MQUINAS DE INDUCCINTambin son conocidas como mquinas asincronicas. Su estator esta formado por un paquete de chapas aisladas montado en una carcasa con una serie de ranuras en su periferia donde se encuentran los hilos conductores que forman el bobinado del estator, formando tres bobinas que se corresponden a cada una de las tres fases.CIRCUITO EQUIVALENTE DE LA MQUINA DE INDUCCIN POTENCIA Y TORQUEGeneralmente las bobinas o conductores del rotor de una mquina de induccin se encuentran en cortocircuito. En muchas ocasiones no se tienen acceso al circuito rotrico y resulta conveniente reflejar la impedancia del rotor hacia el estator de la mquina. En el estator existen me fases, pero como la mquina trabaja en un sistema equilibrado de corrientes y tensiones, es suficiente representar lo que sucede en una fase de estator de la mquina. El rotor posee en el caso ms general, un nmero diferente de fases que el estator. Sin embargo al reflejar la impedancia del rotor en el lado del estator, el circuito equivalente de la mquina queda definido segn el nmero de fases del estator.

Potencia de prdidas en el rotor:

Todas las prdidas elctricas del rotor se encuentran principalmente en las resistencias de las bobinas del rotor. Como la mquina posee me fases en el estator, estas prdidas se pueden calcular mediante la siguiente ecuacin:

Ppr = me (Ie * )2. RrPotencia de prdidas en el estator:

Los conductores del estator poseen resistencia, y por esta razn en estos devanados se producen prdidas. Tambin en el hierro de la mquina se producen prdidas por histresis del material magntico y por induccin de corrientes parsitas.

Todas estas prdidas se pueden calcular mediante la siguiente relacin:

Ppe = PpRe + PpFe = me ( Ie 2 Re + RmEe 2)

La fuerza electromotriz Ee se puede calcular a partir de la corriente del estator, mediante la siguiente ecuacin fasorial:

Ee = Ve - (Re+ j Xe). IPotencia mecnica en el eje del rotor:

De la potencia que entra a la mquina por los ejes elctricos del estator, una parte se consume en los devanados de estator y otra porcin en las prdidas del hierro. El resto de la potencia de entrada atraviesa el entrehierro de la mquina y llega al circuito del rotor. En este circuito se pierde otra porcin en las resistencias de los conductores. Finalmente la diferencia entre la potencia que entr por el estator y todas las prdidas, se encuentra disponible en el eje del rotor como potencia mecnica. Este razonamiento permite calcular la potencia en el eje mediante la siguiente relacin:

Peje = Protor- Ppr = me ( Ie * )2 [ s/Rr '- Rr ' ] = me ( Ie * )2Rr ' [ s-1 /s ]

Torque elctrico:

El torque elctrico de la mquina se puede calcular a partir del cociente entre la potencia mecnica disponible en el eje, y la velocidad mecnica del rotor. De esta forma se obtiene el siguiente resultado:

Te = _rPeje = _rme ( Ie * )2 Rr ' ( s1-s ) =_e (1-s)me (Ie * )2Rr ' s(1-s)= Protor/we

La ecuacin anterior permite calcular el torque elctrico por dos vas diferentes: mediante la potencia mecnica disponible en el eje y la velocidad mecnica del rotor, o con la potencia elctrica que atraviesa el entrehierro y la velocidad sincrnica. El torque elctrico se produce en la interaccin entre las fuerzas magnetomotrices del estator y rotor tal como se ha estudiado en el captulo 5. Estas fuerzas magnetomotrices giran a la velocidad sincrnica y por esta razn el torque elctrico se puede calcular a partir de la potencia transferida al rotor y la velocidad del campo magntico rotatorio.

