Entrada destacada de hoy

Consideraciones sobre las limitaciones de los análisis termográficos

martes, 1 de mayo de 2018

Descripción constructiva de los motores asíncronos



Figura 1: Motor asíncrono de Jaula de ardilla

La gran mayoría de las máquinas industriales están movidas por motores de inducción alimentados en c.a. trifásica. Este tipo de motores se impone en la mayoría de las aplicaciones por lo ventajoso de su precio, por su robustez y su fácil mantenimiento.

La diferencia de la máquina asíncrona con los demás tipos de máquinas rotativas, se debe a que uno de sus devanados (normalmente el del rotor) no se alimenta directamente con corriente a través de conductores. La corriente que circula por él se debe a la f.e.m. inducida por la acción del flujo magnético del otro devanado. Es por esta razón que se llaman máquinas de INDUCCIÓN.

En ocasiones también se denominan Máquinas ASÍNCRONAS nombre que es debido a que la velocidad de giro del rotor es distinta a la de sincronismo que impone la frecuencia de la red.

Leyenda de la figura 1:

1)      Rodamientos
El eje rueda sobre rodamientos a bolas, ocasionalmente sobre cojinetes a fricción, de modo que entre el rotor y el estátor se obtenga un entrehierro relativamente estrecho, de 0,2 mm a 1 mm.
2)      Abertura para el control del entrehierro.
3)      Ventilador del circuito de ventilación exterior
En algunos motores el aire interior se mueve en contracorriente impulsado por un segundo ventilador.
El intercambio de calor se lleva a cabo a través de las paredes de los tubos sin que el aire interior entre en contacto con el exterior.
4)      Escudo.
5)      Anilla de transporte.
Permite el transporte de motores pesados.
6)      Chapa de conducción del aire.
7)      Tubos del aire de refrigeración.
En los motores con potencias elevadas se conduce el aire del exterior a través de unos tubos de refrigeración situados axialmente por el interior de la máquina.
8)      Anillo soporte de la bobina.
9)      Aro de cortocircuito.
En los motores de Jaula de Ardilla los conductores del rotor se cortocircuitan con los anillos laterales
10)   Paquete magnético estatórico.
El paquete de chapas estatórico se compone de perfiles troquelados de chapa magnética, barnizados por uno de los lados para aislarlos unos de otros.
Entorno a ellos se disponen las bobinas del estátor.
11)   Bobinas estatóricas.
El estátor se compone de un devanado trifásico que se alimenta con una tensión alterna trifásica.
Como resultado de la configuración mecánica y eléctrica se obtiene un campo magnético giratorio en el entrehierro.
12)   Envolvente conducción del aire.
13)   Soporte intermedio.
14)   Piezas de conexión.
15)   Escudo.
16)   Anilla de transporte.
Permite el transporte de motores pesados.
17)   Ventilador del circuito exterior de ventilación.
Para mejorar la refrigeración en los motores de altas potencias, se dispone un ventilador que introduce, normalmente en el sentido axial de la máquina, aire hacia el interior, que suele conducir por tubos de refrigeración.
18)   Campana del ventilador con rejilla de protección para el aire frío de aspiración.
19)   Palanca de accionamiento para la caja colectora de grasa.
20)   Carcasa soldada.
La carcasa se fabrica o bien en fundición de hierro o soldando las diversas piezas de chapa de acero.
21)   Caja de bornes con botella terminal fundida.
Los dos terminales de cada una de las bobinas del devanado estatórico se llevan a la caja de bornes.
22)   Paquete magnético rotórico.
Constituido por un conjunto de chapas de acero apiladas con unas ranuras periféricas donde se sitúan las barras del rotor.
23)   Barras de la jaula en cortocircuito.
El devanado del inducido en Jaula de ardilla se compone de varias barras de cobre, bronce o aluminio, colocadas o fundidas directamente en las ranuras del paquete de placar del rotor y cortocircuitadas en ambos extremos por sendos anillos terminales del mismo material.
Para que el rotor gire con menos ruido (zumbido electromagnético) las ranuras y las barras se disponen ligeramente inclinadas respecto al eje del rotor formando hileras simples o dobles.
24)   Cuerpo rotórico.
25)   Palanca de accionamiento para la caja colectora de grasa.
26)   Caja para el regulador de la cantidad de grasa.

Motor asíncrono de rotor bobinado y anillos rozantes


Figura 2: Motor asíncrono de rotor bobinado y anillos rozantes

Leyenda de la figura 2:

1)      Eje.
El rotor de la máquina gira concéntricamente en el interior del estátor soportado por cojinetes sobre el eje de la máquina.
2)      Carcasa.
3)      Devanado del estator.
El estator se compone de un devanado trifásico que se alimenta con una tensión alterna trifásica.
Como resultado de la configuración mecánica y eléctrica se obtiene un campo magnético giratorio en el entrehierro.
4)      Soporte de las escobillas.



