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7. Máquinas Eléctricas Rotativas

7.1 Introducción. Generalidades 7.2 Motores de inducción

7.3 Otros tipos de motores

7.3.1 Máquina Síncrona

7.3.2 Motores de corriente continua 7.3.3 Motores monofásicos

7.4 Selección de un Motor

7.4.1 Grado de protección de un motor y formas constructivas

7.4.2 Tipos de servicio

Motor de Inducción o Asíncrono

Motor Síncrono Motor de Corriente Continua

Motor Monofásico

Sistema Eléctrico Sistema Mecánico Máquina Eléctrica

Generador: P_eléctrica P_mecánica Motor: P_eléctrica P_mecánica

Máquinas eléctricas • Estáticas: Transformadores

• Rotativas: • Motores • Generadores Sistema Eléctrico - A (Tensión 1) Transformador Sistema Eléctrico - B (Tensión 2)

7.1 Introducción: Generalidades

Una máquina eléctrica rotativa es una máquina reversible

Motor Generador

Transformación

Energía eléctrica-Energía eléctrica

Transformación

→

Principio de funcionamiento como GENERADOR.

Campo magnético externo de valor constante que es visto por una espira (bobina) como variable al estar ésta en movimiento. Se induce, por tanto, una fuerza

electromotriz o potencial en los extremos de la bobina

N _S Imanes Permanentes Escobillas Fuerza Electromotriz inducida en la espira por el campo

Fuerza externa que hace girar a la

espira

Espira _Magnético Campo

+

Si se hace circular una intensidad por una bobina inmersa en un campo magnético, ésta sufre un par motor que tiende a alinear ambos campos magnéticos, el propio

de la bobina y el externo.

@Manés Fernández

N _S

Imanes Permanentes

Corriente que se hace circular por la espira Espira _Magnético Campo

Escobillas

FUERZA QUE TIENDE A HACER GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR

→

Principio de funcionamiento como MOTOR.

→

Estructura básica de una máquina eléctrica rotativa.

Rotor: Pieza cilíndrica montada sobre el eje móvil.

Estátor: Pieza cilíndrica hueca que envuelve al rotor y está separada de éste por el entrehierro.

De forma general se puede afirmar que:

# Tanto el estátor como el rotor alojan bobinas (circuitos eléctricos). # Existen dos circuitos eléctricos concatenados por un circuito magnético.

EJE (Acoplamiento mecánico)

7.1 Introducción: Generalidades

Rotor Estator Flujo Magnético

→

Clasificación de las máquinas eléctricas rotativas.

• Máquinas síncronas: Alternador

- Intensidad continua inyectada en las bobinas del rotor. - Corriente alterna en las bobinas del estátor.

• Máquinas de inducción: Motor

- Corrientes alternas en las bobinas del estátor y/o del rotor. - Intensidades en el rotor inducidas por el estátor (Motor). • Máquinas de corriente continua: Ambos

- Alimentadas en continua.

► Las máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna:

Pueden ser monofásicas o trifásicas (síncronas y de inducción)

7.1 Introducción: Generalidades

m m P =τ ⋅ω _{= 3⋅ ⋅ ⋅cosϕ} L L e V I P

(1) (2) (3) (4)

Potencia eléctrica generada (trifásica) Potencia mecánica aplicada (W) Vatios En P egundo radianes/s en giro de Velocidad metro) x (Newton Nm en motor Par m ω τ

(1)

Pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación)

(2)

Pérdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores)

(3)

Pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes parásitas)

(4)

Pérdidas en el cobre del estátor (calentamiento de conductores)

Balance Energético

→

Máquina eléctrica GENERADOR.

e e

e P j ·Q

S = +

(1)

Pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación)

(2)

Pérdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores)

(3)

Pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes parásitas)

(4)

Pérdidas en el cobre del estátor (calentamiento de conductores)

(4) (3) (2) (1)

m m P =τ ⋅ω Potencia mecánica realizada ϕ cos 3⋅ ⋅ ⋅ = _{L L} e V I P Potencia eléctrica consumida (trifásica) (W) Vatios En P egundo radianes/s en giro de Velocidad metro) x (Newton Nm en motor Par m ω τ e e e P j ·Q S = +

Balance Energético

→

Máquina eléctrica MOTOR.

7.2 Máquinas de inducción

7.2.1. Aspectos constructivos.

7.2.2. Principio de funcionamiento del motor de inducción trifásico.

• Fundamentos Teóricos • Deslizamiento

7.2.3. Circuito equivalente.

7.2.4. Balance de potencias en el motor. 7.2.5. Característica par deslizamiento.

7.2.0 Introducción.

TIPOS DE MÁQUINAS

ELÉCTRICAS

MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA GIRATORIAS

ASÍNCRONA_{ASÍNCRONA SÍNCRONA}

ALTERNADOR MOTOR MOTOR GENERADOR ESTÁTICAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA GENERADOR MOTOR TRANSFORMADOR

7.2.1 Aspectos constructivos. Sección.

Corte axial

7.2.1 Aspectos constructivos. Rotor de jaula.

Paquete magnético estatórico Cabezas de bobina Ranuras del

estátor Ranuras del

rótor Eje Anillo de cortocircuito Paquete magnético rotórico ● Su simplicidad y gran robustez son las ventajas más destacadas.

Anillos

rozantes

Anillos

rozantes

©

©L. Serrano: Fundamentos de L. Serrano: Fundamentos de

m

mááquinas elquinas elééctricas rotativasctricas rotativas

©

©L. Serrano: Fundamentos de L. Serrano: Fundamentos de m

mááquinas elquinas elééctricas rotativasctricas rotativas

Escobillas

● El circuito rotórico se cortocircuita exteriormente a través de unas escobillas (grafito) que frotan sobre los anillos rozantes.

● El inconveniente es su elevado mantenimiento.

