduce a 0,97[A] en condición normal. Cabe mencionar que energizamos un motor que a la vez era un tipo de generador ya que tenía poleas alimentando a dos motores a su costado. En el laboratorio se energizaron dos motores uno con más capacidad que el otro, en el transcurso del desarrollo experimental se menciona con cuál de los dos se trabajó para cada circuito de mando y/o fuerza. Según la norma chilena eléctrica 4/2003, para nuestro motor utilizado en la práctica con especificaciones de 1,5 HP, y 1440 RPM, se encontraron las siguientes especificaciones:

Potencia [kW]

Rendimiento (%)

Corriente Nominal [IN]

Corriente de partida [Ip]

1,2

74

2,8[A]

4,9[A]

Estas especificaciones encontradas en la norma eléctrica chilena fueron para el motor utilizado para controlar la partida y la detención, para temporizarlo y cambiar los sentidos de giro. Circuito de comando de partida y parada de un motor trifásico Primero añadiremos que la principal razón de separar en dos circuitos independientes el control de un motor es solo por motivo de seguridad. Lo dividiremos en dos, un circuito de mando y un circuito de fuerza El comando eléctrico del circuito de fuerza de un motor es el siguiente:

El esquema siguiente es una representación de lo que se encuentra en el tablero del laboratorio, estos contactores son diseñados para soportar corrientes altas comparadas con un circuito de mando. Específicamente el circuito de fuerza con el total de conexiones internas del contactor es el siguiente:

Figura 1, circuito de fuerza El circuito de mando para controlar el accionamiento a distancia de los contactores, en si para que el motor funcione trabaja con corrientes baja por protección, se alimenta de una fase de nuestra fuente trifásica. Primero se conectó para solo accionar el motor, cuando pulsamos el interruptor S1, debemos mantenerlo presionado para que el motor funcione, al momento de soltar el interruptor, el motor se desenergiza. El esquema siguiente muestra el primer circuito de mando montado en laboratorio:

Figura 2, circuito de mando Ahora con el fin de modificar y aplicar ingeniería, lo que queremos es que si pulsamos un interruptor este quede accionado sin tener que mantener a un operador pulsándolo, en si basta con accionarlo una vez, y además tener un interruptor que no desenergize el motor. Si pulsamos S1, este retornara, pero la corriente encontrara otro camino por el cual circular, por KM1 (contacto), luego si queremos desenergizar el motor basta con pulsar S3, este abrirá el circuito y dejara de existir un campo magnético por el cual KM1 queda accionado, este se abrirá, y como el pulsador S3 es con retorno, este volverá a cerrarse.

Figura 3

Finalmente, el circuito de control y fuerza para un motor de inducción trifásico es el siguiente, en el cual se muestra una secuencia de como accionarlo y desenergizarlo.

Figura 4

Figura 5 En la figura 4 tenemos en condiciones normales la conexión, es decir, no se ha presionado ningún interruptor y el motor está detenido. Luego en la figura 5 se presiona el interruptor S1, lo que provoca el cierre del KM1 por fuerza del campo magnético cerrándose así todos los contactos de este contactor, S3 es un pulsador normalmente cerrado, esto proporciona que el flujo de energía circule, aunque soltemos S1, la corriente seguirá circulando por KM1 por acción del campo magnético. Finalmente se presiona el pulsador S3 para que abra el circuito y se desenclave KM1, S3, como es con retorno, vuelve a cerrarse y el circuito queda totalmente desenergizado como se muestra en la figura 6.

Figura 6

Circuito de comando de partida e inversión de marcha Para poder invertir el sentido de giro del motor se necesita conectar un segundo conector (KM2), el cual en la conexión del circuito de fuerza estará conectado con una secuencia inversa a la que está conectada el KM1, y en el circuito de mando los conectores auxiliares del KM1 Y KM2 están conectados en paralelo, como se puede observar en la figura 7.

Figura 7, conexión circuito de inversión de marcha

Como observacion en la simulacion del CADE-SIMU se produce un corto circuito al presionar el S1 y luego el S2 para querer cambiar el sentido de rotacion del motor, para evitar esto después de apretar el S1 se debe detener el motor presionando el pulsador NC y una vez detenido se puede cambiar el sentido de la marcha presionando el S2. Por último se agregan unas fotografías tomadas durante la realización del laboratorio.

Motor monofásico, alimentado por una especie de motor/generador, conectados mediante una polea.

Tablero donde se encuentran contactores, contacos NC/NA, bobinas, elementos mensionados para la proteccion del circuito.

Circuito de mando con temporizador para desenergización Para poder detener el motor después de determinado tiempo T transcurrido se usa un temporizador para desenergizar el circuito, usando el circuito de fuerza de la figura 1, y para el circuito de mando se usa un temporizador, representado en la figura 8 como KT1, ajustando un tiempo T para detener el motor, y con el pulsador NC conectado al temporizador. Al presionar el KT1 se enciende el motor y a la vez la cuenta regresiva del temporizador, despues de pasado el tiempo T se abre el circuito y se desenclava el KM1 provocando que el motor empiece a desenergizarce hasta su detencion.

Figura 8, circuito de mando con temporizador para desenergización

Conclusión La realización de esta práctica consistió en generar y controlar el arranque de un motor trifásico; dicha práctica es fundamental debido a que este tipo de conexiones se lleva a cabo en la industria muy comúnmente, para la operación de procesos específicos donde se involucren grandes cantidades de corrientes. Si bien existen elementos dentro del circuito de fuerza que protegen al motor ante cualquier eventualidad circuito, la más importante conclusión es la seguridad que se le debe dar el operador al momento de trabajar con este tipo de máquinas. La familiarización para conocer relés térmicos es de suma importancia la protección al motor es desde el punto de vista económico crucial, debido a su alto valor en el mercado. Desde un punto de vista circuital, pensemos que por x ...