De manera general, se define como la relación
entre la potencia
útil y la potencia absorbida expresado en %
Máquinas
eléctricas rotativas.
Muchos dispositivos pueden convertir energía
eléctrica a mecánica y viceversa[2]. La estructura de
estos dispositivos puede ser diferente, dependiendo de las
funciones que
realicen. Algunos dispositivos son usados para conversión
continua de energía, y son conocidos como motores y
generadores. Otros dispositivos pueden ser: actuadores, tales
como solenoides, relés y electromagnetos. Todos ellos son
física y
estructuralmente diferentes, pero operan con principios
similares.
Un dispositivo electromecánico de
conversión de energía es esencialmente un medio de
transferencia entre un lado de entrada y uno de salida, como lo
muestra la
fig. 1.1. En el caso de un motor, la entrada
es la energía eléctrica, suministrada por una
fuente de
poder y la salida es energía mecánica enviada a la carga, la cual puede
ser una bomba, ventilador, etc.
El generador eléctrico convierte la
energía mecánica por una máquina prima
(turbina) a energía eléctrica en el lado de la
salida. La mayoría de estos dispositivos pueden funcionar,
tanto como motor, como generador.
Fig. 1. 1. Diagrama de
bloques de dispositivos electromecánicos de
conversión de energía, (a) motor, (b)
generador.
Flujos de potencia y
pérdidas:
Un sistema
electromecánico de conversión tiene tres partes
esenciales:
(1) Un sistema eléctrico.
(2) Un sistema mecánico.
(3) Un campo que los une.
Las pérdidas las podemos clasificar dentro
de las siguientes categorías:
1.- Pérdidas en el cobre de los
devanados (rotor y estator): Las pérdidas en el cobre
de una máquina son las pérdidas por calentamiento
debido a la resistencia de
los conductores del rotor y del estator:
P=I2R.
2.- Pérdidas en el núcleo: Las
pérdidas del núcleo se deben a la histéresis
y a las corrientes parásitas. Con frecuencia a estas
pérdidas se les conoce como pérdidas de
vacío o pérdidas rotacionales de una
máquina. En vacío, toda la potencia que entra a la
máquina se convierte en estas pérdidas.
3.- Pérdidas mecánicas: Las
pérdidas mecánicas se deben a la fricción de
los rodamientos y con el aire.
4.- Pérdidas adicionales: Las
pérdidas adicionales son todas aquellas pérdidas
que no se pueden clasificar en ninguna de las categorías
descritas arriba. Por convención, se asume que son iguales
al 1% de salida de la máquina.
La eficiencia de una
máquina es una relación entre su potencia
útil de salida y su potencia total de entrada: =
(Psal/Pent)100.
Panorámica
sobre el uso de las máquinas
eléctricas rotativas.
Como se ha expuesto anteriormente, con estos
dispositivos electromecánicos de conversión,
podemos transformar energía en ambos sentidos
(MECANICA-ELECTRICA). Esto ha sido aprovechado por el hombre para
construir sus sistemas
generadores, transmisores y consumidores de potencia, los cuales
son la base del desarrollo y
actividad mundial. La figura 1.2 muestra a grandes rasgos un
sistema de estos.
Fig. 12. Sistema de generación,
transmisión, distribución, y consumo de
energía.
En la figura apreciamos que se utiliza una fuente de
energía mecánica para mover el generador
eléctrico. Esta fuente de energía mecánica
puede ser la turbina de una hidroeléctrica o estar movida
por el vapor de agua de una
caldera o reactor nuclear; también podemos quemar
combustible fósil en un motor de combustión interna.
El generador produce típicamente un nivel de 10
KV con grandes corrientes. Aquí termina la parte de
"generación". 10 KV no es el nivel de voltaje adecuado
para transmitir la energía eléctrica a grandes
distancias, ya que las corrientes en las líneas
serían muy grandes y las pérdidas I2R
serían altísimas; por eso se eleva el voltaje a 400
KV y se reducen en 40 veces las corrientes, con lo que las
pérdidas I2R disminuyen 1600 veces y el
requerimiento del calibre del cable baja.
Al llegar a los centros de consumo (ciudades, corredores
industriales, etc.), debemos reducir el nivel de voltaje a
valores
más seguros para la
población (típicamente 13.5 KV). La
distribución es el paso anterior al consumo. Finalmente,
la energía llega al hogar, industria,
etc., con un nivel seguro de 110 V,
220 V, donde es consumida en iluminación, refrigeración, calefacción, motores,
etc. Aquí cabe también dar mérito al
transformador por su participación en el sistema, la cual
eleva la eficiencia de dicho sistema, evitando pérdidas y
aumentando la seguridad en el
manejo de la energía.
Como vimos anteriormente, el intermediario
entre la energía mecánica-eléctrica y
viceversa resulta de los dos siguientes fenómenos
electromagnéticos:
1.- Cuando un conductor se mueve dentro de un
campo
magnético, existe un voltaje inducido en el inductor
(conductor).
2.- Cuando un conductor con corriente es colocado en un
campo magnético, el conductor experimenta fuerza
mecánica.
Esos dos efectos ocurren simultáneamente
donde la conversión de energía se lleva a cabo. En
acción
motora, el sistema eléctrico hace fluir una corriente a
través de conductores localizados en un campo
magnético. Una fuerza es producida en cada conductor. Si
el conductor tiene la posibilidad de rotar libremente, le
será proporcionado un torque que tenderá a hacerlo
rotar. Si los conductores giran en un campo magnético, un
voltaje será inducido en cada conductor.
