UNAMAD: CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS: 9. i@402 clase 11jul13

CONcEptoS generales de maquinas ELECTRICAS

Ing° Saúl Montalván Apolaya C.I.P. 72943

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a) Potencia b) Tensión c) Corriente d) Factor de potencia

e) Frecuencia f) Rendimiento g) El campo magnético

4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. Es necesario definir las características fundamentales de las maquinas eléctricas, y ellos son:

a) Potencia.- En general es la potencia útil, que entrega o produce una máquina eléctrica en sus terminales de salida. La potencia útil en los generadores y transformadores es la “potencia eléctrica” lo que comúnmente llamamos potencia en los bornes, mientras que en los motores es la potencia mecánica, llamado también potencia en el eje.

Potencia nominal.- La potencia nominal de una maquina eléctrica es la potencia útil disponible que entrega o produce en régimen nominal, es decir, en las condiciones especificas de diseño (temperatura ambiente, duración de funcionamiento, etc.) que les ha sido asignados por el constructor y a los valores nominales de las RPM, tensión y corriente, la frecuencia, factor de potencia y temperatura de trabajo ≤ 75°C.

Entendiéndose por duración de funcionamiento a si es continuo o intermitente. 12/07/2013 Circuitos y Máquinas Eléctricas 2

4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. La potencia que entrega la maquina cuando funciona en condiciones diferentes a las

nominales se les llama POTENCIA UTIL O DE TRABAJO, ya que en la práctica la maquina eléctrica no siempre entrega su potencia nominal, sino que entrega lo que exige la carga; de allí que si entrega su potencia nominal (o potencia máxima ideal de diseño) se dice que trabaja a plena carga y cuando la carga es nula, se dice que trabaja en “vacio”.

Cualquiera sea su régimen de carga (exigencia), una maquina eléctrica en servicio esta siempre sujeto a generar perdidas, que se traduce en generación de calor y por ende en la elevación de temperatura de sus órganos. Luego, cuando la maquina entrega la potencia nominal, ocurre en ellas perdidas mecánicas, pero, no se producirá sobre elevación de temperatura que pueden dañar los arrollamientos, aislantes, etc. ni aparecerán corrientes de excitación o magnetización elevadas.

Técnicamente es necesario mantener una temperatura admisible de trabajo ≤ 75°C, sustrayendo calor generado por las perdidas mediante la acción de agentes refrigerantes tales como: aire, gas, aceite aislante o camisas de agua circulante.

EN CONCLUSIÓN: “La potencia nominal de un TRANSFORMADOR es su potencia aparente en los bornes del secundario; la potencia nominal de un GENERADOR es su potencia aparente en sus bornes (salida); la potencia nominal del MOTOR es la potencia mecánica disponible en el eje (salida). Las que figuran en las placas de las maquinas eléctricas son siempre las potencias nominales”.

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4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas.

Potencia eléctrica.- Es la potencia aparente que involucra a la potencia activa (transformable a potencia mecánica) y la potencia reactiva (la que crea el campo magnético).

Potencia aparente (S).- Es la potencia eléctrica total de una maquina eléctrica que involucra tanto a la potencia activa como a la reactiva, sea maquina de corriente continua (c.d.) o de corriente alterna (c.a.) monofásica(1). La potencia aparente es el producto de la tensión por la corriente:

S = V.I Con la unica diferencia de que en la maquina de corriente continua la potencia

aparente toma el nombre también de potencia activa, pues, no existe potencia reactiva.

La potencia aparente de una maquina polifásica (varias fases) balanceada, es el producto de la tensión de fase (Vf) por la corriente de fase (If) y por el factor de fase “K”. Por ejemplo, en caso de un sistema trifásico (3) tenemos:

NOTA: Para el sistema monofásico (1): K = 1

3,3 K:donde IKVS ff

ffIV S 33


Conexión estrella:

If = ILínea

Conexión triangulo:

Vf = VLínea

1

VV , IV S fLfy3 3

3

II , IV S LffL3 3

Siendo:

Las unidades de la Potencia Aparente son:

Para corriente alterna son el voltio–amperio (VA), Kilo voltio–amperio (KVA) y el Mega voltio–amperio (MVA).