7.2.1 Aspectos constructivos. Rotor bobinado.

Anillos rozantes y escobillas

Circuito Eléctrico Arrollamiento trifásico Bobinas preformadas o devanado preformado Bobinas de hilo esmaltado

o devanado aleatorio Estátor Circuito eléctrico estatórico Rotor Circuito eléctrico rotórico Arrollamiento (polifásico) en cortocircuito Jaula de ardilla Bobinado o Anillos rozantes Bobinas de cobre Anillos rozantes Aluminio fundido Barras soldadas Circuito Magnético Paquetes Magnéticos

Chapa magnética de acero al silicio apiladas y eléctricamente aisladas

unas de otras Entrehierro Estátor Paquete magnético Cilíndrico hueco Ranuras en la superficie interna Rotor Paquete magnético cilíndrico Ranuras en la superficie externa Estructura mecánica

Estátor: Parte fija Rotor: Parte giratoria Cilindro que puede girar sobre su eje (rotor)

en el interior de otro cilindro hueco fijo (estátor)

Caja de terminales- bornes

( bobinas del estátor )

7.2.1 Aspectos constructivos: Caja de bornes (estátor).

V1 W1 W2 U2 V2 U1 U2 V1 V2 W1 W2 U1 U2 V1 V2 W1 W2 Pletina de cobre

Devanados del motor U1 V1 W1 W2 U2 V2 Caja de conexiones Conexión en estrella Conexión en triángulo U1

Bobinas del motor (estátor)

{

7.2.1 Aspectos Constructivos: Placa de características

Motor Conexión Trifásica

Velocidad Nominal Potencia Nominal Tensión Nominal Intensidad Nominal Factor de Potencia Frecuencia Nominal

7.2.2 Principio de funcionamiento. Introducción.

Energía eléctrica Energía eléctrica

→

EL TRANSFORMADOR. Convertidor electro-mecánico •

Motor

• Generador

→

LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN. Par Velocidad Energía eléctrica C A B

Si se aplica un sistema trifásico de intensidades en 3 bobinas desfasadas entre sí 120°: ) 120 cos( 2 ) ( ) 120 cos( 2 ) ( ) cos( 2 ) ( ) 120 cos( 2 ) ( ) 120 cos( 2 ) ( ) cos( 2 ) ( ' ' ' ' ' ' ° + ⋅ ⋅ = ° − ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ° + ⋅ ⋅ = ° − ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = t B t B t B t B t B t B t I t i t I t i t I t i cc bb aa cc bb aa ω ω ω ω ω ω

→

Generación de campos magnéticos giratorios. Teorema de Ferraris

Se inducen flujos magnéticos en cada bobina, perpendiculares al plano de la bobina respectiva y

variables en el tiempo al igual que la intensidad que los

producen.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos.

El campo magnético resultante es constante en el tiempo y gira en el espacio a velocidad ω.

Cambiando las intensidades de dos devanados entre sí

El estátor de un motor de inducción está formado por tres devanados

desplazados en el espacio 120º. En la figura se representa sólo una espira de cada uno de los devanados

( aa’, bb’, cc’ )

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos.

b a a’ b’ c c’ Estator Estator Origen de ángulos Rotor Rotor

Los tres devanados están alimentados mediante un sistema trifásico

equilibrado de tensiones. Por tanto, las corrientes que circulan por las espiras

son sinusoidales y están desfasadas 120º entre si ) 120 cos( 2 ) ( ) 120 cos( 2 ) ( ) cos( 2 ) ( ' ' ' ° + ⋅ ⋅ = ° − ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = t I t i t I t i t I t i cc bb aa

ω

ω

ω

• Aparece un campo magnético giratorio. Teorema de Ferraris.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos.

) s / rad ( T p · 2 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _π = Ω

Ω1 = Velocidad de giro del campo estátorico.

(2·π/p)

= Distancia entre dos polos estátoricos consecutivos del mismo nombre y de la misma fase.

T

= Tiempo que se tarda en recorrer la distancia idem anterior. Viene impuesto por la frecuencia de la red de alimentación.

• El devanado rotorico está inmerso en un campo magnético giratorio.

• Aparece un par motor en el rotor.

- El campo magnético giratorio ( B )

induce fems en el devanado del rotor.

- Éstas a su vez provocan la

circulación de corrientes ( i ) en el devanado del rotor.

F = Fuerza que se produce en los conductores del rotor. Su sentido es el de seguir al campo magnético giratorio del estátor.

) B x L ( · i F =

i

= Corriente que circula por los conductores del rotor.

B

= Campo magnético giratorio creado por las bobinas del estátor.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos.

L

i

Magnitud dirección y sentido de la fuerza que se produce en los conductores del rotor.

Si, por ejemplo, aumentamos el número de polos magnéticos en el rotor, se puede conseguir que las bobinas del estátor “vean” un fujo giratorio de velocidad superior a la de giro del rotor.

m e

P

_ω

ω

=

⋅

2

Si P es el número de polos: Frecuencia eléctrica Velocidad de giro

► Para conseguir 50 Hz se requiere una velocidad de giro de: • 3000 rpm si tiene dos polos (un par de polos)

• 1500 rpm si tiene cuatro polos (dos pares de polos) • 1000 rpm si tiene seis polos

• 750 rpm si tiene ocho polos • 600 rpm si tiene diez polos

→

Relación entre frecuencia eléctrica y velocidad de giro.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos.

Igual número de polos en rotor y estator

Motor de

inducción

Estator Rótor

Devanado trifásico simétrico (a 120º) alimentado con sistema trifásico

equilibrado de tensiones (desfase de 120°) Espiras en cortocircuito

Sistema trifásico equilibrado

Devanado trifásico

simétrico (a 120º) Campo giratorio Ω1 = 2πf/p

Ley de Faraday

Interacción v-B FEM inducida por el campo giratorio en los

conductores del rotor Espiras en cortocircuito

sometidas a tensión. Circulación de corriente por las espiras del rotor

Ley de Biot

y Savart

Interacción i-B Fuerza sobre las

espiras del rotor

Par sobre el rotor

El rotor

gira

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulación.

