electrotecnia.cap.9. maquina electricas

Profesor: Jorge Gavilán L.

CAPÍTULO 9MÁQUINAS ELÉCTRICAS


MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

En las máquinas de CC y en las máquinas sincrónicas de CA, existen bobinas separadas para transportar las corrientes de campo y de armadura.

Función que cumple la corriente en los devanados

Bobina de campo: Por ella circula la I que produce un campo magnético y es independiente de la carga, denominada I de magnetización

Bobina de Armadura: Por ella sólo circula la I de carga

Dado que sólo magnetiza el núcleo, las I de campo son de CC y de baja potencia.

En los motores de inducción, la I de magnetización y la I de carga circulan por la misma bobina, llamada bobina de entrada o primaria. La bobina de salida se llama secundaria.


Tabla 17.1 Configuraciones de los tres tipos de máquinas eléctricas

Tipo de máquina Bobinas Tipo de bobinas Ubicación Corriente

CC Entrada y salida Armadura Rotor CA (en las bobinas)

CC (en las escobillas) Magnetizante Campo Estator CC

Sincrónica Entrada y salida Armadura Estator CA Magnetizante Campo Rotor CC

De inducción Entrada Primaria Estator CA Salida Secundaria Rotor CA


Clasificación de las máquinas de acuerdo con la configuración de sus bobinas de campo y de armadura.



Si convierte energía eléctrica en energía mecánica.

Las máquinas-herramientas, Los robots, Las punzonadoras, Las prensas, Los molinos y Los sistemas para propulsión de vehículos eléctricos

Si convierte energía mecánica de una máquina motriz en energía eléctrica.

Característica en la conversión de Energía.

GENERADOR

Las grandes máquinas de las plantas de generación de potencia.El alternador de un automóvil común son ejemplos de generadores.

MOTOR

Ejemplos de Generadores Ejemplos de Motores



El polo norte del campo del rotor tiene la tendencia a alinearse con el polo sur del campo del estator.

En la figura se muestra la dirección de dos campos magnéticos: la del rotor, BR, y el del estator, BS.

Estos campos permiten que una máquina rotativa gire, y permite la generación de potencia eléctrica.

Esta fuerza de atracción de origen magnético es la que permite la producción de par en un motor eléctrico.

De igual forma, un generador utiliza las leyes de inducción electromagnética para convertir un campo magnético variable en una corriente eléctrica.



La fuerza sobre un conductor se puede calcular por la expresión

Blif w iw es la corriente en el conductor. l es un vector en la dirección del conductor.x denota el producto cruzado de dos vectores.

El par de una bobina de varias vueltas es

T = K Biw sen α

dondeB = densidad del flujo magnético producido por el campo del estator.K = constante que depende de la geometría de la bobina.α = ángulo entre B y la normal al plano de la bobina


En esta máquina hay dos campos magnéticos: uno generado por el estator y el otro por las bobinas del rotor.


Uno de estos campos (pero no ambos) se puede generar por una corriente o por imanes permanentes.

Por lo tanto, los imanes permanentes del estator se pueden reemplazar por unas bobinas dispuestas adecuadamente para producir un campo estatórico en la misma dirección.

Es importante tener en cuenta que la figura no es más que una representación general de los aspectos y características más sobresalientes de las máquinas rotativas.



Existe una gran variedad de configuraciones, las cuales dependen de si cada campo se produce por una corriente en una bobina o por un imán permanente y de si las corrientes de carga y de magnetización son continuas o alternas.

El tipo de excitación (CC o CA) que se les proporciona a las bobinas permite una primera clasificación de las máquinas eléctricas.

Tabla 17.1 Configuraciones de los tres tipos de máquinas eléctricas

Tipo de máquina Bobinas Tipo de bobinas Ubicación Corriente

CC Entrada y salida Armadura Rotor CA (en las bobinas) CC (en las escobillas) Magnetizante Campo Estator CC Sincrónica Entrada y salida Armadura Estator CA Magnetizante Campo Rotor CC De inducción Entrada Primaria Estator CA Salida Secundaria Rotor CA


Máquinas Sincrónicas

La máquina de inducción es la preferida en la mayoría de las aplicaciones industriales, debido a la sencillez de su construcción.


Máquinas de Corriente Continua (CC)

Corriente continua tanto en el estator como en el rotor.

Son mucho más complejas en su construcción, pero con la ayuda de herramientas analíticas ya conocidas, el análisis de su funcionamiento resulta relativamente sencillo.

