7. Mquinas Elctricas Rotativas7.1 Introduccin. Generalidades7.2 Motores de induccin7.3 Otros tipos de motores
7.3.1 Mquina Sncrona7.3.2 Motores de corriente continua7.3.3 Motores monofsicos
7.4 Seleccin de un Motor7.4.1 Grado de proteccin de un motor y formas
constructivas7.4.2 Tipos de servicio
Motor de Induccin o Asncrono
Motor Sncrono Motor de Corriente Continua
MotorMonofsico
Sistema Elctrico
Sistema Mecnico
Mquina
Elctrica
Generador: Pelctrica PmecnicaMotor: Pelctrica Pmecnica
Mquinas elctricas Estticas: Transformadores
Rotativas: Motores
Generadores
Sistema Elctrico - A
(Tensin 1)Transformador
Sistema Elctrico - B
(Tensin 2)
7.1 Introduccin: Generalidades
Una mquina elctrica rotativa es una mquina reversible
Motor Generador
Transformacin
Energa elctrica-Energa elctrica
Transformacin
Energa elctrica-Energa mecnica
Principio de funcionamiento como GENERADOR.Campo magntico externo de valor constante que es visto por una espira (bobina)
como variable al estar sta 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 Campo
Magntico
+
7.1 Introduccin: Generalidades
Si se hace circular una intensidad por una bobina inmersa en un campo magntico, sta sufre un par motor que tiende a alinear ambos campos magnticos, el propio
de la bobina y el externo.
@Mans Fernndez
N S
Imanes Permanentes
Corriente que se hace circular por la espira
Espira Campo
Magntico
Escobillas
FUERZA QUE TIENDE A HACER
GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR
Principio de funcionamiento como MOTOR.
7.1 Introduccin: Generalidades
Estructura bsica de una mquina elctrica rotativa.
Rotor: Pieza cilndrica montada sobre el eje mvil.
Esttor: Pieza cilndrica hueca que envuelve al rotor y est separada de ste por el entrehierro.
De forma general se puede afirmar que:# Tanto el esttor como el rotor alojan bobinas (circuitos elctricos). # Existen dos circuitos elctricos concatenados por un circuito magntico.
EJE
(Acoplamiento mecnico)
7.1 Introduccin: Generalidades
Rotor
Estator
Flujo Magntico
Clasificacin de las mquinas elctricas rotativas. Mquinas sncronas: Alternador
- Intensidad continua inyectada en las bobinas del rotor.
- Corriente alterna en las bobinas del esttor.
Mquinas de induccin: Motor
- Corrientes alternas en las bobinas del esttor y/o del rotor.
- Intensidades en el rotor inducidas por el esttor (Motor).
Mquinas de corriente continua: Ambos
- Alimentadas en continua.
Las mquinas elctricas rotativas de corriente alterna:
Pueden ser monofsicas o trifsicas (sncronas y de induccin)
7.1 Introduccin: Generalidades
Distintas mquinas en funcin del mtodo empleado para generar el campo magntico:
mmP = cos3 = LLe IVP
(1) (2) (3) (4)
Potencia elctrica generada (trifsica)
Potencia mecnica aplicada
(W) Vatios EnPegundoradianes/s en giro de Velocidad
metro)x (Newton Nm enmotor Par
m
(1) Prdidas mecnicas (rozamiento y ventilacin)
(2) Prdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores)
(3) Prdidas en el hierro (histresis y corrientes parsitas)
(4) Prdidas en el cobre del esttor (calentamiento de conductores)
Balance Energtico Mquina elctrica GENERADOR.
eee Q jPS +=
7.1 Introduccin: Generalidades
(1) Prdidas mecnicas (rozamiento y ventilacin)
(2) Prdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores)
(3) Prdidas en el hierro (histresis y corrientes parsitas)
(4) Prdidas en el cobre del esttor (calentamiento de conductores)
(4) (3) (2) (1)
mmP =
Potencia mecnica realizada
cos3 = LLe IVP
Potencia elctrica consumida (trifsica)
(W) Vatios EnPegundoradianes/s en giro de Velocidad
metro)x (Newton Nm enmotor Par
m
eee Q jPS +=
Balance Energtico Mquina elctrica MOTOR.
7.1 Introduccin: Generalidades
7.2 Mquinas de induccin
7.2.1. Aspectos constructivos.7.2.2. Principio de funcionamiento del motor de
induccin trifsico. Fundamentos Tericos Deslizamiento
7.2.3. Circuito equivalente.7.2.4. Balance de potencias en el motor. 7.2.5. Caracterstica par deslizamiento.
7.2.0 Introduccin.
TIPOS DE MQUINAS ELCTRICAS
MQUINAS ELCTRICASDE CORRIENTE
ALTERNA
GIRATORIAS
ASNCRONAASNCRONA SNCRONA
ALTERNADORMOTOR
MOTORGENERADOR
ESTTICAS
MQUINAS ELCTRICASDE CORRIENTE CONTINUA
GENERADORMOTOR
TRANSFORMADOR
7.2.1 Aspectos constructivos. Seccin.
Corte axial
Corte en 3D
7.2.1 Aspectos constructivos. Rotor de jaula.
Paquetemagnticoestatrico
Cabezas de bobina
Ranuras delesttor Ranuras del
rtor
Eje Anillo de cortocircuito
Paquetemagntico
rotrico
Su simplicidad y gran robustez son las ventajas ms destacadas.