En la acción generadora, el proceso es al
revés: la estructura giratoria (rotor) es movida por una
máquina prima externa, entonces, un voltaje se
inducirá en los conductores. Si una carga eléctrica
es conectada a ellos, una corriente "I" fluirá, entregando
energía a la carga. Sin embargo, la corriente fluyendo a
través del conductor interactuará con el campo
magnético que producirá un torque de
reacción, que tenderá a oponerse al torque aplicado
por la máquina prima.
Note que en ambas acciones
generadoras y motoras, el campo magnético acoplador
está relacionado con la producción del torque y del voltaje
inducido.
Una expresión puede ser derivada
para el voltaje inducido en un conductor moviéndose en un
campo magnético (fig. 1.3). Si un conductor de longitud
"l" se mueve en una linea con velocidad
"v" en un campo magnético "B". El voltaje inducido
en el conductor es:
e = l (v x B)
Fig. 1.3. Conductor moviéndose
en un campo magnético.
donde B, l y v son mutuamente
perpendiculares.
Para el conductor con corriente mostrado en la figura
1.4, la fuerza (conocida como fuerza de Lorentz) producida por el
conductor es:
F = i (v x B)
Fig. 1.4. Conductor con corriente
moviéndose en un campo magnético.
donde B, l, i son
mutuamente perpendiculares.
- Clasificación [3]
- Estructura. La estructura de una
máquina eléctrica tiene dos componentes
principales: estator y rotor, separados por un
entrehierro.
El estator es el elemento que opera como base,
permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la
rotación de la máquina. El estator no se mueve
mecánicamente, pero si magnéticamente. Existen dos
tipos de estatores:
a) Estator de polos
salientes
b) Estator rasurado
El estator está constituido principalmente
de un conjunto de láminas de acero al silicio
(y se les llama "paquete"), que tienen la habilidad de permitir
que pase a través de ellas el flujo magnético con
facilidad; la parte metálica del estator y los devanados
proveen los polos magnéticos.
Los polos de una máquina siempre son pares
(pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por ello el mínimo de
polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y
un sur).
Rotor.
El rotor es el elemento de transferencia
mecánica, ya que de él depende la conversión
de energía. Los rotores, son un conjunto de láminas
de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser
básicamente de tres tipos:
a) Rotor ranurado
b) Rotor de polos salientes
c) Rotor jaula de ardilla
Carcasa.
La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y
al rotor, el material empleado para su fabricación depende
del tipo de máquina, de su diseño
y su aplicación. Así pues, la carcasa puede
ser:
a) Totalmente cerrada
b) Abierta
c) A prueba de goteo
d) A prueba de
explosiones
e) De tipo sumergible
Base.
La base es el elemento en donde se soporta toda la
fuerza mecánica de operación de la máquina,
puede ser de dos tipos:
a) Base frontal
b) Base lateral
Caja de conexiones.
Por lo general, en la mayoría de los casos las
máquinas eléctricas cuentan con caja
de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a
los conductores que alimentan al motor, resguardándolos de
la operación mecánica del mismo, y contra cualquier
elemento que pudiera dañarlos.
Tapas.
Son los elementos que van a sostener en la gran
mayoría de los casos a los cojinetes o rodamientos que
soportan la acción del rotor.
Cojinetes.
También conocidos como rodamientos, contribuyen a
la óptima operación de las partes giratorias de la
máquina. Se utilizan para sostener y fijar ejes
mecánicos, y para reducir la fricción, lo que
contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes
pueden dividirse en dos clases generales:
a) Cojinetes de
deslizamiento. Operan el base al principio de la
película de aceite, esto
es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra del
eje y la superficie de apoyo.
b) Cojinetes de
rodamiento. Se utilizan con preferencia en vez de los
cojinetes de deslizamiento por varias razones:
- Tienen un menor coeficiente de fricción,
especialmente en el arranque. - Son compactos en su diseño
- Tienen una alta precisión de
operación. - No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo
deslizante. - Se remplazan fácilmente debido a sus
tamaños estándares
La figura 1.5 ilustra una de estas
máquinas:
Fig. 1.5. (a) Estructura de una
máquina sincrónica. (b) Estator
laminado.
(c) Detalle de la
flecha.
Características particulares de los
motores
eléctricos de corriente
alterna.
Los parámetros de operación de una
máquina designan sus características, es importante
determinarlas, ya que con ellas conoceremos los parámetros
determinantes para la operación de la máquina. Las
principales características de los motores de C.A.