Para corriente continua son el Watts (W), el Kilo watts (KW) y el Mega watts (MW)



4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. Potencia activa (W).- Es la potencia eléctrica que realmente se transforma en el

accionamiento mecánico (Potencia mecánica) o viceversa. En corriente alterna (c.a.), si las tensiones y corrientes son sinusoidales la potencia

activa de la maquina (sea 1 ó 3) es el producto de la potencia aparente por el

Factor de Potencia (Cos ), veamos:

V.I.CosW 1 V.I.Cos W 33

Siendo el ángulo de fase entre V e I:

V

I

En corriente continua (c.d.) debido a que las corrientes y tensiones no varian, es lo

mismo decir, potencia activa o potencia aparente, puesto que = 0° ⇒ Cos = 1°

c.d.c.d.

1

c.d.c.d.c.d.c.d. IV CosIV WS

c.d.c.d.c.d.c.d. IVWS

Por su definición la Potencia Activa es equivalente a una potencia mecánica realmente disponible y por lo tanto sus unidades son:

Watt (W), Kilo Watts (KW) o Mega Watts (MW)


4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. En la práctica todavía se usa frecuentemente como unidades de Potencia mecánica el

caballo de fuerza (Horse Power), cuya equivalencia con el KW es:

(0,736),75

F.VW

Donde: W = potencia, KW F = fuerza tangencial, Kg V = velocidad periférica, m/s

Si: d = 2r = diámetro del eje de rotación o de la polea. n = N° de revoluciones por minuto, tendremos:

(0,736)(75)(60)

.2r.nF.W

60

2r.n V

Además: M = F.r = Torque, Kg–m :

(0,736),(75)(60)

.2M.n.W

en KW ⇒ Potencia mecánica en función del torque (par) y las (RPM)

Así mismo, la Potencia Eléctrica como Potencia Activa, es:

(HP)(746)

V.I.Wη

Cosφ

, )(V.I.

(HP)746

Cosφ en (HP).

Donde: (HP) = potencia mecánica, HP

ɳ = eficiencia de la maquina.

W = potencia activa, watts


4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. Potencia Reactiva (Q).- Es la característica propia de las maquinas de corriente

alterna, sean estas monofásicas(1) o polifásicas (n).

La potencia reactiva para tensiones y corrientes sinusoidales es el producto de la potencia aparente por el seno del ángulo de fase (Sen ) y en valor absoluto esta dada por la formula:

22 activa) (Potenciaaparente) (PotenciaReactiva Potencia

Las unidades son: El Voltio–Amperio–Reactivo (VAR), Kilo–Voltio–Amperio–Reactivo (KVAR), Mega–

Voltio–Amperio–Reactivo (MVAR). La trilogía vectorial (mediante teoría de fasores) cumple:

222 QWS

)V.I(Q 1 Sen

En uso practico son equivalentes expresar: “Potencia Reactiva Capacitiva” o “Potencia Reactiva Suministrada”, y “Potencia

Reactiva Inductiva” o “Potencia Reactiva Absorvida” Tengamos en cuenta que la Potencia Reactiva es una sóla, sino que por razones de

facilidades prácticas se le ha puesto el adjetivo de “CAPACITIVO” o “INDUCTIVO”.

22 WSQ

)S(Q Senφ

)V.I( Q3 Sen3

W

QS

W

S Q


4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. b) Tensión (V).- Es la diferencia de potencial entre los bornes de salida electrica en

GENERADORES y TRANSFORMADORES, y bornes de entrada en los MOTORES. En servicio normal la tensión es función de la carga, en algunos casos dependen de los órganos reguladores adicionales.

Tensión nominal.- Es aquella para la cual la maquina ha sido diseñada (o dimensionada), es la que figura en la “placa característica” y para la cual valen las garantías del fabricante. Lo nominal se designa con el subíndice N que acompaña al símbolo de la tensión; entonces la tensión nominal seria: VN o UN. Para esta tensión nominal están previstas los aislantes, resistencias térmicas y magnéticas de las partes constructivas, protección adjunta, etc.

