UNIVERSIDAD DON BOSCO Tema SOFTWARE DE DISEÑO DE MÁQUINAS SÍCRONAS Y ASÍCRONAS Trabajo De Graduación Preparado para FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA Para optar al titulo de INGENIERO ELECTRICISTA Presentado por: Miguel Angel Cruz Márquez Manuel de Jesús Santos Palma Mario Rodolf o Iraheta Arana Ciudadela Don Bosco, 13 Diciembre de 2002 UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE ELECTRICIDAD RECTOR ING. MIGUEL HUGUET DECANO: ING. CARLOS BRAN ING. JAIME ANA Y A JURADO l JURAD02 AGRADECIMIENTOS MANUEL DE JESÚS SANTOS PALMA Agradezco ante todo a dios a mi madre Elena Gloria Palma y a mis Hermanos : Julio Cesar, José Fredy, Maria Abdair, Maria Elba, Ana Maria, Dolores Ana Celia y Susana Gloria por haberme impulsado a culminar mi carrera. MARIO RODOLFO IRAHETA ARANA Agradezco infinitamente a la Santísima Trinidad que me ha permitido, iluminado e impulsado a concluir con mis estudios con bien, doy gracias también a mi queridísima Virgen Maria quien rogó por mi y me cuido en los innumerables viajes nocturnos. Quiero agradecer a Gustavo Iraheta, padre por apoyarme incondicionalmente a mi madre Mima Arana de Iraheta con quien siempre confie a mis hermanos Gustavo y Teté Iraheta y a mi abuelita mamamami, y muchas otras personas que me brindaron su apoyo fisico y moral durante mis estudios. Te agradezco también a ti Naty -Huezo- porque siempre me apoyaste y nunca me defraudaste, este triunfo también es tuyo ... gracias, gracias por tus oraciones! MIGUEL ANGEL CRUZ MARQUEZ Agradezco ante todo a Dios, a mis padres : Daniel Cruz y Aracely Marquez,mis hermanos : Rugo Cruz y Elmer Cruz, por todo el apoyo incondicional que me brindaron para finalizar mis estudios. Gracias por todo sus sacrificios y bendiciones .... INTRODUCCION CAPITULOI INDICE 1.0 GENERALIDADES 1 1.1 PARAMETROS NOMINALES. 2 1.1.1 Potencia nominal. 2 1.1. 2 Servicio. 2 1.1. 3 Momento de inercia. 2 1.1. 4 Constante de tiempo térmica equivalente. 3 1.2 CONDICIONES NORMALES DE SERVICIO. 3 1.3 REFRIGERACION. 4 1.3.1 Modos de refrigeración de las máquinas rotativas. 4 1.4 CONDICIONES DE OPERACION. 4 1.4.1 Altitud. 5 1.4.2 Temperatura ambiente y del fluido de refrigeración. 5 1.5 SOBREELEV ACION DE TEMPERA TURA. 5 1.5.1 Determinación de la sobreelevación de temperatura. 5 1.5.2 Límites de temperaturas y sobre elevaciones de temperatura. 1.5.3 Corrección por temperatura 1.5.4 Corrección por altura 1.6 CARCAZA DE LAS MAQUINAS ROTATIVAS. 6 6 7 8 1.7 NORMALIZACION DE LAS DIMENSIONES Y DE LAS POTENCIAS. 10 1.8 EL MOTOR ASINCRONICO 11 1.8.1 GENERALIDADES. 11 1.8.1.1 Definición. 11 1.8.2 CARACTERISTICAS NOMINALES. 15 1.8.2.1 Potencia nominal. 15 1.8.2.2 Tensión y frecuencia nominales. 15 1.8.2.3 Par de arranque. 17 1.8.2.4 Corriente de arranque. 17 1.8.2.5 Par mínimo de aceleración. 18 1.8.2.6 Par máximo. 18 1.8.3 EXCESO MOMENTANEO DE PAR DE MOTORES. 18 1.8.4 PAR MINIMO DE ACELERACION. 18 1.8.5 TOLERANCIAS. 18 1.8.6 DETERMINACION DE LA SOBREELEV ACION DE TEMPERATURA. 19 1.8. 7 CARACTERISTICAS Y REQUERIMIENTOS DE ARRANQUE. 19 1.8.8 INST ALACION Y MANTENIMIENTO. 22 1.8.9 TIPOS DE CONSTRUCCION Y MONTAJE. 23 2.0 MAQUINA SINCRONA DE POLOS SALIENTES. 24 2.1 DEFINICION. 24 2.2 CARACTERISTICAS NOMINALES. 24 2.2.1 Potencia nominal. 24 2.2.2 Tensión y frecuencia nominales. 24 2.3 FORMA DE ONDA DE LA TENSION. 26 2.3.1 Condiciones eléctricas. 26 2.4 CARACTERISTICAS DEL AISLAMIENTO. 27 2.4.1 Ensayos dieléctricos. 27 2.5 VALORES PARA ENSAYOS DIELECTRICOS. 27 2.6 OTRAS CARACTERISTICAS. 28 2.6.1 Sobreintensidad ocasional de los alternadores. 28 2.6.2 Desequilibrio de corriente de las máquinas síncronas. 28 2.7 CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO. 29 2.8 SOBREVELOCIDAD. 29 2.9 PERDIDAS. 30 2.9.1 Pérdidas constantes. 30 2.9.2 Pérdidas en carga. 3-0 2.9.3 Pérdidas adicionales debidas a la carga. 31 2.9.4 Pérdidas en los circuitos de excitación. 31 2.9.5 Pérdidas de excitación. 31 2.9.6 Pérdidas en las escobillas. 31 2.10 SISTEMAS DE EXCITACION. 32 2.10.1 Excitatriz rotante. 32 2.10.1.1 Excitatriz de corriente continua. 32 2.10.2 Excitatriz de corriente alterna. 2.10.2.1 Excitatriz de corriente alterna con rectificadores estáticos. 2.10.2.2 Excitatriz de corriente alterna con rectificadores giratorios 32 32 (sin escobillas, "brushless"). 33 2.10.3 Excitatriz estática. 33 2.10.3.1 Excitatriz estática a fuente de tensión. 33 2.10.3.2 Excitatriz estática compuesta. 33 2.11 TOLERANCIAS DE LAS CARACTERISTICAS NOMINALES. 34 CAPITULOil EL MOTOR ASINCRONJCO. 35 2.1 CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO. 35 2.2 DATOS BASICOS Y ESTIMACIONES. 35 2.3 NUMERO DE RANURAS ESTATORICAS. 37 2.4 DETERMINACION DEL ENTREIDERRO. 39 2.5 DETERMINACION DEL ARROLLAMIENTO ESTATORICO. 41 2.6 DETERMINACION DE LA RANURA ESTATORICA. 43 2.7 DETERMINACION DE LAS INDUCCIONES EN EL ESTATOR. 44 2.8 DEFINICION TIPO DE ROTOR Y NUMERO DE RANURAS. 44 2.9 LOS CAMPOS ARMONICOS. 46 2.10 DIMENSIONAMIENTO DEL ROTOR Y RANURA. 48 2.11 DIMENSIONAMIENTO DEL EJE. 50 2.12 CALCULO DEL ROTOR. 52 2.13 REACTANCIA DE DISPERSIÓN. 55 2.14 PARAMETROS DEL ESTATOR. 56 2.15 PARAMETROS DEL ROTOR. 59 2.16 DETERMINACION DE CORRIENTE DE V ACIO Y PERDIDAS. 64 2.17 DETERMINACION DE LOS DIAGRAMAS DEL MOTOR. 66 2.18 DETERMINACION DEL PAR Y VELOCIDAD NOMINALES 70 CAPITULO 111 MAQUINA SINCRONÍA. 72 3.0 CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO Y METODO DE CALCULO 72 3.1 DETERMINACION DE DATOS BASICOS Y PRIMERAS ESTIMACIONES. 72 3.2 FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA. 79 3.3 DETERMINACION DEL ARROLLAMIENTO 85 3.4 DETERMINACION DE LA RANURA 87 3.5 DETERMINACION DE LAS INDUCCIONES EN EL ESTATOR 89 3.6 PARAMETROS DEL ESTATOR. 90 3.6.1 Reactancia del inducido. 90 3.6.2 Flujo disperso de ranura. 91 3.6.3 Flujo disperso de cabezas de bobinas. 94 3.6.4 Flujo disperso de entrehierro. 98 3.7 DIMENSIONAMIENTO DEL INDUCTOR. 99 3.8 CARACTERISTICAS MAGNETICAS. 102 3.9 FUERZA MAGNETOMOTRIZ DE REACCION. 103 3.10 DETERMINACION DEL DEVANADO DEL POLO INDUCTOR. 104 3.11 DETERMINACION DE LAS PERDIDAS. 109 4.0 ANÁLISIS Y DISENO DEL SOFTWARE EN JAVA. 112 METODOSDELPROGRAMA 113 DIAGRAMA DE FLUJO 116 PROGRAMA PRINCIPAL CLASE SINC 120 PROGRAMA PRINCIPAL CLASE SINCSOFT-1 127 APPLET ZAPATA POLAR 156 APPLET RANURA 158 APPLET POLOS 160 PAGINA WEB 162 GUIA DE USO 167 CONCLUSIONES 169 RECOMENDACIONES 170 BIBLIOGRAFÍA 171 ANEXOS 172 EJEMPLO NUMERICO 177 GLOSARIO 181 INTRODUCCIÓN Este documento se presenta como el trabajo de graduación denominado: "SOFTWARE DE DISEÑO DE MAQUINAS SINCRONAS Y ASINCRONAS". El cual está dividido en dos bloques. El primero sobre el diseño eléctrico de dichas máquinas y los pasos requeridos para la solución del problema, que se desarrolla a lo largo de tres capítulos, ellos son: 1) Teoría del procedimiento del diseño de maquinas síncronas y asíncronas: En este capitulo se expondrá los conceptos básicos sobre el disefio de máquinas y su funcionamiento. 2) Diseño de maquina asíncrona: Aquí se desarrollan los pasos requeridos para el diseño eléctrico de dichas máquinas; ecuaciones y gráficas utilizadas en dicho procedimiento. 3) Disefio de maquina síncrona: Al igual que el capitulo anterior, en éste se presenta la secuencia requerida para la solución del diseflo propuesto. El segundo bloque, el cual será presentado como la evaluación final, contiene el análisis y diseño del software, integración de algoritmos y codificación. Esta segunda etapa se desarrolla en un capitulo: 1) Análisis y diseño del software en Java: Se desarrolla toda la lógica de programación aplicada a cada paso propuesto en los capítulos de diseflo. Determinación de variables de entrada y salida, rutinas, comandos, etc. Programa codificado: Comprende la estructura del programa, sus archivos fuentes codificados para su compilación. Para finalizar la segunda parte presentamos los anexos, en donde encontramos: Herramientas de Java utilizadas en la elaboración del programa y ayuda para instalación y uso del programa El diseñador o usuario del programa deberá poseer nociones básicas sobre el diseño de estas maquinas para poder establecer los requerimientos y características de la maquina que necesita. El programa tiene definido los valores de entrada mínimos necesarios que se requieren para iniciar el calculo, los cuales, se presentan en la pantalla principal, desarrollada en una hoja web; donde el usuario selecciona de entre los valores mostrados, cuales son los que le interesan haciendo clic sobre