Anillos rozantes
Anillos rozantes
L. Serrano: Fundamentos de L. Serrano: Fundamentos de mmquinas elquinas elctricas rotativasctricas rotativas
L. Serrano: Fundamentos de L. Serrano: Fundamentos de mmquinas elquinas elctricas rotativasctricas rotativas
Escobillas
El circuito rotrico se cortocircuita exteriormente a travs 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
{
CircuitoElctrico
Arrollamientotrifsico
Bobinas preformadas odevanado preformado
Bobinas de hilo esmaltadoo devanado aleatorio
EsttorCircuitoelctrico
estatrico
RotorCircuitoelctricorotrico
Arrollamiento(polifsico)
en cortocircuito
Jaula de ardilla
Bobinado oAnillos rozantes
Bobinas de cobreAnillos rozantes
Aluminio fundidoBarras soldadas
CircuitoMagntico
Paquetes MagnticosChapa magntica de acero al silicioapiladas y elctricamente aisladas
unas de otras
Entrehierro
EsttorPaquete magntico
Cilndrico hueco
Ranurasen la superficie
interna
RotorPaquete magntico
cilndrico
Ranurasen la superficie
externa
Estructuramecnica
Esttor: Parte fijaRotor: Parte giratoria
Cilindro que puede girar sobre su eje (rotor)en el interior de otro cilindro hueco fijo (esttor)
7.2.1 Aspectos constructivos. Desglose.
Caja de terminales- bornes ( bobinas del esttor )
7.2.1 Aspectos constructivos: Caja de bornes (esttor).
V1 W1
W2 U2 V2
U1
U2
V1
V2
W1
W2
U1
U2
V1
V2
W1
W2
Pletina decobre
Devanados del motor
U1 V1 W1
W2 U2 V2
Caja de conexiones
Conexin en estrella
Conexin en tringulo
U1
Bobinas del motor (esttor){
7.2.1 Aspectos Constructivos: Placa de caractersticas
Motor Conexin Trifsica
Velocidad Nominal
Potencia Nominal
Tensin Nominal Intensidad
Nominal
Factor de Potencia
Frecuencia Nominal
7.2.2 Principio de funcionamiento. Introduccin.
Energa
elctrica
Energa
elctrica
EL TRANSFORMADOR.
Convertidor
electro-mecnico
Motor
Generador
LA MQUINA DE INDUCCIN.
ParVelocidad
Energa
elctrica
C
AB
Si se aplica un sistema trifsico de intensidades en 3 bobinas desfasadas entre s 120:
)120cos(2)(
)120cos(2)(
)cos(2)(
)120cos(2)(
)120cos(2)(
)cos(2)(
'
'
'
'
'
'
+==
=
+==
=
tBtB
tBtB
tBtB
tIti
tIti
tIti
cc
bb
aa
cc
bb
aa
Generacin de campos magnticos giratorios. Teorema de Ferraris
Se inducen flujos magnticos 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 tericos.
El campo magntico resultante es constante en el tiempo y gira en el espacio a velocidad .
Cambiando las intensidades de dos devanados entre scambia el sentido de giro
El esttor de un motor de induccin est formado por tres devanados desplazados en el espacio 120.
En la figura se representa slo una espira de cada uno de los devanados
( aa, bb, cc )
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos tericos.
b
a
a
b
c
c
EstatorEstator
Origen dengulos
RotorRotor
Los tres devanados estn alimentados mediante un sistema trifsico
equilibrado de tensiones. Por tanto, las corrientes que circulan por las espiras son sinusoidales y estn desfasadas
120 entre si)120cos(2)(
)120cos(2)(
)cos(2)(
'
'
'
+==
=
tIti
tIti
tIti
cc
bb
aa
Aparece un campo magntico giratorio. Teorema de Ferraris. 7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos tericos.
)s/rad(T
p2
1
=1 = Velocidad de giro del campo esttorico.
(2/p) = Distancia entre dos polos esttoricos 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 alimentacin.
p = Pares de polos.
El devanado rotorico est inmerso en un campo magntico giratorio.
Aparece un par motor en el rotor.
- El campo magntico giratorio ( B ) induce fems en el devanado del rotor.
- stas a su vez provocan la circulacin 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 magntico giratorio del esttor.
)BxL(iF =
i = Corriente que circula por los conductores del rotor.B = Campo magntico giratorio creado por las bobinas del esttor.
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos tericos.
L
i
Magnitud direccin y sentido de la fuerza que se produce en los conductores del rotor.
Estator Inductor Rotor Inducido
Si, por ejemplo, aumentamos el nmero de polos magnticos en el rotor, se puede conseguir que las bobinas del esttor vean un fujo giratorio de velocidad superior a la de giro del rotor.
meP =2
Si P es el nmero de polos:
Frecuencia elctrica
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
Relacin entre frecuencia elctrica y velocidad de giro.
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos tericos.
Igual nmero de polos en rotor y estator
Motor de induccin
Estator
Rtor
Devanado trifsico simtrico (a 120)alimentado con sistema trifsico
equilibrado de tensiones (desfase de 120)
Espiras en cortocircuito
Sistematrifsico
equilibrado
Devanado trifsicosimtrico (a 120)
Campo giratorio 1 = 2f/p
Ley de FaradayInteraccin v-B
FEM inducida por elcampo giratorio en los conductores del rotor
Espiras en cortocircuitosometidas a tensin.
Circulacin de corrientepor las espiras del rotor
Ley de Bioty Savart
Interaccin i-BFuerza sobre lasespiras del rotor
Par sobreel rotor
El rotorgira
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulacin.