Máquinas de inducción

Corriente continua en un devanado y corriente alterna en el otro.

Corriente alterna en ambos devanados.

Sin embargo, el análisis del desempeño de una máquina de inducción es algo complejo.


Características de Funcionamiento de las Máquinas EléctricasEn las aplicaciones típicas de las máquinas eléctricas como motores o generadores se deben tener en cuenta las pérdidas de energía asociadas con estos dispositivos.

Fuentes de pérdidas en una máquina rotativa

Pérdidas Eléctricas (I2R)

Pérdidas en el Núcleo

Pérdidas Mecánicas.


El funcionamiento de una máquina eléctrica se puede cuantificar de diferentes formas.

Características de Funcionamiento de las Máquinas Eléctricas

Para un motor eléctrico, se utilizan las gráficas de la característica par-velocidad y del mapa de eficiencia.

El motor hipotético, produce un par máximo a una velocidad en el rango entre 800 y 1,400 rev /min.

Lo que determina la velocidad real del motor es la característica par-velocidad de la carga que se conecta al eje del motor.

CurvaPar-Velocidad

de la carga

Punto deOperación

Este motor, produce un par diferente de cero cuando la velocidad es cero.


EFICIENCIA.


La eficiencia de un motor eléctrico se describe, usualmente, mediante una curva de contorno (un número entre 0 y 1) en el plano par-velocidad. Esta representación permite conocer la eficiencia del motor como una función de su desempeño y de sus condiciones de operación.

Se debe notar que la eficiencia alcanza el máx de 0.95 (95%) en un punto de operación específico (alrededor de 3,500 rev /min y 45 N-m), pero decrece significativamente a medida que se aleja de este punto, hasta alcanzar valores tan bajos como 0.65.

Se describe el mapa de eficiencia de un controlador eléctrico de un vehículo eléctrico híbrido, una máquina de CA de imanes permanentes (o CC sin escobillas) de 20 kW.



1. Tipo de máquina (por ejemplo, motor de CC, alternador).2. Fabricante3. Voltaje y frecuencia nominales4. Corriente y voltamperios nominales5. Potencia mecánica de salida (horsepower) y velocidad nominales

Placa de Características, contiene:


REGULACIÓN DE VELOCIDAD. (En Motores y Reg de Voltaje en Generadores)


Como valor nominal se toma usualmente el que aparece en la placa de características

Se mejora por medio de sistemas de control de realimentación de lazo cerrado.

REGULACIÓN se refiere a la capacidad de la máquina para mantener constante el valor de la velocidad o del voltaje ante condiciones de carga variable.

nominal carga con Velocidad

nominal carga con Velocidad -carga sin Velocidadvelocidadde Regulación

nominal carga conVoltaje

nominal carga conVoltaje -carga sinVoltaje Voltajede Regulación

Motor carga es mecánica Generador carga es eléctrica

CARGA


Operación Básica de Todas las Máquinas Rotativas

campo magnéticoSistema Eléctrico Sistema Mecánico

El campo magnético puede inducir voltajes en los arrollamientos de la máquina

Las fuerzas magnéticas de atracción y de repulsión producen par mecánico

Motor

Generador

Potencia de entrada es eléctrica y se produce potencia mecánica

Potencia de entrada es mecánica y la potencia de salida es eléctrica


Operación Básica de Todas las Máquinas Rotativas

El campo magnético del acoplamiento desempeña dos funciones.

Sin embargo, cuando los conductores giran, se mueven a través de un campo magnético y cortan las líneas de flujo; se induce entonces en ellos una fuerza electromotriz de polaridad opuesta a la de la fuente de tensión de excitación, por lo cual se le conoce también como fuerza contraelectromotriz (fcem).

Cuando una corriente I fluye por los conductores que se encuentran inmerso en un campo magnético, se produce una fuerza sobre cada uno de los conductores. Si estos conductores están fijos a una estructura cilíndrica, se genera un par, y si la estructura puede girar libremente, entonces girará a una velocidad angular ωm.

Por otra parte, si los elementos rotativos de la máquina se impulsan por una máquina motriz, entonces en las bobinas que están girando en el campo magnético (la armadura), se induce una fuerza electromotriz (fem). Si se conecta una carga en los terminales del circuito de armadura, circula una corriente I por la carga y por las bobinas creando a su vez un par de reacción en la armadura de dirección opuesta al par proporcionado por la máquina motriz.