ellos. Luego de procesados estos datos, son mostrados los resultados en una tabla de salida, donde puede encontrar variables eléctricas y dimensiones de la maquina. Estos datos de salida pueden proporcionar una idea bastante acertada de la maquina que se esta diseñando. Como herramienta de disefio este programa únicamente proporciona lineamientos sobre la maquina que se esta proyectando. Con base a los diferentes de criterios de disefio tomados de los autores que intervienen, entre ellos J.H. Kulhmann, J. Sachi, Rívaldi y las limitaciones en cuanto a graficas y rangos de operación. Por tanto, no pretendemos proporcionar un disefio definitivo de la maquina, en el cual intervienen aspectos relacionados con otras ramas de la ingeniería; los cuales están fuera de nuestro alcance , llámese a ellos, aspectos térmicos, ingeniería de materiales, etc. CAPITULO! TEORÍA DEL PROCEDIMIENTO DEL DISEÑO DE MAQUINAS ASÍNCRONAS Y SÍNCRONAS 1.0 GENERALIDADES. Las máquinas eléctricas rotantes tienen la particularidad de convertir energía eléctrica en mecánica o viceversa, eventualmente también pueden transformar energía eléctrica de un tipo en otro aprovechando el movimiento. Frente a los problemas de utilización se representa la máquina desde el punto de vista circuital, y frecuentemente se utiliza un modelo puramente eléctrico, donde la carga mecánica corresponde a un resistor en el que se disipa energía, o una fuerza electromotriz ( o contraelectromotriz). Para proyectar una máquina se deben tener muy en cuenta sus características físicas, es entonces necesario hacer cierta clasificación de las máquinas rotantes para identificar condiciones de similitud que permitan extender los criterios de diseño entre máquinas semejantes. Una primera clasificación que puede hacerse es por su función: • Generador, máquina que produce energía eléctrica por transformación de la energía mecánica. • Motor, máquina que produce energía mecánica por transformación de la energía eléctrica. Si se clasifican por la fuente de energía que las alimenta o que representan se tiene: • Máquinas de corriente continua • Máquinas de corriente alterna y algunas de estas últimas por las características de su velocidad se clasifican en: • Máquinas asíncronas • Máquinas síncronas Nos ocuparemos de dos máquinas rotantes en las que se reúnen todos los conceptos principales de cualquier otra, y en el siguiente orden: • Iniciaremos con el motor asíncrono. • Continuaremos con el alternador como ejemplo de máquina síncrona. 1 1.1 P ARAMETROS NOMINALES. Se presentan como el conjunto de valores numéricos de las magnitudes eléctricas y mecánicas asociadas con su duración y secuencia asignadas a la máquina por el constructor e indicadas en la placa de características. 1.1.1 Potencia nominal. Valor numérico de la potencia indicada en las características nominales. Este valor establece las bases de diseño, de construcción y de garantías. Generalmente cuando no se especifica otra cosa se supone que la máquina es de servicio continuo, es decir, funciona con carga constante hasta alcanzar el equilibrio térmico. Para las máquinas rotantes se establecen dos condiciones extremas de funcionamiento, en vacío y a plena carga. Funcionamiento en vacío es la condición de funcionamiento de una máquina con carga nula (el resto de condiciones de operación son las nominales). Funcionamiento a plena carga es cuando se tiene el mayor valor de carga indicada para una máquina funcionando a la potencia nominal. 1.1. 2 Servicio. La indicación del valor (fracción de la potencia nominal en por ciento) de las cargas a las cuales la máquina está sometida indicando la duración y la secuencia en el tiempo. 1.1. 3 Momento de inercia. El momento de inercia (dinámico) de un cuerpo alrededor de un eje es la suma (integral) de los productos de sus masas elementales por el cuadrado de sus distancias radiales al eje. 2 Esta es una característica de importancia fundamental para el estudio de los transitorios mecánicos a los que estará sometida la máquina. 1.1. 4 Constante de tiempo térmica equivalente. La constante de tiempo térmica equivalente es la constante de tiempo que, en reemplazo de otras individuales, determina aproximadamente la evolución de la temperatura en un arrollamiento a consecuencia de una variación de corriente en escalón. Este parámetro es distinto según como se enfríe la máquina, manteniéndose la ventilación correspondiente a las condiciones normales de funcionamiento será igual tanto en calentamiento como en enfriamiento. Esta constante describe aproximadamente, la evolución de la temperatura en función de la carga. Generalmente se le determina a partir de la curva de enfriamiento. 1.2 CONDICIONES NORMALES DE SERVICIO. • Altitud de instalación • Temperatura del ambiente en que la máquina funciona. El calor generado por las pérdidas que se producen en la máquina es cedido al ambiente. Para cada estado térmico de la máquina el calor disipado depende de la temperatura ambiente y de la densidad del aire refrigerante, y ambas varían con la altura siendo entonces muy importante el estudio de las condiciones que no son las normales. Por otra parte a cada estado térmico de la máquina corresponden distintas temperaturas para cada uno de sus puntos internos, los elementos más sensibles a la temperatura son los aislamientos que por lo tanto fijan la máxima temperatura admisible ( en estado transitorio y permanente). 3 1.3 REFRIGERACION. Refrigeración es la operación por la cual el calor proveniente de las pérdidas producidas en la máquina es cedido a un medio refrigerante incrementando su temperatura. En una máquina con refrigeración a circuito abierto el fluido refrigerante se renueva en forma permanente, entra fluido a temperatura menor y se devuelve al ambiente a una temperatura mayor. Se denomina fluido de refrigeración a un líquido o gas por medio del cual se extrae el calor. En las máquinas con refrigeración a circuito cerrado, donde este fluido no se envía al exterior, es necesario un intercambiador de calor y la presencia de un segundo fluido a menor temperatura que recibe el calor del primer fluido. Equilibrio térmico es la condición alcanzada convencionalmente ( de acuerdo con las normas) cuando las temperaturas de las distintas partes de la máquina sometida a un ensayo de calentamiento no varían más de 2 grados centígrados durante una hora. 1.3.1 Modos de refrigeración de las máquinas rotativas. Según el circuito en que se encuentra el fluido de refrigeración se denomina: • Fluido primario, líquido o gas que estando a menor temperatura que una parte de la máquina y en contacto con ella, retira el calor producido. • Fluido secundario, líquido o gas que estando a menor temperatura que el fluido primario, retira el calor cedido por este último por medio de un intercambiador de calor. • Fluido final, entendiéndose como tal aquel al cual se transfiere finalmente el calor ( en máquinas abiertas o autoventiladas, el fluido final es también el fluido primario). 1.4 CONDICIONES DE OPERACION. Si la especificación particular no indica otra cosa, las máquinas deberán ser diseñadas para las siguientes condiciones. 4 1.4.1 Altitud. La altitud a la cual se instalarán las máquinas, normalmente no supera los 1000 m sobre el nivel del mar. 1.4.2 Temperatura ambiente y del fluido de refrigeración. La temperatura del aire en el lugar de funcionamiento de la máquina ( fluido primario o secundario según sea el tipo de refrigeración) está sujeta a las variaciones estacionales, las normas fijan que no debe exceder 40 ºC. 1.5 SOBREELEV ACION DE TEMPERATURA. Las máquinas eléctricas, prescindiendo de otros fenómenos, pueden suministrar una carga (energía eléctrica o mecánica) de modo tal que, en función de la temperatura ambiente, no superen la temperatura de la clase correspondiente a los materiales aislantes utilizados en su construcción. 1.5.1 Determinación de la sobreelevación de temperatura. Los métodos de medida admitidos por las normas para determinar la sobre elevación de temperatura tanto de los arrollamientos como de otras partes de las máquinas son: a) Método de variación de resistencia con el cual se determina el valor medio de temperatura de los arrollamientos. b) Método por indicadores internos de temperatura (IIT) (por ejemplo: termómetros a resistencia, pares termoeléctricos etc.) que se introducen en la máquina durante su construcción, en lugares que son inaccesibles cuando la máquina está terminada. e) Método por termómetro que incluye los elementos arriba indicados pero puestos en puntos accesibles. d) Método por superposición que consiste en medir la resistencia de los devanados conforme al método, pero sin interrumpir la corriente de alterna de la carga, superponiendo una pequeña corriente continua de medida. 