137127806 Informe Final

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Alumnos:

Cordoba Hernan LU: 75239

Profesor:

Sandra Robles

Ayudante:

Daniela Alessio

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1 Í

Í

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1

1 Í

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NDNDIICCEE

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3

2

2 I

I

NTNTRROODDUUCCCCIIÓÓNN

-

6

6 2.1 General--- 6

2.1.1 Maquinas Eléctricas Rotativas---6

2.1.2 Características comunes ---6

2.2 Electricidad-Tensión --- 7

2.3 Corriente alterna--- 7

2.3.1 Frecuencia ---7

2.3.2 Fase---8

2.4 El Sistema Trifásico--- 8

2.4.1 Conceptos relacionados al sistema trifásico. ---9

2.5 Tensión de Servicio --- 9

2.6 Conexiones Básicas Trifásicas --- 10

2.7 Sentido de Giro de los Motores Trifásicos --- 11

2.8 Aspectos constructivos de maquinas electricas --- 12

2.8.1 Rotor y Estator. --- 12

3

3 C

C

LLAASSIIFFIICCAACCIIÓÓNN

D

EE

M

OOTTOORREESS

-

1

3

3 3.1 Clasificación de las Maquinas Rotantes --- 13

3.1.1 Tabla de Clasificación de los motores.--- 14

4

4 M

M

AQAQUUIINNAA DEDE

C

ORORRRIIEENNTTEE

C

ONONTTIINNUUAA

-

1

5

5 4.1 Descripción general--- 15

4.1.1 Catalogo de motores de Corriente continua--- 17

5

5 M

M

AQAQUUIINNAA

M

ONONOOFFÁÁSSIICCAA DEDE

C

A

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2

0

0 5.1 Descripción General --- 20

5.1.1 Arranque por Capacitor --- 21

5.1.2 Arranque por Devanados de Fase Partida--- 23

5.1.3 Catalogo de motores Monofásicos de Corriente Alterna.--- 24

6

6 M

M

OTOTOORR

S

ININCCRRÓÓNNIICCOO

-

2

6

6 6.1 Descripción General --- 26

6.2 Descripción de la Maquina Sincrónica (MS)--- 29

6.3 Convenciones de la Maquina Sincrónica (MS) --- 32

6.4 Velocidad de rotacion --- 33

6.5 Ecuaciones Generales y circuito equivalente --- 34

6.6 La Maquina Sincrónica como maquina reversible --- 36

(4)

6.8 Arranque de motores sincronicos --- 39

6.9 Catalogo de motores sincronicos--- 40

6.9.1 Por que se utilizan motores sincrónicos. --- 40

6.9.2 Nomenclatura. --- 41

6.9.3 Aplicaciones. --- 42

6.9.4 Características constructivas. --- 43

6.9.5 Características constructivas. --- 44

7

7 M

M

OTOTOORR

D

EE

I

NDNDUUCCCCIIÓÓNN

-

4

6

6 7.1 Generalidades--- 46

7.2 Aspecto constructivo--- 48

7.3 Tipos de rotores--- 49

7.3.1 Rotor Jaula de ardilla.--- 49

7.3.2 Rotor de doble Jaula de ardilla.--- 51

7.3.3 Rotor Jaula de ardilla de barra profunda. --- 52

7.3.4 Rotor Devanado. --- 52

7.4 Principio de funcionamiento --- 53

7.5 Modelo de la Máquina de Inducción --- 58

7.6 Ecuaciones de la Máquina de Inducción --- 60

7.7 Balance de potencias--- 62

7.8 Característica curva Par-Deslizamiento --- 64

7.9 Resumen del funcionamiento de la máquina asincrónica--- 70

7.9.1 Nociones Básicas. --- 70

8

8 A

A

RRRRAANNQQUUEEDEDE

M

OTOTOORREESSTRTRIIFFÁÁSSIICCOOSS

-

7

5

5 8.1 Operación de la máquina de inducción --- 75

8.2 Arranques de motores de inducción --- 75

8.3 Características de rotores en arranque --- 77

8.3.1 Rotor Jaula de ardilla. --- 77

8.4 Corriente de arranque --- 80

8.5 arranque directo --- 80

8.6 arranque estrella- triangulo --- 84

8.7 arranque Por autotransformador --- 85

8.8 arranque de motores de devanados partidos --- 86

8.9 arranque estátorico por resistencias--- 87

8.10 arranque Rotórico de los motores de anillos --- 89

8.11 arranque Electrónico--- 90

8.12 Resumen de arranques --- 92

9

9 C

C

OONNTTRROOLLDEDE

V

EELLOOCCIIDDADAD

-

9

3

3 9.1 General--- 93

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9.1.4 Regulación por variación del deslizamiento. --- 96