El rotor del motor de induccin, siempre que funciona accionando una carga, gira a velocidad r inferior (pero prxima) a la de
sincronismo (1). Debido a que el rotor gira a una velocidad inferior (diferente) a la de sincronismo, su velocidad se denomina asncrona y al motor se le
nombra como asncrono.
Cuando funciona en vaco, el nico par motor que debe desarrollar es el necesario para compensar las prdidas (muy pequeo), por lo
que gira a una velocidad muy prxima a la de sincronismo.
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento.La velocidad 1 a la que gira el campo magntico creado por el
esttor se denomina velocidad de sincronismo. Su valor constituye ellmite al que pude girar el rotor cuando la mquina funciona como motor, ya que, en caso contrario, al no existir movimiento relativo entre los conductores del rotor y el campo, no se inducira F.E.M.
(interaccin v-B) en el devanado rotrico y, por tanto, tampoco habra par motor (interaccin i-B).
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento.
Supuesto el rotor girando a una velocidad estable r en el mismo sentido de giro ( 1) del campo creado por el esttor.
El rotor, respecto al esttor, se mueve a una velocidad de deslizamiento.
Velocidad de deslizamiento: des = 1 - r
Esa diferencia se denomina DESLIZAMIENTO ( s s%) cuando se expresa como una fraccin de la velocidad sincrnica ( 1 ):
s1
r1
= 100 %s1
r1
=
Velocidad sncrona (rad/s)
Velocidad del rotor (rad/s)
( p u )
{ {( ) s y s1 1des1r ==
( rad/s )
Velocidad relativa.
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento. Intervalo de valores del deslizamiento ( rgimen motor ).
n
nns1
r1 = 100 n
nn%s1
r1 =
Deslizamiento :
Los motores de induccin siempre funcionan con valores de deslizamiento muy bajos: s % < 5 %
Los motores de induccin siempre funcionan con valores de deslizamiento muy bajos: s % < 5 %
100 %s1
r1
= s1
r1
= ( p u )
Rotor parado :
( p u )
nr = 0 s = 1 s% = 100%
Rotor en vaco :
nr n1 s 0 s% 0%Rotor en carga :
0 < nr < n1 1 > s > 0
El circuito equivalente de una mquina de induccin es parecido al del transformador, con la diferencia de que el devanado estatrico
es el primario y el rotorico es el secundario.
El circuito equivalente de una mquina de induccin es parecido al del transformador, con la diferencia de que el devanado estatrico
es el primario y el rotorico es el secundario.
Adems, el devanado secundario (rotorico) est cortocircuitado.Adems, el devanado secundario (rotorico) est cortocircuitado.
En la mquina real el valor de la resistencia del rotor NO depende de la velocidad de deslizamiento.
En la mquina real el valor de la resistencia del rotor NO depende de la velocidad de deslizamiento.
7.2.3 Circuito equivalente.
Analticamente se deduce un CIRCUITO EQUIVALENTE con parmetros A ROTOR PARADO, en el que la RESISTENCIA que
representa la del ROTOR es funcin del DESLIZAMIENTO.
Analticamente se deduce un CIRCUITO EQUIVALENTE con parmetros A ROTOR PARADO, en el que la RESISTENCIA que
representa la del ROTOR es funcin del DESLIZAMIENTO.
Los valores necesarios para obtener analticamente los parmetros del circuito equivalente se obtienen de dos ensayos de laboratorio:
Ensayo de vaco y ensayo de rotor bloqueado.
Los valores necesarios para obtener analticamente los parmetros del circuito equivalente se obtienen de dos ensayos de laboratorio:
Ensayo de vaco y ensayo de rotor bloqueado.
Tensinde fase
(Estator)
Resistencia cobre rotor
Reactancia dispersinrotor
Resistencia potenciamecnicaentregada
Resistencia cobre estator
Reactancia dispersin
estator
Reactanciamagnetizante
Resistenciaprdidas hierro
Corrientede vaco
Xs Rs
U1
I1
XR IR
X Rfe
IfeI
I0RR
S
S'RR1
7.2.3 Circuito equivalente referido a rotor paradoEl circuito equivalente se plantea por fase y con conexin en estrella.
Los elementos del circuito con una estn referidos al estator:rt = Ne / Nr
Prdidas estator
Prdidas rotorPotencia
elctrica de entrada
P1
Pcu1 pfe1 Pfe2=0 Pcu2
Pa
Potencia de entre hierro
Pmi
Pm
Potencia til
Pu
7.2.4 Balance de potencias
Potencia mecnica
interna
Prdidas mecnicas
Pm Prdidas mecnicas (rozamiento y ventilacin)
Pcu2 Prdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores)
PFe Prdidas en el hierro (histresis y corrientes parsitas)
Pcu1 Prdidas en el cobre del esttor (calentamiento de conductores)
Potencia mecnica realizada
Potencia elctrica consumida (trifsica)
Balance Energtico Mquina elctrica MOTOR.
P1
Pcu1 PFe Pcu2 Pm
Pu
7.2.4 Balance de potencias
Pc Pa Pmi
Par til: el par que es capaz de desarrollar el motor en el eje
Pu = Pmi Prdidas mecnicasPu = Pmi Prdidas mecnicas
Se denomina PAR INTERNO al par total desarrollado internamente por la mquina asncrona.