5 1.5.2 Límites de temperaturas y sobre elevaciones de temperatura. Para máquinas refrigeradas indirectamente por aire, funcionando a la potencia nominal y a la altura y temperatura máxima del aire especificadas (1000 m sobre el nivel del mar y 40 ºC), las normas fijan los límites admisibles de sobreelevación de temperatura por encima de la temperatura ambiente del lugar de funcionamiento. a) Cada 1000 V (o fracción) por encima de 11000 V y hasta 17000 V incluido: 1.5 ºC en el caso de realizarse las medidas con termómetro, 1 ºC cuando las medidas se realizan con indicadores internos de temperatura. b) Cada 1000 V ( o fracción) por encima de 17000 V, una reducción suplementaria de 0.5 ºC tanto para las mediciones realizadas con termómetro como con indicadores internos de temperatura Los límites de temperatura especificados por las normas para arrollamientos estatóricos con tensión nominal que excede los 11000 V, de máquinas refrigeradas indirectamente con hidrógeno deberán reducirse en las siguientes cantidades: • 1 ºC cada 1000 V ( o fracción) por encima de 11000 V hasta 17000 V inclusive. • Además 0.5 ºC por cada 1000 V (o fracción) por encima de 17000 V. Si se varían las condiciones de funcionamiento especificadas, es decir, la altitud y/o la temperatura ambiente máxima (1000 m sobre el nivel del mar y 40 ºC) se deben corregir los límites de sobreelevación de temperatura de las máquinas refrigeradas indirectamente con aire. 1.5.3 Corrección por temperatura Si la temperatura máxima especificada o resultante del fluido de refrigeración está comprendida entre O ºC y 40 ºC, los límites son los indicados por las normas; sin embargo mediante acuerdo entre fabricante y comprador se pueden incrementar, pero la diferencia entre la temperatura máxima del ambiente y 40 ºC no debe superar 30 ºC como indica la Figura 1.1 6 ,.-... o tO ~ ~ '-"' 40 30 20 10 o -10 -20 Figura 1.1 CORRECCION EN FUNCION DE LA TEMPERATURA AMBIENTE MAXIMA !"' ' "' ' I"' ' I"' ' "' ' O 5 O 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Temp . .Ambiente (grados C) Esto equivale como resulta lógico, a mantener los límites de temperatura máxima de las distintas partes independiente de la temperatura ambiente. 1.5.4 Corrección por altura Para máquinas destinadas a funcionar por encima de los 1000 m sobre el nivel del mar se puede tener en cuenta la reducción de temperatura ambiente que generalmente se presenta a causa de la altura, pero también debe tenerse presente la variación de la densidad del aire. Si la máquina está destinada a funcionar a una altitud comprendida entre 1000 m y 4000 m, y la temperatura máxima del fluido de refrigeración no ha 1 Calculo y disefio de maquinas eléctricas . Ing. Jorge N. L. Sacchi • Alfredo Rifaldi 7 sido especificada, la norma la fija en los valores incluidos en la tabla 1.1 para las distintas clases de aislamiento. Estos valores surgen admitiendo que la reducción necesaria de la temperatura ambiente es 1 % de los límites de sobreelevación fijados por las normas para máquinas refrigeradas con aire, por cada 100 m de altitud por encima de 1000 m, tornando como base la temperatura máxima de 40 ºC. TABLA 1.1 - Temperaturas ambientes máximas presumibles. ALTURA TEMPERATURA {ºC) CLASE DE AISLACION A E B F H 1000 40 40 40 40 40 2000 34 33 32 30 28 3000 28 26 24 19 15 4000 22 19 16 9 3 Se considera que la reducción de capacidad de refrigeración por disminución de la densidad del aire, se compensa con la reducción de temperatura ambiente indicada. De todos modos las temperaturas totales admisibles no deben superar la temperatura máxima que las normas indican, que se obtienen sumando a los 40 ºC correspondientes al ambiente la sobreelevación fijada por las normas. 1.6 CARCAZA DE LAS MAQUINAS ROTATIVAS. La carcaza tiene por función proteger la parte activa de la máquina contra la penetración de cuerpos sólidos (de distintos tamaños) y/o de líquidos. Esta estructura metálica además sirve como elemento estructural y para guiar el fluido refrigerante. Los símbolos utilizados para indicar el grado de protección están constituidos por las letras 1P seguidos por dos cifras características. 8 La primera cifra designa el grado de protección previsto para la envoltura, tanto en lo que concierne a las personas (manos, dedos) como a las partes de la máquina interiores a la misma. Las normas indican los objetos que, para cada grado de protección representado por la primera cifra característica, no pueden penetrar en el interior de la máquina. Esta primera cifra va desde O máquina no protegida hasta 5 máquina protegida contra la penetración de polvo. En máquinas con ventiladores externos, las palas y rayos de estos deben estar protegidos contra contactos por medio de dispositivos que deben satisfacer ensayos prescriptos por las normas. La segunda cifra característica indica el grado de protección provisto por la envoltura contra los efectos debidos a la penetración de agua. Esta segunda cifra va desde O máquina no protegida hasta 8 máquina protegida contra la inmersión prolongada. Para este último caso, esto significa normalmente que la máquina es rigurosamente estanca, pero para ciertos tipos de máquinas (bombas sumergibles) puede significar que el agua puede penetrar con la única limitación de no producir efectos perjudiciales. Para cada grado de protección representado por esta segunda cifra característica las normas indican los detalles de los tipos de protección provistos para las envolturas. Una máquina está protegida contra la intemperie cuando, gracias a las características de diseño, la penetración de la lluvia, de la nieve y de las partículas en suspensión en el aire, en las condiciones especificadas, está reducida a un valor compatible con el funcionamiento correcto de la máquina. Este grado de protección está caracterizado por la letra W, ubicada entre IP y las cifras características. Una envoltura que satisface un grado de protección dado implica que la misma satisface también los grados de protección inferiores establecidos por las normas. Los ensayos para verificar esta condición no se realizan, salvo en caso de duda. Si la envoltura tiene agujeros de drenaje, se deben aplicar las siguientes prescripciones: 9 • Los agujeros de drenaje destinados normalmente a estar abiertos deberán permanecer abiertos durante los ensayos, • Análogamente aquellos que están destinados a estar cerrados deberán permanecer cerrados durante los ensayos. Cuando interesa sólo un grado de protección la cifra omitida ( que caracterizaría el grado de protección que no interesa) debe reemplazarse por la letra X. Ejemplos: IPX5: el agua arrojada con una boquilla en cualquier dirección sobre la máquina no debe producir efectos perjudiciales, no interesando en este caso la protección contra penetración de objetos. IP2X: protegido contra el contacto de dedos u objetos similares que no superen 80 mm de longitud con partes bajo tensión o de piezas en movimiento en el interior de la envoltura, y la penetración de cuerpos sólidos de diámetro superior a 12 mm, no interesando la protección contra líquidos. Cuando es necesario dar información complementaria respecto del estado de funcionamiento de la máquina en relación con el grado de protección, esto se indica por medio de una letra adicional. A continuación de las dos cifras características puede colocarse una letra que indica que la protección contra los efectos perjudiciales debidos a la penetración de agua debe verificarse o ensayarse con la máquina detenida (letra S) o con la máquina en marcha (letra M). En estos casos, el grado de protección en cada estado de la máquina debe ser indicado, por ejemplo IP55S/IP20M. La ausencia de las letras S y M significa que el grado de protección asegurado es válido para todas las condiciones normales de utilización. l. 7 NORMALIZACION DE LAS DIMENSIONES Y DE LAS POTENCIAS. Los trabajos de normalización de las dimensiones comenzaron en la década del cincuenta con el objeto de asegurar la intercambiabilidad de motores fabricados por los constructores de diversos países, haciendo sólo referencia a las dimensiones sin tener en cuenta la potencia. 