introducción detalles de construcciónlbcalmaq.webs.uvigo.es/textos/temario.12/tema_iv.b_12.pdf ·...

TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICASDISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICASDISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICASDISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS

Tema IV Diseño de máquinas asíncronas

Introducción

Detalles de construcción:Estator; Rotor; Forma de las ranuras del rotor.

Pauta de cálculo:Inducción en el entrehierro (B);Capa de corriente (A); Número de polos (p);

1/28

Número de polos (p); Diámetro (D); Longitud (L);Longitud del entrehierro (g).

Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Devanado.

Cálculo del estator:

Cálculo del rotor:

Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Anillo de cortocircuito.

Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq [email protected]



EstimarConductores/ranura Ncrs

Elección del número ranuras del estator nrs

Dimensionamientodel estator

EstimarConductores/ranura Ncrr

Elección del número ranuras del rotor nrr

Dimensionamientodel rotor

Cálculo del rotor:

2/28

Dimensionar ranuras del estator (bs;hs)

Dimensionar conductores (scs ; lc ; Lesp_s ; rcs)

Elección J (A/mm2)

Dimensionar dientes del estator (ts -bs)

B satisfactorias

Dimensionar ranuras del rotor (br;hr)

Dimensionar conductores (scr ; lc ; Lesp_r ; rcr)

Elección J (A/mm2)

Dimensionar dientes del rotor (tr -br)

B satisfactoriasNo Si No Si




Cálculo del rotor:Especificaciones

Dimensionamiento(D2L) y D

Tomar (Bmedia)Teórica

Dimensionamientodel estator

3/28

del estator

Dimensionamientodel rotor

ObtenciónParámetros del circuito equivalente

Cumple las especificaciones Diseñomecánico

No SiFabricación




Cálculo del rotor:

Consideraciones previas

Imposibilidad de alcanzar una distribución senoidal en el entrehierro.Armónicos espaciales:

- Armónicos de devanado (concentran FMM en un nº finito de ranuras)

- Armónicos de ranuras (el entrehierro no es liso)

4/28

- Armónicos de ranuras (el entrehierro no es liso)

- Saturación (deformación aplanada de B)

- Excentricidad mecánica

Los armónicos de flujo originan un conjunto de polos superpuestos al fundamental, lo que implica la aparición de características T-n no deseadas.




Cálculo del rotor: Armónicos de devanado

fps

n60

=55

605

sn

fps

n −=−=77

607

sn

fps

n ==

F (θ) = (4/π) Fm [Cos θ - 1/3 cos 3θ + 1/5 cos 5θ - 1/7 cos 7θ ...]

Fn (θ,t) = 3/2 FM [ Cos (ωt – p ωmt ) + 1/5 Cos (ωt + 5p ωm t ) + 1/7 Cos (ωt -7p ωm t )]

Para 1-devanado:

DEVANADO TRIFÁSICO:

For 3-phase balanced machines, the ranks of the remaining harmonics are of the form:

5/28

For 3-phase balanced machines, the ranks of the remaining harmonics are of the form:

The negative values of h correspond to backward waves while the positive ones correspond to the forward waves. The pulsations of the harmonic currents in rotor bars are:

Where s is the slip of the fundamental wave and s ω is the pulsation of the stator currents.

1 - 5 -11 -17

7 13 19




Cálculo del rotor: Armónicos de devanado

θ

fps

n60

=55

605

sn

fps

n −=−=77

607

sn

fps

n ==

- n /5

F (θ) = (4/π) Fm [Cos θ - 1/3 cos 3θ + 1/5 cos 5θ - 1/7 cos 7θ ...]

Fn (θ,t) = 3/2 FM [ Cos (ωt – p ωmt ) + 1/5 Cos (ωt + 5p ωm t ) + 1/7 Cos (ωt -7p ωm t )]

Para 1-devanado:

DEVANADO TRIFÁSICO:

6/28

2

NIFm =

θ = ωmtN

S

θ0º

θπF4 m

ns0

ns/7

- ns/5

I

T,I




Cálculo del rotor: Armónicos de ranura

θ0º

tsbs

Bdienteℜ < ℜ’

7/28

Bmedio

B

θ

fr = 2 m nr/2p

B = Be

Bmax

℘> ℘’ℜ < ℜ’




Cálculo del rotor:

Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Anillo de cortocircuito.

Reglas de selección de combinaciones ranuras rotor/estator

Se trata de minimizar o eliminar las componentes armónicas del flujo en el entrehierro tratando de conseguir una característica T-n suave.

Las reglas generales son:

n – n ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±

8/28

nrs – nrr ≠ 0 , ± 2p , ± 4p , ± 6p , ± 10p , ±1, ±2 , ±(2p ±1) , ± (2p ±2)

Evitar pérdida de sincronismo

Evitar enclavamiento magnético

Evitar ruido y vibraciones

En general: la relación entre ranuras será de 15 a 30 %




Cálculo del rotor:

Número de ranuras.

