TEMA IV.a - lbcalmaq - Universidade de Vigo
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TEMARIO AULA: DISEÑO 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); Diámetro (D); Longitud (L). Cálculo del estator: Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Devanado. 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 xmlopez@uvigo.es 1/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Introducción • No existen soluciones únicas en el diseño. Más bien decisiones de compromiso que tratan de armonizar los factores involucrados (cálculo iterativo). • Los valores de trabajo en máquinas eléctricas (B: 1,5 a 2 T, • A: 6000 a 8000 A/mm) dependen fuertemente del avance tecnológico. • Cada fabricante tiene sus propios criterios y procedimiento. • Existen programas informáticos de cálculo. • Se pretende adquirir las pautas generales de diseño. No las particularidades. Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 2/28 TEMARIO AULA: DISEÑO 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); Diámetro (D); Longitud (L); Longitud del entrehierro (g). Cálculo del estator: Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Devanado. 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 xmlopez@uvigo.es 3/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Detalles de construcción: Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 4/28 TEMARIO AULA: DISEÑO 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); Diámetro (D); Longitud (L); Longitud del entrehierro (g). Cálculo del estator: Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Devanado. 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 xmlopez@uvigo.es 5/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Especificaciones Tomar (Bmedia)Teórica Dimensionamiento (D2L) y D Dimensionamiento del estator Dimensionamiento del rotor Obtención Parámetros del circuito equivalente No Cumple las especificaciones Si Diseño mecánico Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es Fabricación 6/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Dimensionamiento del estator Dimensionamiento del rotor Elección del número ranuras del estator nrs Elección del número ranuras del rotor nrr Estimar Conductores/ranura Ncrs Estimar Conductores/ranura Ncrr Elección J (A/mm2) Elección J (A/mm2) Dimensionar conductores (scs ; lc ; Lesp_s ; rcs) Dimensionar conductores (scr ; lc ; Lesp_r ; rcr) Dimensionar ranuras del estator (bs;hs) Dimensionar ranuras del rotor (br;hr) Dimensionar dientes del estator (ts -bs) Dimensionar dientes del rotor (tr -br) No B satisfactorias Si No B satisfactorias Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es Si 7/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Especificaciones técnicas iniciales: POTENCIA NOMINAL (Pu) TENSION (Us) VELOCIDAD NOMINAL (n = ns (1-s)) CARACTERISTICA PAR-VELOCIDAD (Ta/Tn ; Tmax/Tn) TEMPERATURA (Tincr) RENDIMIENTO (η) F.D.P. (cosϕ1) CLASE DE SERVICIO FORMA CONSTRUCTIVA Utilización de las normas y catálogos. Referencia de documentación e información existente (tablas, graficas, ..). Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 8/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Los datos de partida pueden obtenerse de las normas y catálogos. Pu η Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 9/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Referencia de documentación e información existente (tablas, graficas, ..). Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 10/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Referencia de documentación e información existente (tablas, graficas, ..). Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 11/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Referencia de documentación e información existente (tablas, graficas, ..). Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 12/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Inducción en el entrehierro (Bmedia) Capa de corriente (A) Número de polos (p) Diámetro (D) Longitud (L). Longitud del entrehierro (g). Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 13/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: I1 I0 IFe E1 Iµ U1 RFe Xµ Inducción en el entrehierro (Bmedia) Xcc = Xd1 X'd2 Rcc = R1 + R'2 I'2 Ns U'2 E'2 Vacío (s=0) IFe R’c = R’2 (1 – 1) s Φ Carga IFe U1 = Ured U1 = Ured f.d.p Iµ Iµ Io Io I2 I1 = Ired Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 14/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Inducción en el entrehierro (Bmedia) Corriente de magnetización: Iµ Saturación: Bdiente Flujo de dispersión (Xcc): f.d.p IFe Ured f.d.p Iµ Io I2 Ired Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 15/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Inducción en el entrehierro (Bmedia) Corriente de magnetización: Iµ Ns Iµ = ℜo Φmedia = (1/µo) g Bmedia Qµ = Iµ Ured Saturación: Bdiente Bmedia πD B diente = Bmedia ( t − b)nd Flujo de dispersión (Xcc): f.d.p Pred = m1 U1F I1F cosϕ1 Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 16/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Inducción en el entrehierro (Bmedia) Corriente de magnetización: Iµ Ns Iµ = ℜo Φmedia = 1/µo g Bmedia t b Qµ = Iµ Ured Bdiente Bmedia = Bdiente ((t-b) nd /(πD)) Bmedio Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 17/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Iµ Inducción en el entrehierro (Bmedia) Bdiente Bmedia = Bdiente ((t-b) nd /(πD)) PFe Saturación N Ideal (1,4 – 1,9 T) Xd (0,4,06 – 0,8 T) (0,5 – 0,95 T) (0,9 – 1,2 T) 1T Interesa: margen de sobrecarga hasta alcanzar saturación. Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 18/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Inducción en el entrehierro (Bmedia) Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 19/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Capa de corriente (A) (8000 – 25000 A-v/m) A depende: Tincr = Tp - Tamb = Pperd/(S hf) Xd D L Refrigeración Condiciona la clase de aislante Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 20/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Capa de corriente (A) Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 21/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Número de polos (p) 60 n = f s p p= 60 f ns Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 22/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Diámetro (D) PC . A. = C C . A. ( D 2 L ) Ω CCA = 1.11 π2 Bmedia Au Longitud (L). Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 23/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas L Pauta de cálculo: τ= π D 2p Diámetro (D) Longitud (L). L/τ = ( 0,6 - 1 – 1,5 – 2,0) Buen Mínimo f.d.p. coste πD ( 0,6 - 1 – 1,5 – 2,0) L= 2p Buen rendimiento Diseño equilibrado Motor fraccionario Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 24/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Diámetro (D) L/τ = ( 0,6 - 1 – 1,5 – 2,0) Longitud (L). Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 25/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Diámetro (D) Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 26/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Espesor del entrehierro (g) Interesa: Ns Iµ f.d.p. Pérdidas adicionales (campo pulsante sup) g Tanto como mecánicamente posible g Ruido magnético Experimentalmente: g = 3.06 - 6560 D + 2280 D en [mm] Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 27/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Pauta de cálculo: Longitud del entrehierro (g [mm]) Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 28/28 TEMARIO AULA: DISEÑO 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); Diámetro (D); Longitud (L); Longitud del entrehierro (g). Cálculo del estator: Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Devanado. 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 xmlopez@uvigo.es 29/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Cálculo del estator: Devanado hs A CONDUCTORES ELEMENTALES EN PARALELO bs A’ BOBINA: Conjunto de espiras (conductores) en serie. Conductores de ida están en la misma ranura (lado activo de ida). Conductores de vuelta están en la ranura (lado activo de vuelta) Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 30/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Cálculo del estator: Devanado Devanado concéntrico Mismo eje Devanado excéntrico Distinto eje Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 31/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Cálculo del estator: Devanado distribuido Para eliminar e contenido armónico del campo se distribuye el devanado. Dado que al ser una máquina trifásica, el armónico 3º se anula (bien con estrella o triángulo). Para eliminar el armónico 5º, se debe acortar el devanado 1/5 del paso polar. Del armónico 7º en adelante, se desprecian. Angulo geométrico: α Angulo eléctrico: θ = p α Angulo eléctrico paso polar: θτ = p ατ =180º Paso polar Angulo eléctrico: θτ = 180º Angulo geométrico: α=θτ/p = 180º/p θτ/5 36º θτ/5 36º θτ = 180º Paso polar: τ Los armónicos se cancelan. Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 32/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Cálculo del estator: Devanado Supuesta distribución senoidal/fase EsF = 4 Kf Kb f Ns Φmed Pu IsF = 3 UsF cosϕ η hs bs R1 Xd1 IsF UsF f1 ω1 Ns EsF I2F E2F R2 f2 Xd2 ω2 Rc Valores admisibles de densidad de corriente en conductores: Js = 3 – 6 A/mm2 (+ refrigerado) Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 33/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Cálculo del estator: Devanado Supuesta distribución senoidal/fase EsF = 4 Kf Kb f Ns Φmedio = 0,97 UsF = UsF IsF = Pu 3 UsF cosϕ η - (R1+ j Xd1) IsF scs = Ns IsF Js Lesp_s = 2 L+ 2,3 τ rsF = ρ NsIsF scS Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 34/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Cálculo del estator: Número de ranuras y dimensiones de las mismas. Abierta nrs Semicerrada Aislante nrs Coste montaje bobinas Xd = ω Ld = ω (Nc Φd) Cerrada I Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 35/28 TEMARIO AULA: DISEÑO Y CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS Tema IV Diseño de máquinas asíncronas Cálculo del estator: Número de ranuras y dimensiones de las mismas. Factor de llenado de ranura: Kr = 40 – 50 % Srs = (Ncr sc)/Kr = bs · hs Bdiente ≈ 1,7 T p Φmedia nr ts - bs = 1,7 L Bnucleo_s = 1,5 T hs hs / bs = 3 - 6 bs Φmedia De – D – 2 hs = 2 1,5 L Departamento de Enxeñería Eléctrica – Universidade de Vigo. http://webs.uvigo/lbcalmaq xmlopez@uvigo.es 36/28 TEMARIO AULA: DISEÑO 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); Diámetro (D); Longitud (L); Longitud del entrehierro (g). Cálculo del estator: Número de ranuras y dimensiones de las mismas; Devanado. 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 xmlopez@uvigo.es 37/28