PmiMi r
=
PuMu r
=
El rendimiento de un motor informa del aprovechamiento de la potencia elctrica absorbida por el motor para producir potencia mecnica
Pu
P1=
7.2.4 Balance de potencias
1 Deslizamiento S
Par
Par deArranque
Par mximo
Par Nominal
0
Velocidad desincronismo
Motor GeneradorFreno
s > 1s > 1s > 1 0 < s < 10 < s < 10 < s < 1 s < 0s < 0s < 0
221 = ,TT
nom
arr 221 = ,TT
nom
arr
7281 ,,TT
nom
max = 7281 ,,TT
nom
max =
7.2.5 Caracterstica Par-Deslizamiento
Punto de funcionamiento
Curva caracterstica de
la carga
La CARACTERSTICA MECNICA de los motores de induccin es prcticamente LINEAL entre vaco y plena carga.
La CARACTERSTICA MECNICA de los motores de induccin es prcticamente LINEAL entre vaco y plena carga.
El PAR MXIMO suele ser de 2 a 3 veces el nominal.El PAR MXIMO 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 vara con el CUADRADO de la TENSIN.
Para un determinado deslizamiento el PAR vara con el CUADRADO de la TENSIN.
7.2.5 Caracterstica Par-Deslizamiento
7.3 Otros tipos de Motores
7.3.1 Motor Sncrono Introduccin Principio de funcionamiento Caractersticas constructivas Circuito equivalente Funcionamiento en vaco Funcionamiento en carga
7.3.1.1 Introduccin.
TIPOS DE MQUINAS ELCTRICAS
MQUINAS ELCTRICASDE CORRIENTE
ALTERNA
GIRATORIAS
SNCRONASNCRONAASNCRONA
ALTERNADORMOTOR
MOTORGENERADOR
ESTTICAS
MQUINAS ELCTRICASDE CORRIENTE CONTINUA
GENERADORMOTOR
TRANSFORMADOR
La ms utilizada en la generacin de energa elctrica. Es necesario mantener la velocidad rotrica constante. La
frecuencia es proporcional a la velocidad de giro. Potencias mximas del orden de 2000 MVA.
EL ALTERNADOR.
Energa Mecnicaen el eje
Energa Elctrica
Sistema III AC
Energa ElctricaDC MQUINA
SNCRONA (ALTERNADOR)
7.3.1.1 Introduccin.
)2
cos(sen)(
coscos)(
==
===
ttt
te
tABt
MAXMAX
MAX
fN
fNfN
NEE
MAX
MAXMAX
MAXMAXRMS
y, a alProporcion
22
222
==
===
Se hace girar un campo magntico constante (imn o bobina alimentada en continua en el rotor) en el interior de una bobina fija alojada en el esttor
Fuerza electromotriz inducida en los extremos de la bobina:
La frecuencia de la tensin inducida es la de giro de la bobina
Principio de funcionamiento del GENERADOR sncrono.
7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos tericos.
)120cos(2)(
)120cos(2)(
)cos(2)(
+==
=
tEte
tEte
tEte
RMSc
RMSb
RMSa
Se consigue un sistema trifsico de tensiones disponiendo tres bobinas en el esttordesfasadas 120 entre s. Las tensiones inducidas estarn desfasadas de forma
simtrica.
El flujo magntico constante se consigue mediante una bobina solidaria al rotor en la que se
inyecta corriente continua
Principio de funcionamiento del GENERADOR sncrono.
7.3.1.2 Principio de Funcionamiento.
Rotor InductorEstator Inducido
GeneradorEstator
Rtor
Devanado trifsico simtrico (a 120)
Devanado rotrico alimentado con corriente continua
Rotor alimentado con cc genera campo B cte
Rotor girando a N rpmmediante mquina motriz
Interaccin v-BFEM inducida por el
campo giratorio en el estator
Campo B girando misma velocidad
del rotor
Tensin trifsica a f=pN/60
7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulacin.
Ley de Faraday
Motor
Estator
RtorDevanado rotrico alimentado con
corriente continua
Rotor alimentado con cc genera campo B cte
Se lleva el rotor al sincronismo mediantemquina motriz externa
Campo B del estatorarrastra a campo B
del rotor
Campos B de estatory rotor girando
misma velocidad
El rotor gira
7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulacin.
Devanado trifsico simtrico (a 120)alimentado con sistema trifsico
equilibrado de tensiones (desfase de 120)
Motor sncrono tiene par de arranque nulo
Estator alimentado con tensin trifsica
Estator genera campoB giratorio
Enganche magntico
p=1 3000 rpmp=2 1500 rpmp=3 1000 rpmp=4 750 rpm
n = Velocidad rotrica (rpm). f = Frecuencia de la onda de tensin. p = Nmero de pares de polos.p
fn = 60
Velocidad de giro del rotor (circuito inductor).
P = 1 P = 2 P = 3
Ejemplo: Obtencin de tensin a 50Hz en funcin del N de polos.
7.3.1.2 Principio de Funcionamiento.
La mquina sncrona utiliza un ESTTOR constituido por un devanado trifsico simtrico
(distribuido a 120) idntico a la mquina asncrona de induccin
El ROTOR est formado por un devanado alimentado desde el exterior a travs
de escobillas y anillos rozantes con corriente continua
El rotor puede ser liso o de polos salientes
Industrialmente es el generador utilizado en la mayora de las centrales elctricas: turboalternadores y grandes alternadores hidrulicos.
