Institución	Facultad de Cs. Físicas y Matemáticas
Disponible desde	Primavera 2007
Cursos Asociados	Otras realizaciones de este Curso
Objetivos	Desarrollar en el futuro Ingeniero, las condiciones necesarias para abocarse al tratamiento de un problema de diseño, aunque no sea especialista del mismo, buscando los recursos necesarios para resolverlo y entregar la solución de ingeniería necesaria. El Taller contribuye a que el alumno tenga contacto con el mundo de la ingeniería, la que no es una ciencia exacta y para llegar a resultados en cada disciplina, emplea las matemáticas y la computación como herramientas. Es así que se deja de ver que todo es analítico con resultados perfectos y deben dejar entonces de tenerle temor a los números, entendiendo que los resultados de un diseño deben ser numéricos. A diferencia de los cursos que tienen por finalidad entregar materias de disciplinas básicas de la ingeniería eléctrica, este curso de Taller de Diseño se basa en métodos que han sido desarrollados a partir de esas disciplinas básicas, para efectuar el diseño de un equipo eléctrico. Es una disciplina profesional de la ingeniería, por lo cual no hay que esperar que todo sea presentado análiticamente con demostraciones como a las que estamos acostumbrados, con variables representadas sólo por letras y sin asignar valores numéricos. Aquí es imprescindible no tenerle miedo a los números y ponerle valores a las variables, para así dimensionar los elementos. Pues, en diseño, es imprescindible dar todas las dimensiones para que el equipo pueda ser después construido, que es la finalidad última, permitir que el equipo diseñado sea fabricado.
Descripción	El propósito del Taller es desarrollar habilidades en el diseño de ingeniería correspondiente a equipos eléctricos o electromecánicos, haciendo hincapié en que el Ingeniero debe entregar los resultados numéricos de dimensiones, parámetros y variables que permitan llevar a cabo la construcción del equipo.. El taller está concebido para que además de asistir a clases, los alumnos trabajen en ellas presentando sus avances y estudien además en forma personal. Será necesario consultar bibliografía y buscar catálogos e información técnica, ya que es normal en el ejercicio de la ingeniería contar con este tipo de datos. El tema será el diseño de motores de inducción de rotor de jaula de ardilla. Particularmente, motores de inducción 3f de rotor de jaula simple, 380 V., 50 Hz., de distintas potencias:2,0 2,5 5,0 7,5 10 12 15 20 25 30 H.P. VARIABLES EMPLEADAS EN EL DISEÑO DE MOTORES DE INDUCCION TRIFASICOS ROTOR DE JAULA DE ARDILLA · ESPECIFICACIONES 1. Potencia nominal Pn (H.P.) 2. Voltaje en bornes entre fases V (Volts) 3. Voltaje en bornes fase neutro E (Volt) 4. Frecuencia de la red f (Hertz) 5. Velocidad síncrona ns (r.p.m.) 6. Factor de potencia nominal cos j 7. Rendimiento en condiciones nominales h 8. Deslizamiento a plena carga s (p.u.) · DISEÑO DEL ESTATOR I. DIMENSIONES GENERALES, CIRCUITO MAGNETICO Y ELECTRICO 9. Corriente de estator I1 (A) 10. Número de ranuras por polo y por fase Npf 11. Número de ranuras por polo Np 12. Número de ranuras del estator Ne 13. Paso de la ranura le (mm) 14. Paso del polo tp (mm) 15. Diámetro del entrehierro D (mm) 16. Nº de conductores por ranura C 17. Carga específica del estator q (A/cm) 18. Nº de conductores en serie por fase Z 19. Tipo de enrrollado: Enrrollado imbricado, distribuído, Npf ranuras por polo y por fase, en doble capa, de paso completo. 20. Factor de distribución del embobinado kd 21. Factor de paso kp 22. Factor de bobinado kb 23. Flujo en el entrehierro por polo f (Weber) 24. Densidad de flujo promedio en el entrehierro Beh (Wb/m2) 25. Volumen material activo (ecuac. de rendimiento) D2la (m3) 26. Longitud axial del estator la (mm) 27. Espesor chapas de fierro ln (mm) 28. Cantidad de chapas para dar la longitud 29. Longitud neta de fierro (considerando ductos de ventilación) ln (mm) 30. Ancho del diente de (mm) 31. Densidad de flujo máxima en el diente Bde (Wb/m2) 32. Ancho de la ranura en el entrehierro we1 (mm) 33. Conductor utilizado sección (mm2) 34. diámetro (mm) 35. resistencia a 75ºC (W/m) 36. peso (gr/m) 37. Densidad de corriente en los devanados D (A/mm2) » 4 38. Factor de utilización