9.1.5 Regulación por Medio de inserción de resistencias al rotor.--- 97

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0 C

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LLAASSIIFFIICCAACCIIÓÓNN

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DEDE

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AQAQUUIINNAASSASASIINNCCRROONNIICCAASS

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8 10.1 Clasificación --- 98

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1 P

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ROROTTEECCCCIIÓÓNNDDEE

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OTOTOORREESS

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LÉLÉCCTTRRIICCOOSS

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1

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2 11.1 Introducción---102

11.1.1 Fusibles. ---102

11.1.2 Combinación del fusible y del relé de sobrecargas. ---104

11.1.3 Relé de sobrecarga magnético, de acción instantánea.---104

11.1.4 Relé de sobrecarga magnético, de acción retardada. ---105

11.1.5 Relés de sobrecarga, térmicos, de acción fusible.---106

11.1.6 Relés de sobrecarga, térmicos, bimétalicos. ---107

11.1.7 Relés de sobrecarga, térmicos, inductivo , bimetálico.---108

11.1.8 Dispositivos auxiliares. ---108

11.1.9 Relé diferencial.---108

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2 M

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ANANTTEENNIIMMIIEENNTTOODEDE

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OTOTOORREESS

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RIRIFFÁÁSSIICCOOSS

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9 12.1 General---109

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3 L

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ECECTTUURRAA DDEECACATTAALLOOGGOOSS

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3 13.1 Datos de placa ---113

13.2 Catalogo Siemens---116

13.2.1 Motores Trifásicos de uso industrial severo. ---116

13.2.2 Datos Técnicos Nominales. ---117

13.2.3 Funcionalidad. ---118

13.2.4 Rendimiento y Despiece.---118

13.2.5 Dimensiones. ---120

1

4

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ELELEECCCCIIÓÓNNDDEEUNUNMOMOTTOORR

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1 14.1 Grado de protección. ---121

14.1.1 Disposición y montaje. ---122

14.1.2 Tipos de servicio.---123

14.1.3 Procedimiento de selección. ---125

14.1.4 Tipos de cargas mecánicas. ---125

14.1.5 Clasificación NEMA. ---126

14.1.6 Datos del catalogo.---126

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EENNEERRAALL

2.1.1 Maquinas Eléctricas Rotativas

Una maquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica o energía eléctrica en mecánica. Cuando este dispositivo se utiliza para convertir energía mecánica en energía eléctrica se lo denomina generador, cuando convierte energía eléctrica en energía mecánica se lo denomina motor. Puesto que puede convertir energía eléctrica en energía mecánica se puede utilizar como generador o como motor. Casi todos los motores y generadores útiles convierten la energía de una a otra forma a trabes de la acción de campos magnéticos.

Las máquinas eléctricas se han desarrollado en un frenético proceso evolutivo que comienza a mediados del siglo XIX y que aún continúa en la actualidad. Innumerables patentes de conocidos inventores tales como Edison y Tesla, entre muchos otros, realizaron contribuciones significativas que lograron eficacia y eficiencia en la conversión electromecánica de energía. Después de todo este proceso, las máquinas convencionales presentan características comunes que permiten generalizar la descripción matemática de su comportamiento mediante las herramientas discutidas en los dos capítulos anteriores. Los modelos analíticos de las máquinas eléctricas convencionales pueden ser notablemente simplificados cuando se realizan las hipótesis apropiadas y se utilizan transformaciones de las coordenadas de las variables de estado, a sistemas de coordenadas donde el comportamiento de estos convertidores se independiza de la posición angular del rotor.

2.1.2 Características comunes

Las máquinas eléctricas rotativas convencionales presentan generalmente las siguientes características comunes:

1. Poseen un eje mecánico a través del cual se realiza el intercambio de energía. 2. Tienen una pieza estática o inmóvil denominada estator.

3. Disponen de una pieza móvil denominada rotor en el caso particular de las máquinas cilíndricas.

(7)

Para generar una corriente eléctrica a través de un cable es necesario tener una diferencia de tensión entre los dos extremos del cable - al igual que si quiere hacer que el aire se mueva a través de un conducto, necesita tener una diferencia de presión entre los dos extremos del conducto.

Si dispone de una gran diferencia de tensión, puede transportar grandes cantidades de energía por segundo a través del cable, es decir, puede transportar grandes cantidades de potencia. (Recuerde que potencia = energía por unidad de tiempo).

2

2 .

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3

3 C

C

OORRRRIIEENNTTEE AALLTTEERRNNAA

La electricidad que proviene de una batería es corriente continua (CC), es decir, los electrones circulan en una única dirección. Sin embargo, la mayoría de las redes eléctricas del mundo son de corriente alterna (CA).

Una de las razones para el uso de la corriente alterna es que resulta bastante barato aumentar o disminuir su voltaje, y cuando se desea transportar la corriente a largas distancias se tendrá una menor pérdida de energía si se utiliza la alta tensión. Otra de las razones por la que se utiliza corriente alterna es que resulta difícil y caro construir disyuntores (interruptores) para altas voltajes de CC que no produzcan chispas enormes.

2.3.1 Frecuencia

Con una corriente alterna en la red eléctrica la corriente cambia de dirección muy rápidamente, tal como se ilustra en la Figura 1: la corriente doméstica en casi todo el mundo es una corriente alterna de 230 voltios y 50 ciclos por segundo = 50 Hz (el "hercio" debe su nombre al físico alemán H.R. Hertz (1857-1894)). Al número de ciclos por segundo también se le llama frecuencia de la red. En América la corriente es de 130 V con 60 ciclos por segundo (60 Hz).