son:
1 kW
=
1000 W
1 HP
=
747 W = 0.746
kW1kW
=
1.34 HP
- Potencia: Es la rapidez con la que se realiza un
trabajo;
en física la Potencia = Trabajo/tiempo, la
unidad del Sistema Internacional para la potencia es el joule
por segundo, y se denomina watt (W). Sin embargo estas
unidades tienen el inconveniente de ser demasiado
pequeñas para propósitos industriales. Por lo
tanto, se usan el kilowatt (kW) y el caballo de fuerza (HP)
que se definen como:Donde:
E
=
Voltaje o Tensión
VA
=
Potencial del punto A
VB
=
Potencial del punto B
La diferencia de tensión es importante en la
operación de una máquina, ya que de esto
dependerá la obtención de un mejor
aprovechamiento de la operación. Los voltajes
empleados más comúnmente son: 127 V, 220 V, 380
V, 440 V, 2300 V y 6000 V. - Voltaje: También llamada tensión
eléctrica o diferencia de potencial, existe entre dos
puntos, y es el trabajo
necesario para desplazar una carga positiva de un punto a
otro:Donde:
I
=
Corriente eléctrica
Q
=
Flujo de carga que pasa por el punto
Pt
=
Tiempo
La unidad de corriente eléctrica es el
ampere. Un ampere [A] representa un flujo de carga con la
rapidez de un coulomb por segundo, al pasar por cualquier
punto.Las máquinas eléctricas esgrimen
distintos tipos de corriente, que fundamentalmente son:
corriente nominal, corriente de vacío, corriente de
arranque y corriente a rotor bloqueado. - Corriente: La corriente
eléctrica [I], es la rapidez del flujo de carga [Q]
que pasa por un punto dado [P] en un conductor eléctrico
en un tiempo [t] determinado. - Corriente nominal: En una máquina, el
valor de la
corriente nominal es la cantidad de corriente que
consumirá en condiciones normales de
operación. - Corriente de vacío: Es la corriente que
consumirá la máquina cuando no se encuentre
operando con carga y es aproximadamente del 20% al 30% de su
corriente nominal. - Corriente de arranque: Todos los motores
eléctricos para operar consumen un excedente de
corriente, mayor que su corriente nominal, que es
aproximadamente de dos a ocho veces superior. - Corriente a rotor bloqueado: Es la corriente
máxima que soportara la máquina cuando su rotor
esté totalmente detenido.
Donde:
W=N
=
Revoluciones por minuto o velocidad
angular=
Constante [3.14]
F
=
Frecuencia
t
=
Tiempo
Las unidades de la velocidad son los radianes por
segundo (rad/s), sin embargo la velocidad también
se mide en metros por segundo (m/s) y en
revoluciones por minuto [R.P.M.]. Para calcular las
R.P.M. de un motor se utiliza la ecuación:Donde:
R.P.M.
=
Revoluciones por minuto o velocidad
angularF
=
Frecuencia
- Revoluciones por minuto (R.P.M.) o velocidad
angular: Se define como la cantidad de vueltas completas
que da el rotor en el lapso de un minuto; el símbolo
de la velocidad angular es omega [W], no obstante, el la
industria se utilizan también para referirse, la
letras: "N" o simplemente las siglas R.P.M.Donde:
P
=
Potencia real
S
=
Potencia aparente
El factor de potencia nunca puede ser mayor que la
unidad, regularmente oscila entre 0.8 y 0.85. En la
práctica el factor de potencia se expresa,
generalmente, en tanto por ciento, siendo el 100% el factor
máximo de potencia posible. Un factor de potencia bajo
es una característica desfavorable de cualquier
carga. - Factor de potencia: El factor de
potencia [cos Φ] se define como la
razσn que existe entre Potencia Real [P] y
Potencia Aparente [S], siendo la potencia aparente el
producto
de los
valores eficaces de la tensión y de la
corriente:Donde:
P
=
Potencia
η
=
Eficiencia
#F
=
Número de fases
F.P.
=
Factor de potencia
E
=
Tensión
Pr
=
Potencia real
I
=
Corriente
F.S.
=
Factor de servicio
NOTA: Para el numero de fase se
utilizara 1 para sistemas monofásicos, 2 para sistemas
bifásicos, y para sistemas trifásicos se
utilizara = 1.732. - Factor de servicio: El factor de servicio de
un motor se obtiene considerando la aplicación del
motor, para demandarle más, o menos potencia, y depende
directamente del tipo de maquinaria
impulsada: - Número de fases: Depende directamente del
motor y del lugar de instalación, por ejemplo: Para
motores con potencia menor o igual a 1 HP (a nivel
domestico), generalmente, se alimentan a corriente
monofásica (127 V.); cuando la potencia del motor
oscila entre 1 y 5 HP lo más recomendable es
conectarlo a corriente bifásica o trifásica
(220 V.); y para motores que demanden una potencia de 5 HP o
más, se utilizan sistemas trifásicos o
polifásicos.