10 Esta normalización implica no sólo mayor libertad de acción para el usuario, sino también más seguridad de funcionamiento ( confiabilidad) como resultado de la mayor disponibilidad de máquinas de repuesto, si se produjera una avería. 1.8 EL MOTOR ASINCRONICO 1.8.1 GENERALIDADES 1.8.1.1 Definición El motor asíncrono es una máquina de corriente alterna, sin colector, de la que solamente una parte, el rotor o el estator, está conectada a la red y la otra parte trabaja por inducción siendo la frecuencia de las fuerzas electromotrices inducidas proporcional al resbalamiento. La elección de un motor de cualquier tipo para una determinada instalación requiere el conocimiento de dos conjuntos de características, las del motor y las de la instalación, algunas necesarias porque están impuestas, y no pueden ser elegidas arbitrariamente, otras en cambio pueden ser seleccionadas entre un conjunto de posibles. Como orientación para la elección de un motor con relación a las características de la instalación y del motor, se deberán considerar los siguientes aspectos: 1) Condiciones del ambiente y características de ventilación y protección 2) Condiciones de acoplamiento y características de transmisión y de la forma constructiva 3) Condiciones de alimentación, de arranque, y conexión del arrollamiento 4) Condiciones de servicio y características electromecánicas diversas, siendo de fundamental importancia las siguientes: • Polaridad ( definida por la frecuencia y la velocidad) pudiendo . clasificarse en motores de polaridad simple y motores de polaridad múltiple (velocidad única o varias velocidades). • tipo de rotor ( definido por las condiciones requeridas durante el arranque) que puede ser en cortocircuito (motores de jaula simple, profunda o de doble jaula) o de rotor bobinado. 11 5) Condiciones de orden económico (costo), características de rendimiento (gastos de funcionamiento), seguridad ( de la cual dependen los daños económicos como consecuencia de la salida de servicio de la instalación) y durabilidad ( de la cual depende la frecuencia con que se repiten los gastos de mantenimiento). Estas condiciones se deben relacionarse con otras correspondientes a la instalación y deben ser referidas no solamente al motor sino al conjunto constituido por el motor, los aparatos de maniobra, protección, control y la máquina accionada. Los motores pueden ser de jaula simple, profunda, doble, o de rotor bobinado, los primeros en general se prefieren por razones de simplicidad, solidez y costo. Los motores de jaula simple se pueden clasificar en motores de jaula de baja resistencia y motores de jaula de alta resistencia. Cn o N o CON JAULA DE BAJA RESISTENCIA e I Cn o N o CON JAULA DE ALTA RESISTENCIA La Figura 2.1 muestra los diagramas característicos de par y de corriente en función de la velocidad con tensión nominal, para motores asíncronos (Cn, In son el par y corriente correspondientes a la carga nominal). Los motores con jaula de baja resistencia tienen respecto a los motores con jaula de alta resistencia corrientes de arranque más elevadas y 12 In N In N resbalamientos más bajos ( en condiciones de marcha) y presentan una característica de par en función de la velocidad con el valor máximo cercano a la velocidad síncrona, mientras que en los motores con jaula de alta resistencia el par máximo se encuentra cercano al arranque. Los primeros ( de baja resistencia) se comportan bien para funcionamiento en servicio continuo con un número de arranques y frenados limitado y con arranques de breve duración, mientras que los segundos (de alta resistencia) son adecuados para funcionar en servicio intermitente con un número de arranques y frenados elevado o con arranques de larga duración. En los motores de doble jaula se pueden obtener conjuntamente ambas ventajas, la jaula externa (de alta resistencia y baja reactancia) actúa preponderantemente durante el arranque, y la jaula interna ( de baja resistencia y alta reactancia) a la velocidad nominal. Además las características de par en función de la velocidad de estos últimos motores presentan un comportamiento distinto en función de las relaciones entre las resistencias y las reactancias de las respectivas jaulas. 13 I Cn In N o N Con jaula externa de baja resistencia y jaula interna. de baja. resistencia Cn In o N o N Con jaula externa de baja resistencia y jaula interna de alta resistencia C~-----------~ I Cn In o N o N Con jaula externa de alta resistencia y jaula interna de baja resistencia C~-----------~ I Cn In o N o N Con jaula externa de alta resistencia y jaula interna de alta resistencia La Figura 2.22 muestra los diagramas característicos de par y corriente en función de la velocidad con tensión nominal, para motores que presentan 2 Calculo y disefio de maquinas eléctricas . lng. Jorge N. L. Sacchi -Alfredo Rifaldi 14 distintas relaciones de resistencia y reactancia, esta posibilidad permite adaptar de modo satisfactorio la curva par en función de la velocidad del motor a la correspondiente característica de par requerida por la máquina acoplada. 1.8.2 CARACTERISTICAS NOMINALES. 1.8.2.1 Potencia nominal Es la potencia mecánica disponible en el eje y debe ser expresada en W ( o kW). Las potencias indicadas por los fabricantes en los catálogos, normalmente salvo indicación contraria, están dadas para el tipo de servicio continuo. 1.8.2.2 Tensión y frecuencia nominales Son respectivamente la tensión y frecuencia nominales en los bornes de línea de la máquina. Si la tensión de alimentación del motor se aparta del valor nominal, para una carga constante, el par de arranque y el par máximo del motor varían aproximadamente con el cuadrado de la tensión, afectando en consecuencia la velocidad, el rendimiento y el factor de potencia. Las variaciones de tensión afectan la sobreelevación de temperatura de los arrollamientos del motor, observándose que para una tensión menor a la nominal la sobreelevación de temperatura aumenta tanto para máquinas pequeñas como grandes (1,1 a 26 kW); si la tensión es mayor que la nominal la sobreelevación de temperatura decrece ligeramente para máquinas grandes (26 kW), pero en cambio aumenta notablemente para máquinas pequeñas (1,1 kW). Las normas establecen para los motores de corriente alterna que deben poder suministrar su par nominal, para tensiones y :frecuencias que se aparten de la tensión y de la frecuencia normales en los valores que se indican en la Figura 2.3 15 / / / r 108 1 1 1 1 1 1 1 / / / / / / / / L- - --- - --- - no 108 / / / QO / 1 F .. ~ I ¡j ~ 1 ~ 1 1 1 1 1 1 1 93 1 / / / Los motores de corriente alterna deben ser adecuados para funcionar con una tensión de alimentación que tenga un cierto grado de deformación . Los demás motores de corriente alterna trifásicos (incluidos los motores sincrónicos) como así también los motores de corriente alterna monofásicos deben ser adecuados para funcionar conectados a una red que tenga un F AT no superior a 0.02 a menos que el constructor indique lo contrario. El factor armónico telefónico se calcula del siguiente modo: FAT = ✓¿ U: 2 donde: Un: valor en por unidad de las armónicas de tensión. n: orden de las armónicas (no divisibles por 3 en el caso de motores trifásicos). Normalmente se consideran las armónicas hasta la de orden 13. Se supone además que las tensiones de alimentación forman un sistema prácticamente simétrico. Un sistema de tensiones polifásico se lo puede considerar prácticamente simétrico cuando la componente inversa de tensión no supera el 1 % de la componente directa de tensión durante un largo período, o bien 1.5% durante un corto período que no exceda algunos minutos, y si la componente homopolar del sistema de tensiones no excede 1 % de la componente directa. 16 1.8.2.3 Par de arranque Es el par mínimo medido que desarrolla el motor alimentado con la tensión y la frecuencia nominal cuando su rotor se mantiene bloqueado ( en distintas posiciones para tener en cuenta la influencia de la posición relativa de las ranuras del estator y del rotor). 1.8.2.4 Corriente de arranque Es el valor eficaz de la corriente absorbida por el motor, medida en régimen estacionario, cuando se lo alimenta con la tensión y la frecuencia nominales estando su rotor bloqueado. 1.8.2.5 Par mínimo de aceleración Es el menor par que desarrolla el motor cuando está alimentado con la tensión y la frecuencia nominales, desde el arranque hasta alcanzar el par máximo. 