Cap 14 - Arranque del modor trifsico de induccion.pdf

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  ELT2731. MÁQUINAS ELÉCTRICAS II 1 ARRANQUE DE LOS MOTORES TRIFÁSICOS DE INDUCCION 1 1.- INTRODUCCIÓN El arranque de los motores de inducción está relacionado a las magnitudes del par y la corriente de arranque. Para que la velocidad del motor aumente a partir del arranque, el par motor deber ser mayor que el par de la carga, en casos de cargas pesadas, por ejemplo molinos de bolas y compresora
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  ELT2731. MÁQUINAS ELÉCTRICAS II 1 ARRANQUE DE LOS MOTORES TRIFÁSICOS DE INDUCCION 1   1.- INTRODUCCIÓN El arranque de los motores de inducción está relacionado a las magnitudes del par y la corriente de arranque. Para que la velocidad del motor aumente a partir del arranque, el par motor deber ser mayor que el par de la carga, en casos de cargas pesadas, por ejemplo molinos de bolas y compresoras, el par de arranque debe ser mayor o igual al par nominal. La intensidad de corriente en un circuito no debe exceder de ciertos límites que dependen de la capacidad de potencia del circuito. Cuando se conecta un motor de inducción con rotor de jaula de ardilla a un sistema de distribución que alimenta cargas incandescentes, la elevada corriente de arranque del motor puede producir una caída de tensión considerable y de aquí, la disminución de la intensidad luminosa. Cuando la caída de tensión es grande, pueden detenerse otros motores. En caso de motores grandes y circuitos de baja potencia, la magnitud de la corriente de arranque debe reducirse. En los motores de jaula de ardilla, la corriente de arranque del motor puede reducirse de las siguientes formas: a)   Reduciendo la tensión en bornes del motor,  b)   Disminuyendo la frecuencia del circuito de alimentación c)   Usando motores de jaula de diseño especial: con dos jaulas o una jaula de barras profundas. En los motores de rotor devanado, se logra condiciones favorables de arranque (gran par y pequeña corriente de arranque), insertando un reóstato en el circuito del rotor. Sin embargo, los motores de este tipo son más caros que los de jaula y el mantenimiento y la instalación es más caro. Otros problemas asociados al arranque son: la duración del arranque, pérdidas y calentamientos en los motores y  procesos transitorios. En este capítulo, se estudiarán los métodos de arranque tradicionales, dejando para un capítulo posterior, los fundamentos de las aplicaciones con la electrónica de potencia. 2.- CORRIENTE DE ARRANQUE DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN El instante más peligroso de la conexión es cuando la tensión paso por cero. En este caso el flujo magnético tiene dos componentes, una componente periódica y una componente aperiódica, que se suman, por lo que el flujo resultante en el instante de la conexión puede alcanzar teóricamente el doble del flujo producido en condiciones de régimen de funcionamiento. En la máquina trifásica la resultante de las componentes periódicas de las fases forma un flujo magnético que gira en el espacio con velocidad sincrónica, mientras que las componentes aperiódicas forman un flujo inmóvil en el espacio. El flujo duplicado satura altamente el acero de la máquina. Aquí también la corriente de vacío creado por el flujo duplicado excede considerablemente la corriente de vacío de régimen. La relación entre estas dos corrientes es menor que en los transformadores debido al entrehierro. La corriente de vacío creada por el flujo inicial puede ser varias veces mayor que la corriente nominal. Esta es la corriente de arranque I a del motor de inducción. Como en el arranque el motor de jaula está en reposo, los fenómenos que se producen son cualitativamente los mismos que del transformador cortocircuitado repentinamente. Entonces, la corriente de cortocircuito del motor de inducción está dada por, 1 Resumido mayormente de M. Kostenko L. Piotrovsky. Máquinas Eléctricas. Vol II .  ELT2731. MÁQUINAS ELÉCTRICAS II 2 i ct = i cty + i cta = - U   R   +X  cos ( ω t+ φ ct )+  U   R   +X  cos φ ct e −     t  (1) i cty  es la corriente de corticuito en estado estacionario i cta  es la componente aperiódica. La componente aperiódica se atenúa exponencialmente. La velocidad de atenuación es muy rápida por que la constante de tiempo      es pequeña, por esto ésta componente suele ser despreciada y la corriente de arranque I a  es la componente periódica. En general I  I   = 4 -7. 