Figura 1.6 Par de
torsión - Par: Un par de fuerzas es un conjunto de dos
fuerzas de magnitudes iguales pero de sentido contrario. El
momento del par de fuerzas o torque, se representa por un
vector perpendicular al plano del par. - Par Nominal: Es el par que se produce en un
motor eléctrico para que pueda desarrollar sus
condiciones de diseño. - Par de arranque: Es el par que va a
desarrollar el motor para romper sus condiciones iniciales de
inercia y pueda comenzar a operar. - Par máximo: También llamado par
pico, es el par que puede desarrollar el motor sin perder
sus condiciones de diseño, es decir, que es el limite en
el que trabaja el motor sin consumir más corriente y
voltaje, asimismo de que sus revoluciones son constantes, y
conjuntamente esta relacionado con el factor de
servicio. - Par de aceleración: Es el par que
desarrolla el motor hasta que alcanza su velocidad
nominal. - Par de desaceleración: Es el par en
sentido inverso que debe emplearse para que el motor se
detenga. - Par a rotor bloqueado: Se considera como el par
máximo que desarrolla un motor cuando se detiene su
rotor.Donde:
T
=
Tiempo o periodo
F
=
Frecuencia
- Frecuencia: Es el número de ciclos o
repeticiones del mismo movimiento
durante un segundo, su unidad es el
segundo-1 que corresponde a un Hertz
[Hz] también se llama ciclo . La
frecuencia y el periodo están relacionados
inversamente:Donde:
z
=
Deslizamiento
Vc
=
Velocidad de los campos del
estatorVr
=
Velocidad de giro del rotor
En los motores de corriente alterna de inducción, específicamente de
jaula de ardilla, el deslizamiento es fundamental para su
operación, ya que de él depende que opere o no
el motor. - Deslizamiento: El deslizamiento es la
relación que existe entre la velocidad de los campos del
estator y la velocidad de giro del rotor: - Eficiencia: Es un factor que indica el grado
de perdida de energía, trabajo o potencia de
cualquier aparato eléctrico o mecánico,
La eficiencia [η] de una maquina se define como la
relaciσn del trabajo de salida entre el
trabajo de entrada, en términos de potencia, la
eficiencia es igual a el cociente de la potencia de salida
entre la potencia de entrada:
Donde: | η | = | Eficiencia | Ps | = | Potencia de salida |
Ts | = | Trabajo de salida | Pe | = | Potencia de entrada | |
Te | = | Trabajo de entrada |
La eficiencia se expresa en porcentaje, por lo tanto
se le multiplicará por cien, pero al efectuar operaciones se
deberá de expresar en decimales.
Máquinas de Corriente Directa (CD).
Las máquinas de corriente continua [2]
transforman la energía mecánica en energía
eléctrica (de corriente continua), o viceversa, se las
llama generadores o motores respectivamente.
También estas máquinas están
esencialmente constituidas por una parte fija, que produce el
flujo de inducción, llamada inductor y otra parte
giratoria, que contiene el arrollamiento en el cual se produce la
f.em. inducida (o contra f.e.m.), llamada inducido o
armadura.
La parte giratoria incluye el colector (rectificador u
ondulador mecánico) componente esencial para el
funcionamiento de la máquina.
Son aplicables a estas máquinas las condiciones
normales de servicio vistas en general para las máquinas
rotantes.
Los temas que corresponden a las máquinas de
corriente continua están tratados por
distintas normas generales,
pero para algunas aplicaciones especiales, por ejemplo para las
máquinas de tracción (utilizadas en
vehículos ferroviarios y terrestres) existen normas
particulares.
Alimentación eléctrica
En el diseño de los motores es necesario tener en
cuenta las características de la alimentación, que
puede asemejarse a una fuente de corriente continua con
armónicas superpuestas.
Para reducir la ondulación en algunos casos se
incluyen en el circuito de alimentación inductancias
adicionales (que cumplen la función de
filtros).
Aunque redundante es necesario destacar que
características de convertidor estático y motor
están íntimamente vinculadas, y el proyectista (del
motor y del accionamiento) deben tener muy en cuenta esta
situación.
Los motores de corriente continua deben poder soportar
para la máxima velocidad, con la plena excitación y
su correspondiente tensión de armadura, una corriente
igual a 1.5 veces la corriente nominal durante un tiempo no menor
de 1 minuto.
Para máquinas grandes se puede (previo acuerdo
entre el constructor y el comprador), adoptar una tiempo menor,
pero este no podrá ser inferior a 30 s.
La posibilidad de que se presente una sobre intensidad
ocasional en una máquina rotante, se indica con el objeto
de coordinar la máquina con los dispositivos de comando y
protección, no estableciendo las normas ensayos para
verificar esta condición.
Los efectos del calentamiento de los arrollamientos de
la máquina varían aproximadamente como el producto
del tiempo por el cuadrado de la corriente, en consecuencia una
corriente superior a la nominal produce un incremento de la
temperatura de
la máquina.
Salvo que se especifique lo contrario, se supone que la
máquina no será sometida a este tipo de
sobrecargas, más que durante unos pocos cortos
períodos durante toda su vida.
Para las máquinas de corriente continua se define
una velocidad base, que corresponde a una condición de
funcionamiento en la cual la máquina entrega potencia y
par nominales.
El modo más simple de regular la velocidad de un
motor es variando la tensión de armadura debido a que la
velocidad de un motor de corriente continua es directamente
proporcional a ella.
Aumentando la tensión de armadura y manteniendo
el flujo, la velocidad del motor puede incrementarse
continuamente desde el reposo hasta alcanzar la velocidad
base.
El par desarrollado permanece constante (a corriente de
armadura constante), mientras no se varíe la corriente de
campo y consecuentemente el flujo.
Si se requiere incrementar la velocidad por arriba del
valor base, se puede recurrir a la regulación del campo,
es decir reducir la corriente de excitación.
Generalmente el par desarrollado se reduce mientras la
potencia, que es el producto del par por la velocidad, permanece
constante, siendo este tipo de característica conveniente
en algunos procesos
industriales y para determinadas máquinas herramientas.
En el funcionamiento por encima de la velocidad base
existen límites
mecánicos y eléctricos que no deben ser superados
por problemas
estructurales, o de conmutación.
La principal razón del gran desarrollo de los
motores de corriente continua fue el control de la
velocidad mediante convertidores estáticos.