Polos Magnéticos en Máquinas Eléctricas

PARLas fuerzas de atracción y de repulsión entre polos magnéticos del estator y del rotor

generanAcelera al rotor

De reacción sobre el estator

Se quiere que el par (generado como una consecuencia de las fuerzas magnéticas) sea continuo, y siempre en la misma dirección.

Número de polos del ROTOR Número de polos del ESTATOR


El movimiento y el par electromagnético de una máquina eléctrica son el resultado de dos campos magnéticos que tratan de alinearse el uno con el otro, ya que el polo sur de un campo atrae al polo norte del otro.


Se ilustra esta acción mediante la analogía con dos imanes permanentes, uno de los cuales puede girar alrededor de su centro de masa.

Máquina de polos salientes.


Regla de la mano derecha para determinar la dirección del flujo magnético.


Polaridad Magnética Dirección del campo magnético en una bobina por la cual circula una corriente

conocer

Por convención, se considera que el flujo magnético entra por el polo sur y sale por el polo norte.

Se puede identificar fácilmente la dirección del flujo magnético y, por tanto, la polaridad de los polos, si se aplica la regla de la mano derecha, como se ilustra



En muchas máquinas, los enrrollados están colocados en ranuras troqueladas en el estator o en el rotor.

Es común que los enrrollados de las bobinas no estén dispuestos en arreglos tan sencillos como en el caso de los polos salientes.

eje del flujo del estator

Regla de la mano derecha

El estator ranurado se comporta como un par de polos

según


El polo norte y el polo sur indicados en la figura son una consecuencia de que el flujo sale por la parte inferior de la estructura (por lo tanto, el polo norte indicado en la figura) y entra por la mitad superior de la estructura (por lo tanto, el polo sur). En particular, si se considera que los devanados están colocados de tal manera que la corriente que entra por el lado derecho del estator (hacia la derecha de la línea discontinua) fluye hasta el extremo del estator ubicado en el fondo y luego aparece saliendo por las ranuras del lado izquierdo del mismo (a la izquierda de la línea discontinua), entonces se puede visualizar que el desempeño de los devanados en las ranuras es semejante al de las bobinas de la figura 17.10, donde el eje del flujo de la figura 17.11 corresponde al eje del flujo de cada una de las bobinas de la figura 17.10. El circuito real que permite el flujo de corriente se completa por los extremos frontal y posterior del estator, donde los conductores se conectan de acuerdo con las trayectorias a-a', b-b', c-c', como se muestra en la figura.



Los principios fundamentales de operación de las máquinas de CC y de CA son bastante diferentes: en una máquina de corriente continua no hay campo magnético giratorio, pero tiene un dispositivo de conmutación de tipo mecánico (el colector), el cual permite que los campos magnéticos del estator y del rotar siempre se coloquen en ángulo recto entre sí.


Uso de Corrientes Alternas.

Si por los conductores de las ranuras del estator fluye corriente alterna, entonces la dirección del flujo también es alterna y los dos polos cambiarán de polaridad cada vez que la corriente cambie de dirección, esto es, cada medio ciclo de la corriente sinusoidal.

Adicionalmente, como el flujo magnético es aproximadamente proporcional a la corriente en la bobina y la amplitud de la corriente oscila en una forma sinusoidal, la densidad de flujo también lo hace en la estructura. Por lo tanto, el campo magnético establecido en el estator cambia en el tiempo y en el espacio.

Esta propiedad es típica de las máquinas de corriente alterna, en las cuales se establece un campo magnético rotatorio cuando se energizan las bobinas con corriente alterna.


MÁQUINAS DE CC


MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

Estructura Física de las Máquinas de CC

El par desarrollado por la máquina es una consecuencia de las fuerzas magnéticas entre los polos del estator y del rotar.

Además, la armadura está usualmente en el rotor, y el devanado de campo está en el estator.

Este par es máximo cuando el ángulo γ entre los polos del rotar y del estator es de 90°.

Para mantener constante el ángulo de par cuando el rotor gira alrededor de su eje, un interruptor mecánico conocido como COLECTOR está configurado de tal manera que mantiene constante la distribución de corriente en el devanado del rotor y asegura que el eje magnético de los polos del rotor permanezca a 90° del eje fijo de los polos del estator.

En una máquina de CC, la corriente de magnetización es continua, de tal forma que los polos del estator no se alternan en el espacio, debido a corrientes variables en el transcurso del tiempo.