1.8.2.6 Par máximo Es el mayor par que desarrolla el motor estando a su temperatura de funcionamiento, con la tensión y la frecuencia nominales, sin que se experimente una brusca caída de velocidad. Esta definición de par máximo se aplica también a la característica usual de par medio que excluye los efectos transitorios. Las defmiciones de par mínimo y máximo no son aplicables a aquellos motores asíncronos donde el par disminuye continuamente a medida que aumenta la velocidad. 1.8.3 EXCESO MOMENTANEO DE PAR DE MOTORES. Es aplicable a los motores de inducción polifásicos excluyendo aquellos para aplicaciones particulares que exigen un par elevado ( como por ejemplo 17 aparatos elevadores) y que . son objeto de acuerdo entre constructor y comprador. Para cualquier serv1c10 y ejecución, los motores deben ser capaces de soportar durante 15 s, sin detenerse ni experimentar cambios bruscos de velocidad (bajo un aumento gradual del par) un exceso de par del 60% de su valor nominal, es decir deben tener una adecuada capacidad de sobrecarga. Para motores con rotor jaula diseñados para que la corriente de arranque sea inferior a 4,5 veces la corriente nominal, el exceso de par debe ser al menos el 50% del valor nominal. 1.8.4 PAR MINIMO DE ACELERACION. El par mínimo de aceleración a tensión plena de motores de jaula deberá ser por lo menos ser igual a los siguientes valores: Motores trifásicos de una sola velocidad a) De potencia inferior a 100 kW: 0.5 el par nominal y 0.5 el par de arranque. b) De potencia igual o superior a 100 kW 0.3 el par nominal y 0.5 el par de arranque. Motores monofasicos y motores trifásicos de varias velocidades 0.3 el par nominal. 1.8.5 TOLERANCIAS. En la Tabla 2.1 se indican las tolerancias fijadas por las normas que corresponden para cada una de las magnitudes de las características nominales que son objeto de garantías por parte del fabricante y que se comprueban durante la recepción de la máquina TABLA 2.1 - Tolerancias de distintas magnitudes MAGNITUD TOLERANCIA Factor de potencia para máquinas de - 1/6 de (1-cosq>) con un mínimo de 0.02 y Inducción un máximo de 0.07 Resbalamiento de motores de inducción 18 (a plena carga y a la temperatura de funcionamiento: máquinas de potencia ~ a 1 kW (kVA) ± 20% del resbalamiento garantizado máquinas de potencia < a 1 kW ± 30% del resbalamiento garantizado (kVA) Par de arranque de motores a - 15% + 25% del valor de par garantizado inducción ( + 25% puede ser superado mediante acuerdo) Par mínimo de aceleración de - 15% del valor de par garantizado motores a inducción Par máximo de motores a inducción - 10% del valor de par garantizado excepto que después de aplicada esta tolerancia el par resulte~ a 1.6 ó 1.5 veces el par nominal (según corresponda) como exceso de par momentáneo 1.8.6 DETERMINACION DE LA SOBREELEVACION DE TEMPERATURA. Son aplicables los métodos de medición ya descriptos en el párrafo de máquinas rotantes. Si se utiliza el método de medición de temperatura por variación de resistencia las normas indican, en función de la potencia de la máquina, el lapso dentro del cual se debe realizar la medición sin necesidad de extrapolar el valor medido al instante de interrupción de la alimentación del motor. 1.8.7 CARACTERISTICAS Y REQUERIMIENTOS DE ARRANQUE La publicación IEC 34-12 establece la característica de arranque de motores trifásicos normales con rotor jaula, denominados diseño N (par normal), de simple polaridad ( con una única velocidad), con tensión nominal menor o igual a 660 V y con una potencia nominal desde 0.4 a 630 kW. 19 Esta publicación también establece los correspondientes datos para motores de par elevado, diseño H, con potencia nominal hasta 160 kW, se consideran además los diseños NY y HY que cumpliendo las mismas condiciones que los anteriores, son aptos para arranque en estrella.triángulo. Se considera que el par antagónico durante la aceleración no excede un par que es proporcional al cuadrado de la velocidad y que para la velocidad nominal es igual al par nominal del motor. ,,-... ~ Pi '-" ~ CARACTERISTICA DE ARRANQUE DE UN MOTOR DISEÑO "N" 2.5.----,---~-~--~--,---~-~--~--,---~ 1.5 Tl 1 Tb O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Velocidad(p. u) Tn La Figura 2.43 muestra la característica de arranque de un motor (diseño tipo N) donde el par desarrollado en el instante inicial del arranque se indica con T~ el par mínimo de aceleración con Tu y el par máximo con Tb, cada uno expresado en por unidad del valor del par nominal TN, y deben estar de acuerdo con los valores fijados en la norma. 3 Calculo y diseño de maquinas eléctricas . Ing. Jorge N. L. Sacchi - Alfredo Rifaldi 20 Se observa en esta figura como varía el par durante el proceso de arranque, comienza con el valor correspondiente a rotor bloqueado (Tl), pasa por el valor mínimo que se puede presentar durante el arranque (Tu) y fmahnente alcanza el máximo (Tb ), después de lo cual se establece la condición de equilibrio entre el par desarrollado y el resistente que corresponde a su velocidad nominal. En algunos casos particulares pueden coincidir los valores de TI y Tb. Para representar de algún modo el par resistente de la máquina accionada se puede construir una característica parabólica (de la velocidad), que pasa por el origen (par y velocidad nulos) y por el punto de funcionamiento nominal de la máquina. El par durante todo el proceso de arranque debe ser al menos 1.3 veces el par nominal según se indica en la figura 2.4 El factor 1.3 ha sido elegido teniéndose en cuenta también la caída de tensión ( de hasta un 10%) que se produce en bornes del motor durante el período de aceleración. La norma establece valores mínimos de par de arranque, y del par mínimo y máximo durante la aceleración, todos estos datos para distintos rangos de potencia se refieren al par nominal y para motores de 2, 4, 6 y 8 polos, la siguiente tabla muestra a modo de ejemplo valores típicos. TABLA 2.2 - Pares característicos de motores tipo "N" Rango de NUMERO DE POLOS potencia (Kw) 2 4 6 8 T1 Tu Tb T1 Tu Tb T1 Tu Tb T1 Tu Tb mayor 0.4 ~ 1.9 1.3 2.0 2.0 1.4 2.0 1.7 1.2 1.7 1.5 1.1 1.6 0.63 mayor 10 ~ 16 1.4 1.0 2.0 1.5 1.1 2.0 1.4 1.0 1.8 1.2 0.9 1.7 mayor400~ 0.65 0.5 1.6 0.65 0.5 1.6 0.65 0.5 1.6 0.65 0.55 1.6 630 21 1.8.8 INSTALACION Y MANTENIMIENTO En los motores se utilizan cojinetes de rozamiento o de rodamiento, en los más pequeños (potencia :fraccionaria) generalmente se utilizan cojinetes autolubricados, en máquinas muy grandes o por raz.ones especiales se utilizan cojinetes con lubricación asistida. Para las series industriales se utilizan :frecuentemente rodamientos adecuados a los distintos tipos de solicitaciones que imponen las cargas (axiales, radiales). Las fallas más comunes de los motores eléctricos se producen en los rodamientos, debido a distintas causas como por ejemplo un inadecuado alineamiento del motor con la máquina impulsada, acoplamientos no balanceados, vibraciones o fundaciones débiles. Situaciones de este tipo producen fuerzas oscilatorias que se propagan a través del eje haciendo que la pista externa del rodamiento comience a girar en su asiento provocando la falla del mismo. Una tensión excesiva de las correas puede dañar los rodamientos y eventualmente provocar la fatiga del eje, como así también no respetar las instrucciones de lubricación y mantenimiento produce un desgaste excesivo de los rodamientos (sobreelevación de temperatura por mala lubricación) que en máquinas de entrehierro muy pequeño pueden ocasionar el roce del rotor con el estator. Las técnicas actuales de medición permiten medir las vibraciones de una máquina, previniendo el desgaste prematuro de los rodamientos, con lo cual se tiene una mejor utilización de los mismos alargando también los períodos de mantenimiento. 1.8.9 TIPOS DE CONSTRUCCION Y MONTAJE. Las normas indican la forma constructiva y la disposición de montaje de las máquinas eléctricas rotantes mediante un código. 