ENSAYOS PARA LA DETERMINACIN DE LOS PARMETROS DEL CIRCUITO EQUIVALENTE

El circuito equivalente de la mquina de induccin est definido por seis parmetros o elementos circuitales, tres resistencias que modelan las prdidas y tres reactancias que representan los flujos de dispersin y magnetizacin de la mquina. El circuito equivalente de la mquina de induccin es igual al de un transformador trifsico y por lo tanto la metodologa utilizada en la determinacin de los parmetros de este circuito puede ser utilizada en este caso, con algunas variaciones. Las variaciones se deben fundamentalmente a la presencia del entrehierro. En los transformadores, la corriente de magnetizacin es muy pequea en comparacin con la corriente nominal, por esta razn se puede despreciar esta rama cuando se desea identificar las reactancias de dispersin. En la mquina de induccin esta aproximacin es ms difcil de sostener. Adems, en un transformador generalmente se dispone de acceso a sus circuitos primario y secundario. En la mayora de las mquinas de induccin este acceso no es posible, debido a que el rotor est en cortocircuito.

Ensayo de vaco:

En esta prueba se hace girar la mquina a velocidad sincrnica, preferiblemente por un accionamiento externo. De esta forma el deslizamiento es cero y por el circuito del rotor no circulan corrientes. La mquina se alimenta a frecuencia y tensin nominal en el estator y se miden con la mayor precisin posible las corrientes por las fases, tensiones de lnea y potencia activa de entrada. Como el circuito es fuertemente inductivo es conveniente durante el ensayo utilizar vatmetros especiales para medir bajos factores de potencia. Estos instrumentos son vatmetros normales que permiten una deflexin de la aguja unas cinco veces mayor que la de un vatmetro convencional para la misma potencia.

Prueba de rotor bloqueado o ensayo de cortocircuito:

Para realizar este ensayo es necesario bloquear el rotor de la mquina de induccin. Cuando el rotor est detenido, el deslizamiento es uno. El circuito equivalente en estas condiciones es semejante al de un transformador en cortocircuito. En la identificacin de parmetros del transformador se puede despreciar la rama de magnetizacin, porque la corriente de cortocircuito es mucho mayor que la corriente de magnetizacin. La tensin de la rama de magnetizacin se deprime prcticamente a la mitad de la tensin de vaco y esto reduce an ms la corriente que circula por ella. En el transformador, la influencia de la rama de magnetizacin durante el ensayo es prcticamente despreciable.

CARACTERSTICA DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DEINDUCCINEl funcionamiento de un motor, en general, se basa en las propiedades electromagnticas de la corriente elctrica y la posibilidad de crear, a partir de ellas, unas determinadas fuerzas de atraccin y repulsin encargadas de actuar sobre un eje y generar un movimiento de rotacin.Suponiendo que un motor de induccin comercial de jaula de ardilla se haga arrancar con el voltaje nominal en las terminales de lnea de su estator (arranque a travs de la lnea) desarrollar un par de arranque de acuerdo que har que aumente su velocidad. Al aumentar su velocidad a partir del reposo (100 por ciento de deslizamiento), disminuye su deslizamiento y su par disminuye hasta el valor en el que se desarrolle el par mximo. Esto hace que la velocidad aumente todava ms, reducindose en forma simultnea el deslizamiento y el par que desarrolla el motor de induccin.Los pares desarrollados al arranque y al valor del deslizamiento que produce el par mximo ambos exceden (en el caso normal) al par aplicado a la carga. Por lo tanto la velocidad del motor aumentar, hasta que el valor del deslizamiento sea tan pequeo que el par que se desarrolla se reduzca a un valor igual al par aplicado por la carga. El motor continuar trabajando a esta velocidad y valor de equilibrio del desliza-miento hasta que aumente o disminuya el par aplicado.Se muestra la relacin entre los pares de arranque, mximo y nominal a plena carga que desarrolla un motor de induccin, como funcin de la velocidad de ste y del deslizamiento. Esta figura es presentacin grfica de la corriente y el par desarrollados en el rotor del motor como funciones del deslizamiento desde el instante del arranque (punto a) hasta la condicin de funcionamiento en estado estable (en general entre marcha en vaco y marcha a plena carga - puntos c y d) cuando los pares desarrollado y aplicado son iguales

MOTOR DE ROTOR DE JAULA DE ARDILLA El motor de rotor de jaula de ardilla, tambin llamado de rotor en cortocircuito, es el ms sencillo y el ms utilizado actualmente. En ncleo del rotor esta construido de chapas estampadas de acero al silicio en el interior de las cuales se disponen unas barras, generalmente de aluminio moldeado a presin.Las barras del devanado van conectadas a unos anillos conductores denominados anillos extremos. El bobinado as dispuesto tiene forma de jaula de ardilla.