Tensión de servicio.- Es el valor de la tensión en los bornes de la maquina cuando esta en servicio, es decir, es la tensión que va a ceder si es GENERADOR, o recibir y ceder si es TRANSFORMADOR, o recibir si es MOTOR, en el lugar donde se instalan.

La tensión de servicio máximo admisible es la tensión de servicio mas elevada que la maquina puede soportar y generalmente llega a ser hasta un 15% superior a la tensión nominal, si la maquina es instalada a alturas inferiores a los 1000 m.s.n.m.

Nm 1000

serviciomáximoservicio V VV 15,1


4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. Para alturas mayores a los 1000 m.s.n.m., a esta tensión de servicio máxima se

multiplica por el factor de corrección menor que la unidad: fc < 1,0 con lo cual tendremos:

cNm 1000

servicio fV V 15,1

Los factores de corrección podemos deducir del siguiente gráfico:


4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. Por ejemplo si una maquina tiene una tensión nominal de 220 V, su tensión de

servicio en Lima ha de ser:

VsLIMA = 1,15 (220 V) = 253 V Y para una altura de 2500 m, sería:

Vs2500 m = 1,15 (220 V) = 253 V Tensión de Prueba.- Es una tensión mayor del doble de la tensión nominal que se

aplica constantemente a la maquina durante un minuto a la frecuencia nominal, mas 1000 V. Durante la prueba no debe producirse falla en los aislamientos de la maquina. Asi mismo, para simular las sobretensiones de origen atmosférico, se somete también a las grandes maquinas a una prueba con la tensión de choque de unas 50 veces la tensión nominal y con una duración muy corta de unos 50 x 10–6 segundos.

c) Corriente Nominal.- Es la corriente máxima que puede recibir o entregar la maquina (según el caso) en condiciones normales de funcionamiento. Las secciones de los conductores, se diseñaran de tal forma que el paso de la corriente nominal no genere en ellas sobrecalentamientos excesivos, así como en las protecciones y aislantes instalados en ellas.



En corriente alterna se define como función de potencia nominal y tensión nominal:

)(

)(

Cos

Cos

N

N

N

NN

N

N

N

NN

V 3

W

V 3

SI:3 es Si

V

W

V

SI:1 es Si

SN = Potencia nominal WN = Potencia Activa Nominal

Cos = Factor de Potencia

En la práctica si la maquina se sobrecarga, la corriente sobrepasa de un 10 al 25% de su valor nominal y eso esta permitido solo si el tiempo de sobrecarga es corta.

Además, se usa lo que llamamos corriente de arranque, la cual es una corriente que aparece en el arranque de los motores y llega a valores altos (2IN a 5IN) cuya duración debe ser bastante breve < 1 minuto para que no haga daño a los arrollamientos.


4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. d) Factor de Potencia (Cos ).- Es la relación entre la potencia activa y la potencia

aparente, siempre que las tensiones y las corrientes sean sinusoidales.

Todas las maquinas eléctricas requieren para su funcionamiento de una corriente de excitación, que sirve para crear el campo. Esta es una corriente puramente inductiva y a ella le corresponde un consumo de energía puramente reactiva. Es decir, de la energía total (o aparente) que recibe la maquina, una parte la usa para la creación del campo (energia reactiva) y la otra parte restante es la energía útil transformable en energía mecánica (energía activa).

“El factor de potencia nos indica la fracción de potencia total (S) que corresponde a la potencia activa (W)”

S

W

AparentePotencia

ActivaPotenciaCospotenciadefactor

S

WCos


4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. CONCLUSIÓN: Cuando el consumo de energía reactiva es absorbida de la red,

como en el caso de los TRANSFORMADORES o de las maquinas asíncronas, el factor de potencia es siempre inferior a 1, en mayor o menor medida según el correspondiente consumo de energía activa. Cuando la energía reactiva para crear el campo es generada por la maquina misma y cubre exactamente sus necesidades como en el caso de los Generadores síncronos, el factor de potencia es igual a 1 si la energía generada cubre exactamente sus necesidades propias de la maquina; es inferior en cualquier otro caso. Si la maquina, además de cubrir su propia necesidad de energía reactiva genera un excedente que entrega a la red (como en el caso del condensador) se dice que trabaja sobre excitada. Si por el contrario, la maquina no cubre las necesidades propias y absorbe de la red parte de su consumo de energía reactiva (como una bobina de reactancia) se dice que trabaja subexcitada.