En particular la alimentación mediante
convertidores a tiristores, permite satisfacer varios
requerimientos de regulación, como ser:
- Operar como motor en un solo sentido de
rotación, o como freno (girando en sentido contrario).
Se requiere un simple convertidor, cuya tensión de
salida permite la circulación de corriente en un solo
sentido. - La máquina puede funcionar como motor o como
freno, en ambos sentidos, invirtiendo la polaridad del
convertidor. Se re quiere un convertidor y un dispositivo de
inversión de la polaridad (contactor), o
bien dos convertidores, la corriente en la máquina se
invierte. - El frenado con convertidores a tiristores es
regenerativo, es decir que la energía cinética de
la carga se transforma en energía eléctrica que
es devuelta a la red de
alimentación. En este caso la máquina de
corriente continua funciona como generador y el convertidor
como inversor (convirtiendo la corriente continua en alterna y
viéndoselo desde la red como generador de corriente
alterna).
Estado actual de la
técnica (Aplicaciones).
Con el advenimiento de los accionamientos
electrónicos, el motor de corriente continua, por su
flexibilidad, regularidad y elevado rendimiento, se
manifestó como un natural e importante componente de la
automatización.
Al tener que adecuarse a las exigencias de estas
condiciones de utilización, se modificó
notablemente la "filosofía" de proyecto de estas
máquinas, respecto de los criterios clásicos
utilizados en el pasado.
Las condiciones impuestas por las informaciones
obtenidas de los distintos sistemas que utilizan motores de
velocidad variable, fijaron las características
constructivas y de funcionamiento requeridas en los más
importantes procesos de la industria siderúrgica,
metalúrgica, mecánica, del papel, plástica,
etc. como también en los sistemas de
tracción.
Análogamente a lo acontecido con los motores de
corriente alterna, entre fabricantes y usuarios, surgió la
necesidad de proyectar dentro de un adecuado rango de potencias,
motores normalizados que permitieran unificar, reduciendo la
variedad de modelos, y
facilitando la intercambiabilidad.
Este esfuerzo fue plasmado por los fabricantes en sus
propias series industriales con un rango de potencia del orden de
0.8 a 1000 kW referido a 1000 vueltas/minuto, con
ventilación asistida, es decir, externa a la
máquina (para garantizar una adecuada refrigeración
independientemente de la velocidad).
Los parámetros básicos tenidos en cuenta
para proyectar estas nuevas series de motores modernos son la
relación cupla/peso y la relación cupla/momento de
inercia, siendo el criterio aplicado, maximizar estos
valores.
La relación cupla/peso representa la medida de la
validez del proyecto electromagnético para lo cual es
necesario obtener con un mínimo peso (en rigor costo), la
más elevada cupla posible.
La relación cupla/momento de inercia caracteriza
el comportamiento
dinámico del motor, momento de inercia reducido implica
mejor respuesta del motor a los requerimientos del control (para
igualdad de
características eléctricas).
Las máquinas modernas de formato cuadrado
surgieron como consecuencia de estas condiciones,
basándose su desarrollo en la investigación del valor óptimo del
diámetro del rotor para una determinada altura de
eje.
La forma cuadrada de la carcaza, respecto a la
tradicional forma circular, permite además modelar
convenientemente las bobinas de los polos de excitación,
aumentando la superficie en contacto con el fluido refrigerante y
por lo tanto incrementando la utilización de las partes
activas.
Actualmente además para reducir el
diámetro, momento de inercia, se acoplan dos motores en un
solo eje, con esto se logra también tener motores de menor
tamaño, y en consecuencia el fabricante puede tener mayor
posibilidad de ofrecer su solución al problema
específico.
Características
electromecánicas.
Las máquinas eléctricas de corriente
continua, en general, están limitadas en sus prestaciones
por los siguientes factores:
- Calentamiento máximo admisible impuesto por
las normas en función de la clase de
aislamiento. - Inducciones en las distintas partes del circuito
magnético. - Tensión máxima entre delgas del
colector. - Tensión de reactancia (inducida en la espira
que conmuta).
Máquinas de Corriente Alterna
(Asincrónicas).
El motor asincrónico es una máquina de
corriente alterna, sin colector, de la que solamente una parte,
el rotor o el estator, está conectada a la red y la otra
parte trabaja por inducción siendo la frecuencia de las
fuerzas electromotrices inducidas proporcional al
resbalamiento.
La elección de un motor de cualquier tipo para
una determinada instalación requiere el
conocimiento de dos conjuntos de
características, las del motor y las de la
instalación, algunas necesarias porque están
impuestas, y no pueden ser elegidas arbitrariamente, otras en
cambio pueden
ser seleccionadas entre un conjunto de posibles.
Para adoptar efectivamente el motor se deben tener en
cuenta las exigencias de la instalación donde se lo va a
utilizar, considerando que como el motor tendrá ciertos
límites, estos no deberán ser superados; por otra
parte el motor con sus características propias,
impondrá a la instalación ciertos requerimientos,
que esta deberá satisfacer.
Fueron los primeros motores utilizados en la industria.
Cuando este tipo de motores está en operación,
desarrolla un campo magnético rotatorio, pero antes de que
inicie la rotación, el estator produce un campo
estacionario pulsante.
Para producir un campo rotatorio y un par de arranque,
se debe tener un devanado auxiliar defasado 90° con respecto
al devanado principal. Una vez que el motor ha arrancado, el
devanado auxiliar se desconecta del circuito.