En un sistema a 50 Hz un ciclo completo dura 20 milisegundos (ms), es decir, 0'020 segundos. En ese tiempo la tensión recorre realmente un ciclo completo entre +325 V hasta -325 V. La razón por la que decimos que es un sistema a 230 voltios es que la energía eléctrica por segundo (la potencia) en promedio es equivalente a la que se obtendría de un sistema de CC a 230 voltios. Como puede ver en el gráfico, la tensión tiene una bonita variación suave. Este tipo de forma de onda se llama curva sinusoidal, debido a que puede obtenerse a partir de la fórmula matemática. Tensión = vmax * sin (360 * t * f), donde vmax es la máxima tensión (amplitud), t es el tiempo medido en segundos, y f es la frecuencia en hercios, en nuestro caso f= 50.360es el número de grados alrededor de una circunferencia. (Si prefiere medir los ángulos en radianes, sustituya 360 por 2*pi).

(8)

Figura 1

2.3.2 Fase

Dado que la tensión en un sistema de corriente alterna oscila continuamente arriba y abajo, no puede conectarse a red de forma segura un generador a menos que la corriente del generador oscile exactamente con la misma frecuencia, y vaya exactamente "al paso" con la red, es decir, que la duración de los ciclos de tensión del generador coincidan exactamente con los de la red. Ir "al paso" con la red se suele denominar estar en fase con la red.

Si las corrientes no están en fase, habrá una gran sobretensión que provocará enormes chispas, que a la larga causarán daños al circuito disyuntor (el interruptor), y/o al generador.

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IISSTTEEMMAA

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RRIIFFÁÁSSIICCOO

Las redes trifásicas de baja tensión están formadas por los tres conductores activos R, S y T, y pueden ejecutarse con o sin conductor neutro. Los conductores neutros están unidos al centro de la estrella del generador o del transformador correspondiente al lado de baja tensión. Dos conductores activos, o uno de ellos y el neutro, constituyen un sistema de corriente alterna monofásica. Ver Figura 2

(9)

En un sistema trifásico tenemos que tener claro ciertos conceptos y, además cada concepto tiene que ser interpretado según su contexto:

Fases o líneas de fase: Cuando se utiliza esta expresión es que nos estamos refiriendo a los tres conductores que conforman la línea o el tendido trifásico.

Tensión o voltaje de línea: Nos referimos a la tensión que hay entre dos fases.

Tensión o voltaje de fase: Nos referimos a la tensión que hay entre una fase y el neutro o la masa/tierra.

Voltaje trifásico: Nos referimos a la tensión de línea.

Sistema desequilibrado o desbalanceado: También podemos encontrar esta misma expresión expresada de otras maneras: corrientes desequilibradas o desbalanceadas, fases desequilibradas o desbalanceadas, etc. Cuando encontremos una expresión de este estilo quiere decir que no hay 120° de desplazamiento entre las diferentes señales senoidales de fases y puede ser un serio problema porque estaremos cargando a una fase más que a otras. Transformador de desplazamiento fase. Es un aparato o máquina eléctrica capaz de desplazar las fases. Se rige bajo el principio del transformador.

La secuencia de fases: Nos referimos al orden en que están colocadas las fases. Es importante conocer la secuencia de fases porque de ello dependerá el sentido de giro de un motor, por ejemplo.

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5 T

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EENNSSIIÓÓNN DDEE

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EERRVVIICCIIOO

La tensión existente entre dos conductores activos (R, S, T) es la tensión de línea (tensión compuesta o tensión de la red). La tensión que hay entre un conductor activo y el neutro es la tensión de la fase (tensión simple). Ver Figura 3

(10)

2

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Los bornes de los motores trifásicos están marcados de tal manera, que el orden alfabético de la denominación de bornes U, V, W, coincide con el orden cronológico si el motor gira hacia la derecha. Esta regla es válida para todas las máquinas, cualquiera que sea su potencia y su tensión. Tratándose de máquinas que sólo sean apropiadas para un sentido de giro, estará éste indicando por una flecha en la placa de características. Debajo de la flecha consta en qué orden se desconectarán los bornes con las fases correlativas de la red.

Se consigue invertir el sentido de giro, intercambiando la conexión de dos conductores de fase.

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8 A

A

SSPPEECCTTOOSS CCOONNSSTTRRUUCCTTIIVVOOSS DDEE MMAAQQUUIINNAASS EELLEECCTTRRIICCAASS

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LLAASSIIFFIICCAACCIIÓÓNN DDEE LLAASS

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AAQQUUIINNAASS

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OOTTAANNTTEESS

Para proyectar una máquina se deben tener muy en cuenta sus características físicas, es entonces necesario hacer cierta clasificación de las máquinas rotantes para identificar condiciones de similitud que permitan extender los criterios de diseño entre máquinas semejantes.

Una primera clasificación que puede hacerse es por su función:

• Generador, máquina que produce energía eléctrica por transformación de la energía mecánica. • Motor, máquina que produce energía mecánica por transformación de la energía eléctrica.

• Convertidor rotativo que convierte energía eléctrica de una forma a otra (cambiando frecuencia, convirtiendo corriente alterna en continua etc.) máquina muy utilizada en el pasado.

Si se clasifican por la fuente de energía que las alimenta o que representan se tiene: • Máquinas de corriente continúa

• Máquinas de corriente alterna y algunas de estas últimas por las características de su velocidad se clasifican en:

• Máquinas asincrónicas • Máquinas sincrónicas

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3.1.1 Tabla de Clasificación de los motores.