Como motor se usa principalmente cuando la potencia demandada esmuy elevada >1 MW
7.3.1.3 Caractersticas constructivas.
Velocidades de giro bajasVelocidades de giro bajas
rotor polos salientes
Velocidades de giro elevadas.Turboalternadores
Velocidades de giro elevadas.Turboalternadores
Estructura de la mquina sncrona. Esttor y rotor.
NNN
S
S
Sentido de lascorrientes por
el rotor
N
S
Lneas de campoesttor
rotor polos lisos
7.3.1.3 Caractersticas constructivas.
El Flujo magntico (excitacin) es creado por un electroimn situado en la parte giratoria de la mquina (rotor).
Rotor de polos salientes: bobina del electroimn rodeando a las expansiones polares del rotor.
Rotor de polos lisos: bobina del electroimn situada en ranuras practicadas longitudinalmente en el rotor.
P = 1 P = 2 P = 1 P = 2
Rotor7.3.1.3 Caractersticas constructivas.
7.3.1.4 Circuito equivalente.
La F.E.M. (E) es proporcional a la corriente de excitacin (Ie) del rotor. En funcionamiento como generador representa a la tensin que se
induce en el estator.
La F.E.M. (E) es proporcional a la corriente de excitacin (Ie) del rotor. En funcionamiento como generador representa a la tensin que se
induce en el estator.
Xs = Reactancia sncrona = reactancia dispersin estator + reaccin de inducidoXs = Reactancia sncrona = reactancia dispersin estator + reaccin de inducido
j Xs RsA
B
E
I
+V = ( U / 3 )
Inducido-estator
Rs = Resistencia de los conductores de las bobinas del esttorRs = Resistencia de los conductores de las bobinas del esttor
Inductor-rotor
Ie
Ve+
Impedancia sncrona.
C
i
r
c
u
i
t
o
e
q
u
i
v
a
l
e
n
t
e
p
o
r
f
a
s
e
C
i
r
c
u
i
t
o
e
q
u
i
v
a
l
e
n
t
e
p
o
r
f
a
s
e
7.3.1.5 Funcionamiento en vaco.
Velocidad de giro
Flujo
Cuando el generador trabaja en vaco no hay cada de tensin: La tensin de salida (V) coincide con la FEM (E).
Cuando el generador trabaja en vaco no hay cada de tensin: La tensin de salida (V) coincide con la FEM (E).
nKE =
= f(Ie)
Caracterstica de vaco o de magnetizacin.
V
Ie A
T
e
n
s
i
n
e
n
v
a
c
o
V
Intensidad de excitacin
7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Reaccin de inducido.
Cuando el alternador trabaja en vaco el nico flujo existente es el producido por la corriente continua de excitacin del rotor.
El flujo total de la mquina se ver disminuido o aumentado dependiendo que la carga sea
inductiva o capacitiva.
Cuando suministra corriente a una carga, dicha corriente produce un campo magntico giratorio al circular por los devanados del esttor.
Este campo produce un par opuesto al de giro de la mquina, que es necesario contrarrestar mediante la aportacin exterior de potencia mecnica.
A este efecto creado por el campo del esttor se le
conoce con el nombre de reaccin de inducido.
UU
U
I
I
I
RI
RI
RI
jXs
jXs
jXs
E
E
E
Carga resistiva
Carga Inductiva
Carga capacitiva
U
U
U
I
I
I
RI
RI
RI
jXs
jXs
jXs
E
E
E
Carga resistiva
Carga Inductiva
Carga capacitiva
Para una misma tensin 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 excitacin)
Carga
j Xs Rs
E
I
+V
Inducido-estator
0V)X jR( IE ss =+I U 3I V 3S ==
7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Reaccin de inducido.
7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Rgimen aislado.
El generador alimenta a una carga de forma independiente
Funcionamiento aislado
La tensin de alimentacin puede variar
El factor de potencia de la carga es fijo
Aumento en la excitacin
Aumento en la tensin de
salida
Aumento en potencia mecnica
Aumento en la velocidad de
giroAumento en la
frecuencia
7.3.1.6 Funcionamiento en cargaFuncionamiento en una red de potencia infinita
El generador est conectado a otra red en la que actan otros generadores: su
potencia es muy pequea respecto de la total de la red
CONEXIN A RED DE POTENCIA
INFINITA
La tensin de alimentacin
EST FIJADA POR LA RED
La frecuencia EST FIJADA POR LA RED
Aumento en la excitacin
Aumento en la POTENCIA REACTIVA
ENTREGADA
Aumento en potencia mecnica
Aumento de la POTENCIA
ACTIVA ENTREGADA
7.3.2 Mquina de Corriente Continua Aspectos constructivos Principio de funcionamiento F.E.M. inducida Par electromagntico Sistemas de excitacin Reaccin de inducido Conmutacin Funcionamiento generador Funcionamiento motor