22 IMB3 IM 1001 c{1JJ IMB5 IM3001 trn IMB14 lM3601 filJ IMD35 IM 2001 trn IM834 !M2101 ifill IM 1002 {[]} IMV5 IMVfi IMB6 IMB7 IMB8 IM 1011 IM 103-1 IM 1051 IM 1061 IM 1071 ~ 8 ® ® o[} IMV 1 IMV3 IM3011 IM 303-1 ~ B IMV18 IMV19 IM 3611 IM::1631 ~ ª IMV15 IMV36 1M :Z011 IM 2031 !11/12051 IM2061 IM2071 ~ g m=n U1l CCTir IM2111 IM 2131 IM2151 PM 2161 IM2H1 ~ ª fil] o óJ$ IM 1012: IM 1032 IM 1052 IM 1062 IM107:Z ~ ~ 11D {J]F {L[} La Figura 2.54 muestra las disposiciones de montaje más comunes, indicándose en cada caso los dos modos de designación actualmente utilizados por las normas. El código ubicado en la parte superior de la figura utilizado en el pasado, se refiere solamente a motores con escudos porta cojinetes y un solo extremo de eje accesible. El código que se debe utilizar actualmente es el inferior, está formado por dos letras que corresponden a la designación de "International Mounting" (IM) y cuatro cifras, el primer dígito indica el tipo de construcción, los dos siguientes la disposición de montaje y el último si el eje tiene uno o dos extremos accesibles; por ejemplo IM 1001, significa que se trata de un motor con patas con dos escudos portacojinetes, eje horizontal y un solo extremo de eje accesible. 4 Calculo y diseño de maquinas eléctricas . Ing. Jorge N. L. Sacchi - Alfredo Rifaldi 23 2.0 MAQUINA SINCRONA DE POLOS SALIENTES 2.1 DEFINICION Esta es una máquina síncrona que funciona como generador, en el se inducen fuerzas electromotrices de frecuencia proporcional a la velocidad, obteniéndose tensiones y corrientes alternas. Las condiciones normales de servicio ya han sido examinadas en el párrafo dedicado a las máquinas rotantes, y a continuación agregaremos algunos comentarios particulares que corresponden específicamente al alternador. Es importante destacar que en las notas que siguen se incluyen recomendaciones de las normas que son válidas ( como ellas mismas dicen) salvo que se especifique lo contrario. Aún así es conveniente evitar especificaciones particulares que se apartan de las normas en forma tal que conducen a proyectos especiales, no necesariamente mas confiables, siendo preferible en general adquirir máquinas normalizadas y cuando se presentan condiciones que se apartan de las normas utilizarlas con prestaciones reducidas para tener en cuenta la situación. 2.2 CARACTERISTICAS NOMINALES. 2.2.1 Potencia nominal Para un generador sincrónico es la potencia eléctrica aparente expresada en V A, complementada con el factor de potencia. Es válido el criterio de las normas que fijan el factor de potencia para los generadores sincrónicos sobreexcitados en 0.8, lógicamente es importante cuando se especifica la máquina asegurarse de que en funcionamiento normal esta situación es representativa. 2.2.2 Tensión y frecuencia nominales 24 Son respectivamente la tensión y frecuencia normales en los bornes de línea de la máquina. Los alternadores deben poder suministrar su potencia aparente (kVA) en bornes, con el factor de potencia nominal cuando el mismo puede ser controlado separadamente, para distintos valores de la tensión y frecuencia que pueden apartarse de sus valores nominales según muestra la Figura 3.15 / / / / 108 1 1 1 1 1 1 1 1 1~ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 / / / / / / / / V% 110 ------, 108 / / / / 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 F% ~ 1 ~ .... 1 .... 1 1 1 1 1 1 1 93 I / / / L---------.../ 90 Cuando las máquinas funcionan dentro de la zona sombreada deberán ser capaces de entregar en forma permanente, su potencia nominal, pero sin respetar algunas de las restantes garantías ( que son aplicables a tensión y frecuencia nominales). 5 Calculo y diseño de maquinas eléctricas . Ing. Jorge N. L. Sacchi -Alfredo Rifaldi 25 Cuando las máquinas funcionan sobre el límite de la zona sombreada se puede aceptar un incremento de 1 O ºC en los límites de sobreelevación de temperatura que las normas fijan para condiciones normales. Cuando las máquinas funcionan dentro de la zona delimitada por la línea punteada (y fuera de la zona sombreada), deben ser capaces de entregar la potencia nominal, pero generalmente presentarán una sobreelevación de temperatura muy superior a los límites que fijan las normas. En consecuencia no es conveniente un funcionamiento prolongado fuera de la zona sombreada indicada en la figura y si esta condición de operación se presenta frecuentemente, será conveniente reducir la carga de la máquina ( o al momento de especificarla incrementar su potencia nominal) a fin de que trabajando aliviada desde el punto de vista ele los efectos térmicos no se vea afectada su vida útil. Si una máquina está diseñada para funcionar a más de un valor de tensión nominal, o bien si la tensión nominal puede variar dentro de un cierto rango, los límites de sobreelevación de temperatura establecidos por las normas, se deberán aplicar para todos los valores de tensión. 2.3 FORMA DE ONDA DE LA TENSION. 2.3.1 Condiciones eléctricas Se supone que el circuito al cual el alternador se conecta no es deformante y es prácticamente simétrico como se define a continuación. a) Un circuito puede ser considerado prácticamente como no deformante si, cuando se lo alimenta con una tensión sinusoidal, la corriente es prácticamente sinusoidal, es decir, para la misma fase ninguno de los valores instantáneos difiere del valor instantáneo de la onda fundamental en más del 5% de la amplitud de este último. b) Un circuito polifásico se lo considera como prácticamente simétrico si, alimentado por un sistema de tensiones simétrico, está recorrido por un sistema de corrientes prácticamente simétrico, es decir, donde ni la componente inversa, ni la homopolar superan el 5% de la componente directa. La situación que se presenta cuando se alcanzan los límites definidos en a) y b) simultáneamente con la carga nominal, no debe conducir a temperaturas 26 perjudiciales en el alternador ( en esta condición es conveniente que las sobreelevaciones de temperatura no excedan en 1 OºC los valores establecidos por las normas). 2.4 CARACTERISTICAS DEL AISLAMIENTO. 2.4.1 Ensayos dieléctricos Estas pruebas se realizan en las instalaciones del fabricante sobre una máquina nueva y terminada, con todas sus partes ubicadas en condiciones equivalentes a las condiciones normales de funcionamiento. La tensión de ensayo se debe aplicar entre los arrollamientos sometidos al ensayo y la carcaz.a de la máquina, a la cual se conectan los circuitos magnéticos y los arrollamientos no sometidos al ensayo. Cuando se efectúa un ensayo de calentamiento, las pruebas dieléctricas deben ser realizadas inmediatamente después. En el caso de máquinas polifásicas con tensión nominal superior a 1 kV, donde los dos extremos de cada fase son accesibles individualmente, la tensión de ensayo se deberá aplicar entre cada fase y la carcaza, a la cual se conectan el circuito magnético y los arrollamientos de otras fases no ensayados. La tensión de ensayo debe ser a frecuencia industrial y de forma prácticamente sinusoidal El ensayo debe comenzar con una tensión no superior a la mitad de la tensión de ensayo. La tensión se debe aumentar hasta el pleno valor, de un modo progresivo o bien por escalones que no superen el 5% del valor de la tensión plena y el tiempo para alcanzar este valor no debe ser inferior a 1 O s. La plena tensión de ensayo se mantiene durante 1 min de acuerdo con los valores especificados por las normas. El ensayo a plena tensión realizado sobre los devanados durante la recepción no debe ser repetido. Si se considera necesario repetirlo (a pedido del comprador), después de un nuevo secado de la máquina, la tensión de ensayo debe ser igual al 80% de la tensión plena 2.5 VALORES PARA ENSAYOS DIELECTRICOS. En la Tabla 3.1 se indica la tensión de ensayo que corresponde a los distintos arrollamientos según condiciones de diseño de la máquina. 27 Tabla 3.1 PARTE DE LA MAQUINA TENSION DE ENSAYO (VALOR EFICAZ) Arrollamientos aislados: potencia inferior a 1 kW o 1 kVA y tensión nominal U menor de 100 V 500 V+ 2x U potencia inferior a 10000 kW o (kVA) 1000 V+ 2x U potencia 10000 kW ( o kVA) o mayor y tensión 1000 V+ 2x U con un mínimo de 1500 V hasta 24000 V Diez veces la tensión nominal de excitación con un mínimo de 1500 V Arrollamientos de excitación: 4000 V + dos veces la tensión nominal de tensión de excitación :,; 500 V excitación 2.6 OTRAS CARACTERISTICAS. 