El rotor del motor de inducción, siempre que funciona accionando

una carga, gira a velocidad Ωr inferior (pero próxima) a la de

sincronismo (Ω1).

Debido a que el rotor gira a una velocidad inferior (diferente) a la de

sincronismo, su velocidad se denomina asíncrona y al motor se le

nombra como asíncrono.

Cuando funciona en vacío, el único par motor que debe desarrollar

es el necesario para compensar las pérdidas (muy pequeño), por lo

que gira a una velocidad muy próxima a la de sincronismo.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento.

La velocidad Ω1 a la que gira el campo magnético creado por el

estátor se denomina velocidad de sincronismo. Su valor constituye el

límite al que pude girar el rotor cuando la máquina funciona como

motor, ya que, en caso contrario, al no existir movimiento relativo

entre los conductores del rotor y el campo, no se induciría F.E.M.

(interacción v-B) en el devanado rotórico y, por tanto, tampoco habría

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento.

Supuesto el rotor girando a una velocidad estable

Ωr

en el mismo

sentido de giro ( Ω1) del campo creado por el estátor.

• El rotor, respecto al estátor, se mueve a una velocidad de deslizamiento.

Velocidad de deslizamiento:

Ω

_des =

Ω

₁

-

Ω

_r

• Esa diferencia se denomina DESLIZAMIENTO (

s

ó

s

%) cuando se expresa como una fracción de la velocidad sincrónica (

Ω

₁ ):

s

1 r 1

Ω

Ω

−

Ω

=

s

%

·

100

1 r 1

Ω

Ω

−

Ω

=

Velocidad síncrona (rad/s)

Velocidad del rotor (rad/s)

( p u )

{

Ω

_r

=

Ω

₁

·

( )

1

−

s

y

Ω

_des

=

Ω

₁

·

s

{

( rad/s )

→

Velocidad relativa.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento.

→

Intervalo de valores del deslizamiento ( régimen motor ).

n

n

n

s

1 r 1

−

=

_·

₁₀₀

n

n

n

%

s

1 r 1

−

=

Deslizamiento :

Los motores de inducción siempre funcionan con valores de deslizamiento muy bajos: s % < 5 %

Los motores de inducción siempre funcionan con valores de deslizamiento muy bajos: s % < 5 %

100

·

%

s

1 r 1

Ω

Ω

−

Ω

=

s

1 r 1

Ω

Ω

−

Ω

=

( p u ) Rotor parado : ( p u )

n

_r

= 0

_{s = 1 ó}

_{s% = 100%}

Rotor en vacío :

n

_r

≈ n

₁

s ≈ 0 ó

s% ≈ 0%

Rotor en carga :

0 < n

_r

< n

₁

1 > s > 0

El circuito equivalente de una máquina de inducción es parecido al del transformador, con la diferencia de que el devanado estatórico

es el primario y el rotorico es el secundario.

El circuito equivalente de una máquina de inducción es parecido al del transformador, con la diferencia de que el devanado estatórico

es el primario y el rotorico es el secundario.

Además, el devanado secundario (rotorico) está cortocircuitado.

Además, el devanado secundario (rotorico) está cortocircuitado.

En la máquina real el valor de la resistencia del rotor NO depende de la velocidad de deslizamiento.

En la máquina real el valor de la resistencia del rotor NO depende de la velocidad de deslizamiento.

7.2.3 Circuito equivalente.

Analíticamente se deduce un CIRCUITO EQUIVALENTE con parámetros A ROTOR PARADO, en el que la RESISTENCIA que

representa la del ROTOR es función del DESLIZAMIENTO.

Analíticamente se deduce un CIRCUITO EQUIVALENTE con parámetros A ROTOR PARADO, en el que la RESISTENCIA que

representa la del ROTOR es función del DESLIZAMIENTO.

Los valores necesarios para obtener analíticamente los parámetros del circuito equivalente se obtienen de dos ensayos de laboratorio:

Ensayo de vacío y ensayo de rotor bloqueado.

Los valores necesarios para obtener analíticamente los parámetros del circuito equivalente se obtienen de dos ensayos de laboratorio:

Tensión de fase (Estator) Resistencia cobre rotor Reactancia dispersión rotor Resistencia potencia mecánica entregada Resistencia cobre estator Reactancia dispersión estator Reactancia magnetizante Resistencia pérdidas hierro Corriente de vacío

X

s

R

s

U

1

I

1

X

R

’

_I

R

’

X

μ

R

fe

I

fe

I

μ

I

0

R

R

’

⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − ⋅ S S ' R_R 1

7.2.3 Circuito equivalente referido a rotor parado

El circuito equivalente se plantea por fase y con conexión en estrella.

Los elementos del circuito con una

’

están referidos al estator: r_t = N_e/ N_r

Pérdidas estator Pérdidas rotor Potencia eléctrica de entrada P₁ P_cu1 p_fe1 P_fe2=0 P_cu2 P_a Potencia de entre hierro P_mi P_m Potencia útil P_u

7.2.4 Balance de potencias

Potencia mecánica interna Pérdidas mecánicas

P

_m Pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación)

P

_cu2 Pérdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores)

P

_Fe Pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes parásitas)

P

_cu1 Pérdidas en el cobre del estátor (calentamiento de conductores)

Potencia mecánica realizada

Potencia eléctrica consumida (trifásica)

Balance Energético

→

Máquina eléctrica MOTOR.

P₁

P_cu1 P_Fe P_cu2 P_m

P_u

7.2.4 Balance de potencias

Par útil: el par que es capaz de

desarrollar el motor en el eje

Pu = Pmi – Pérdidas mecánicas

Pu = Pmi – Pérdidas mecánicas

Se denomina PAR INTERNO al par total desarrollado internamente

por la máquina asíncrona.