de la ranura f.u. » 0,4 39. Sección de la ranura SR (mm2) 40. Profundidad de la ranura he (mm) 41. Ancho de la ranura en el fondo we3 (mm) 42. Espesor del yugo ye (mm) 43. Densidad de flujo máxima en el yugo Bye (Wb/m2) 44. Diámetro externo del estator Dext (mm) 45. Entrehierro e (mm) II. CALCULO DE LA CORRIENTE MAGNETIZANTE 46. Entrehierro equivalente e’ (mm) e’=kc1kc2e; kc1, kc2 son los factores de Carter del estator y rotor respectivamente. Consideran el hecho de que las ranuras producen el mismo efecto que si aumentara el entrehierro. La proporción de aumento corresponde al factor de Carter, el cual es siempre > 1 y fue deducido por el Dr. F. W. Carter en 1899. 47. Fuerza magnetomotriz en el entrehierro Fe (Amperes vuelta) 48. F.m.m. en los dientes del estator Fde (Amperes vuelta) 49. F.m.m. en el yugo estator Fye (Amperes vuelta) 50. Factor de saturación Ks = (Fe+Fde+Fye)/Fe 51. Corriente magnetizante Im = 930 p Beh e’ks / Z kb III.PERDIDAS DEL ESTATOR Pérdidas Joule en los devanados 52. Longitud media por vuelta lv (cm) 53. Longitud de conductores en serie por fase lc cm) 54. Resistencia del devanado por fase r1 (W) 55. Pérdidas Joule Wje (Joules) Pérdidas en el fierro en yugo y dientes 56. Peso del yugo Py (kg) 57. Peso de los dientes Pd (kg) 58. Densidad de flujo en el yugo Bye (Wb/m2) 59. Pérdidas según curva de pérdidas fierro (Watts/kg) 60. Pérdidas en el yugo Wy (Watts) 61. Densidad de flujo en los dientes Bde (Wb/m2) 62. Pérdidas dientes según curva de pérdidas (Watts/kg) 63. Pérdidas en los dientes Wd (Watts) 64. Pérdidas en el fierro estator Wy + Wd (Watts) IV. REACTANCIA DE FUGA DEL ESTATOR POR FASE x1 (W) 65. Permeancia lineal de ranura pr1 (p.u.) 66. Permeancia lineal zig zag o de cabezas de dientes pz 67. Permeancia lineal de cabezas de bobinas pcb V. PARAMETROS DEL CIRCUITO DE EXCITACION Circuito equivalente por fase 68. Tensión inducida Ei = E - xi Im Ei (V) 69. Resistencia de pérdidas (pérdidas totales fierro) rp (W) rp = 3 Ei2/WF 70. Reactancia de magnetización xm xm = Ei / Im · DISEÑO DEL ROTOR DE JAULA SIMPLE I. RELACIONES PRELIMINARES REFERENTES AL ROTOR 71. Número de ranuras Nr 72. Paso de la ranura lr = p D/Nr lr (mm) Inclinación de las barras del rotor: El diseño de las barras del rotor es inclinadas con respecto a la longitud axial (sesgo de las barras, por ej. en una ranura), contribuye muy favorablemente a eliminar los problemas de funcionamiento no uniforme, peaks síncronos en la curva t - n, vibraciones y funcionamiento ruidoso. 73. Corriente por barra Ib = I2’(3 kb Z) / Nr Ib (A) EM = E - (r1 + j x1) I1 Im = EM / j xm rp >> xm Þ I2’ = I1 - Im II. PARAMETROS DEL ROTOR 74. Resistencia del rotor por fase referida al estator r2’ (W) 75. Reactancia del rotor por fase referida al estator x2’ Se seleccionan en función del torque de partida tabulando r2 y x2 para dar tp requerido. III.DISEÑO DE LAS BARRAS Y ANILLOS Secciones de las barras y anillos 76. Resistividad de las barras y anillos (Al o Cu) r (W mm2/m) 77. Longitud de una barra Lb (cm) 78. Diámetro medio anillo Da (cm) 79. Sección de una barra Sb (mm2) 80. Sección anillos Sa (mm2) 81. Densidad de corriente en barras Db (A/mm2) 82. Densidad de corriente en anillos Da (A/mm2) Dimensiones de anillos y barras para lograr la reactancia x2 83. Permeancia lineal de ranura pr2 (p.u.) 84. Permeancia lineal zig zag pz 85. Permeancia lineal fugas en los anillos pa x2 = 2pf (2,51/108) C2 (p/2) Npf la ( pr2 + pz / 2 + pa ) kb (Ne/ Nr ) (W) 86. Espesor del diente en la parte más angosta dr3 (mm) 87. Densidad de flujo máxima en el diente Bdr (Wb/m2) IV. VERIFICACION DE LA CORRIENTE MAGNETIZANTE 88. Cálculo exacto del factor de saturación Ks, para el que anteriormente se estimaron las caídas magnéticas del rotor. Im(A) · COMPORTAMIENTO ELECTROMECANICO Cálculo de las variables, a partir del circuito equivalente, en función del deslizamiento: 89. I2’ corriente de rotor referida al estator 90. Wjr pérdidas Joule rotor 91. Ie corriente de estator 92. Wje pérdidas Joule estator 93. EM tensión rama de magnetización 94. WF pérdidas en el fierro 95. P potencia desarrollada 96. t torque 97. Pe potencia de alimentación 98. h rendimiento 99. cosj factor de potencia · CALENTAMIENTO · CALCULOS MECANICOS · COSTOS