Monofásicos

 Polos Sombreados  Fase Dividida

 Arranque por capacitor y Operación por Inducción

 Arranque por capacitor y Capacitor de Operación

 Capacitor y Fase dividida Permanentes  Arranque por Repulsión y Operación por

Inducción MOTORES CA

Trifásicos

 Síncronos

 Asíncronos o de Inducción “Jaula de Ardilla”

 Rotor Devanado

Embobinado  Serie, Paralelo y Compuesto MOTORES CD _Imán

Permanente

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EESSCCRRIIPPCCIIÓÓNN GGEENNEERRAALL

La maquina de corriente continua consta de la parte externa en reposo, llamada estator, y del inducido giratorio en su interior llamado rotor, el cual contiene un colector.

El estator consta de un armazón o carcaza, así como los polos principales y auxiliares o de conmutación fijados a el. Los polos principales dirigen el flujo magnético al inducido (alternándose en torno a este según sus polaridades) y llevan el devanado de excitación. En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan al revés. Cuando la corriente pasa a través del rotor de un motor de corriente continua, se genera un par de fuerzas por la reacción magnética, y el rotor gira. La acción del conmutador y de las conexiones de las bobinas del campo de los motores son exactamente las mismas que usan los generadores. La revolución del rotor induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto en la dirección al voltaje exterior que se aplica al rotor, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contraelectromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover el rotor.

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Bajo carga, el rotor gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en el rotor. El motor puede así recibir más potencia eléctrica de la fuente, suministrándola y haciendo más trabajo mecánico.

Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en el rotor, deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente continua. Cuando el rotor está parado, ésta no tiene realmente resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que podría dañar el conmutador y las bobinas del rotor. El medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de encendido conectada en serie al rotor, para disminuir la corriente antes de que el motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera, la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como automática.

La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magnético que actúa sobre el rotor, así como de la corriente de ésta. Cuanto más fuerte es el campo, más bajo es el grado de rotación necesario para generar un voltaje inducido lo bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado. Por esta razón, la velocidad de los motores de corriente continua puede controlarse mediante la variación de la corriente del campo.

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de esta forma circula corriente por las espiras, como esto ocurre dentro de un campo magnético, aparecen fuerzas sobre las espiras y el rotor comienza a girar.

Como la espira gira dentro del campo lo hace cortando líneas de campo, lo mismo ocurre con las fuerzas, pero esto induce una fuerza electromotriz que se opone a la de la fuente y se denomina fuerza contra electromotriz (fcem) según la ley de Lenz.

4.1.1 Catalogo de motores de Corriente continua

Los motores de corriente continua WEG son concebidos con las más modernas tecnologías de proyecto, resultando en máquinas compactas y con excelentes propiedades dinámicas, atendiendo las más difíciles aplicaciones en las áreas de automatización y control de procesos.

Características Técnicas

La línea de motores de corriente continua WEG incluye un rango de potencia hasta 10.000 kW, con pares de 2 a 200.000 Nm, y son usados en las más diversas aplicaciones industriales, tales como, industrias de papel y plásticos, etc.

Proyectados para accionamiento a través de convertidores tiristorizados, los motores CC permiten un amplio rango de tensiones de armadura de 110 a 800 V, pudiendo ser fabricados en las carcasas 71 a 1.800 (IEC).

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EESSCCRRIIPPCCIIÓÓNN

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Los motores monofásicos, como su propio nombre indica son motores con un solo devanado en el estator, que es el devanado inductor. Prácticamente todas las realizaciones de este tipo de motores son con el rotor en jaula de ardilla. Suelen tener potencias menores de 1KW, aunque hay notables excepciones como los motores de los aires acondicionados con potencias superiores a 10KW.

Se utilizan fundamentalmente en electrodomésticos, bombas y ventiladores de pequeña potencia, pequeñas máquinas-herramientas, en los mencionados equipos de aire acondicionado, etc.

Se pueden alimentar entre una fase y el neutro o entre dos fases. No presentan los problemas de excesiva corriente de arranque como en el caso de los motores trifásicos de gran potencia, debido a su pequeña potencia, por tanto todos ellos utilizan el arranque directo.

Presentan los siguientes inconvenientes:

• Se caracterizan por sufrir vibraciones debido a que la potencia instantánea absorbida por cargas monofásicas es pulsante de frecuencia doble que la de la red de alimentación. Este fenómeno se puede observar en la figura 5.

•

"No arrancan solos”, debido a que el par de arranque es cero. Para explicar esta última

afirmación recordemos la expresión general del campo magnético en el entrehierro generado por una corriente monofásica.

(21)

momento del arranque, es decir, si ω ≠ 0, el motor comenzará a girar en uno u otro sentido, en función de cuál sea el desequilibrio aplicado.