MOTOR DOBLE JAULA DE ARDILLA

Un motor elctrico con un rotor de jaula deardilla tambin se llama "motor de jaulade ardilla". En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje.

La ranura es doble, por este motivo tiene el nombre de jaula de ardilla doble. Las dos ranuras estn separadas fsicamente, aunque en el dibujo no se observe.Este tipo de rotor tiene una intensidad de arranque de 3 5 veces la intensidad nominal, y su par de arranque puede ser de 230% la normal. stas caractersticas hacen que este tipo de rotor sea muy interesante frente al rotor de jaula de ardilla simple. Es el ms empleado en la actualidad, soporta bien las sobrecargas sin necesidad de disminuir la velocidad, lo cual le otorga mejor estabilidad.

TIPOS DE MOTORES

El motor dejaula de ardillaconsta de unrotorconstituido por una serie de conductores metlicos (normalmente de aluminio) dispuestos paralelamente unos a otros, y cortocircuitados en sus extremos por unos anillos metlicos, esto es lo que forma la llamadajaula de ardillapor su similitud grfica con una jaula de ardilla. Esta 'jaula' se rellena de material, normalmente chapa apilada. De esta manera, se consigue un sistema n-fsico de conductores (siendo n el nmero de conductores, comnmente 3) situado en el interior del campo magntico giratorio creado por el esttor, con lo cual se tiene un sistema fsico muy eficaz, simple, y muy robusto (bsicamente, no requiere mantenimiento al carecer de escobillas).

El motor derotorbobinadoTiene un rotor constituido, en vez de por una jaula, por una serie de conductores bobinados sobre l en una serie de ranuras situadas sobre su superficie. De esta forma se tiene un bobinado en el interior del campo magntico delesttor, del mismo nmero de polos (ha de ser construido con mucho cuidado), y en movimiento. Este rotor es mucho ms complicado de fabricar y mantener que el de jaula de ardilla, pero permite el acceso al mismo desde el exterior a travs de unos anillos que son los que cortocircuitan los bobinados. Esto tiene ventajas, normalmente es como la posibilidad de utilizar unreostatode arranque que permite modificar la velocidad y el par de arranque, as como el reducir la corriente de arranque.

MAQUINAS SINCRNICASEl Generador Sncrono, o tambin llamado Alternador, es un tipo de mquina elctrica rotativa capaz de transformar energamecnica(en forma de rotacin) enelctrica. A estos tambin se los conoce tambin como maquinas sncronas, la razn por la que se llama generador sncrono es la igualdad entre la frecuencia elctrica como la frecuencia angular es decir el generador girara a la velocidad del campo magntico a esta igualdad de frecuencia se le denomina sincronismo.

El generador sncrono es uno de los elementos ms importantes de un sistema de potencia, ya que ste se encarga de generar la energa elctrica que ser transmitida a grandes distancias para ser posteriormente utilizada por los usuarios.Los generadores sncronos funcionan bajo el principio de que en un conductor sometido a uncampo magnticovariable crea una tensin elctrica inducida cuya polaridad depende del sentido del campo y suvalordel flujo que lo atraviesa. Son los encargados de generar la mayor parte de la energa elctrica consumida en lared, y su respuestadinmicaresulta determinante para la estabilidad delsistemadespus de una perturbacin. Por ello, para simular la respuesta dinmica de un sistema elctrico es imprescindible modelar adecuadamente los generadores sncronos.Esta mquina funciona alimentando al rotor o circuito de campo por medio de una batera es decir por este devanado fluir CC. mientras que en el estator o circuito de armadura la corriente es alterna CA.Cuando un generador sncrono est sometido a carga, la tensin inducida sufre cambios por lo que se deber utilizar equipos auxiliares que garanticen una ptima operacin del mismo.