Para las maquinas de corriente continua (frecuencia = 0), el factor de potencia es 1 y en consecuencia:

SS(1))S(W cdcd Cos

V.ISW cd


4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. En contraste, para los TRANSFORMADORES y los MOTORES ASÍNCRONOS, el factor

de potencia es función de la carga que alimenta, o sea, de las exigencias reales; a valores a plena carga corresponde factores de potencia altas y a valores en vacio corresponde factores de potencia muy bajas.

Esta disminución no es debido a una disminución en el consumo de energía reactiva, sino exclusivamente a la disminución de la energía activa.

El factor de potencia influye directamente sobre las perdidas, pues a menores valores del factor de potencia crece las pérdidas, o sea, baja el rendimiento. Tambien el factor de potencia influye en el proyecto, o sea, en el dimensionamiento.

e) Frecuencia.- Es el número de oscilaciones periódicas completas de la onda fundamental durante un segundo. La frecuencia se expresa en periodos por segundo o simplemente en ciclos. En las maquinas de corriente continua, la frecuencia es igual a cero.

En los generadores de corriente alterna la frecuencia esta dada por:

60

.nPf

P = par de polos de la máquina. n = revoluciones por minuto (RPM)


4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. f) Rendimiento (ɳ).- Es otra característica muy importante de las máquinas eléctricas y

es la relación entre la potencia suministrada y la potencia absorbida por la maquina.

1

2

W

W

absorbida Potencia

dasuministra Potencia

MAQUINA ELÉCTRICA

Potencia absorbida

Potencia suministrada

W1 W2

(1) (2)

Potencia suministrada (W2) = Potencia absorbida (W1) – Pérdidas (ΔW)

WWW 12 11

1

1

2

W

W

W

WW

W

W

1

Se puede demostrar que el factor de potencia influye en el rendimiento de las máquinas eléctricas. Cuanto mas bajo es el factor de potencia, mayor será la corriente para producir una determinada potencia activa (W = V.I.Cos) y entonces serán mayores las pérdidas en el cobre de los devanados de la maquina:

cte.V :que ya .V.IcteW ,Cos12/07/2013 Circuitos y Máquinas Eléctricas 19

4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. o sea para una potencia requerida W constante, si el Cos

disminuye() necesariamente la corriente I aumenta ().

g) El Campo Magnetico.- El campo magnético es el medio fundamental con la que los MOTORES, GENERADORES y TRANSFORMADORES convierten energía de una forma a otra, o de un nivel de voltaje a otra. La forma de actuar de los campos magnéticos se deduce de las leyes de Maxwell y los parámetros correspondientes a los diferentes materiales magnéticos recorridos por dichos campos.

Se desprecian la interacción de las corrientes de desplazamiento en las leyes de Maxwell, debido a que las frecuencias de 50 Hz y 60 Hz usados en las maquinas eléctricas son realmente bajas y en consecuencia se considera la conversión casi estática, para todos los efectos de calculo.


4. Caracteristicas comunes de las maquinas electricas. A partir de lo expuesto, la manera como el campo actúa en las diferentes maquinas eléctricas, se pueden describir mediante los cuatro principios básicos:

1. Al circular corriente por un conductor se produce un campo magnético alrededor de él. Esta es la base de la PRODUCCIÓN DE CAMPO MAGNETICO.

2. Si a través de una espira se pasa un campo magnético variable con el tiempo, se introduce un voltaje en dicha espira. Esta es la base de la ACCION TRANSFORMADORA.

3. Si un conductor por el cual circula corriente; se encuentra dentro de un campo magnetico, se produce una fuerza sobre dicho conductor; esta es la base de la ACCIÓN MOTORA

4. Cuando un conductor en movimiento se encuentra inmerso dentro de un campo magnetico, en dicho conductor se induce un voltaje. Esta es la base de la ACCIÓN GENERADORA.


Formas constructivas de los motores eléctricos

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MOTORES CON PATAS


MOTORES CON BRIDAS DE AGUJEROS PASANTES


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