7.3 Otros tipos de Motores
7.3.2.0 Introduccin.
TIPOS DE MQUINAS ELCTRICAS
MQUINAS ELCTRICASDE CORRIENTE
ALTERNA
GIRATORIAS
ASNCRONA
ALTERNADORMOTOR
MOTORGENERADOR
ESTTICAS
MQUINAS ELCTRICASDE CORRIENTE CONTINUA
MQUINAS ELCTRICASDE CORRIENTE CONTINUA
GENERADORMOTOR
TRANSFORMADOR
SNCRONA
7.3.2.1 Aspectos Constructivos
CircuitoMagntico
Esttor: macizo o de chapamagntica (total-parcialmente)
Rtor: chapa magntica de acero alsilicio apiladas y elctricamente
aisladas unas de otras
Entrehierro
Paq. Mag. EsttorCilndrico hueco
con piezas radiales
RtorPaquete magntico
cilndrico
Polos(inductores)
salientes
Ranurasen la superficie
externa
Estructuramecnica
Esttor: Parte fijaRtor: Parte giratoria
Cilindro que puede girar sobre su eje (rtor)en el interior de otro cilindro hueco fijo (esttor)
CircuitoElctrico
EsttorInductorCreacin
del campo B
RtorInducido
Asiento de lasFF.E.MM. inducidas
Espiras de hilo o pletina de cobre
arrolladas sobre lospolos inductores
Espiras de hilo o pletina de cobre
conectadas entre siy a las delgas
Alimentacin concorriente continua
Colector de delgas y escobillasRectificador mecnico
que convierte las FF.E.MM.alternas inducidas en las
espiras en C.C. en las escobillas
1. Yugo o culata2. Ncleo del polo inductor3. Expansin polar4. Ncleo del polo auxiliar o de
conmutacin5. Extremo del polo auxiliar o
de conmutacin6. Paquete magntico del rtor7. Arrollamiento del inducido8. Arrollamiento inductor o de
excitacin9. Devanado de conmutacin10.Colector de delgas11. - 12. Escobillas
11
22 33
44
66
7755
88
991010
1111
1212
M. F. M. F. CabanasCabanas: : TTcnicas para el cnicas para el
mantenimiento y mantenimiento y diagndiagnstico de stico de
mmquinas elquinas elctricas ctricas rotativasrotativas
7.3.2.1 Aspectos Constructivos
FotografFotografa realizada en los talleres de ABB a realizada en los talleres de ABB ServiceService GijGijnn
Motor de C.C. de 6 MW fabricado por ABB
Motor de C.C. paraaplicaciones
de robtica
Pequeos motores de C.C.de imn permanente
7.3.2.1 Aspectos Constructivos
7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Motor
@Mans Fernndez
N S
Imanes Permanentes
Corriente que se hace circular por la espira
Espira Campo
Magntico
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 magntico, sta sufre un par motor que tiende a alinear ambos campos
magnticos, el propio de la bobina y el externo.
7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador
N NS S
Escobillas Anillosrozantes
OsciloscopioInstrumento 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 mquina (escobillas) es la misma que se induce en la espira (alternativa y variable en el tiempo), debido a la conexin
entre los extremos de la espira y las escobillas, a travs de los anillos.
M. F. M. F. CabanasCabanas: : TTcnicas para el cnicas para el
mantenimiento y mantenimiento y diagndiagnstico de stico de
mmquinas elquinas elctricas ctricas rotativasrotativas
Fuerza externa quehace girar la espira
Imanes o electroimanes alimentados con C.C.para la creacin del campo magntico
Con la mquina 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 tensin continua (unidireccional) y positiva (sin cambios de polaridad)
0 2
2BlV
-2BlV
E N S
Polos inductoresde la mquina
0 2
2BlV
E N S
0 2
2BlV
E N S
Colector elemental (2 delgas)0 2
2BlV
E N S
0 2
2BlV
E N S
Colector real (muchas delgas)
VlBE = 27.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador
0+- + +- +
12
1
2
21
Sentido de rotacinde la espira
Colector de dosdelgas
Instante Inicial Conmutacin Inversin de la polaridad
M. F. M. F. CabanasCabanas: : TTcnicas cnicas
para el para el mantenimimantenimi
ento y ento y diagndiagnstico stico
de de mmquinas quinas elelctricas ctricas rotativasrotativas
Escobillas
Colector
Colector real
M. F. M. F. CabanasCabanas: :
TTcnicas para cnicas para el el
mantenimientmantenimiento y o y
diagndiagnstico stico de mde mquinas quinas
elelctricas ctricas rotativasrotativas
7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador
El campo magntico de la mquina de CC puede obtenerse de dos formas, mediante:
Imanes permanentes Electroimanes, bobinas alimentadas con CC (caso habitual):
Segn la fuente de alimentacin de las bobinas se tienen dos tipos de excitacin:
Excitacin independiente (o separada): la corriente que alimenta al devanado inductor procede de una fuente, independiente, externa.
Autoexcitacin: la corriente de excitacin procede de la propia mquina. Segn la forma de obtener esta corriente existen tres tipos diferentes de MM. de C.C.:
Excitacin serie: devanado inductor en serie con el inducido
Excitacin derivacin: devanado inductor conectado directamente a las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido.
Excitacin compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra en derivacin.