P

_mi

M

_i

Ω

_r

=

P

_u

M

_u

Ω

_r

=

El rendimiento de un motor informa del aprovechamiento de la potencia

eléctrica absorbida por el motor para producir potencia mecánica

P

_u

η

P

₁

=

1

_{Deslizamiento S}

Par

Par de Arranque Par máximo Par Nominal 0 Velocidad de sincronismo Motor Generador Freno

s > 1

s > 1

s > 1

0 < s < 1

0 < s < 1

_{0 < s < 1}

s < 0

s < 0

_{s < 0}

2

2

1

−

−

= ,

T

T

nom arr

_{= ,}

₁

₂

₋

₋

₂

T

T

nom arr

7

2

8

1

,

,

T

T

nom max

₌

₁

_,

₈

₋

₋

₂

_,

₇

T

T

nom max

₌

₋

₋

7.2.5 Característica Par-Deslizamiento

Punto de funcionamiento Curva característica de la carga

La CARACTERÍSTICA MECÁNICA de los motores de inducción es

prácticamente LINEAL entre vacío y plena carga.

La CARACTERÍSTICA MECÁNICA de los motores de inducción es

prácticamente LINEAL entre vacío y plena carga.

El PAR MÁXIMO suele ser de 2 a 3 veces el nominal.

El PAR MÁXIMO suele ser de 2 a 3 veces el nominal.

El PAR DE ARRANQUE tiene que ser SUPERIOR al NOMINAL para

permitir que el motor se ponga en marcha y acelerar la carga

.

El PAR DE ARRANQUE tiene que ser SUPERIOR al NOMINAL para

permitir que el motor se ponga en marcha y acelerar la carga

.

Para un determinado deslizamiento el PAR varía con

el CUADRADO de la TENSIÓN.

Para un determinado deslizamiento el PAR varía con

el CUADRADO de la TENSIÓN.

7.3 Otros tipos de Motores

7.3.1 Motor Síncrono

• Introducción • Principio de funcionamiento • Características constructivas • Circuito equivalente • Funcionamiento en vacío • Funcionamiento en carga

7.3.1.1 Introducción.

TIPOS DE MÁQUINAS

ELÉCTRICAS

MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA GIRATORIAS SÍNCRONA_SÍNCRONA ASÍNCRONA ALTERNADOR MOTOR MOTOR GENERADOR ESTÁTICAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA GENERADOR MOTOR TRANSFORMADOR

¾

La

más utilizada

en la generación de energía eléctrica.

¾

Es necesario

mantener

la

velocidad rotórica constante

. La

frecuencia es proporcional a la velocidad de giro.

¾

Potencias máximas del orden de 2000 MVA.

► EL ALTERNADOR.

Energía Mecánica

en el eje

Energía

Eléctrica

Sistema III

AC

Energía Eléctrica

DC

MÁQUINA

SÍNCRONA

(ALTERNADOR)

7.3.1.1 Introducción.

) 2 cos( sen ) ( cos cos ) ( π ω ω ω ω ω θ − ⋅ ⋅ Φ = ⋅ ⋅ Φ = ∂ Φ ∂ − = ⋅ Φ = ⋅ ⋅ = Φ t t t t e t A B t MAX MAX MAX f N f N f N N E E MAX MAX MAX MAX MAX RMS y , a al Proporcion 2 2 2 2 2 Φ Φ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ Φ ⋅ = = ⋅ Φ ⋅ = = π π ω

Se hace girar un campo magnético constante (imán o bobina alimentada en continua en el rotor) en el interior de una bobina fija alojada en el estátor

Fuerza electromotriz inducida en los extremos de la bobina:

La frecuencia de la tensión inducida es la de giro de la bobina

→

Principio de funcionamiento del GENERADOR síncrono.

)

120

cos(

2

)

(

)

120

cos(

2

)

(

)

cos(

2

)

(

°

+

⋅

⋅

=

°

−

⋅

⋅

=

⋅

⋅

=

t

E

t

e

t

E

t

e

t

E

t

e

RMS c RMS b RMS a

ω

ω

ω

Se consigue un sistema trifásico de tensiones disponiendo tres bobinas en el estátor desfasadas 120° entre sí. Las tensiones inducidas estarán desfasadas de forma

simétrica.

El flujo magnético constante se consigue mediante una bobina solidaria al rotor en la que se

inyecta corriente continua

→

Principio de funcionamiento del GENERADOR síncrono.

7.3.1.2 Principio de Funcionamiento.

Rotor Æ Inductor Estator Æ Inducido

Generador

Estator Rótor

Devanado trifásico simétrico (a 120º) Devanado rotórico alimentado con

corriente continua

Rotor alimentado con cc genera

campo B cte

Rotor girando a N rpm mediante máquina motriz

Interacción v-B

FEM inducida por el campo giratorio en el estator Campo B girando misma velocidad del rotor

Tensión trifásica

a f=pN/60

7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulación.

Motor

Estator

Rótor Devanado rotórico alimentado con _{corriente continua}

Rotor alimentado con cc genera

campo B cte

Se lleva el rotor al sincronismo mediante máquina motriz externa

Campo B del estator arrastra a campo B del rotor Campos B de estator y rotor girando misma velocidad

El rotor gira

7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulación.

Devanado trifásico simétrico (a 120º) alimentado con sistema trifásico

equilibrado de tensiones (desfase de 120°)

Motor síncrono tiene par de arranque nulo

Estator alimentado con tensión trifásica

Estator genera campo B giratorio

Enganche magnético

p=1 ⇒ 3000 rpm p=2 ⇒ 1500 rpm p=3 ⇒ 1000 rpm p=4 ⇒ 750 rpm

• n = Velocidad rotórica (rpm).

• f = Frecuencia de la onda de tensión.

• p = Número de pares de polos.

p

f

n

=

60

⋅

→

Velocidad de giro del rotor (circuito inductor).