Figura 3: Vista de los anillos colectores y escobillas

5)      Paquetes de chapas del estator.
El paquete de chapas estatórico se compone de perfiles troquelados de chapa magnética, barnizados por uno de los lados para aislarlos unos de otros.
Entorno a ellos se disponen las bobinas del estator.
6)      Paquetes de chapas del rotor.
Constituido por un conjunto de chapas de acero apiladas con unas ranuras periféricas donde se sitúan las barras del rotor.
7)      Caja de bornes.
Los dos terminales de cada una de las bobinas del devanado estatórico se llevan a la caja de bornes.
8)      Devanado del rotor.
Se construye con un devanado, por lo general trifásico, con un gran número de espiras, siendo la sección de los conductores pequeña.
9)      Anillos rozantes.
Los principios de los devanados del rotor, K, L y M y en el caso de conexión en estrella, el punto neutro Q, se sacan al exterior a través de los anillos rozantes.
La corriente del rotor circula a través de las escobillas de carbón, lo que permite conectar durante la marcha del motor, resistencias adicionales en el circuito del rotor.

Antecedentes históricos

El principio de funcionamiento de las máquinas asíncronas se basa en el concepto de campo magnético giratorio.


Figura 4: Antecedentes históricos

Leyenda de la figura 4:

(1) Motor de Ferrari

Producía campos giratorios con sistemas bifásicos (bobinas a 90º alimentadas con corrientes en cuadradura).

Tenía un circuito magnético abierto y un rotor en forma de disco de cobre siendo la potencia producida baja y sin interés comercial.

(2) Motor de Tesla

Dio a conocer su motor 2 meses después de Ferrari.

Producía campos giratorios con sistemas bifásicos.

Utilizó devanados concentrados tanto en el estátor como en el rotor, logrando un motor de mayor rendimiento y uso práctico.

(3) G. Westinghouse

Adquirió las potentes de Tesla y construyó en su fábrica motores asíncronos bifásicos.

(4) Dolivo Dobrowolsky


Figura 5

(5) Dolivo Dobrowolsky

Presentó en la Exposición de Electricidad de Frankfurt un motor asíncrono con rotor devanado que disponía de un reostato de arranque a base de resistencias líquidas.

(6) Dolivo Dobrowolsky

Dobrowolsky había desarrollado motores asíncronos con doble jaula de ardilla, que poseían mejores cualidades de arranque que el motor en cortocircuito convencional.

A principios del siglo XX se impuso el sistema trifásico europeo frente al bifásico americano por lo que las máquinas asíncronas empezaron a ser (y son) trifásicas.

El Estator

Es la parte fija de la máquina. Normalmente en el estator se conecta el inductor, alimentado por una red monofásica (motor monofásico) o trifásica (motor trifásico).


Figura 6: Estator

Está constituido por una carcasa en la que se fija una corona de acero formada por el acoplamiento de chapas de acero al silicio. Estas chapas disponen de unas ranuras en su periferia interior en las que se sitúa un devanado trifásico (caso del motor trifásico) distribuido.



Figura 7: Carcasa (foto izquierda) y devanado trifásico (foto derecha)

Los extremos de los bobinados (seis conductores por ser un devanado trifásico) se llevan a la caja o placa de bornes de la máquina, donde se conectan a la tensión alterna de la red.

Caja de bornes del estator

A esta caja se llevan los bornes de los conductores de los devanados del estator (seis en un motor trifásico). Los principios de los devanados se designan con las letras U, V, W y los extremos finales con X, Y, Z respectivamente. Mediante unas láminas metálicas se pueden puntear los bornes de los devanados para realizar la conexión en estrella o triángulo.


Figura 8: Conexiones del devanado

Colocación de la caja de bornes

La situación de la caja de bornes suele ser arriba de la carcasa del motor. Sin embargo es posible disponerla en el lado derecho o izquierdo del mismo. (DIN 42962).

Ejecución de las cajas de bornes

La caja de bornes se ejecuta en protección IP55. Suelen ser de chapa de acero soldada disponiendo de una base que se atornilla a la carcasa y una tapa extraíble para su conexión a la red. Los extremos del devanado del estator están soldados en pernos de conexión con pasatapas de porcelana individuales, según DIN 46265. Estos pasatapas se fijan a la base de la caja de bornes.

Todas las cajas de bornes tienen un dispositivo de seguridad:

La mayoría de las cajas de bornes tienen una costura como posible línea de rotura, que se abre al producirse un cortocircuito en el interior de la caja de bornes. Con ello se evita que se rompa o vuele la parte superior.