Debido a que un motor de corriente alterna (C.A.)
monofásico tiene dificultades para arrancar, esta
constituido de dos grupos de
devanados: El primer grupo se
conoce como el devanado principal o de trabajo, y el segundo, se
le conoce como devanado auxiliar o de arranque. Los devanados
difieren entre sí, física y eléctricamente.
El devanado de trabajo está formado de conductor grueso y
tiene más espiras que el devanado de arranque.
Tipos y características
Los motores monofásicos han sido perfeccionados a
través de los años, a partir del tipo original de
repulsión, en varios tipos mejorados, y en la actualidad
se conocen:
- Motores de fase partida: En general consta de
una carcasa, un estator formado por laminaciones, en cuyas
ranuras aloja las bobinas de los devanados principal y
auxiliar, un rotor formado por conductores a base de barras de
cobre o aluminio
embebidas en el rotor y conectados por medio de anillos de
cobre en ambos extremos, denominado lo que se conoce como una
jaula de ardilla.
Se les llama así, por que se asemeja a una
jaula de ardilla. Fueron de los primeros motores
monofásicos usados en la industria, y aún
permanece su aplicación en forma popular. Estos motores
se usan en: máquinas herramientas, ventiladores,
bombas,
lavadoras, secadoras y una gran variedad de aplicaciones; la
mayoría de ellos se fabrican en el rango de 1/30 (24.9
W) a 1/2 HP (373 W).
2. Motores de arranque con capacitor: Este
tipo de motor es similar en su construcción al de fase partida, excepto
que se conecta un capacitor en serie con el devanado de arranque
para tener un mayor par de arranque. Su rango de operación
va desde fracciones de HP hasta 15 HP. Es utilizado
ampliamente en muchas aplicaciones de tipo monofásico,
tales como accionamiento de máquinas herramientas
(taladros, pulidoras, etcétera), compresores de
aire, refrigeradores, etc. En la figura se muestra un motor
de arranque con capacitor.
3. Motores con permanente: Utilizan un
capacitor conectado en serie con los devanados de arranque y de
trabajo. El crea un retraso en el devanado de arranque, el
cual es necesario para arrancar el motor y para accionar la
carga. La principal diferencia entre un motor con
permanente y un motor de arranque con capacitor, es que no se
requiere switch
centrífugo. Éstos motores no pueden arrancar y
accionar cargas que requieren un alto par de
arranque.
4. Motores de inducción-repulsión:
Los motores de inducción-repulsión se aplican donde
se requiere arrancar cargas pesadas sin demandar demasiada
corriente. Se fabrican de 1/2 HP hasta 20 HP, y se aplican con
cargas típicas como: compresores de aire grandes, equipo
de refrigeración, etc.
5. Motores de polos sombreados: Este tipo de
motores es usado en casos específicos, que tienen
requerimientos de potencia muy bajos. Su rango de potencia
está comprendido en valores desde 0.0007 HP hasta 1/4 HP,
y la mayoría se fabrica en el rango de 1/100 a 1/20 de HP.
La principal ventaja de estos motores es su simplicidad de
construcción, su confiabilidad y su robustez,
además, tienen un bajo costo. A diferencia de otros
motores monofásicos de C.A., los motores de fase partida
no requieren de partes auxiliares (capacitores,
escobillas, conmutadores, etc.) o partes móviles (switches
centrífugos). Esto hace que su mantenimiento
sea mínimo y relativamente sencillo.
Los motores trifásicos usualmente son más
utilizados en la industria, ya que en el sistema trifásico
se genera un campo magnético rotatorio en tres fases,
además de que el sentido de la rotación del campo
en un motor trifásico puede cambiarse invirtiendo dos
puntas cualesquiera del estator, lo cual desplaza las fases, de
manera que el campo magnético gira en dirección opuesta.
Tipos y características
Los motores trifásicos se usan para accionar
máquinas-herramientas, bombas, elevadores, ventiladores,
sopladores y muchas otras máquinas. Básicamente
están construidos de tres partes esenciales: Estator,
rotor y tapas. El estator consiste de un marco o carcasa y un
núcleo laminado de acero al silicio, así como un
devanado formado por bobinas individuales colocadas en sus
ranuras. Básicamente son de dos tipos:
De jaula de ardilla.
De rotor devanado
El de jaula de ardilla es el más usado y recibe
este nombre debido a que parece una jaula de ardilla de aluminio
fundido. Ambos tipos de rotores contienen un núcleo
laminado en contacto sobre el eje. El motor tiene tapas en ambos
lados, sobre las cuales se encuentran montados los baleros sobre
los que rueda el rotor. Estas tapas se fijan a la carcasa en
ambos extremos por medio de tomillos de sujeción. Los
baleros o chumaceras pueden ser de rodillos o de
deslizamiento.
Aplicación
Como sabemos, el motor eléctrico es una maquina
rotatoria de movimiento infinito, que convierte energía
eléctrica en energía mecánica, como
consecuencia desarrollamos directamente en su aplicación
trabajos mecánicos primordialmente rotatorios, sin
embargo, mediante dispositivos, podemos convertir el movimiento
rotatorio en movimientos bien determinados, dependiendo de su
aplicación.