P = 1 P = 2 P = 3

→

Ejemplo: Obtención de tensión a 50Hz en función del Nº de polos.

La máquina síncrona utiliza un

ESTÁTOR constituido por un

devanado trifásico simétrico

(distribuido a 120º) idéntico a la

máquina asíncrona de inducción

El ROTOR está formado

por un devanado

alimentado desde

el exterior a través

de escobillas y

anillos rozantes con

corriente continua

El rotor puede ser liso o de polos

salientes

Industrialmente es el generador utilizado en la mayoría de las centrales

eléctricas: turboalternadores y grandes alternadores hidráulicos.

Como motor se usa principalmente cuando la potencia demandada es

muy elevada >1 MW

Velocidades de giro bajas

Velocidades de giro bajas

rotor – polos salientes

Velocidades de giro elevadas.

Turboalternadores

Velocidades de giro elevadas.

Turboalternadores

→

Estructura de la máquina síncrona. Estátor y rotor.

N N N S S Sentido de las corrientes por el rotor

N

S

Líneas de campo estátor

rotor – polos lisos

►

El Flujo magnético (excitación) es creado por un

electroimán situado en la parte giratoria de la máquina (rotor).

•

Rotor de polos salientes:

bobina del electroimán rodeando

a las expansiones polares del rotor.

•

Rotor de polos lisos:

bobina del electroimán situada en

ranuras practicadas longitudinalmente en el rotor.

P = 1 P = 2 P = 1 P = 2

Rotor

7.3.1.4 Circuito equivalente.

La F.E.M. (E) es proporcional a la corriente de excitación (I_e) del rotor. En funcionamiento como generador representa a la tensión que se

induce en el estator.

La F.E.M. (E) es proporcional a la corriente de excitación (I_e) del rotor. En funcionamiento como generador representa a la tensión que se

induce en el estator.

Xs = Reactancia síncrona = reactancia dispersión estator + reacción de inducido_{Xs = Reactancia síncrona = reactancia dispersión estator + reacción de inducido}

j Xs Rs

A

B

E I + V = ( U / √3 ) Inducido-estator

Rs = Resistencia de los conductores de las bobinas del estátor_{Rs = Resistencia de los conductores de las bobinas del estátor} Inductor-rotor I_e V_e + −

►

Impedancia síncrona

.

Circuito equivalente por fase Circuito equivalente por fase

7.3.1.5 Funcionamiento en vacío.

Velocidad de giro

Flujo

Cuando el generador trabaja en vacío no hay caída de tensión: La tensión de salida (V) coincide con la FEM (E).

Cuando el generador trabaja en vacío no hay caída de tensión: La tensión de salida (V) coincide con la FEM (E).

n

K

E

=

⋅

ϕ

⋅

ϕ = f(I

_e

)

►

Característica de vacío o de magnetización

.

V

I

_e A

Tensión en vacío

V

7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Reacción de inducido.

Cuando el alternador trabaja en vacío el único flujo existente es el

producido por la corriente continua de excitación del rotor.

El flujo total de la máquina se verá disminuido o aumentado dependiendo que la carga sea

inductiva o capacitiva.

Cuando suministra corriente a una carga, dicha corriente produce un campo magnético giratorio al circular por los devanados del estátor.

Este campo produce un par opuesto al de giro de la máquina, que es necesario contrarrestar mediante la aportación exterior de potencia mecánica.

A este efecto creado por el campo del estátor se le conoce con el nombre de

U

U

U

I

I

I

RI

RI

RI

jX

_s

jX

s

jX

s

E

E

E

Carga resistiva Carga Inductiva Carga capacitiva

U

U

U

I

I

I

RI

RI

RI

jX

_s

jX

s

jX

s

E

E

E

Carga resistiva Carga Inductiva Carga capacitiva Para una misma tensión de salida el

generador puede ceder o absorber potencia reactiva dependiendo de que la carga sea

inductiva o capacitiva

Para conseguirlo basta modificar el valor de la E (modificando el campo de excitación)

Carga

j Xs Rs E I + V Inducido-estator 0 V ) X · j R ( · I E− _s + _s − =

I

·

U

·

3

I

·

V

·

3

S

=

=

7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Régimen aislado.

El generador alimenta a una carga de forma independiente

Funcionamiento

aislado

La tensión de alimentación puede variar El factor de potencia de la carga es fijo Aumento en la excitación Aumento en la tensión de salida Aumento en potencia mecánica Aumento en la velocidad de giro Aumento en la frecuencia

7.3.1.6 Funcionamiento en carga

Funcionamiento en una red de potencia infinita

El generador está conectado a otra red en la que actúan otros generadores: su potencia es muy pequeña respecto de la

total de la red

CONEXIÓN A RED

DE POTENCIA

INFINITA

La tensión de alimentación ESTÁ FIJADA POR LA RED La frecuencia ESTÁ FIJADA POR LA RED Aumento en la excitación Aumento en la POTENCIA REACTIVA ENTREGADA Aumento en potencia mecánica Aumento de la POTENCIA ACTIVA ENTREGADA

7.3.2 Máquina de Corriente Continua

• Aspectos constructivos • Principio de funcionamiento • F.E.M. inducida • Par electromagnético • Sistemas de excitación • Reacción de inducido • Conmutación • Funcionamiento generador • Funcionamiento motor

7.3.2.0 Introducción.

TIPOS DE MÁQUINAS

ELÉCTRICAS

MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA GIRATORIAS ASÍNCRONA ALTERNADOR MOTOR MOTOR GENERADOR ESTÁTICAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA_{DE CORRIENTE CONTINUA}MÁQUINAS ELÉCTRICAS

GENERADOR MOTOR

TRANSFORMADOR

7.3.2.1 Aspectos Constructivos

Circuito Magnético

Estátor: macizo o de chapa magnética (total-parcialmente) Rótor: chapa magnética de acero al

silicio apiladas y eléctricamente aisladas unas de otras

Entrehierro

Paq. Mag. Estátor Cilíndrico hueco con piezas radiales

Rótor Paquete magnético cilíndrico Polos (inductores) salientes Ranuras en la superficie externa Estructura mecánica