ESTUDIO DE LA TENSIN INDUCIDA Y EL TROQUEn la maquinas sncronas los devanados de campo estn en el rotor, por lo que los trminos devanados del rotor y devanado de campo se usan indistintamente. Por otra parte los devanados del inducido se encuentran en el estator, por lo que los trminos devanados del estator y devanados del inducido se usan indistintamente.El rotor de un generador sncrono es enesenciaun electroimn grande. Los rotores se pueden construir con sus polos salientes o no salientes.

En un generador sncrono se aplica una corriente de cd al devanado del rotor, la cual produce un campo magntico en el rotor. Enseguida, el rotor del generador gira mediante un motor primario, y produce un campo magntico giratorio dentro de la mquina. Este campo magntico giratorio induce un conjunto de voltajes trifsicos dentro de los devanados del estator del generador.Dos trminos que se utilizan comnmente para describir los devanados de una mquina son devanados de campo y devanados de inducido. En general, el trmino devanados de campo se aplica a los devanados que producen el campo magntico principal en la mquina y el trmino devanados del inducido se aplica a los devanados donde se incluye el voltaje principal. En las mquinas sncronas, los devanados de campo estn en el rotor, por lo que los trminos devanados del rotor y devanados de campo se utilizan indistintamente. De manera similar, los trminos devanados del estator y devanados del inducido se utilizan indistintamente.El rotor de un generador sncrono es en esencia un electroimn grande. Los polos magnticos en el rotor pueden ser tanto salientes como no salientes. El trmino salientes significa proyectado hacia afuera o prominente y un polo saliente es un polo magntico proyectado hacia afuera de la superficie del rotor. Por otro lado, un polo no saliente es un polo magntico construido al mismo nivel de la superficie del rotor.

DIAGRAMA FASORIAL DEL GENERADOR SINCRONO.

Debido a que los voltajes en un generador sncrono son voltajes de ca, normalmente se expresan como fasores. Y puesto que los fasores tienen tanto magnitud como ngulo, la relacin entre ellos se debe expresar en una grfica bidimensional. Cuando se hace una grfica de los voltajes dentro de una fase (, , y ) y la corriente en la fase de tal forma que se muestren las relaciones entre ellos, la grfica resultante se llama diagrama fasorial.Por ejemplo, la figura 5-13 muestra estas relaciones cuando el generador alimenta una carga con un factor de potencia unitario (una carga puramente resistiva). De la ecuacin (5-11) se obtiene que el voltaje total difiere del voltaje en los terminales de la fase por las cadas de voltaje resistivo e inductivo. Todas las corrientes y voltajes estn referenciados a y se asume arbitrariamente que tiene un ngulo de 0.

Este diagrama fasorial se puede comparar con los diagramas fasoriales de los generadores que operan con factores de potencia en retraso o en adelanto. En la figura 5-14 se pueden observar estos diagramas fasoriales. Ntese que para cierto voltaje de fase y cierta corriente del inducido se necesita un voltaje interno generado ms grande para las cargas en atraso que para las cargas en adelanto. Por lo tanto, se requiere una corriente de campo ms grande para obtener el mismo voltaje en los terminales en las cargas en retraso debido a que:

Debe ser constante para mantener una frecuencia constante.Alternativamente, para cierta corriente de campo y cierta magnitud de corriente de carga, el voltaje en las terminales es menor para cargas en retraso y mayor para cargas en adelanto.En las mquinas sncronas reales, por lo regular la reactancia sncrona es mucho ms grande que la resistencia del devanado , por lo que a menudo se desprecia en el estudio cualitativo de las variaciones de voltaje. Obviamente, para obtener resultados numricos exactos se debe considerar .

ESQUEMA EQUIVALENTEEl voltaje EA es el voltaje generado internamente y se produce en una fase del generador. Sin embargo, este voltaje EA no es, generalmente, el voltaje que aparece en los terminales del generador. De hecho, la nica vez que el voltaje interno EA es el mismo voltaje de salida en una fase V, es cuando no hay corriente del inducido que le llegue a la mquina, es decir cuando no existe carga conectada a los terminales del generador. Hay varios factores que causan la diferencia entre EA y V. La distorsin del campo magntico del entrehierro debida a la corriente que fluye en el estator, llamada reaccin del inducido. La auto inductancia de las bobinas del inducido (o armadura). La resistencia de las bobinas del inducido. El efecto de la forma del rotor de polos salientes.Para el anlisis de estos efectos se considera el rotor cilndrico, si la mquina es de rotor con polos salientes produce un pequeo error que a la final resulta insignificante.