Condiciones de alimentación
Los motores eléctricos pueden ser alimentados por
sistemas de una fase, denominándose motores
monofásicos; y si son alimentados por 2 líneas de
alimentación, se les nombra motores bifásicos;
siendo así que los motores trifásicos son aquellos
que se alimentan de tres fases, también conocidos como
sistemas polifásicos. Los voltajes empleados más
comúnmente son: 127 V, 220 V, 380 V, 440 V, 2 300 V y 6
000 V.
Los motores sincrónicos funcionan a una velocidad
sincrónica fija proporcional a la frecuencia de la
corriente alterna aplicada. Su construcción es semejante a
la de los alternadores Cuando un motor sincrónico funciona
a potencia Constante y sobreexcitado, la corriente absorbida por
éste presenta, respecto a la tensión aplicada un
ángulo de desfase en avance que aumenta con la corriente
de excitación
Esta propiedad es
la que ha mantenido la utilización del motor
sincrónico en el campo industrial, pese a ser el motor de
inducción más simple, más económico y
de cómodo arranque, ya que con un motor sincrónico
se puede compensar un bajo factor de potencia en la
instalación al suministrar aquél la corriente
reactiva, de igual manera que un Condensador conectado a la
red.
Esta fundamentado en la reversibilidad de un alternador.
El campo interior de una aguja se orienta de acuerdo a la
polaridad que adopta en cada momento el campo giratorio en que se
haya inmersa y siempre el polo S de la aguja se enfrenta
al polo N cambiable de posición del campo
giratorio, la aguja sigue cambiando con la misma velocidad con
que lo hace el campo giratorio. Se produce un perfecto
sincronismo entre la velocidad de giro del campo y la de la
aguja.
Si tomamos un estator de doce ranuras y lo alimentamos
con corriente trifásica, se creará un campo
giratorio. Si al mismo tiempo a las bobinas del rotor le
aplicamos una C.C, girará hasta llegar a sincronizarse con
la velocidad del campo giratorio, de tal manera que se enfrentan
simultáneamente polos de signos
diferentes, este motor no puede girar a velocidades superiores a
las de sincronismo, de tal forma que será un motor de
velocidad constante.
La velocidad del campo y la del rotor, dependerán
del número de pares de polos magnéticos que tenga
la corriente. Un motor de doce ranuras producirá un solo
par de polos y a una frecuencia de 60 Hz, girará a 3600
R.P.M.
Como se verá el principal inconveniente que
presenta los motores sincrónicos, es que necesitan una
C.C. para la excitación de las bobinas del rotor, pero en
grandes instalaciones (Siderúrgicas), el avance de
corriente que produce el motor sincrónico compensa
parcialmente el retraso que determinan los motores
asincrónicos, mejorando con ello el factor de potencia
general de la instalación, es decir, el motor produce
sobre la red el mismo efecto que un banco de condensadores,
el mismo aprovechamiento de esta propiedad, es la mayor ventaja
del motor sincrónico.
Definición
El transformador es un aparato estático [2], de
inducción electromagnética, destinado a transformar
un sistema de corrientes alternas en uno o más sistemas de
corrientes alternas de igual frecuencia y de intensidad y
tensión generalmente diferentes.
Un transformador en servicio en un sistema
eléctrico, tiene ciertas características nominales
que han sido en parte fijadas por el usuario, y en parte
adoptadas por el proyectista.
Estas características que son objeto de
garantías se comprueban en ensayos.
Condiciones normales de servicio
Las normas fijan condiciones normales de servicio, a
saber:
- Altitud de la instalación (hasta 1000 metros
sobre el nivel del mar) - Temperatura del refrigerante, por ejemplo para
aparatos refrigerados por aire, la temperatura del aire
ambiente no
debe exceder los 40 °C.
Además en las normas se fijan temperaturas
mínimas del aire y valores promedios diarios y anuales
que, si se previese excederlos, es indispensable indicarlos
claramente a nivel de especificación.
Los transformadores
se identifican con una sigla que define el modo y el medio de
refrigeración utilizado.
Los transformadores pueden ser sumergidos en aceite
mineral, sintético u otro líquido refrigerante, o
ser de tipo seco.
Los primeros son aquellos cuyas partes activas,
estén o no aisladas y eventualmente impregnadas,
están inmersas en aceite u otro líquido
dieléctrico. La aislación se realiza con materiales
pertenecientes a la clase A (105 °C).
Principio de funcionamiento.
Para entender el funcionamiento de un transformador real
[3], refirámonos a la figura 1.7. Esta nos muestra un
transformador que consiste en dos bobinas de alambre enrolladas
alrededor de un núcleo del transformador. La bobina
primaria del transformador está conectada a una fuente de
fuerza de CA y la bobina secundaria está en circuito
abierto. La curva de histéresis del transformador se
ilustra en la figura 1.8.
Figura 1.7: Transformador real sin
carga conectada al secundario.
La base del funcionamiento del transformador se puede
derivar de la ley de
Faraday
eent = dl /
dt
En donde l es el flujo magnético ligado de la
bobina, a través de la cual el voltaje se induce. El flujo
ligado total l es la suma de los flujos que pasan por cada vuelta
de la bobina, sumando tantas veces cuantas vueltas tenga dicha
bobina: l = å f i
El flujo magnético total que pasa por entre una
bobina no es sólo Nf , en donde N es el número de
espiras en la bobina, puesto que el flujo que pasa por entre cada
espira es ligeramente diferente del flujo en las otras vueltas, y
depende de la posición de cada una de ellas en la
bobina.
