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practica de laboratorio transformadores y motores de inducción de la facultad...

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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán

Ingeniería Mecánica eléctrica Laboratorio de Transformadores y Motores de Inducción 1651-E

Práctica #5: El motor de inducción de jaula de ardilla Profesor: Ing. Víctor Hugo Landa Orozco

Alumno: Gerardo Ulises Tapia Cano

2022-1

Objetivos.  

Analizar la estructura de un motor trifásico de jaula de ardilla. Determinar sus características de arranque, de vacío y de plena carga.

Introducción. Un motor de inducción tiene físicamente el mismo estator que una máquina síncrona, pero con un rotor de construcción diferente. En la figura se muestra un típico estator con dos polos. Se parece (y es igual) al estator de una máquina síncrona. Hay dos tipos diferentes de rotores de motores de inducción que pueden utilizarse dentro de estator. Uno se llama rotor de jaula de ardilla o rotor de jaula y el otro se conoce como rotor devanado.

Fig. 1 Devanados de un motor de inducción

El motor jaula de ardilla es un motor eléctrico de inducción, cuya parte rotatoria o rotor está constituido por un conjunto de barras conductoras paralelas a la dirección axial y dispuestas en forma cilíndrica alrededor del eje. Esta forma recuerda una jaula como las que se usaban para atrapar ardillas en el viejo oeste norteamericano, de allí el nombre. Además, son los más económicos, duraderos y de menor mantenimiento, por carecer de carbones, escobillas o colectores en el rotor, que no necesita conectarse eléctricamente a ninguna fuente de corriente externa. El principio de funcionamiento se basa en la generación de un campo magnético rotatorio en el centro del motor, por parte de un bobinado estático en su periferia, el cual se alimenta con corriente alterna. Dicho campo magnético rotatorio induce corrientes en las barras que conforman la jaula del rotor, y estas corrientes a su vez producen un campo magnético secundario que interactúa con el campo primario, produciendo un torque o momento sobre el rotor.

Fig. 2 rotor de jaula de ardilla.

La clave del funcionamiento está en la producción de un campo magnético rotatorio perpendicular al eje de rotación. Este campo rotatorio ejerce una fuerza magnética de torsión sobre las barras longitudinales de la jaula cuando circula corriente. Los motores de jaula de ardilla pueden ser trifásicos o monofásicos. En el caso del motor trifásico, es decir el que funciona con corriente alterna de tres fases, cada fase adelanta a la anterior en 120º, es decir un tercio de periodo. En cada instante la superposición de los campos magnéticos da un campo resultante perpendicular al eje de rotación del motor. A medida que avanza el tiempo, el campo magnético combinado de las tres bobinas mantiene su amplitud, pero su dirección siempre perpendicular al eje de rotación, rota con una frecuencia igual al de la corriente alterna, generalmente entre 50 y 60 Hz.

Instrumentos. 

Módulo de fuente de alimentación (0-120V) EMS-8821

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Módulo de wattímetro trifásico EMS-8441 Módulo de motor de inducción de jaula de ardilla EMS-8221 Módulo de electrodinamómetro EMS-8911 Tacómetro de mano EMS-8920 Módulo de medición de ca (0.5/0.5 A) EMS-8425 Módulo de medición de ca (250/250 V) EMS-8426 Cables de conexión EMS-8941 Banda EMS-8942

Procedimiento. 1. Identifique los devanados del estator. Observe que se compone de muchas vueltas de alambre de un dinamómetro pequeño, uniformemente espaciadas alrededor del estator.

2. Los devanados independientes del estator se conectan a las terminales: 1 y 4, terminales 2 y 5 y a las terminales 3 y 6. 1. ¿Cuál es la corriente nominal de los devanados del estator? 1.5 A 2. ¿Cuál es el voltaje nominal de los devanados del estator? 120 V 3. ¿Cuál es la velocidad nominal y la potencia en hp del motor? 1670 rpm y 175W= 0.234 hp

3. Conecte el circuito que se muestra en la figura. Observe que los devanados del motor están conectados en estrella a través del wattímetro a la salida trifásica variable de la fuente de alimentación.

4. Conecte la fuente de alimentación y ajuste a 208 V, medimos y anotamos el par la corriente y la velocidad del motor. 5. Acoplamos la banda entre el motor y electrodinamómetro, encendemos la fuente de voltaje y registramos los valores anteriores para cada valor de par que hay en la tabla.

Prueba de conocimientos. Un rotor de jaula de ardilla es la parte que rota usada comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna. Un motor eléctrico con un rotor de jaula de ardilla también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de anillos y barras y la rueda de un hámster (ruedas probablemente similares existen para las ardillas domésticas) Se pueden incluir dentro de las máquinas eléctricas más fiables que existen en la actualidad, por lo que las intervenciones de mantenimiento son muy reducidas, y adaptándose a las diferentes prestaciones en función de las exigencias deseadas. A causa de su alta fiabilidad el motor asíncrono trifásico puede considerarse como la máquina eléctrica más utilizada del mercado, y se calcula que el consumo de energía de los motores eléctricos constituye aproximadamente un 50% de la demanda de electricidad global. Cuando se le da un suministro trifásico al bobinado del estator, se establece una rotación campo magnético en el espacio. Este el campo magnético rotativo tiene una velocidad que se conoce como la velocidad sincrónica. Este campo magnético giratorio induce al voltaje en las barras del rotor y por lo tanto el cortocircuito corriente empiezan a fluir en las barras del rotor.

Estas corrientes del rotor generan su campo auto magnético que interactuará con el campo del estator. Ahora el campo del rotor tratará de oponerse a su causa, y por lo tanto el rotor comienza a seguir la rotación campo magnético.