7.3.2.3 Sistemas de excitacin
Ri
LexUex E Ui
InducidoInductor
Resistencia del inducido
Tensin excitacin
FEM Inducida
Rex
Resistencia del inductor
Motor de excitacin independiente
Ri
LexUexE Ui
Inducido Inductor
Resistencia del inducido
Rex
Motor de excitacinderivacin
Ri LexRex
E Ui
Inducido
InductorResistencia del
inducido
Motor de excitacin
serie
7.3.2.3 Sistemas de excitacin
Ri Lex1
E Ui
Inducido
Inductor 1Resistenciadel inducido
Inductor 2
Rex1Rex2
Lex2
Motor de excitacin compuesta larga
Ri
E Ui
Inducido
Inductor 1
Resistencia delinducido Inductor 2
Lex2Rex2Rex1
Lex1 Motor de excitacin compuesta corta
7.3.2.3 Sistemas de excitacin
7.3.2.4 Reaccin de inducido
2BlV
-2BlV
E N SFEM con reaccinde inducido
0 2
Al circular corriente por el inducido se va a crear
un campo que distorsiona el campo creado por los polos
inductores de la mquina
Esta distorsin del campo recibe el nombre de reaccin de inducido
Efectos producidos por la reaccin de
inducido
Desplazamiento de la plano o lnea neutra (plano en el que se anula el campo
Disminucin del valor global del campo de la mquina
Desplazamiento de la lnea neutra
7.3.2.5 Conmutacin
MulukutlaMulukutla S. S. SarmaSarma: : ElectricElectricmachinesmachines
Reduccin de par y aumento de velocidad
Desplazamiento de la plano o lnea neutra
POLOS DE CONMUTACIN
Los polos auxiliares de conmutacin compensan localmente la reaccin de inducido y mejoran la conmutacin
Disminucin del valor global del
campo de la mquina
Problemas durante la conmutacin
7.3.2.6 Funcionamiento generador
Generador de excitacin independiente
Ri
LexUex E Ui
InducidoInductor
FEMInducida
IexRexSe hace girar el inducido y se alimenta
el inductor. La tensin de excitacin controla la FEM (E) y, por tanto, la
tensin de salida Ui
La tensin de salida crece proporcionalmente con la velocidad de
giro n
La relacin entre la corriente de excitacin y la FEM inducida no es lineal: existe saturacin
= nKE = nKE
IKTTOTAL = IKTTOTAL =I = Corriente de inducido
iii IREU = iii IREU =
7.3.2.7 Funcionamiento motor
Ri
LexUex E Ui
InducidoInductor
Resistencia del inducido
Tensin excitacin
FEM Inducida
Rex
Resistencia del inductor
Motor de exc. independiente
ii R
'KKT
KUn = 2 i
i R'KK
TKUn = 2Ecuacin del motor
derivacin e independiente
iii IREU = iii IREU =
Se alimentan el inducido y el inductor con cc. La circulacin de intensidad por el inducido (rotor) dentro de un campo
magntico constante provoca un par de fuerzas que hace girar al rotor.
La velocidad alcanzada depender de las tensiones de excitacin e inducido, los parmetros de la mquina y del par
accionado.
Caracterstica dura
nnn
TTT
Pendiente 2 8%Pendiente 2 8%
Aumento de RiAumento de RiCurva par-velocidad de los
motores de excitacin independiente y derivacin
7.5 Motores monofsicos
Introduccin Principio de funcionamiento:
Motor de fase partida Motor de espira de sombra
Los motores monofsicos de induccin se utilizan, principalmente, en los electrodomsticos y mquinas herramienta.
Los motores monofsicos de induccin se utilizan, principalmente, en los electrodomsticos y mquinas herramienta.
Su diseo es muy parecido al de los trifasicos. Su diseo es muy parecido al de los trifasicos.
El rtor es en jaula de ardilla.
El rtor es en jaula de ardilla.
El devanado principal
El devanado principal
El devanado estatrico estformado por dos conjuntos
de bobinas
El devanado estatrico estformado por dos conjuntos
de bobinas
El auxiliar, despalzado90, y alojado en las ranuras del paquete
magntico estatrico.
El auxiliar, despalzado90, y alojado en las ranuras del paquete
magntico estatrico.
7.5.1 Introduccin
Devanadoauxiliar
Devanadoprincipal
Motor Monofsico
Estator
Rtor
Devanado principalalimentado con tensin monofsica
Espiras en cortocircuito
Tensin alterna monofsica
Campo variable de direccin fija
Corrientes y FEM inducida en el rotor
Ley de Bioty Savart
Interaccin i-BFuerza sobre las
espiras del rotor que se cancelan
El rotorNO 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 funcionamientoPar de arranque
Rotacin
Devanadoauxiliar
Devanadoprincipal
FuenteC.A.
Para producir par en el arranque es necesario crear un campo magntico rotativo. Esto puede lograrse mediante el devanado auxiliar.
Para producir par en el arranque es necesario crear un campo magntico rotativo. Esto puede lograrse mediante el devanado auxiliar.
Al alimentar ambos devanados, desplazados y desfasados 90, se
generan flujos ortogonales.
Al alimentar ambos devanados, desplazados y desfasados 90, se
generan flujos ortogonales.
Campo magntico rotativoCampo magntico rotativo
Devanado auxiliar se desconecta al alcanzar el 75% de la velocidad de sincronismo mediante interruptor
centrfugo
Devanado auxiliar se desconecta al alcanzar el 75% de la velocidad de sincronismo mediante interruptor
centrfugo
Par de arranquePar de arranque
7.5.2 Principio de funcionamientoMotor de fase partida
Interruptor centrfugo
Devanado auxiliarHilo fino
Devanado principalHilo grueso
Interruptor centrfugo
Devanado auxiliarHilo fino
Devanado principalHilo 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 condicin ideal de cuadratura: mximo valor de par de arranque.
Mejora: Condensador en serie con el circuito auxiliar. Acerca el desfase entre las intensidades a la condicin ideal de cuadratura: mximo valor de par de arranque.
Desfase relativo entre ambas intensidades
Desfase relativo entre ambas intensidadesDevanado auxiliar con
pocas espiras delgadas.Devanado auxiliar con
pocas espiras delgadas. Poco inductivaPoco inductiva
Campo giratorioy por tanto
Par de arranque
Campo giratorioy por tanto
Par de arranque
7.5.2 Principio de funcionamientoMotor de espira de sombra
FuenteC.A.