Los sistemas ideados para el arranque de los motores asíncronos monofásicos se basan por tanto en provocar un desequilibrio entre los pares antagonistas que generan ambos campos magnéticos. Las principales realizaciones se basan en cambiar, al menos durante el arranque, el motor monofásico por un bifásico (que "arranca sólo"). Un motor bifásico tiene dos devanados en el estator, desplazados π/ (2·P). Las principales realizaciones de motores monofásicos utilizando esta técnica son:

1. Motores de arranque por condensador 2. Motores de fase partida

5.1.1 Arranque por Capacitor

Se trata de motores asíncronos monofásicos que en el momento del arranque son bifásicos. Tienen por tanto dos devanados en el inductor (que siempre está en el estator) desplazados π/ (2·P). Estos devanados son:

- El devanado principal, así denominado porque es el que recibe energía durante todo el tiempo en el que el motor está funcionando.

- El devanado auxiliar, de características idénticas al principal, pero al que se le ha añadido un condensador en serie, que es el que permite conseguir el desfasaje suficiente entre las dos corrientes. Se denomina devanado auxiliar porque sólo recibe energía eléctrica en el momento del arranque, ya que posteriormente, dicho devanado se desconecta por la acción de un interruptor centrífugo.

La estructura de este motor se muestra en la figura 6: Figura 6

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Para conseguir el arranque es necesario que las corrientes de los dos devanados estén desfasadas como puede apreciarse en la figura 7.

Figura 7

En la mayor parte de los motores monofásicos de arranque por condensador, el motor arranca como bifásico, pero cuando se alcanza una velocidad, de aproximadamente el 75% de la velocidad de sincronismo, se abre el interruptor centrífugo, funcionando a partir de ese momento como un motor monofásico propiamente dicho. En otras ocasiones, y para evitar problemas de mantenimiento, el motor es realmente bifásico, y no está provisto del mencionado interruptor.

A continuación se adjunta una figura 8 explicativa de la curva par-velocidad típica de este tipo de motores.

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Un motor de fase partida es un motor de inducción monofásico con dos devanados del estator, un devanado principal (M) y un devanado del estator auxiliar (A), ver figura 9. Estos dos devanados están a una distancia de 90 grados eléctricos entre ellos sobre el estator del motor, y el devanado auxiliar esta diseñado para que un interruptor centrífugo lo retire del circuito a cierta velocidad. El devanado auxiliar esta diseñado para tener una relación resistencia/reactancia mas alta que el devanado principal, por lo que la corriente en el devanado auxiliar esta adelantado a la corriente del devanado principal. En general, esta relación R/X más alta se logra por medio de un alambre más delgado en el devanado auxiliar. Se puede utilizar un alambre de diámetro mas pequeño en el devanado auxiliar debido a que se usa sólo para el arranque y no tiene que tomar toda la corriente en forma continua.

(24)

5.1.3 Catalogo de motores Monofásicos de Corriente Alterna.

Aplicaciones

Ventiladores, compresores, bombas, grúas, guinchos, transportadoras, alimentadoras para uso rural, trituradoras, bombas para fertilización, descargadores de silos y otras de uso general.

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Las máquinas de corriente continua y de inducción tienen un amplio rango de aplicaciones industriales tales como tracción, bombeo, control y otros. Sin embargo, la operación del sistema eléctrico de potencia requiere la conversión de grandes cantidades de energía primaria (Petróleo, gas natural, agua, carbón, uranio, viento, oleaje, luz), en energía y potencia

eléctrica. La energía eléctrica puede ser transportada y convertida en otras formas de energía en forma limpia y económica. La máquina sincrónica es hoy por hoy el convertidor más utilizado para realizar esta tarea.

Dependiendo del sistema mecánico de accionamiento (Tipo de turbina hidráulica, térmica, eólica, etc.), las máquinas sincrónicas pueden construirse de rotor liso, cuando deban operar en altas velocidades, o con rotor de polos salientes, cuando son accionadas a menor velocidad. En la figura 10 se observan tres salas de máquinas, dos de plantas de generación hidroeléctrica y una térmica.

Aun cuando un gran porcentaje de máquinas sincrónicas se emplean como generadores en las plantas de producción de energía eléctrica –debido fundamentalmente al alto rendimiento que es posible alcanzar con estos convertidores y a la posibilidad de controlar la tensión en numerosas ocasiones se emplea a nivel industrial como elemento motriz. Como otros convertidores electromecánicos, la máquina sincrónica es completamente reversible y día a día aumenta el número de aplicaciones donde puede utilizarse con grandes ventajas, en especial cuando se controla mediante fuentes electrónicas de frecuencia y tensión variable. El principal inconveniente para su uso como motor es que no desarrolla par de arranque, pero si se incluye en el rotor de la máquina un devanado auxiliar de jaula de ardilla, es posible obtener par de aceleración como motor de inducción hasta una velocidad cercana a la de sincronismo y excitar en el momento apropiado la bobina del campo, con la finalidad de sincronizar la máquina a la red mediante los pares transitorios adicionales que se obtienen durante este proceso. Si la fuente de alimentación puede reducir la frecuencia angular de las tensiones o corrientes de armadura a valores muy bajos, la máquina es capaz de sincronizarse a esa red y posteriormente ser acelerada al mismo tiempo que se incrementa paulatinamente la frecuencia de la fuente. Como la construcción de fuentes de gran potencia controladas en frecuencia es hoy día factible mediante puentes inversores con interruptores estáticos, es posible que en el futuro esta máquina incremente notablemente su importancia como accionamiento industrial e incluso desplace a las máquinas de corriente continua.