Sin embargo, es posible definir un flujo promedio por
espira en la bobina. Si el flujo magnético total de todas
las espiras es l y si hay N espiras, entonces el flujo promedio
por espira se establece por: f = l / N
Figura 1.8: Curva de histéresis
del transformador.
Y la ley de Faraday se puede escribir: eent =
N df / dt
La
relación de voltaje a través de un
transformador
Si el voltaje de la fuente en la figura es
vp(t), entonces ese voltaje se aplica
directamente a través de las espiras de la bobina primaria
del transformador. ¿Cómo reaccionará el
transformador a la aplicación de este voltaje? La ley de
Faraday nos explica que es lo que pasará. Cuando la
ecuación anterior se resuelve para el flujo promedio
presente en la bobina primaria del transformador, el resultado
es: f = (1/NP) ò vp(t)
dt
Esta ecuación establece que el flujo promedio en
la bobina es proporcional a la integral del voltaje aplicado a la
bobina y la constante de proporcionalidad es la recíproca
del número de espiras en la bobina primaria
1/NP.
Este flujo está presente en la bobina
primaria del transformador. ¿Qué efecto tiene
este flujo sobre la bobina secundaria? El efecto depende de
cuánto del flujo alcanza a la bobina secundaria; algunas
de las líneas del flujo dejan el hierro del
núcleo y mas bien pasan a través del aire. La
porción del flujo que va a través de una de las
bobinas, pero no de la otra se llama flujo de
dispersión. El flujo en la bobina primaria del
transformador, puede así, dividirse en dos componentes: un
flujo mutuo, que permanece en el núcleo y conecta
las dos bobinas y un pequeño flujo de
dispersión, que pasa a través de la bobina
primaria pero regresa a través del aire,
desviándose de la bobina secundaria.
f P = f M + f LP, en
donde:
f P = flujo promedio total del
primario.
f M = componente del flujo de enlace entre
las bobinas primaria y secundaria.
f LP = flujo de dispersión del
primario.
Hay una división similar del flujo en la bobina
secundaria entre el flujo mutuo y el flujo de dispersión
que pasa a través de la bobina secundaria pero regresa a
través del aire, desviándose de la bobina
primaria:
f S = f M + f LS, en
donde:
f S = flujo promedio total del
secundario.
f M = componente del flujo para enlazar entre
las bobinas primaria y secundaria.
f LS = flujo de dispersión del
secundario.
Con la división del flujo primario promedio entre
los componentes mutuos y de dispersión, la ley de Faraday
para el circuito primario puede ser reformulada como:
vP(t) = NP df
P / dt = NP df
M / dt + NP df
LP / dt
El primer término de esta expresión puede
denominarse eP(t) y el segundo
eLP(t). Si esto se hace, entonces la
ecuación anterior se puede escribir así:
vP (t) = eP (t)
+ eLP (t)
El voltaje sobre la bobina secundaria del transformador,
puede expresarse también en términos de la ley de
Faraday como:
VS(t) =
NS df S / dt =
NS dfM / dt + NS dfLS
/ dt= eS(t) + eLS(t)
El voltaje primario, debido al flujo mutuo, se
establece por: eP (t) = NP
df M / dt
y el voltaje secundario debido al flujo mutuo por:
eS (t) = NS df
M / dt
Obsérvese de estas dos relaciones que
eP (t) / NP = df
M / dt = eS (t) /
NS
Por consiguiente, eP (t) /
eS (t) = NP /
NS = a
Esta ecuación significa que la relación
entre el voltaje primario, causado por el flujo mutuo, y el
voltaje secundario, causado también por el flujo mutuo, es
igual a la relación de espiras del transformador.
Puesto que en un transformador bien diseñado f
M » f LP y f
M » f LS, la
relación del voltaje total en el primario y el voltaje
total en el secundario es aproximadamente: vP
(t) / vS (t) »
NP / NS = a
Cuanto más pequeños son los flujos
dispersos del transformador, tanto más se aproxima la
relación de su voltaje total al transformador
ideal.
Conclusiones y
recomendaciones.
Las máquinas eléctricas son de suma
importancia en la actualidad, debido a las diferentes
aplicaciones industriales a los que son sometidas, por ello es de
necesidad primordial, el conocimiento
detallado de su principio de funcionamiento y se deben tomar en
cuenta todas las fallas que se presentan para el correcto
funcionamiento de los mismos.
El objetivo de
este informe es, el de
presentar de una manera un poco resumida, la clasificación
de las máquinas eléctricas, el comportamiento de
cada una según la clasificación dada y de dar a
conocer algunas aplicaciones de estas.
Se recomienda en caso de interés
sobre el tema, el abundar más, consultando más
fuentes
bibliográficas, porque el tema es muy amplio, y es
prácticamente imposible tratarlo completo y
detalladamente.
- Wikipedia Enciclopedia,
http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quinas_el%C3%A9ctricas. - .
- Ref: Stephen J. Chapman, Máquinas
Eléctricas (2° edición),
McGraw-Hill,1993. - Jorge N. L. Sacchi, Alfredo Rifaldi. "Cálculo
y diseño de máquinas
eléctricas."
Ing. Alina M. Pimienta Dueñas.
Ingeniera en Telecomunicaciones y Electrónica.
Mayo 2006.
Pinar del Río, Cuba.
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