Anillo de cobreDevanado auxiliar
Devanado principal
Rotacin
Los motores monofsicos de espira de sombra son muy utilizados en aparatos de
pequea potencia debido a su simple ejecucin.
Los motores monofsicos de espira de sombra son muy utilizados en aparatos de
pequea potencia debido a su simple ejecucin.
El devanado auxiliar consiste en una nica espira de cobre que rodea una porcin de
cada polo.
El devanado auxiliar consiste en una nica espira de cobre que rodea una porcin de
cada polo.
El flujo principal induce otro campo pulsante en las espiras auxiliares. La accin
combinada de ambos da lugar a un dbil campo giratorio que arranca el motor.
El flujo principal induce otro campo pulsante en las espiras auxiliares. La accin
combinada de ambos da lugar a un dbil campo giratorio que arranca el motor.
7.4 Seleccin de un motor. 7.4.1 Grado de proteccin.7.4.2 Formas constructivas.7.4.3 Tipos de servicio.7.4.4 Seleccin de un motor de Induccin.
El grado de proteccin de la carcasa de un motor frente a la penetracin de slidos y agua se indica mediante la designacin IP seguida de dos dgitos
IP xy IP (International Protection) x (0-6) Proteccin contra contacto
y penetracin de slidos y (0-8) Proteccin contra
penetracin de agua
7.4.1 Grado de Proteccin de un Motor. UNE-20324.
7.4.1 Grado de Proteccin de un Motor. UNE-20324.
1 Cifra
2 Cifra
Las formas constructivas hacen referencia a la disposicin del eje del motor a la superficie de anclaje y se indica mediante la designacin IM seguida de una letra y un nmero
IM xy IM (International Mounting) x (B,V) Eje horizontal o vertical y (nmero de uno o dos dgitos)
7.4.2 Formas Constructivas. IEC 60034-7.
IM B 3
Disposicin y montaje del motor.
7.4.2 Formas Constructivas. IEC 60034-7.
Disposicin y montaje del motor.
7.4.3 Tipos de servicioS1: Servicio continuoServicio con carga constante cuya duracin es suficiente para estabilizar la temperatura de la mquina.Denominacin:Indicacin de la potencia.
S2: Servicio de breve duracinServicio con carga constante pero cuya duracin no es suficiente para estabilizar la temperatura, seguido de una pausa lo suficientemente prolongada para que la temperatura del motor no difiera en ms de 2 K de la del medio refrigerante.Denominacin:Mediante la duracin del servicio y la potencia; por ejemplo, S2: 20 min., 15 kW.
S3: Servicio intermitente sin influencia del proceso de arranqueServicio que se compone de una sucesin de maniobras iguales, formadas por un perodo de carga constante seguido de una pausa, sin que la intensidad de arranque influya apreciablementeen el calentamiento.Denominacin:Mediante el tiempo de conexin, duracin de la maniobra y potencia. Por ejemplo, S3: 15 min/60 min, 20 kW; o por duracin relativa del perodo de conexin tr en tanto por ciento y duracin de la maniobra. Por ejemplo, S3: 25 %, 60 min., 20 kW. La indicacin de la duracin de la maniobra puede suprimirse cuando es de 10 minutos.S4: Servicio intermitente con influencia del proceso de arranqueServicio que se compone de una sucesin de maniobras iguales, que comprenden un tiempo de arranque apreciable, un tiempo con carga constante y una pausa.Denominacin:Mediante la duracin relatva de conexin en tanto por ciento, nmero de arranques por hora y potencia. Por ejemplo, 84: 40 %, 520 arranques, 30 kW. Adicionalmente se indicar el momento de inercia y el par resistente durante el arranque.
7.4.3 Tipos de servicio
7.4.4 Seleccin de un motor de induccin.
Seleccionar carcasa y nivel de proteccin (IP)
Seleccionar potencia en funcin de la potencia necesaria para
arrastra la carga
Seleccionar velocidad (p) en funcin velocidad carga
Seleccionar forma normalizada de montaje (IM) en funcin de
la ubicacin
Seleccionar clase de aislamiento en funcin de la
temperatura esperada y ambiente de trabajo
Seleccionar caracterstica mecnica en funcin de par de
arranque y resistente de la carga
ABB Guide for selecting a motor
z Bombas centrfugasz Compresores centrfugosz Ventiladores y soplantesz Centrifugadoras
TR=K n2
z Prensasz Mquinas herramientas
TR=K n
z Mquinas elevacinz Cintas transportadorasz Machacadoras y trituradorasz Compresores y bombas de pistones
TR=K
z Bobinadorasz Mquinas fabricacin
chapa
TR=K n-1TR=K
TR=K n2
n
TRTR=K n
Tipos de cargas mecnicas. Par resistente.
TR=K n-1
7.4.4 Seleccin de un motor de induccin.
Clasificacin NEMA segn el tipo de rotor
Clase BClase BClase B
Clase AClase AClase A
Clase CClase CClase CClase DClase DClase D
T/T/TnomTnom
SS
1,51,5
22
2,52,5
33z Par de arranque bajoz Par nominal con S 5,5 kW se usan sistemas de arranque para limitar la corriente
MOTOR CLASE AMOTOR CLASE A
7.4.4 Seleccin de un motor de induccin.
http://www.lafert.com/products/pdf/2.1%20s%202004.pdf
Datos de catlogo.
7.4.4 Seleccin de un motor de induccin.
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