El circuito equivalente del generador se muestra en la figura 1-8, la cual ilustra una fuente de potencia de corriente continua VFdurante la alimentacin del circuito de campo del rotor, representada por la inductancia de la bobina y su resistencia en serie. Hay una resistencia graduable Raj, en serie con RF, que controla el flujo de corriente de campo. El resto del circuito equivalente consiste en las representaciones de cada fase, en cada una hay un voltaje generado internamente con una reactancia sincrnica y una resistencia en serie RA. Los voltajes y corrientes de lastres fases estn desfasados 120

Si se conecta en Y, la tensin en bornes VL que es el voltaje entre fase y fase, se relaciona con el voltaje de fase Vque es el voltaje entre una fase y neutro, porla expresin:

Donde: VL es el voltaje entre dos fases. Ves el voltaje entre una fase y neutro.Si se conecta en , entonces:

Las fases del generador sincrnico son idnticas en todos sus valores, menos en el ngulo de fase cuando estn conectadas en Y; para obtener su equivalente en la conexin , se obtiene su equivalente por medio de la aplicacin de las ecuaciones (1.10) y (1.11).ENSAYO El primer paso es realizar el ensayo en vacoen el generador. Para este paso se debe desconectar la carga de los terminales del generador y conectar a stos un voltmetro tal como indica en la figura 1-12, luego se regula a cero la corriente de excitacin, este ensayo permite determinar el voltaje interno generado para cualquier corriente de campo dada, yse describe en la seccin 1.3.2

El segundo paso en el proceso, es realizar el ensayo de cortocircuito. Para realizarlo segradaa cero lacorriente de campo,y se coloca encortocircuito los terminales del generador por medio de un ampermetro, como indica la figura 1-13a. Luego se mide la corriente de inducido IA, a medida que se aumenta la corriente de campo Ie, en la figura 1-13b se puede observar la grfica resultante, que es la curva caracterstica de cortocircuito, se puede observar que IA vara en forma lineal ante las variaciones de corriente de excitacin.

Al poner en cortocircuito los terminales, la corriente de inducido se expresa por:

Como puede verse en la figura 1-13 a Ves igual a cero, por lo tanto la impedancia interna de la mquina seobtiene mediante:

Donde: XS es la reactancia sincrnica.ZS es la impedancia interna.Si se asume que XS>>RA esta ecuacin se reduce a:

El error al calcular XSdebido a ignorar el valor de RA es insignificante, por lo tantos e acostumbra hacer el clculo aproximado de XSempleando la ecuacin (1.18) Porlotanto,si seconoce EA por medio del ensayo en vaco, e IA con el ensayo en cortocircuito del generador, en un momento dado se puede encontrar la reactancia sincrnica XS por medio de laecuacin (1.18).POTENCIA Y MOMENTO DE TENSION EN LOS GENERADORES SINCRONOS.Un generador sncrono es una mquina sncrona que se inicia como generador. Convierte potencia mecnica EN potencia elctrica trifsica. La fuente de la potencia mecnica, el motor primario, puede ser un motor diesel, una turbina de vapor, una turbina hidrulica u otro equipo similar. Cualquiera que sea la fuente, debe tener la propiedad bsica de mantener su velocidad constante sin importar la demanda de potencia. Si esto no se cumple, entonces la frecuencia resultante del sistema de potencia podra presentar fallas (variar).