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(a) Guri en Venezuela (b) Diablo Canyon en California

(c) Guri, estator en construcción (d) Tacoa en Venezuela

(28)

Al igual que muchas máquinas eléctricas, las máquinas sincrónicas pueden operar como generador o motor. En aplicaciones industriales los motores sincrónicos son usados donde es deseada velocidad constante. Una característica importante de estos motores que pueden operar ya sea tomando o entregando potencia reactiva a la red dependiendo el nivel de excitación. Este tipo de máquinas es de doble excitación esto es: los polos del rotor son alimentados con corriente continua mientras que los bobinados del estator están conectados a la red eléctrica. Por lo tanto, el flujo en el entrehierro es la resultante de ambas excitaciones. El motor de inducción solo es excitado por las corrientes del estator, ya que las corrientes de rotor son producto de un efecto inductivo, siempre operará con factor de potencia en atraso. Es decir, que con una apropiada excitación, el motor sincrónico puede no requerir potencia reactiva de la red para su operación y trabajar con factor de potencia unitario. Aumento o disminución de la corriente de campo involucrará en un aporte o consumo de potencia reactiva a la red eléctrica con lo que se puede regular la tensión en sistemas con factor de potencia bajo.

En general la maquina sincrónica tiene en el estator el bobinado de armadura del tipo trifásico y en el rotor el enrollado de excitación alimentado con corriente continua, figura 11.

Al aplicar un juego de corrientes trifásicas simétricas y equilibradas en el bobinado de estator, se genera, un CMR que gira a la frecuencia sincrónica₍ωs). Si por otro lado se tiene al rotor

girando a ωm= ωs y se inyecta una corriente continua, If, al campo, se producirá un campo

(29)

La máquina sincrónica es un convertidor electromecánico de energía con una pieza giratoria denominada rotor o campo, cuya bobina se excita mediante la inyección de una corriente continua, y una pieza fija denominada estator o armadura, por cuyas bobinas circula corriente alterna. Las corrientes alternas que circulan por los enrollados del estator producen un campo magnético rotatorio que gira en el entrehierro de la máquina con la frecuencia angular de las corrientes de armadura. El rotor debe girar a la misma velocidad del campo magnético rotatorio producido en el estator para que el par eléctrico medio pueda ser diferente de cero. Si las velocidades angulares del campo magnético rotatorio y del rotor de la máquina sincrónica son diferentes, el par eléctrico medio es nulo. Por esta razón a esta máquina se la denomina sincrónica; el rotor gira mecánicamente a la misma frecuencia del campo magnético rotatorio del estator durante la operación en régimen permanente. En la figura 12 (a) y (b), se observa el estator y rotor de una máquina sincrónica de polos salientes.

Durante la operación de la máquina sincrónica en régimen permanente, la velocidad mecánica del rotor es igual a la velocidad angular del campo magnético rotatorio producido por el estator.

En estas condiciones, sobre los conductores o bobinas del campo no se induce fuerza electromotriz.

Para producir fuerza magnetomotriz en el rotor es necesario inyectar corriente en esta bobina mediante una fuente externa. De esta forma se obtienen dos campos magnéticos rotatorios que giran a la misma velocidad, uno producido por el estator y otro por el rotor. Estos campos interactúan produciendo par eléctrico medio y se realiza el proceso de conversión electromecánica de energía. Para que el par medio de la máquina sea diferente de cero es: 

e = p m

Donde p es el número de pares de polos

La bobina del rotor o campo de la máquina sincrónica se alimenta mediante la inyección de corriente continua, como se mencionó anteriormente, con la finalidad de producir un campo magnético de magnitud constante, semejante al de un imán permanente, pero de una intensidad mucho mayor. Debido a que el rotor de la máquina gira en régimen permanente a la velocidad sincrónica, el campo magnético constante producido en este sistema se comporta, desde el punto de vista del estator, como un campo magnético rotatorio. En la figura 13 se ha representado el esquema básico de una máquina sincrónica trifásica de polos salientes.

Para evaluar la magnitud del par en una máquina sincrónica

(30)

Donde:

 k es una constante de proporcionalidad que depende de la geometría de la máquina y de la disposición física de las bobinas

 Fe es la amplitud de la distribución sinusoidal de la fuerza magnetomotriz del estator  Fr es la amplitud de la distribución sinusoidal de la fuerza magnetomotriz del rotor





es el ángulo entre las amplitudes de las dos fuerzas magnetomotrices, conocido generalmente como ángulo de carga

Las fuerzas magnetomotrices del estator Fe y del rotor Fr tienen una amplitud constante y para que en la expresión 6 el par medio resulte constante, es necesario que el ángulo



entre las dos fuerzas magnetomotrices sea constante en el tiempo durante la operación en régimen permanente.

Para lograr esto, las dos fuerzas magnetomotrices deben girar a la misma velocidad angular. Cuando la máquina sincrónica se encuentra desequilibrada, el campo magnético rotatorio producido por las bobinas del estator es elíptico. Este campo se puede descomponer a su vez en dos campos magnéticos rotatorios circulares de sentidos contrarrotativos. Para que sea posible la producción de par eléctrico medio en estas condiciones, es necesario que la velocidad del rotor esté sincronizada con uno de los dos campos magnéticos contrarrotativos. El campo que está fuera de sincronismo y gira en el sentido contrario del rotor, produce par eléctrico transitorio, pero su valor medio es cero.