Metodología	Las unidades temáticas se trabajarán: - En lo teórico: Clases del Profesor, tipo presentación powerpoint y en pizarra, trabajo personal de cada alumno, trabajos en grupos de los cuales saldrán los Informes de Avance y el Informe Final. - En lo práctico: recolección de información sobre especificaciones y curvas de elementos y materiales que se emplean en la construcción de motores. Solicitud de precios de elementos y materiales. No está considerada la construcción del equipo diseñado. RESUMEN DE RED DE CONTENIDOS Y ACTIVIDADES (clases de 2 horas) - Preámbulo, el Curso de Taller de Diseño II en Sistemas de Potencia, el tema del Taller, diseño de un motor de inducción de rotor de jaula de ardilla, bibliografía. 1 clase - Presentación de todas las variables que conforman el método de diseño, visión global del diseño del motor. - Temas que se deben investigar: Normas, Frames de motores, características de fierro silicoso para construcción de motores, curvas de magnetización y de pérdidas para fierro silicoso calidad motor. 2 clases - Revisión de métodos de diseño de equipos eléctricos, diagramas de flujo. En particular diagrama de flujo relacionado al método que se aplicará en el taller - Proceso esquemático de fabricación de motores de inducción trifásicos de rotor de jaula de ardilla. - Tema de motores de alta eficiencia. 1 clase - Especificaciones técnicas del motor a diseñar. - Diseño del estator, bobinado, cálculo de las pérdidas en el cobre y en el fierro, cálculo de la corriente magnetizante, determinación de los parámetros del circuito equivalente por fase a partir de los valores obtenidos para las variables de diseño del estator. - Informe de Avance Nº1. Presentación. 4 clases - Diseño del rotor, determinación de los parámetros del circuito equivalente del rotor por fase referidos al estator a partir de las especificaciones del torque de partida y del deslizamiento de diseño. 2 clases - Dimensionamiento del rotor a partir del circuito equivalente: cantidad de ranuras, dimensionamiento de las barras y de los anillos. - Cálculo del eje. - Informe de Avance Nº2. Presentación. 3 clases - Cálculo del comportamiento del motor diseñado: de las variables en función de la velocidad o del deslizamiento. - Estimación del calentamiento. 1 clase - Programa tentativo de fabricación. - Estimación del costo de fabricación de un prototipo - Informe Final. (Presentación en el Examen). 1 clase Total: 15 clases de 2 horas c/u
Evaluación	Se coloca una sola nota, la nota final. Se exige cumplimiento en todo: Informe de Avance Nº1, Informe de Avance Nº2, Informe Final, esquemas y planos del diseño, lista de materiales, carta Gantt tentativa de la fabricación de un prototipo, estimación del costo de un prototipo.
Horario	Jueves de 18:00 a 20:00 hrs.
Comentarios	BIBLIOGRAFÍA. · Elementos de Diseño de Máquinas Eléctricas (CECSA), Still and Siskind. · Teoría y Construcción de las Máquinas de Corriente Alterna Asincrónicas, La Escuela del Técnico Electricista (LABOR), A. Von Konigslow. · Cálculo Industrial de Máquinas Eléctricas (DANAE), J. Corrales. · Máquinas Eléctricas, Stephen J. Chapman (McGRAW HILL INTERAMERICANA S.A., Colombia). · Memoria de Título Jorge Romo L. · Memoria de Título Augusto Lucero A. · Memoria de Título Humberto Machuca · Memoria de Título Marcelo Villagrán. · Otras Memorias de Diseño de Motores de Inducción de la Biblioteca · Documentos de apuntes del curso agregados en la página u-Cursos. · Introducción al curso. · Introducción al método de diseño. · Proceso esquemático de construcción de motores de inducción trifásicos de rotor de jaula de ardilla. · Aspectos de motores de inducción de alta eficiencia (Prof. Jorge Romo López) · Diseño del estator. · Bobinado del estator. · Esquemas de bobinados, en Excel y en Autocad. · Algunos cálculos del estator. · Sobre las ranuras. · Planillas de cálculo. · Cálculo del eje. · Estimación del calentamiento. · Guía para la estimación del costo de construcción de un prototipo. · Algunos aspectos del curso en powerpoint. · Sitios web. www.telesat.com.co/ ... mens/cat_motores.pdf www.monografias.comtrabajos10/motore.shtml www.directindustry.es
Programa del Curso	2007_0_EL67B.pdf
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