3. ARRANQUE DE LOS MOTORES DE JAULA NORMALES a) Conexión directa a la línea La conexión directa a la línea implica corrientes más o menos considerables que pueden perturbar al circuito de  potencia, por lo que solo es posible para pequeñas potencias. Las relaciones de corriente de arranque, par de arranque y  par motor máximo se dan en la tabla 1 Tabla 1. Valores nominales de arranque    (rpm)                   1500 1000 750 6,5-6 6 5,5 1,1-1,4 1,1-1,3 1,1 1,8 1,8 1,6  b) Arranque por medio de una reactancia en el estator El procedimiento consiste en insertar en cada fase del estator una reactancia R ar  tal que la tensión en el estator cumpla la condición  1 <   1  y consecuente reducción de la corriente de arranque (Ver figura 1). La corriente de arranque I a  reducida está dada por I a =K arc I n  (2) Figura 1 Arranque con reactancia en el estator K arc  es la razón de corriente de correinte permisible. Aquí, para fines de análisis y comparación con otros métodos, se considera 2 y 3. Con la ecuación de la potencia electromagnética y despreciando la corriente de vacío, para s = 1, el par de arranque es  ELT2731. MÁQUINAS ELÉCTRICAS II 3 M a =  m  I   ′ Ω  =   2 m  I   ′ Ω   (3) De (3) se deduce que la reducción de par de arranque es proporcional a K arc2  Para conocer la reducción de par de arranque, refiriendo (3) al par nominal dado por (4) M n = m  I ′ Ω   (4) Se obtiene M  M  = K arc2 s n  (5) Se ha indicado que s n  es el deslizamiento nominal Para s n =4%  y K arc  2 y 3, el par de arranque es 0,16 y 0,36 del valor nominal, respectivamente. Comparando los resultados con los dados en la tabla 1, se deduce que el par de arranque obtenido es pequeño, que permite inferir que este método de arranque se puede usar en casos donde el par de arranque no es esencial. c) Arranque por autotransformador Para este procedimiento se usa un autransformador reductor en estrella con lo que se obtiene también  1 <   1  Figura 2. Arranque del motor de inducción de jaula con autotransformador El circuito de arranque se muestra en la figura 2. U c  es la tensión de fase del circuito, I a  es la corriente de arranque en el circuito, U m  es la tensión aplicada a una fase del motor, I m  es la corriente en una fase del estator y K A  es la relación de transformación del autotransformador. Si Z ct  es la impedancia de cortocircuito equivalente de una fase del motor, la tensión secundaria y corrientes secundaria del autotransformador son U m =  U  K   y la I m =  U  K    z   . La corriente de arranque I a   es I a =  I  K  = 1   U  Z  = 1  I ct  (6) Donde I ct  es la corriente del motor en el circuito con conexión directa a la línea. Se observa que la corriente de arranque I a  es K A2  menor que la corriente de cortocircuito.  ELT2731. MÁQUINAS ELÉCTRICAS II 4 Como el par de arranque es proporcional a U m2  y dado que U m =  U  K   , el par se reduce en K A2 . Por lo que, aquí también, este procedimiento se aplica cuando el par de freno de la carga no sea grande. El par de arranque es M a =  m  I    ′ Ω   = m  ( I  K  )   ′ Ω   (7) Refiriendo al par nominal M  M  =  I  K  I     =  I  I  K  I  I     =K arc  s n I  I   (8) Para s n =4%  y K arc  iguales a 2 y 3, el par de arranque es 0,48 y 0,72 del valor nominal, respectivamente. Son evidentes las mejores características de arranque de este procedimiento en relación al procedimiento anterior, sin embargo, el costo es mayor. d)   Arranque por conmutación estrella-triángulo Previamente, se aclara que los arrollamientos de los motores pueden conectarse en ∆  y estrella, cada conexión define la correspondiente tensión nominal. La tensión en triángulo U ∆   es igual a la tensión de línea del circuito de alimentación y es el voltaje aplicado al motor de condiciones de régimen. El procedimiento consiste en arrancar al motor en Y y,  posteriormente, conmutar las conexión de los devanados a ∆ . El esquema de arranque se muestra en la figura 3. El  procedimiento de arranque es como sigue: el motor arranca con el interruptor 1 cerrado y el conmutador 2 en la posición arranque (estrella). Esto permite aplicar a cada fase del estator una tensión   √ 3  y consecuente reducción de la corriente de arranque. Posteriormente, cuando el motor alcanza una velocidad próxima a la velocidad nominal, el conmutador 2 cambia rápidamente a la posición funcionamiento (triángulo). Esto completa la operación de arranque. Figura 3. Arranque por conmutación Y- ∆  Para conocer el efecto sobre el par y la corriente de arranque, se analizará el arranque del motor en estrella y luego en triángulo. Sean U c = U red  la tensión de línea del circuito, U mY  la tensión de fase del motor conectado en estrella, U ∆Y  la tensión de fase en motor conectado en triangulo, I mY  es la corriente de fase del motor en estrella, I m∆  es la corriente de una fase del motor en triángulo, I aY  es la corriente del circuito con el motor en estrella y I a∆  es la corriente del circuito con motor en triángulo. Arranque en estrella. Ver figura 4 Las corrientes de arranque en el motor y en el circuito son
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