En los motores grandes, las cajas de bornes suelen dotarse de una membrana de sobrepresión. Esta salta al producirse un cortocircuito en la caja de bornes, dirigiéndose a la carcasa del motor. De esta forma se evita el poner en peligro el ambiente y el personal de servicio.

La entrada de cables para la conexión a la red se realiza a través de unos taladros roscados.


Ejemplos de Placas de bornes del estator:


Aspecto externo de la situación        Bornes de conexión en una caja      Varios modelos de cajas
                en el motor
Figura 9

Patas de fijación

Las patas de fijación suelen ser de hierro fundido y están unidas a la carcasa mediante tornillos de acero de alta resistencia.


Figura 10: Pata de fijación a la carcasa

Este sistema de sujeción resiste grandes esfuerzos en todas las direcciones.

El Rotor

Es la parte móvil de la máquina. Normalmente en el rotor se sitúa el inducido, y las corrientes que circulan aparecen como consecuencia de la interacción con el flujo del estator.

Está situado concéntricamente en el interior del estator y constituido por un conjunto de chapas de acero apiladas formando un cilindro solidario con el eje del motor.

El cilindro del rotor tiene unas ranuras en la circunferencia exterior donde se coloca el devanado.

Constructivamente hay de dos tipos:

·         Rotor en jaula de ardilla (Rotor en cortocircuito).
·         Rotor bobinado (Rotor con anillos rozantes).

Rotor de Jaula de ardilla (Rotor en cortocircuito)

En las ranuras del cilindro del rotor se colocan una serie de conductores de cobre o aluminio que se conectan en cortocircuito por dos anillos o coronas laterales.

El conjunto tiene aspecto de una jaula de ardilla, de ahí su nombre.

 


Figura 11: Rotor de jaula de ardilla

Suelen construirse por inyección de aluminio, construyéndose al mismo tiempo las barras del rotor y los anillos laterales.

Estos motores tienen un par relativamente pequeño y una intensidad absorbida en el arranque muy superior a la nominal.

Construcción del rotor de jaula

En las ranuras del paquete de chapas del rotor van colocadas varillas, redondas o casi redondas, de aluminio o de cobre; tales rotores se llaman rotores de varillas. Dichas varillas están unidas, en sus extremos, a anillos de cortocircuitos. Varillas y anillos de cortocircuito forman la jaula, que a su vez mantiene fijo el paquete de chapas.

La jaula de aluminio se forma por fusión a presión, sobre un paquete de chapas. En el caso de jaula de cobre, las varillas se introducen en las ranuras del paquete de chapas y a continuación se sueldan los anillos.

Rotor en Jaula doble

Contiene dos jaulas de ardilla concéntricas. Una exterior de bastante resistencia, Rext, y otra interior de menos resistencia, Rint. Al iniciar el arranque, el flujo es de frecuencia elevada y las corrientes inducidas se oponen a su penetración en la jaula interior. El par producido por la jaula exterior resistente es grande y el paso de corriente reducido.

Al terminar el arranque, la frecuencia disminuye en el rotor y el flujo penetra en la jaula interior más fácilmente. El motor se comporta ahora como si fuera construido con una sola jaula de poca resistencia.

En régimen normal, la velocidad correspondiente al par nominal no es más que ligeramente inferior a la del motor de jaula simple.


Figura 12: Ejemplo de Rotor en Jaula doble

También se construye el rotor en Jaula triple. El par de arranque en este caso es aún mayor y la intensidad más pequeña.

Rotor bobinado (Rotor con anillos rozantes)

En las ranuras del cilindro del rotor se dispone un devanado trifásico similar al situado en el estator.




Por un lado, las tres fases se conectan generalmente en estrella Y. Los extremos de los tres conductores del rotor se conectan entonces a unos anillos conductores, situados sobre el eje del rotor y aislados de éste.


Figura 13: Rotor bobinado con anillos rozantes

Unas escobillas montadas sobre los anillos de rozamiento cortocircuitan los tres devanados.

Esta disposición permite además introducir resistencias externas por los devanados para limitar las corrientes de arranque, mejorar las características del par y controlar la velocidad.

Sistemas de ventilación

Los motores de inducción de baja potencia utilizan refrigeración natural por medio de oberturas en la carcasa del motor, que permiten la ventilación del motor.

Sin embargo, los motores industriales de media y alta potencia utilizan ventiladores para su refrigeración. El sistema más utilizado es disponer un ventilador dispuesto axialmente con el motor que asegure una corriente de ventilación hacia los devanados del rotor y estator de la máquina.

Figura 14: Sistemas de ventilación

Otros ejemplos de sistemas de ventilación 


Figura 15: Tipos de ventiladores

 
Figura 16: Proceso de enfriado y distribución de temperatura



No hay comentarios:

Publicar un comentario