PROYECTO

CONSTRUCCION DE MOTOR TRIFÁSICO DE INDUCCIÓN TIPO JAULA DE ARDILLA

Integrantes:
Hendry Jiménez

David López

Jorge Pungil

Kevin Sánchez

Kevin Velasco

Introducción

Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de campos magnéticos variables, los motores eléctricos se componen en dos partes una fija llamada estator y una móvil llamada rotor.

Estos funcionan generalmente bajo los principios de magnetismo, los cuales son desarrollados en el interior del proyecto, además se especificara la construcción del motor con los parámetros eléctricos y magnéticos para su funcionamiento.

Los motores eléctricos se hallan formados por varios elementos, los cuales son definidos en el contenido de la presente investigación, sin embargo, las partes principales son: el estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes. No obstante, un motor puede funcionar solo con el estator y el rotor en el caso de nuestro proyecto.

Historia

Nikola Tesla, un inventor Serbio-Americano fue quien descubrió el principio del campo magnético rotatorio en 1882, el cual es la base de la maquinaria de corriente alterna.

Él inventó el sistema de motores y generadores de corriente alterna polifásica que da energía al planeta. Sin sus inventos el día de hoy no sería posible la electrificación que impulsa al crecimiento de la industria y al desarrollo de las comunidades.

El descubrimiento del campo magnético rotatorio producido por las interacciones de corrientes de dos y tres fases en un motor fue uno de sus más grandes logros y fue la base para la creación de su motor de inducción y el sistema polifásico de generación y distribución de electricidad. Gracias a esto, grandes cantidades de energía eléctrica pueden ser generadas y distribuidas eficientemente a lo largo de grandes distancias, desde las plantas generadoras hasta las poblaciones que alimentan. Aún en estos días se continúa utilizando la forma trifásica del sistema polifásico de Tesla para la transmisión de la electricidad, además la conversión de electricidad en energía mecánica es posible debido a versiones mejoradas de los motores trifásicos de Tesla.

En octubre de 1893 la comisión de las cataratas del Niagara otorgó a Westinghouse un contrato para construir la planta generadora en las cataratas, la cual sería alimentada por los primeros dos de diez generadores que Tesla diseñó. Dichos dinamos de 5000 caballos de fuerza fueron los más grandes construidos hasta el momento. General Electric registró algunas de las patentes de Tesla y recibió un contrato para construir 22 millas de líneas de transmisión hasta Buffalo. Para este proyecto se utilizó el sistema polifásico de Tesla. Los primeros tres generadores de corriente alterna en el Niagara fueron puestos en marcha el 16 de noviembre de 1896.

Marco teórico

Se conoce como motor de inducción debido a que para generar el movimiento mecánico se debe inducir una corriente eléctrica en el embobinado el cual girara debido al campo magnético de los polos electromagnéticos.

Los motores asíncronos o de inducción son un tipo de motor de corriente alterna en el que la corriente eléctrica, en el rotor, necesaria para producir torsión es inducida por inducción electromagnética del campo magnético de la bobina del estator. Por lo tanto un motor de inducción no requiere una conmutación mecánica aparte de su misma excitación o para todo o parte de la energía transferida del estator al rotor, como en los universales, DC y motores grandes síncronos. El primer prototipo de motor eléctrico capaz de funcionar con corriente alterna fue desarrollado y construido por el ingeniero Nikola Tesla y presentado en el American Institute of Electrical Engineers (en español, Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos, actualmente IEEE) en 1888. El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos:

jaula de ardilla
bobinado, y un estator

En el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio.

Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120º, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday: La diferencia entre el motor a inducción y el motor universal es que en el motor a inducción el devanado del rotor no está conectado al circuito de excitación del motor sino que está eléctricamente aislado.

Tiene barras de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia. Las barras están conectadas con anillos (en cortocircuito como dicen los electricistas) a cada extremidad del rotor. Están soldadas a las extremidades de las barras. Este ensamblado se parece a las pequeñas jaulas rotativas para ejercitar a mascotas como hámster y por eso a veces se llama "jaula de ardillas", y los motores de inducción se llaman motores de jaula de ardilla.