Estátor: Parte fija Rótor: Parte giratoria Cilindro que puede girar sobre su eje (rótor)

en el interior de otro cilindro hueco fijo (estátor)

Circuito Eléctrico Estátor Inductor Creación del campo B Rótor Inducido Asiento de las FF.E.MM. inducidas Espiras de hilo o pletina de cobre arrolladas sobre los

polos inductores Espiras de hilo o pletina de cobre conectadas entre si y a las delgas Alimentación con corriente continua

Colector de delgas y escobillas Rectificador mecánico

que convierte las FF.E.MM. alternas inducidas en las espiras en C.C. en las escobillas

1. Yugo o culata

2. Núcleo del polo inductor

3. Expansión polar

4. Núcleo del polo auxiliar o de

conmutación

5. Extremo del polo auxiliar o

de conmutación

6. Paquete magnético del rótor

7. Arrollamiento del inducido

8. Arrollamiento inductor o de

excitación

9. Devanado de conmutación

10.Colector de delgas

11. - 12. Escobillas

1

1

2

2

₃

₃

4

4

6

6

7

7

5

5

8

8

9

9

10

10

11

11

12

12

© ©M. F. M. F. CabanasCabanas: : T

Téécnicas para el cnicas para el mantenimiento y

mantenimiento y

diagn

diagnóóstico de stico de

m

mááquinas elquinas elééctricas ctricas

rotativas

rotativas

Fotograf

Fotografíía realizada en los talleres de ABB a realizada en los talleres de ABB ServiceServiceGijGijóónn

Motor de C.C. de 6 MW fabricado por ABB

Motor de C.C. para aplicaciones de robótica Pequeños motores de C.C. de imán permanente

7.3.2.1 Aspectos Constructivos

7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Motor

@Manés Fernández

N _S

Imanes Permanentes

Corriente que se hace circular por la espira Espira _Magnético Campo

Escobillas

FUERZA QUE TIENDE A HACER GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR

Si se hace circular una intensidad por una bobina inmersa en un campo magnético, ésta sufre un par motor que tiende a alinear ambos campos

7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador

N _S N _S Escobillas Anillos rozantes Osciloscopio Instrumento de medida

La F.E.M. que se induce en la espira es alternativa (variable con el tiempo). La FEM que se obtiene a la salida de la máquina (escobillas) es la misma que se

induce en la espira (alternativa y variable en el tiempo), debido a la conexión entre los extremos de la espira y las escobillas, a través de los anillos.

©

©M. F. M. F. CabanasCabanas: : T

Téécnicas para el cnicas para el mantenimiento y

mantenimiento y

diagn

diagnóóstico de stico de

m

mááquinas elquinas elééctricas ctricas

rotativas

rotativas

Fuerza externa que hace girar la espira

Imanes o electroimanes alimentados con C.C. para la creación del campo magnético

Con la máquina girando a una cierta velocidad V, la F.E.M. que se induce en la espira es alterna: cambia de signo cada vez que se pasa por debajo de cada polo.

El colector es un dispositivo que rectifica la F.E.M. para obtener una tensión continua (unidireccional) y positiva (sin cambios de polaridad) 0 π 2π 2BlV -2BlV

E

_{N S} Polos inductores de la máquina 0 π 2π 2BlV E N S 0 π 2π 2BlV E N S

Colector elemental (2 delgas)

0 _π 2π 2BlV

E

N S 0 _π 2π 2BlV

E

N S

Colector real (muchas delgas)

V

l

B

E

= 2

⋅

⋅

⋅

0 + - + - ++ 1 2 1 2 2 1 Sentido de rotación

de la espira Colector de dos_delgas

Instante Inicial Conmutación Inversión de la polaridad

© ©M. F. M. F. Cabanas Cabanas: : T Téécnicas cnicas para el para el mantenimi mantenimi ento y ento y diagn

diagnóóstico stico

de de m mááquinas quinas el elééctricas ctricas rotativas rotativas Escobillas Colector Colector real © ©M. F. M. F. Cabanas Cabanas: : T

Téécnicas para cnicas para

el el mantenimient mantenimient o y o y diagn

diagnóóstico stico de m de mááquinas quinas el elééctricas ctricas rotativas rotativas

• El campo magnético de la máquina de CC puede obtenerse de dos formas, mediante:

– Imanes permanentes

– Electroimanes, bobinas alimentadas con CC (caso habitual):

• Según la fuente de alimentación de las bobinas se tienen dos tipos de excitación:

– Excitación independiente (o separada): la corriente que alimenta al devanado inductor procede de una fuente, independiente, externa.

– Autoexcitación: la corriente de excitación procede de la propia máquina. Según la forma de obtener esta corriente existen tres tipos diferentes de MM. de C.C.:

• Excitación serie: devanado inductor en serie con el inducido

• Excitación derivación: devanado inductor conectado directamente a las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido.

• Excitación compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra en derivación.