Si se cortocircuita la bobina de campo en el rotor de la máquina sincrónica, es posible en ciertos casos acelerar el rotor como si fuera un motor de inducción con rotor devanado. En el campo se inducen fuerzas electromotrices con la frecuencia del deslizamiento cuando el campo magnético rotatorio del estator corta a los conductores del campo. La fuerza electromotriz inducida en el rotor fuerza la circulación de corrientes por este devanado. Aun cuando el par eléctrico puede ser muy reducido, en algunas ocasiones este método puede ser utilizado para arrancar en la máquina sincrónica sin cargas mecánicas acopladas.

(31)

(32)

6

6 .

.

3

3 C

C

OONNVVEENNCCIIOONNEESS DDEE LLAA

M

AAQQUUIINNAA

S

IINNCCRRÓÓNNIICCAA

(

M

S

)

Desde el punto de vista constructivo se distinguen dos formas: de rotor cilíndrico y de rotor de polos salientes, como se muestra en la figura 14 a y b. Las MS de rotor cilíndrico se utilizan en aplicaciones de alta velocidad (2 y 4 polos), turbo alteradores. Las MS de polos salientes es mas apropiada para bajas velocidades (alto numero de polos) se aplica en hidrogeneradores.

En la figura 15 se ha esquematizado una máquina trifásica de un par de polos, con bobinado concentrado de paso diametral.

Como sabemos el bobinado estatórico es en realidad distribuido. En cuanto al inductor, el esquema corresponde a uno de “polos salientes”, que configura un entrehierro no uniforme. Existen inductores cilíndricos de “polos lisos”, como el representado en la figura 16, que delimitan entre estator y rotor un entrehierro uniforme. El tratamiento de este tipo de máquinas es más sencillo, fundamentalmente porque el campo magnético en el entrehierro uniforme es prácticamente radial y el flujo puede representarse por la correspondiente fuerza magnetomotriz, a través de una reluctancia prácticamente constante. Por ese motivo las máquinas de polos lisos se toman como base de todas las explicaciones que siguen, y luego se verán las modificaciones que exige la consideración de polos salientes.

Nota: Paso diametral: 360º : d P p p Numero de polos   

(33)

6

6 .

.

4

4 V

V

EELLOOCCIIDDAADD DDEE RROOTTAACCIIOONN

Para determinar la frecuencia de la onda generada, hacemos la siguiente consideración: un conductor que se desplaza de la posición (1) a la posición (2) al pasar bajo un par de polos genera: 1 ciclo – figura 17 cuando da una vuelta, genera: p ciclos girando a n vueltas / min., generará: p. n ciclos / min. En segundos será: 120 p.n rev / seg.= frecuencia en HZ por lo tanto:

.

120 Re

:

[

]

m e m e

P n

ciclos

f

segundos

voluciones

n Velocidad del rotor de la MS en

Minutos

p Numero de polos

f Frecuencia electrica Hertz







_{ }

_









 

  

_{ }

_





 



De esta expresión, para 50 Hz, se obtienen las velocidades de sincronismo, que en función de los pares de polos, son: 3.000 --- 2 polos

1.500 --- 4 polos 1.000 --- 6 polos

(34)

6

6 .

.

5

5 E

E

CCUUAACCIIOONNEESS

G

EENNEERRAALLEESS YY CCIIRRCCUUIITTOO EEQQUUIIVVAALLEENNTTEE

Cuando la máquina funciona en vacío, el único flujo presente es el de excitación, cuya variación temporal es de forma sinusoidal, dando origen a una f.e.m. generada en el devanado inducido, cuya expresión es:

. .

Ea K  

K: Constante que representa la construcción de la maquina

Este voltaje depende del flujo  en la maquina, de la frecuencia o la velocidad de rotación y de la construcción de la maquina.

En su funcionamiento en carga, habrá que considerar los siguientes aspectos:

- Además del flujo de excitaciónΦex, la circulación de corriente por el circuito inducido, origina

la presencia de un flujo de reacción cuya posición espacial depende de las características de la carga acoplada a la salida de la máquina, resultando un flujo total: ΦT = Φex +Φr

- La tensión “V_” de salida no coincidirá, generalmente, con la f.e.m. generada debiendo considerarse, además de las caídas de tensión óhmica e inductiva en el devanado inducido, la influencia en la relación de tensiones que produce el flujo de reacción.

Llamando Ea a la f.e.m. generada en carga y cuyo valor es función de la variación temporal de ΦT, se cumplirá:

. .

A A A

Ea V _ R I  jXs I

(35)

Figura 18

(36)

6

6 .

.

6

6 L

L

AA

M

AAQQUUIINNAA

S

IINNCCRRÓÓNNIICCAA CCOOMMOO MMAAQQUUIINNAA RREEVVEERRSSIIBBLLEE

Cuando el par aplicado al eje de una máquina sincrónica en servicio pasa de par motor a resistente, la corriente cambia de sentido pasando por cero, y la máquina se comporta como motor tomando energía de la línea y transformándola en energía mecánica en el eje.