Principio de funcionamiento

Para la construcción del motor se recurrió a parámetros electromagnéticos para el cálculo del número de vueltas de las bobinas que se fueron alrededor de 900 vueltas por bobina y para que pueda inducir campo magnético debido a la corriente circundante por dichas bobinas para lograr rotar a nuestro rotor jaula de ardilla fue necesaria una corriente de 0.5 amperios por fase en una conexión en Y en las pruebas con un autotransformador trifásico facilitado en el laboratorio de máquinas eléctricas.

Al aplicar corriente alterna trifásica a las bobinas inductoras, se produce un campo magnético giratorio, conocido como campo rotante, cuya frecuencia será igual a la dela corriente alterna con la que se alimenta al motor. Este campo al girar alrededor del rotor en estado de reposo, inducirá corrientes en el mismo, que producirán a su vez un campo magnético que seguirá el movimiento del campo estatórico, produciendo una cupla o par motor que hace que el rotor gire (principio de inducción mutua). No obstante, como la inducción en el rotor sólo se produce si hay una diferencia en las velocidades relativas del campo estatórico y el rotórico, la velocidad del rotor nunca alcanza a la del campo rotante. De lo contrario, si ambas velocidades fuesen iguales, no habría inducción y el rotor no produciría cupla. A esta diferencia de velocidad se la denomina "deslizamiento" y se mide en términos porcentuales, por lo que ésta es la razón por la cual a los motores de inducción se los denomina asincrónicos, ya que la velocidad rotórico difiere levemente de la del campo rotante. El deslizamiento difiere con la carga mecánica aplicada al rotor, siendo máximo con la máxima carga aplicada al mismo. Sin embargo, a pesar de esto, el motor varía poco su velocidad, pero el par motor o cupla aumenta (y con ello la intensidad de corriente consumida) por lo que se puede deducir que son motores de velocidad constante.

Al ganar velocidad el rotor, la corriente del mismo disminuye, el flujo rotórico también, y con ello la impedancia de los devanados del estator, recordemos que es un fenómeno de inducción mutua. La situación es la misma que la de conectar un transformador con el secundario en corto a la red de CA y luego con una resistencia variable intercalada ir aumentando progresivamente la resistencia de carga hasta llegar a la intensidad nominal del secundario. Por ende, lo que sucede en el circuito estatórico es un reflejo de lo que sucede en el circuito rotórico.

Construcción

Para la fabricación del motor a inducción trifásico “jaula de ardilla” fue necesario los siguientes materiales.

Alambre de cobre numero 23 (3 libras).
Tres (3) carretes de plástico (2.2cm *2.8cm ).
Dos (2) rulimanes de (2mm de diámetro).
Juego de material ferromagnético (chapas E, I) ,216 en total (160 I e 56 E).
Dos latas de 2.5 cm de diámetro.
Una tabla de madera de (70cm x 70cm).
Un taladro.
Silicona.
Barra de alambre para atornillar de (1.30 metros).
Tuercas (24 unidades).
Un interruptor trifásico de (600V, 30A).
Tres (3) boquillas para focos.
Juego de 10 borneras (6 negras, 4 rojas).
Tres focos de (110W, 120V).

Valores tomados con instrumentos de medida en el laboratorio

Velocidad del motor

Voltaje de entrada entre líneas

Voltaje de cada fase

Corriente de fase para cada una de las bobinas en cada fase

R S T

Cálculo de la velocidad del motor.

Se utiliza el siguiente artificio matemático para su cálculo.

Donde;

ns = velocidad del rotor. f = frecuencia de la red (60Hz). p = número de polos del motor (3 polos).

Cálculo del número de vueltas del bobinado.

Debido a los cálculos y medidas tomadas y en vista de los carretes su área de trabajo es (2.2cm*2.8cm) se toma un factor constante de vueltas por voltio aproximadamente Vv=7 y de voltaje de línea circundante por cada bobina es de VL=220/

= 127.01V , con los datos aproximados se calcula el número de vueltas en cada bobina mediante la siguiente formula:

Por aproximación y afinidad se tomo como valor nominal Nb=900 vueltas por bobina

Cálculo de la resistencia de la bobina

Para calcular el valor de la resistencia que ofrece un material específico, con largo y grosor definidos, se aplica a fórmula

Resistencia ( R )

Resistividad rho (ρ) (cobre ρ= 0,0172 (Ω • mm2 / m) Longitud (L) del conductor (L=160 m)

Grosor (área) (S) del conductor.(Savg23=0.26 mm2 )

Resistencia que nos ofrece cada bobina.

Cálculo de la impedancia del núcleo.