No toda la potencia mecnica que entra en un generador sncrono se convierte en potencia elctrica que sale de la mquina. La diferencia entre la potencia de entrada y la potencia de sanidad representa las prdidas en la mquina. En la figura 5-15 se muestra el diagrama de flujo de potencia de un generador sncrono. La potencia mecnica entrada es la potencia eje en el generador mientras que la potencia mecnica convertida a potencia elctrica internamente est dada por:

Donde es el ngulo entre e . La diferencia entre la potencia que entra en el generador y la potencia convertida en el generador representa las prdidas mecnicas, del ncleo y miscelneas de la mquina.La potencia elctrica de salida real de un generador sncrono se puede expresar en cantidades de lnea a lnea como:

Y en cantidad fasoriales como:

La potencia reactiva de salida se puede expresar en cantidad de lnea a lnea como:

O en cantidad fasoriales como:

Si se desprecia la resistencia del inducido (debido a que , entonces se puede deducir una ecuacin muy til para obtener una aproximacin de la potencia de salida del generador. Para deducir esta ecuacin se debe examinar el diagrama fasorial de la figura 5-16, que muestra el diagrama fasorial simplificado de un generador en que se desprecia la resistencia del estator. Ntese que se puede expresar el segmento vertical bc como . Por lo que:

Y sustituyendo esta expresin en la ecuacin (5-17) se tiene:

Debido a que se supone que las resistencias son cero en la ecuacin (5-20), no hay prdidas elctricas en el generador y la ecuacin es igual para y .La ecuacin (5-20) muestra que la potencia producida por un generador sncrono depende del ngulo entre y . El ngulo se conoce como el ngulo de par de la mquina. Ntese tambin que la potencia mxima que puede suministrar un generador se presenta cuando . A un ngulo de , y:

La potencia mxima que indica esta ecuacin se llama lmite de estabilidad esttica del generador. Normalmente los generadores nunca llegan a estar demasiado cerca de este lmite. En las mquinas reales los ngulos ms comunes del par a plena carga son de 15 a 20.Ahora analcense de nuevo las ecuaciones (5-17), (5-19) y (5-20). Si se supone que es constante, entonces la potencia real de salida es directamente proporcional a las cantidades y y la potencia reactiva de salida es directamente proporcional a la cantidad . Estos datos sin tiles para dibujar el diagrama fasorial de un generador sncrono cuando las cargas varan.Sabemos por formulas que el par inducido en este generador se puede expresar como:

La magnitud de la ecuacin anterior se puede expresar de la siguiente manera.

Donde es el ngulo entre el rotor y los campos magnticos netos (tambin llamado ngulo de par). Debido a que produce el voltaje y produce el voltaje , el ngulo entre y es el mismo que el ngulo entre y .De la ecuacin (5-20) se puede derivar una expresin alternativa para el par inducido en un generador sncrono. Debido a que , el par inducido se puede expresar como:

Esta expresin describe el par inducido en trminos de cantidades elctricas, mientras que la ecuacin proporciona la misma informacin en trminos de cantidades magnticas.

FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE LOS GENERADORES SNCRONOS. En el mundo actual es muy raro encontrar que un generador sncrono suministre independientemente su propia carga. Esta situacin slo se encuentra en algunas aplicaciones que se salen de lo normal, tales como los generadores de emergencia. En todas las dems aplicaciones de generadores hay ms de un generador que opera en paralelo para suministrar la potencia que requieren las cargas. La situacin en la red de potencia de estados unidos es un ejemplo extremo de esta situacin, en la que literalmente miles de generadores comparten la carga en el sistema.

Por qu se utilizan los generadores sncronos en paralelo? Hay muchas ventajas para ello:a) Varios generadores pueden alimentar una carga ms grande que una sola mquina.b) Tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema de potencia, debido a que la falla de cualquiera de ellos no causa la prdida total de potencia en la carga.c) Tener varios generadores que operan en paralelo permite la remocin de uno o ms de ellos para cortes de potencia y mantenimientos preventivos.d) Si se utiliza un solo generador y este no opera acerca de plena carga, entonces ser relativamente ineficiente. Con varias mquinas ms pequeas trabajando en paralelo, el posible operar slo una fraccin de ellas. Las que estn operando lo hacen casi a plena carga y por lo tanto de manera ms eficiente.

Esta seccin estudia los requerimientos para tener generadores de ca en paralelo y luego estudia el comportamiento de los generadores sncronos que operan en paralelo.