2.6.1 Sobreintensidad ocasional de los alternadores Los alternadores con potencia nominal inferior o igual a 1200 MV A deben ser capaces de soportar una corriente igual a 1.5 veces la corriente nominal durante por lo menos 30 s. Los alternadores con potencia nominal superior a 1200 MV A deben ser capaces de soportar una corriente igual a 1.5 veces la corriente nominal durante un tiempo que será objeto de acuerdo entre constructor y cliente, pero que no será inferior a 15 s. 2.6.2 Desequilibrio de corriente de las máquinas síncronas 28 Las máquinas síncronas trifásicas deben ser capaces de funcionar en forma permanente sobre una red asimétrica de modo tal que, ninguna de las corrientes de las fases exceda la corriente nominal. Además las normas establecen (ver Tabla 2.2 para máquinas de polos salientes) los valores que no deben superarse de la relación de la componente inversa del sistema de corrientes (12) a la corriente nominal (In) y los valores del producto (12/ln)2 por el tiempo en segundos (t) que se pueden admitir para un funcionamiento en condiciones de falla. TABLA3.2 TIPO DE MAQUINA Máximo 12/ln Máximo tx (12/ln)2 Permanente falla Máquina a polos salientes: refrigeración indirecta 0.08 20 refrigeración directa 0.05 15 2. 7 CORRIENTE DE CORTOCffiCUITO. El valor de pico de la corriente de cortocircuito, en el caso de un cortocircuito trifásico en funcionamiento a tensión nominal, no debe superar 21 veces el valor eficaz de la corriente nominal. Esta condición en alguna medida fija un valor mínimo (12 %) de la reactancia subtransitoria. 2.8 SOBREVELOCIDAD. Todos los alternadores deben ser capaces de soportar al menos una sobrevelocidad igual a 1.2 veces la velocidad nominal por un tiempo de 2 minutos. Los alternadores accionados mediante turbinas hidráulicas ( como también las máquinas auxiliares de cualquier tipo que se encuentran en el mismo eje) 29 deben soportar la velocidad de embalamiento del grupo, pero al menos 1.2 veces la velocidad nominal. 2.9 PERDIDAS. La determinación de las pérdidas totales se obtiene como suma de las siguientes pérdidas, que se garantizan por separado. 2.9.1 Pérdidas constantes a) Pérdidas en el hierro (paquete magnético) y pérdidas adicionales en otras partes metálicas. b) Pérdidas por rozamiento (cojinetes y escobillas). Las pérdidas en los cojinetes comunes deben ser indicadas separadamente aunque los mismos se suministren con la máquina. c) Pérdidas por ventilación que incluyen la potencia absorbida por los ventiladores, y eventualmente las máquinas auxiliares que forman parte integral de la máquina. 2.9.2 Pérdidas en carga. a) Pérdidas joule en los devanados del inducido. b) Pérdidas joule en los devanados de arranque o amortiguadores de las máquinas trifásicas. Debe notarse que las pérdidas en los devanados amortiguadores son particularmente significativas solamente en máquinas monofásicas. Las pérdidas Joule deben ser referidas a determinadas temperaturas según sea la clase de aislación. 30 Las temperaturas de referencia para las distintas clases de aislamiento son: CLASE TEMPERATURA (ºC} A, EyB 75 FyH 115 2.9.3 Pérdidas adicionales debidas a la carga a) Son las pérdidas que se producen en carga tanto en el paquete magnético, como en otras partes metálicas de la máquina. b) Pérdidas por corrientes parásitas en los conductores de los devanados del inducido. 2.9.4 Pérdidas en los circuitos de excitación a) Pérdidas joule en los devanados y en los reóstatos de excitación. b) Pérdidas totales de la excitatriz mecánica conducida por el eje principal cuando forma parte de la unidad completa, y que se utiliza solamente para excitar la máquina, conjuntamente con las pérdidas en los reóstatos del circuito de excitación, pero con excepción de las pérdidas de rozamiento y ventilación. 2.9.5 Pérdidas de excitación Las pérdidas de excitación se calculan con la expresión 12° R, teniéndose en cuenta que la resistencia del devanado de excitación corresponde al valor corregido a la temperatura de referencia, y la corriente de excitación corresponde a la condición nominal de funcionamiento. 2.9. 6 Pérdidas en las escobillas 31 Se determinan como el producto de la corriente de excitación nominal por la caída de tensión en escobillas. La caída de tensión admitida para todas las escobillas de cada polaridad será: • Escobillas de carbón o grafiticas 1.0 V • Escobillas metalgrafiticas 0.3 V es decir una caída total de 2.0 V para las de carbón o grafiticas, y 0.6 para las metalgrafiticas. 2.10 SISTEMAS DE EXCITACION. Tienen la función de suministrar la corriente de campo de la máquina, y comprenden todos los elementos de control y de regulación, como así también los dispositivos de protección. Según como estén realizados estos sistemas se clasifican en la forma que a continuación se indica: 2.10.1 Excitatriz rotante. Máquina rotante que recibe la potencia mecánica por el eje. Normalmente la excitatriz se encuentra montada en el mismo eje de la máquina síncrona. En algunos casos la excitatriz está impulsada por otra máquina. 2.10.1.1 Excitatriz de corriente continua. Excitatriz rotativa que utiliza un colector y escobillas para suministrar corriente continua. 2.10.2 Excitatriz de corriente alterna. Excitatriz rotativa que utiliza rectificadores para suministrar corriente continua. Los rectificadores pueden ser controlados o no. 2.10.2.1 Excitatriz de corriente alterna con rectificadores estáticos. 32 Es aquella en la cual la salida de los rectificadores se conecta a las escobillas de anillos rozantes del arrollamiento de campo de la máquina síncrona. 2.10.2.2 Excitatriz de corriente alterna con rectificadores giratorios (sin escobillas, "brushless"). Es aquella en la cual los rectificadores giran con el eje común de la excitatriz y de la máquina síncrona, la salida de los rectificadores se conecta directamente, sin anillos ni escobillas, al arrollamiento de campo de la máquina síncrona. 2.10.3 Excitatriz estática. Excitatriz que suministra su potencia a través de una o más fuentes eléctricas estáticas, utilizando para ello rectificadores fijos para suministrar la corriente continua. 2.10.3.1 Excitatriz estática a fuente de tensión. Es aquella que recibe su potencia únicamente de una fuente de tensión ( que pueden ser los terminales de la máquina síncrona) y utiliza rectificadores controlados. 2.10.3. 2 Excitatriz estática compuesta. Es aquella que recibe su potencia de la combinación de una fuente de corriente y una de tensión ( dependiendo de las magnitudes en bornes de la máquina síncrona). La adición de los aportes puede ser realizada indistintamente por la fuente de corriente alterna o la de continua de los rectificadores, y puede efectuarse en paralelo o en serie. Los rectificadores pueden ser controlados o no dependiendo ello del diseño adoptado. 33 2.11 TOLERANCIAS DE LAS CARACTERISTICAS NOMINALES. En la Tabla 3.36 se indican las tolerancias fijadas por las normas que corresponden para cada una de las magnitudes de las características nominales que son objeto de garantías por parte del fabricante y que se comprueban durante la recepción de la máquina. TABLA3.3 MAGNITUD TOLERANCIA Rendimiento detenninado por suma de pérdidas: máquinas de potencia s; a 50 kW máquinas de potencia > a 50 kW - 15% de (1 - rendimiento) Pérdidas totales: - 10% de (1 - rendimiento) máquinas de potencia > 50 kW + 10% de las pérdidas totales Valor de pico de la corriente de cortocircuito de ± 30% del valor garantizado un alternador en las condiciones especificadas: Corriente de cortocircuito permanente de un al- ± 15% del valor garantizado ternador para una excitación especificada: 6 Calculo y diseño de maquinas eléctricas. Ing. Jorge N. L. Sacchi - Alfredo Rifaldi 34 CAPITULO 11 DISEÑO DE MAQUINA ASÍNCRONA EL MOTOR ASINCRONICO 2.1 CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO Desde el punto de vista de funcionamiento es útil distinguir entre motores asincrónicos polifásicos y monofásicos. A partir de mediana potencia resulta solamente posible utilizar motores trifásicos, ello implica además notables ventajas, en particular en lo referente a su comportamiento durante el arranque donde el motor debe desarrollar un par determinado sin superar un valor límite de la corriente de arranque. 2.2 DATOS BASICOS Y ESTIMACIONES Es necesario definir las características nominales, que son los datos básicos del proyecto: • Potencia en K w. • Tensión de línea en V • Frecuencia en hz. • Tipo de conexionado ( estrella o triángulo) • Número de polos • Factor de potencia • Rendimiento en por ciento • Paso de bobinado Se deben controlar los valores forzándolos eventualmente a que resulten válidos. Se determina la corriente de línea, de fase, la tensión de fase ( teniendo en cuenta el conexionado) y la velocidad sincrónica del motor, luego se requieren más datos: • Paso polar en mm • Largo ideal en mm • Flujo por polo en wb • Cantidad de ranuras por polo y por fase estatóricas • Coeficiente de saturación • Factor de devanado • Factor de apilado del estator • Ancho de los canales radiales de ventilación 35 En función del número de polos y de la potencia se determina el paso polar y el largo ideal utilizando las FIGURA 2.0 Y LA FIGURA 2.1 PASO POLAR EN FUNCION DE LA POTENCIA Y DEL NUMERO DE POLOS 1000 / V 1)-- !