El deslizamiento es una medida de la diferencia entre la velocidad del campo magnético giratorio y la velocidad del rotor. La frecuencia de la corriente del rotor = frecuencia de suministro del deslizamiento.

Partes de un motor de inducción jaula de ardilla.

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Balinera o cojinetes.

Contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias del motor, se usan para sostener y fijar ejes mecánicos y para reducir la fricción.

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Escudo o tapa.

Sostienen y portan los cojinetes que a su vez permiten centrar el eje que soporta la acción del eje.

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Eje.

Permite el aprovechamiento de la energía mecánica transformada por el motor.

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Carcaza.

Constituyen el soporte del núcleo magnético del estator, se construye en hierro fundido o acero laminado. Protege al estator y al otor del exterior.

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Pies de fijación.

Están situados en un plano para que el motor descanse bien asentado sobre su base.

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Estator.

Es la parte fija del motor, está constituido por un núcleo y un arrollamiento o devanado. Es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor, el estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente.

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Rotor.

Es el elemento de transferencia mecánica, ya que el depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Son un conjunto de laminas de silicio que forma un paquete.

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Ventilador.

Dispositivo que absorbe aire del ambiente y lo hace circular por las ranuras de ventilación de la carcasa.

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Caperuza.

Protege al ventilador de cualquier impacto.

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Regleta de bornes.

Es donde se conectan los devanados del motor.

Tipos de motor jaula de ardilla.

Rotor de jaula de ardilla simple Los círculos negros que se muestran en la figura representan las ranuras del rotor donde va introducido el bobinado. Existen varios tipos de ranuras, de ahí que existan varios tipos de rotores. Este tipo de rotor es el usado para motores pequeños, en cuyo arranque la intensidad nominal supera 6 ó 8 veces a la intensidad nominal del motor. Soporta mal los picos de cargas. Está siendo sustituido por los rotores de jaula de ardilla doble en motores de potencia media. Su par de arranque no supera el 140 % del normal. Rotor de jaula de ardilla doble La ranura es doble, por este motivo tiene el nombre de jaula de ardilla doble. Las dos ranuras están separadas físicamente, aunque en el dibujo no se observe. Este tipo de rotor tiene una intensidad de arranque de 3 o 5 veces la intensidad nominal, y su par de arranque puede ser de 230 % la normal. Estas características hacen que este tipo de rotor sea muy interesante frente al rotor de jaula de ardilla simple. Es el más empleado en la actualidad, soporta bien las sobrecargas sin necesidad de disminuir la velocidad, lo cual le otorga mejor estabilidad. Rotor con ranura profunda Es una variante del rotor de jaula de ardilla simple, pero se le denomina rotor de ranura profunda. Sus características vienen a ser iguales a la del rotor de jaula simple. Es usado para motores de baja potencia que necesitan realizan continuos arranques y paradas. Rotor de anillos rozantes Se denominan rotores de anillos rozantes porque cada extremo del bobinado está conectado con un anillo situado en el eje del rotor. Las fases del bobinado salen al exterior por medio de unas escobillas que rozan en los anillos. Conectando unas resistencias externas a las escobillas se consigue aumentar la resistencia rotóricas, de esta forma, se logra variar el par de arranque, que puede ser, dependiendo de dichas resistencias externas, del 150 % y el 250 % del par normal. La intensidad nominal no supera las 2 veces la intensidad nominal del motor.

Motor de inducción de rotor devanado. Los motores de rotor devanado son una raza de motores de inducción extremadamente versátil. Con un diseño robusto, estas máquinas ofrecen la capacidad única de actualizar gradualmente la velocidad equipos de alta inercia y cargas grandes de manera suave y sencilla. Los motores de rotor devanado también pueden desarrollar un alto par de arranque inicial, manteniendo una corriente baja. La vida útil prolongada del motor se asegura con el uso de bancos de resistencias externos o reóstatos líquidos que disipan la acumulación de calor generada durante el arranque del motor. El otro tipo de rotor es el rotor devanado. Un rotor devanado está constituido por un grupo completo de devanados trifásicos que se construyen para ser las imágenes especulares de los devanados del estator. Las fases de los devanados del rotor están conectadas usualmente en estrella (Y), y los extremos de los tres conductores del rotor están unidos a anillos rozantes dispuestos sobre el eje del motor. Los devanados del rotor están cortocircuitados a través de escobillas montadas en los anillos rozantes. En los motores de inducción del rotor devanado, sus corrientes rotóricas son accesibles en las escobillas del estator, donde pueden ser medidas, y donde se puede insertar resistencia extra al circuito del rotor. (se verá más adelante que es posible obtener una ventaja a partir de este hecho, en cuando a la modificación de la característica par-velocidad del motor).

Conclusión. En esta práctica de laboratorio, se tomaron medidas en diferentes escenarios, por ejemplo, cuando el motor estaba en vacío y cuando estaba en carga. Cuando el motor operaba en vacío, se registró la medida de corriente al momento del arranque, esta medición se realizó con un amperímetro de gancho. Luego, se debieron tomar las medidas de corriente, par y velocidad del motor, todas estas mientras el motor trabaja en vacío. Los mismos resultados fueron recolectados mientras se aumentaba de forma gradual la carga con la cual opera el motor. Gracias a la experimentación y al análisis de los resultados obtenidos en la práctica se pudo determinar las características de arranque, vacío y plena carga de un motor trifásico con un rotor Jaula de Ardilla.

Bibliografía  

S. Chapman. “Maquinas Electricas, 3a Edicion”. Ed. Mc Graw-Hill, 2003. E. Fitzgerald, Ch. Kinsley, S.D. Umans. “Maquinas Electricas, 6a Edicion”. Ed. Mc Graw-Hill, 2003....