Ri Lex Uex

E

U_i Inducido Inductor Resistencia del inducido Tensión excitación FEM Inducida Rex Resistencia del inductor

Motor de excitación independiente

R

i

L

ex

U

ex

E

U

i

Inducido Inductor

Resistencia del inducido

R

ex

Motor de

excitación

derivación

Ri Rex Lex E Ui Inducido Inductor Resistencia del inducido

Motor de

excitación

serie

7.3.2.3 Sistemas de excitación

Ri Lex1 E Ui Inducido Inductor 1 Resistencia del inducido Inductor 2 Rex1 Rex2 Lex2

Motor de excitación

compuesta larga

Ri E Ui Inducido Inductor 1 Resistencia del inducido Inductor 2 Lex2 Rex2 Rex1

Lex1

Motor de excitación

compuesta corta

7.3.2.4 Reacción de inducido

π

2BlV

-2BlV

E

_N

_S

FEM con reacción de inducido

0

2π

Al circular corriente por el inducido se va a crear

un campo que distorsiona el campo

creado por los polos inductores de la máquina

Esta distorsión del campo recibe el nombre

de reacción de inducido

Efectos producidos por

la reacción de inducido

Desplazamiento de la “plano o línea neutra” (plano en el que se anula el campo

Disminución del valor global del campo de la máquina

Desplazamiento de la línea neutra

7.3.2.5 Conmutación

©

©MulukutlaMulukutlaS. S. Sarma

Sarma: : ElectricElectric

machines

machines

Reducción de par y aumento de velocidad Desplazamiento de la “plano o línea neutra”

POLOS DE

CONMUTACIÓN

Los polos auxiliares de conmutación compensan localmente la reacción de inducido y mejoran la conmutación

Disminución del valor global del

campo de la máquina

Problemas durante la conmutación

7.3.2.6 Funcionamiento generador

Generador de excitación independiente

R

_i

L

_ex

U

_ex

E

_U

_i

Inducido

Inductor

FEM Inducida

I

_ex

R

_ex Se hace girar el inducido y se alimenta _{el inductor. La tensión de excitación} controla la FEM

(E)

y, por tanto, la

tensión de salida

U

_i La tensión de salida crece

proporcionalmente con la velocidad de giro

n

La relación entre la corriente de excitación y la FEM inducida no es

lineal: existe saturación

ϕ

⋅

⋅

=

K

n

E

=

K

⋅

n

⋅

ϕ

E

I

K

T

_TOTAL

=

K

⋅

ϕ

⋅

I

T

_TOTAL

=

⋅

ϕ

⋅

I = Corriente de inducido i i i

E

R

I

U

_i

=

E

−

R

_i

⋅

I

_i

U

=

−

⋅

7.3.2.7 Funcionamiento motor

Ri Lex Uex E U_i Inducido Inductor Resistencia del inducido Tensión excitación FEM Inducida Rex Resistencia del inductor

Motor de exc. independiente

i i

_R

'

K

K

T

K

U

n

⋅

⋅

⋅

−

⋅

=

₂

ϕ

ϕ

i i

_R

'

K

K

T

K

U

n

⋅

⋅

⋅

−

⋅

=

₂

ϕ

ϕ

Ecuación del motor derivación e independiente i i i

E

R

I

U

i

=

E

−

R

i

⋅

I

i

U

=

−

⋅

Se alimentan el inducido y el inductor con cc. La circulación de intensidad por

el inducido (rotor) dentro de un campo magnético constante provoca un par de

fuerzas que hace girar al rotor.

La velocidad alcanzada dependerá de las tensiones de excitación e inducido, los parámetros de la máquina y del par

accionado. Característica dura

n

n

n

T

T

T

Pendiente 2 – 8% Pendiente 2 – 8% Aumento de

R

_i Aumento de

R

_i Curva par-velocidad de los

motores de excitación independiente y derivación

7.5 Motores monofásicos

• Introducción

• Principio de funcionamiento:

• Motor de fase partida

Los motores monofásicos de inducción se utilizan,

principalmente, en los electrodomésticos y máquinas herramienta.

Los motores monofásicos de inducción se utilizan,

principalmente, en los electrodomésticos y máquinas herramienta.

Su diseño es muy parecido al de los trifasicos.

Su diseño es muy parecido al de los trifasicos.

El rótor es en jaula de ardilla. El rótor es en jaula de ardilla. El devanado principal El devanado principal

El devanado estatórico está formado por dos conjuntos

de bobinas

El devanado estatórico está formado por dos conjuntos

de bobinas

El auxiliar, despalzado 90º, y alojado en las ranuras del paquete magnético estatórico.

El auxiliar, despalzado 90º, y alojado en las ranuras del paquete magnético estatórico.

7.5.1 Introducción

Devanado auxiliar Devanado principal

Motor

Monofásico

Estator Rótor

Devanado principal

alimentado con tensión monofásica Espiras en cortocircuito Tensión alterna monofásica Campo variable de dirección fija Corrientes y FEM inducida en el rotor

Ley de Biot

y Savart

Interacción i-B Fuerza sobre las espiras del rotor que

se cancelan

El rotor

NO gira

7.5.2 Principio de funcionamiento

Ley de Faraday

Necesita impulso exterior para empezar a girar cerca del sincronismo

7.5.2 Principio de funcionamiento

Par de arranque

Rotación Devanado auxiliar Devanado principal Fuente C.A.

Para producir par en el arranque es necesario crear un campo

magnético rotativo. Esto puede lograrse mediante el devanado auxiliar.

Para producir par en el arranque es necesario crear un campo

magnético rotativo. Esto puede lograrse mediante el devanado auxiliar.

Al alimentar ambos devanados, desplazados y desfasados 90º, se

generan flujos ortogonales.

Al alimentar ambos devanados, desplazados y desfasados 90º, se

generan flujos ortogonales.

Campo magnético rotativo

Campo magnético rotativo

Devanado auxiliar se desconecta al alcanzar el 75% de la velocidad de

sincronismo mediante interruptor centrífugo

Devanado auxiliar se desconecta al alcanzar el 75% de la velocidad de

sincronismo mediante interruptor centrífugo

Par de arranque

7.5.2 Principio de funcionamiento

Motor de fase partida

Interruptor centrífugo Devanado auxiliar Hilo fino Devanado principal Hilo grueso Interruptor centrífugo Devanado auxiliar Hilo fino Devanado principal Hilo grueso Condensador

Devanado principal con muchas espiras gruesas.

Devanado principal con

muchas espiras gruesas. Muy inductivaMuy inductiva

Mejora: Condensador en serie con el circuito auxiliar. Acerca el desfase entre las intensidades a la condición

ideal de cuadratura: máximo valor de par de arranque.