/ 7 / V ,)-- r/ ¡,)-- v v v_,., V )-- !/ 1,,.,-- / / I/ ,, :/ V V 1,, / / 1,,1,, ---------1,-, I/ / v / 1,, 100 / V v / v l,,v / v I/ v1,, I/ v / ,,, ~ 1,,.,----l,,v 1,,.,-- v1,, V / V v1,, 1 10 100 1000 POTENCIA (KW) FIGURA2.01 1 Calculo y diseñ.o de maquinas eléctricas . Ing. Jorge N. L. Sacchi - Alfredo Rifaldi 36 ,.... ..., A = a ~ n 2A 4t 10000 LARGO IDEAL EN FUNCION DE LA POTENCIA Y DEL NUMERO DE POLOS 1000 2 /1/ i o/,,,, 12 v,C::: V/ 24 ~ ~ v,,/ V 48 V ~~~ / V V / V V,, / v"' ~ / ~ v ? / / / 1// / / ¡.,Y 100 1 10 100 1000 10000 POTENCIA (KW) FIGURA2.12 2.3 NUMERO DE RANURAS ESTATORICAS. Para fijar el número de ranuras estatóricas se parte de un número de ranuras por polo y por fase que debe ser adecuado. Recordemos que para el cálculo del generador resulta conveniente adoptar un número de ranuras por polo y por fase fraccionario, en cambio en el caso del motor se prefiere hacer este valor entero. Es conveniente realizar los devanados estatóricos cualquiera sea el tipo de rotor, y los devanados rotóricos de los motores asincrónicos con rotor de anillos rozantes, con un número de ranuras por polo y por fase entero, porque en caso contrario se pueden presentar fenómenos perturbadores, como por ejemplo ruidos y vibraciones, resultando un funcionamiento irregular de la máquina. 2 Calculo y diseño de maquinas eléctricas . Ing. Jorge N. L. Sacchi - Alfredo Rifaldi 37 Los ruidos magnéticos son originados por las vibraciones del núcleo de hierro, como consecuencia de las fuerzas pulsatorias de los campos electromagnéticos presentes en el entrehierro, dependiendo estos campos esencialmente del número de ranuras del estator y del rotor, de la geometría de las ranuras, de la carga del motor y de la saturación magnética. De todos modos en algunos casos particulares pueden encontrarse motores que tienen un número de ranuras por polo y por fase :fraccionario, generalmente esto ocurre en máquinas que tienen más de dos velocidades de funcionamiento con devanados múltiples. NUMERO DE RANURAS POR POLO Y FASE EN FUNCION DE LA POTENCIA Y DEL NUMERO DE POLOS 8 7 6 5 4 3 2 1 o 1 '> ,:; L.---- -----,_ e- ,.__ l. L--i.--- L-----" L---- ,_ L-------' l l L----' L--- i-- L-------' L-----" ---L.---- ,_ s~ ,____ L--- ~ L------ ----- -~ L-----" L..---- _,_ ~ --.. =- 10 100 1000 POTENCIA (KW) Figura 2.23 Para cada valor del número de polos y para distintos rangos de potencia, la Figura2.2 indica un número de ranuras por polo y por fase entero recomendado, y sobre la base de este valor se determina el número de ranuras por polo y totales del estator. 3 Calculo y diseño de maquinas eléctricas . lng. Jorge N. L. Sacchi - Alfredo Rifaldi 38 El número de ranuras por polo y por fase puede ser impuesto, en caso contrario se adopta sobre la base de la Figura 2.2. El valor impuesto puede ser un valor entero o no, pero debe ser un valor válido, es decir que permita realizar el devanado. Si el valor impuesto es entero, es aceptado, en cambio si no lo es se debe determinar el número de ranuras por polo y por fase equivalentes ( que es entero), el número de polos de la unidad de devanado que deben cumplir las mismas condiciones vistas para la máquina sincrónica. El número de ranuras por fase debe ser entero, se controla este valor, si no es entero se determina un entero por defecto, se incrementa en una unidad y con este último valor se determina un nuevo número de ranuras por polo y por fase. Este procedimiento s1 es necesar10 se repite hasta lograr satisfacer la condición. El valor eventualmente ajustado de ranuras por polo y por fase se debe expresar como fracción de dos enteros como ya explicado en la máquina sincrónica. Cabe recordar que el número de polos de la unidad de devanado dividido el número de fases no debe ser entero, si lo fuera se incrementa q en 1 y se recicla. Finalmente se determinan el número de ranuras por polo y el número de ranuras totales. 2.4 DETERMINACION DEL ENTREIDERRO Para proseguir el cálculo es necesario un nuevo lote de datos que se indican a continuación: • Entrehierro en mm • Caída inductiva estimada en porciento • Número de vías de corriente • Densidad de corriente en a/mm2 • Coeficiente de aprovechamiento en p.u. • Resistividad del conductor en ohm mm2/m • Peso específico del conductor en kg/dm3 • Número de vías internas 39 El entrehierro debe hacerse tan pequeño como sea mecánicamente posible, a fin de mejorar el factor de potencia y reducir las pérdidas adicionales en el hierro, pero teniendo en cuenta que un entrehierro excesivamente reducido aumenta la dispersión de entrehierro, la reactancia, reduce la corriente y el par de arranque, y además puede provocar ruidos de origen magnético. La siguiente expresión permite orientar en la determinación del entrehierro conveniente en función del diámetro y del número de polos: Dx0.006 r= ji; EC.2.0 Es conveniente que el valor de la relación entre el entrehierro y el diámetro del rotor resulte alrededor de 0.001 para que no sea necesaria la construcción de carcaz.as demasiado robustas, es decir, demasiado pesadas. Es importante recordar que en las máquinas eléctricas el valor de la flecha del eje no debe superar ciertos límites que pueden originar asimetrías que son causa de vibraciones producidas por fuerzas de naturaleza magnética. 1.11 1.10 1.09 tS 1.08 1.07 1.06 1.05 FACTOR DE FORMA ~ " ~ ~ "' ~ ~ ~ ~ ~ ~ r-------__ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 SAT Figura 2.34 4 Calculo y diseño de maquinas eléctricas . lng. Jorge N. L. Sacchi - Alfredo Rifaldi 40 ~ P:l ¡:q INDUCCION MAX/MED FUNCION COEFICIENTE DE SATURACION 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 ~ --------------~ r--..... r---- -------¡----..._ ¡--..__ - 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 .0 SAT Figura 2.45 De las Figura 2.3 y Figura 2.4 se obtiene el factor de forma, y el coeficiente BETA (relación entre el valor máximo y medio de la inducción) ambos en función del coeficiente de saturación adoptado, con el se calcula la inducción máxima en el entrehierro: BEN= BETA* WB / HLI * TAUP EC.2.1 2.5 DETERMINACION DEL ARROLLAMIENTO ESTATORICO Se determina el diámetro del rotor, el número de conductores activos por fase del estator, el número de vías de corriente se fuerza a un valor válido que debe ser divisor del número de polos ( en los casos extremos uno o el número de polos). El número de vías de corriente incide en las dimensiones de los conductores, y en principio es conveniente adoptar el mayor valor posible para reducir la 5 Calculo y diseño de maquinas eléctricas . Ing. Jorge N. L. Sacchi - Alfredo Rifaldi 41 sección de los conductores, facilitando de este modo la construcción de los arrollamientos. Recordemos que las vías internas de corriente se realizan para subdividir el conductor en varios subconductores de sección equivalente. Se calcula el número de conductores activos y presentes por ranura. Este último resulta de multiplicar el número de conductores activos por ranura por el número de vías de corriente totales (paralelos externos e internos), este número deberá ser par y como mínimo igual a dos, quedando en consecuencia determinado el número de conductores totales, valor definitivamente adoptado, y el número de conductores presentes. El paso de devanado puede imponerse, en este caso se controla que sea entero, mayor de 1 y menor o igual al número de ranuras por polo, si esto se satisface se determina el ángulo de acortamiento. Si en cambio no se impuso el paso, o el valor impuesto no es válido, se determina el ángulo eléctrico de acortamiento del devanado en forma análoga a lo explicado para la maquina síncrona, pero haciendo el mismo lo más próximo a 60 grados si la máquina es de dos polos (para disminuir por un lado la reactancia de dispersión de las cabezas de bobinas y además la cantidad de cobre utilizado), o lo más próximo a 30 en los demás casos. Se determina el factor de distribución y acortamiento que corresponden a los resultados anteriores, y luego el producto de ambos ( factor de devanado) que puede no coincidir con el valor inicialmente adoptado. Con el número de conductores definitivo y el factor de devanado, se corrigen los valores antes calculados del flujo y de la inducción en el entrehierro. 42 i g 60 55 50 45 40 ~ 35