Mediante software calcularemos la reluctancia del núcleo del transformador.

La impedancia del núcleo viene dada por la siguiente formula.

Z=R+jXl

Dónde:

R es la resistencia de la bobina.

Xl es la resistencia que ofrece el núcleo de chapas magnéticas

Para poder resolver el circuito trifásico haremos uso del modelo 1/3 para una corta resolución haciendo referencia que la corriente de fase dada en datos experimentales en el laboratorio fue de

If=0.8

-90(A), dado a la medida tomada con las pinzas amperimétrica.

Z=VL/If.

Calculo de la inductancia del núcleo de hierro.

XL=2*pi*f*L

Cálculo de la resistencia de los focos

Los focos fueron necesarios para tener una corriente de fase reducida pero teníamos que perder una potencia aproximada de 25-40 W a un voltaje de 120V por fase

Resistencia de cada foco en su encendido.

Simulación del circuito de armado mediante matlab

En la figura 1 encontraremos la modelación del circuito que se modelo en matlab para obtener una respuesta necesaria para poder obtener la corriente de excitación.

En la figura 2 se observa claramente la corriente que se recolecto en la base medida con las pin zas amperimétricas de laboratorio.

Fig1. Circuito modelado en matlab.

Fig2. Respuesta de la simulación

Proceso de armado

Es el proceso más delicado e interesante del proyecto para el cual se realizaron los siguientes procedimientos.

Bobinado

El bobinado ya calculado se lo realizo con tres carretes y un aproximado de 1.5 libras de cable de cobre por bobina utilizando 160 metros de cable por cada bobina.

Construcción de la “jaula de ardilla” o “rotor”.

Para la construcción de la jaula de ardilla se requirió de los siguientes procedimientos.

Corte de las tapas de la jaula. De aproximadamente 3.5 cm de diámetro.

Cortar 16 pedazos de alambre número 23 de 4.5cm de largo y el eje es de cable 12 AWG aproximadamente 9cm.

Perforar los 16 huecos en las dos tapas con sumo cuidado para no doblar la tapa con la punta de un compás.

Pasar los alambres aproximadamente un milímetro por cada capa y pegar con sumo cuidado con silicona para no descuadrarlos.

Acoplamiento del núcleo.

Para despreciar una gran parte del ruido de la vibración se ubicó el núcleo de chapas magnéticas en la disposición de “3E” y “2I” en cada brazo de la excepto en el del medio y después se procedió a tapar con silicona los huecos entre los espacio así disminuyó en gran parte el ruido de la vibración de las chapas.

Acoplamiento magnético de las bobinas

Para tener un campo magnético giratorio inducido por la corriente es necesario ubicar las bobinas en disposición de 120°, con esto logramos estabilizar el campo magnético tenga una velocidad constante y el rotor de jaula de ardilla gire libre mente a la velocidad que induce las corrientes de las tres bobinas perpendicularmente.

Armado del circuito de simulación.

En este procedimiento se recurre al armado y conexiones del circuito de simulación que realizamos en matlab para eso y protección de los instrumentos utilizados utilizaremos un interruptor trifásico de 600V a 30A para proteger al circuito ya los integrantes del mismo, teniendo muy en cuenta que el circuito armado es peligroso y un solo descuido nos causaría efectos graves para la salud.

Conclusiones

El rotor, parte móvil de la máquina, constituida por unas barras de cobre o aluminio unidas en sus extremos por un disco de idéntico material. Es importante hacer notar que en este tipo de rotor no existen escobillas de conexión que permitan la conexión del rotor con el exterior, tal y como ocurre en el motor trifásico asíncrono de rotor bobinado.
El estator, parte fija de la máquina, compuesta de una serie de chapas magnéticas aisladas entre sí para evitar la corrientes de Foucault (corriente parásita o "Corrientes torbellino"), con una serie de ranuras interiores en las que se alojan los devanados de excitación, con un número de fases igual a las de la corriente eléctrica a la que esté conectado el motor.
El motor de corriente alterno trifásico de jaula de ardilla es el motor eléctrico industrial por excelencia. Fuerte, robusto y sencillo, se usa en un gran número de máquinas con un mantenimiento mínimo.

Bibliografía

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http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:jni8P6lpKxEJ:es.slideshare. net/aicvigo1973/motores-asncronos-trifsicos+&cd=1&hl=es&ct=clnk&gl=ec