Mejora: Condensador en serie con el circuito auxiliar. Acerca el desfase entre las intensidades a la condición

ideal de cuadratura: máximo valor de par de arranque.

Desfase relativo entre ambas intensidades Desfase relativo entre ambas intensidades

Devanado auxiliar con pocas espiras delgadas.

Devanado auxiliar con

pocas espiras delgadas. Poco inductivaPoco inductiva

Campo giratorio y por tanto Par de arranque Campo giratorio y por tanto Par de arranque

7.5.2 Principio de funcionamiento

Motor de espira de sombra

Fuente C.A. Anillo de cobre Devanado auxiliar Devanado principal Rotación

Los motores monofásicos de espira de sombra son muy utilizados en aparatos de

pequeña potencia debido a su simple ejecución.

Los motores monofásicos de espira de sombra son muy utilizados en aparatos de

pequeña potencia debido a su simple ejecución.

El devanado auxiliar consiste en una única espira de cobre que rodea una porción de

cada polo.

El devanado auxiliar consiste en una única espira de cobre que rodea una porción de

cada polo.

El flujo principal induce otro campo

pulsante en las espiras auxiliares. La acción combinada de ambos da lugar a un débil

campo giratorio que arranca el motor.

El flujo principal induce otro campo

pulsante en las espiras auxiliares. La acción combinada de ambos da lugar a un débil

7.4 Selección de un motor.

7.4.1 Grado de protección. 7.4.2 Formas constructivas. 7.4.3 Tipos de servicio.

• El grado de protección de la carcasa de un motor frente

a la penetración de sólidos y agua se indica mediante la

designación IP seguida de dos dígitos

• IP xy

– IP (International Protection)

– x (0-6) Protección contra contacto

y penetración de sólidos

– y (0-8) Protección contra

penetración de agua

7.4.1 Grado de Protección de un Motor. UNE-20324.

1ª Cifra

• Las formas constructivas hacen referencia a la

disposición del eje del motor a la superficie de anclaje

y se indica mediante la designación IM seguida de

una letra y un número

• IM xy

– IM (International Mounting)

– x (B,V) Eje horizontal o vertical

– y (número de uno o dos dígitos)

7.4.2 Formas Constructivas. IEC 60034-7.

IM B 3

→

Disposición y montaje del motor.

7.4.2 Formas Constructivas. IEC 60034-7.

→

Disposición y montaje del motor.

7.4.3 Tipos de servicio

S1: Servicio continuo

Servicio con carga constante cuya duración es

suficiente para estabilizar la temperatura de la máquina.

Denominación:

Indicación de la potencia.

S2: Servicio de breve duración

Servicio con carga constante pero cuya duración no es suficiente para estabilizar la temperatura, seguido de una pausa lo suficientemente prolongada para que la

temperatura del motor no difiera en más de 2 K de la del medio refrigerante.

Denominación:

Mediante la duración del servicio y la potencia; por ejemplo, S2: 20 min., 15 kW.

S3: Servicio intermitente sin influencia del proceso de arranque

Servicio que se compone de una sucesión de maniobras iguales, formadas por un período de carga constante seguido de una pausa, sin que la intensidad de arranque influya apreciablemente en el calentamiento.

Denominación:

Mediante el tiempo de conexión, duración de la maniobra y

potencia. Por ejemplo, S3: 15 min/60 min, 20 kW; o por duración relativa del período de conexión tr en tanto por ciento y duración de la maniobra. Por ejemplo, S3: 25 %, 60 min., 20 kW. La indicación de la duración de la maniobra puede suprimirse cuando es de 10 minutos.

S4: Servicio intermitente con influencia del proceso de arranque

Servicio que se compone de una sucesión de maniobras iguales, que comprenden un tiempo de arranque apreciable, un tiempo con carga constante y una pausa.

Denominación:

Mediante la duración relatíva de conexión en tanto por ciento, número de arranques por hora y potencia. Por ejemplo, 84: 40 %, 520 arranques, 30 kW. Adicionalmente se indicará el momento de inercia y el par resistente durante el arranque.

7.4.4 Selección de un motor de inducción.

Seleccionar carcasa y nivel de protección (IP)

Seleccionar potencia en función de la potencia necesaria para

arrastra la carga

Seleccionar velocidad (p) en función velocidad carga

Seleccionar forma normalizada de montaje (IM) en función de

la ubicación Seleccionar clase de aislamiento en función de la temperatura esperada y ambiente de trabajo Seleccionar característica mecánica en función de par de

arranque y resistente de la carga

z Bombas centrífugas z Compresores centrífugos z Ventiladores y soplantes z Centrifugadoras

T

_R

=K· n

2 z Prensas z Máquinas herramientas

T

_R

=K· n

z Máquinas elevación z Cintas transportadoras z Machacadoras y trituradoras

z Compresores y bombas de pistones

T

_R

=K

z Bobinadoras z Máquinas fabricación chapa

T

_R

=K· n

-1

T

R

=K

T

_R

=K· n

2

n

T

_R

T

_R

=K· n

→

Tipos de cargas mecánicas. Par resistente.

T

_R

=K· n

-1

Æ Clasificación NEMA según el tipo de rotor Clase B Clase B Clase B Clase A Clase A Clase A Clase C Clase C

Clase C Clase DClase DClase D

T/ T/TnomTnom S S 1,5 1,5 2 2 2,5 2,5 3

3 z Par de arranque bajo

z Par nominal con S<5%

z Corriente arranque elevada 5 – 8

In

z Rendimiento alto

z Uso en bombas, ventiladores,

máquina herramienta, etc, hasta 5,5 kW

z Para potencias > 5,5 kW se usan

sistemas de arranque para limitar la corriente

MOTOR CLASE A

MOTOR CLASE A

http://www.lafert.com/products/pdf/2.1%20s%202004.pdf

→

Datos de catálogo.