9/28Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq [email protected]



Cálculo del rotor: Número de ranuras.




Cálculo del rotor:Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Anillo de cortocircuito.

En la práctica se han utilizado satisfactoriamente para 50 Hz.

scr_total/ scs_total= 0,5 ÷ 0,8

11/28

Con D pequeños no siempre es posible utilizar la combinación de ranuras deseado. En este caso se puede reducir la componente armónica mediante:

Inclinación de ranuras




Cálculo del rotor:Número de ranuras




Cálculo del rotor:Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Anillo de cortocircuito.

Inclinación de ranuras




Cálculo del rotor:Número de ranuras y dimensiones de las mismas;



Tema IV Diseño de máquinas asíncronasCálculo del rotor:

Número de ranuras y dimensiones de las mismas;





Design B- Par normal de arranque

NEMA MG-1

Design A- Par normal de arranque- Corriente normal de arranque- Bajo deslizamiento

17/28

- Par normal de arranque

- Baja corriente de arranque- Bajo deslizamiento

Design C-Alto par de arranque-Baja corriente de arranque

Design D motors,-Alto par de arranque- Alto deslizamiento





Design B motors used on standard motors for general-purpose pplications

NEMA MG-1Design A motors used on applications that require high breakdown (pull-out) torque, such as injection molding machines.

18/28

motors for general-purpose pplications

Design C motors are selected for applications that require high starting (locked-rotor) torque, such as inclined conveyors

Design D motors, also called “highslip” motors, are sometimes used topower hoists and cycling loads, suchas oil well pump jacks and low-speedpunch presses.




Cálculo del rotor: Número de ranuras y dimensiones de las mismas;

Ejemplo PARAMETRIC STUDY OF ROTOR SLOT SHAPE ON A CAGE INDUCTION MOTOR

Motor 90 kW






Motor 90 kW -> Mejorar las características de arranque

ωσµδ

⋅⋅= 2

Profundidad de penetración:

20/28

s = 1 s = sn






Motor 90 kW

r3

r2

AREA_1 = Ab - (AREA_2 + AREA_3)π

1_AREA1r =

21/28

Fig.1. Geometric parameterisation.

AREA_3

d3 d2d1

w1AREA_2 AREA_1

-> Ab = cte -> reducir el área de efecto pelicularAbδ






Motor 90 kW

Rotor slot types r 2 d3 r1

Original (0) 4.005 mm 29 mm 4 mm

(+) Increment d (+d ) 4.005 mm (29+4) mm 2.944 mm

r2

r1

22/28

(+) Increment d3 (+d3) 4.005 mm (29+4) mm 2.944 mm

(−) Decrement d3 (−d3) 4.005 mm (29−4)mm 4.824 mm

(+) Increment r2 (+r2) (4.005+0.5) mm 29 mm 3.721 mm

(−) Decrement r2 (−r2) (4.005−0.5) mm 29 mm 4.225 mm

d3





Ejemplo PARAMETRIC STUDY OF ROTOR SLOT SHAPEON A CAGE INDUCTION MOTOR

Motor 90 kWd3

r2

r1





Diferentes tipos de ranuras





Ranura rectangular, semicerrada con conductor macizo

Penetración del campo: Distribución de corriente

Ranura profunda, semicerrada con conductor macizo

25/28

Ranura circular, semicerrada con conductor macizo

Ranura doble jaula , semicerrada con conductor macizo





Ranura rectangular, semicerrada con conductor macizo

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

(a)

26/28

0.00E+00

5.00E-02

1.00E-01

1.50E-01

2.00E-01

2.50E-01

3.00E-01

3.50E-01

4.00E-01

0 20 40 60 80 100 120Vacío: 0,1 Hz f = 50 Hz

(a) (b)

0.00

0.50

0 20 40 60 80 100 120

(b)





20

25

30

Dis

tanc

ia m

edid

a de

sde

la b

ase

Ranura profunda, semicerrada con conductor macizo

(a)(b)

27/28

Vacío: 0,1 Hz f = 50 Hz

0

5

10

15

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

Densidad de corriente (MA/m2)

Dis

tanc

ia m

edid

a de

sde

la b

ase

(a) (b)





Ranura circular, semicerrada con conductor macizo

0.70

0.80

0.90

28/28


(a) (b)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20





Ranura doble jaula , semicerrada con conductor macizo

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

(a)

29/28


(a) (b)

0.00

0.20

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00

(b)




Cálculo del rotor:

Barras del rotor y anillo de cortocircuito




Cálculo del rotor:


31/28

8 barras

2 polos4 fases




Cálculo del rotor:


8 barras

2 polos4 fases

360º / 4 = 90º

360º / 8 = 45º

Angulo geométrico-barras

Angulo eléctrico

32/28

360º / 4 = 90º

90ºt


introducción detalles de construcciónlbcalmaq.webs.uvigo.es/textos/temario.12/tema_iv.b_12.pdf ·...

Documents