Las ecuaciones fundamentales son iguales en cada caso considerando a la corriente I con su dirección y sentido fasorial al pasar de motor a generador. Como se observa en la figura 19. Figura 19

Como Generador Como Motor Ea V _ R I_A. _A jXs I. _A Ea V _ R I_A. _A jXs I. _A

La potencia que entrega a la línea es, considerando el signo del cos () correspondiente en

cada caso:

Como generador: Como motor: P=V .I.cos ()>0 P=V .I.cos () <0

Las máquinas grandes tienen un rendimiento mecánico muy elevado, mayor que el 99%, es decir que las pérdidas por rozamiento y por ventilación son menores que el 1%. También es exigua la potencia consumida en la excitatriz. En cambio no son despreciables las pérdidas por efecto Joule en el inducido. De tal manera puede aproximarse la potencia en el eje a la potencia útil Pu, que es la potencia de línea (con su signo correspondiente: positivo para el generador y negativo para el motor) menos las pérdidas Joule en los bobinados del inducido, de resistencia R (por fase):

(37)

En principio también vamos a despreciar la potencia perdida por efecto Joule en el cobre del inducido, para efectuar las siguientes consideraciones sobre el gráfico adjunto: en él hemos señalado para una máquina que funciona como motor y como generador con la misma corriente I y coseno fi inductivo en ambos casos, el lugar geométrico que une los puntos de igual potencia en el eje. Es éste una recta paralela al fasor V, ya que sobre ella es I.cos ()= constante, y la potencia vale en nuestro modelo simplificado V.I cos (f), de modo que une los puntos de igual potencia mecánica en el eje.

6

6 .

.

7

7 C

C

OONNEEXXIIÓÓNN DDEE UUNNAA

M

_M

AAQQUUIINNAA SSIINNCCRROONNIICCAA AA UUNNAA RREEDD I

INNFFIINNIITTAA

En un sistema eléctrico los generadores son conectados o desconectados de la red infinita dependiendo de la demanda.

Antes de que el alternador sea conectado a la barra infinita se deben cumplir un conjunto de condiciones para un mínimo efecto en la máquina como en el sistema de potencia, esto es: • Igualdad de voltajes

• Igual frecuencia • Igual fase

• Igual secuencia de fases

Nota: La red infinita es una idealización de un sistema de potencia, el cual es tan grande que en él no varían ni el voltaje ni la frecuencia, siendo inmaterial la manitud de las potencias activas o reactivas que se toman o suministran a él. Puede pensarse en la red infinita como una supermáquina equivalente de dimensiones descomunales, que nada que se haga sobre él puede causarle mucho efecto.

(38)

El sincronoscopio (figura 20) es un instrumento que permite verificar la secuencia y la fase entre el sistema de voltajes de la máquina entrante y el sistema de. La posición de la aguja indica la diferencia de fase entre el voltaje de la maquina entrante y la red. La dirección de giro del indicador muestra si el alternador gira mas rápido o mas lento respecto del sistema, esto es si la frecuencia de la maquina es mayor o menor que la frecuencia de la red. Cuando el indicador se mueve lentamente (es decir las frecuencias son casi iguales) y pasa por el punto de cero fase (posición vertical) el conectador se cierra, quedando el generador en paralelo con la red.

Un segundo mecanismo para sincronizar el generador al sistema eléctrico es a través de las “Lámparas de Sincronización”, en la figura 21 se muestra en forma esquemática la configuración para realizar la corrección con las lámparas.

Con la fuente motriz se ajusta la velocidad tal que la frecuencia del alternador sea lo mas cercano a la frecuencia de la red. La corriente de campo If se ajusta de manera que los voltajes VAB y Vab sean similares. Si la secuencia de fase es correcta, figura 30, las lámparas tendrán el mismo brillo y oscilaran, de acuerdo a la diferencia de frecuencias, todas a la vez. Si la secuencia de fases es incorrecta, figura 21, las lámparas brillaran alternadamente (una después de la otra), por lo que se debe intercambiar dos terminales del generador.

(39)

6

6 .

.

8

8 A

A

RRRRAANNQQUUEE DDEE MMOOTTOORREESS SSIINNCCRROONNIICCOOSS

Existen distintas técnicas para el arranque del motor, basadas en los siguientes principios: - Arranque por medio de un motor de lanzamiento hasta la conexión en paralelo con la red, exactamente igual que su funcionamiento como generador.

- Arranque como motor asíncrono y su posterior sincronización al excitar el circuito inductor. - Arranque por reducción de frecuencia en el estator hasta un valor suficientemente bajo para que el rotor pueda enganchar con el campo giratorio antes de que cambie de sentido el par. El procedimiento de arranque por medio de un motor auxiliar se basa en la conexión del motor a la red como generador. Una vez conectado, se prescinde del motor de lanzamiento, el rotor se desacelera y el campo magnético del rotor se retrasa respecto del campo resultante, pasando a funcionar como motor.

El arranque como motor asíncrono es el procedimiento más generalizado, utilizando para ello el devanado amortiguador. El devanado rotórico amortiguador da al motor síncrono las características de arranque de un motor asíncrono, y como tal se pone automáticamente en marcha al conectarlo a la red. El motor, en estas condiciones de funcionamiento, no alcanza la velocidad de sincronismo pero sí una velocidad muy próxima a ella si funciona en vacío.