Para entender el funcionamiento del colector, se considera el diagrama simplificado, en la cual, las escobillas están fijas y el rotor gira a una velocidad angular ωm; en un instante determinado, la posición del rotor está dada por la expresión θ = ωmt – γ.

El colector está fijo sobre el eje y forma parte del rotor. En este ejemplo, el colector está conformado por seis segmentos de material conductor aislados eléctricamente entre sí. Además, los devanados del rotor están constituidos por seis bobinas, conectadas a los seis segmentos del colector (delgas) como muestra la figura.

Cuando el colector gira en sentido contrario a las agujas del reloj, el campo magnético del rotor se desplaza un ángulo θ = 30°, y las corrientes en las bobinas L3 y L6 cambian de dirección cuando las escobillas hacen contacto con el próximo segmento.


Ahora, la dirección del campo magnético es -30°. A medida que el colector sigue girando, la dirección del campo magnético del rotor cambia sucesivamente de -30° a +30° cada vez que las escobillas se ponen en contacto con el siguiente par de delgas.

Por lo tanto, en la máquina de este ejemplo, el ángulo del par, γ, no es siempre 90°, sino que puede variar en ± 30° y el par producido por la máquina variará aprox en ± 14%, ya que su valor es proporcional a sen γ.

A medida que se incremente el número de delgas, se reduce notoriamente la fluctuación del par, por efecto de la conmutación.

En una máquina real, que tenga por ejemplo, 60 delgas, las variaciones del ángulo de par γ alrededor de 90° serian de solamente ±3° con fluctuaciones del par menores que 1 %.

Esto permite asegurar que una máquina de CC produce un par aproximadamente constante (como motor) o un voltaje aproximadamente constante (como generador).



Configuración de las Máquinas de CC


Conexión Compuesta en Derivación Larga

Excitación Independiente

Conexión en Paralelo Conexión en Serie Conexión Compuesta en Derivación Corta

La I magnetizante proviene de una fuente externa

La I para establecer el campo de excitación proviene de una derivación del voltaje de la armadura de la máquina

Un generador serie tendrá una muy mala regulación de tensión.

LexcCG VVV No se utiliza en generadores

Varia con Icarga


Configuración de las Máquinas de CC


Máquina con conexión compuesta, la cual tiene una combinación de las configuraciones serie y derivación. En cada una de estas dos configuraciones, el campo magnético producido por la bobina serie puede tener una dirección tal que se sume con el campo de la bobina paralelo (conexión como puesta acumulativa) o producir campo en dirección opuesta, y se reste (conexión compuesta diferencial).

Conexión Compuesta en Derivación Larga

Conexión Compuesta en Derivación Corta


GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA

Las líneas discontinuas se llaman curvas de resistencia de campo y son una representación del voltaje que aparece entre el bobinado más el reóstato de campo, en función de la corriente de campo, para diferentes valores del bobinado de campo más la resistencia del reóstato.

Curva de magnetización máquina CC

El voltaje de armadura no es cero cuando la corriente de campo es cero.

Este fenómeno se debe a la magnetización remanente del núcleo de hierro.

Por lo tanto, la pendiente de la línea es igual a la resistencia total del circuito de campo, R f.


Si se cambia la posición del reóstato, se desplaza el punto de operación, o sea el punto de corte de las dos curvas, como se muestra en la figura.

Este proceso de construcción continúa hasta que las dos curvas se encuentran; es decir, hasta que la de campo, es igual a la I necesaria para inducir la fem.

Cuando la armadura se conecta al circuito en paralelo formado por el bobinado de campo y el reóstato, una corriente fluye por el bobinado que actúa para incrementar la fem entre los terminales de la armadura.

Se entiende fácilmente la operación de un generador de CC considerando la curva de magnetización.


Curva de magnetización máquina CC

El generador puede suministrar diferentes voltajes.


En la figura se muestra el modelo para circuito equivalente del generador compuesto, a partir del cual se pueden obtener los modelos correspondientes para el generador de excitación en derivación y para el raramente utilizado generador de excitación en serie, con sólo eliminar los elementos que representan el devanado serie o el devanado en derivación (paralelo), respectivamente.



MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

Para el análisis del motor se utiliza nuevamente su curva de magnetización y su modelo para circuitos.

Son ampliamente utilizados en aplicaciones en las que se requiere precisión en el control de la velocidad.


Curvas par-velocidad y características dinámicas de los motores de CC

Motor en Derivación

La velocidad del motor es directamente proporcional a la corriente de armadura.

Supongamos que la carga conectada al motor se incrementa súbitamente

El Punto de equilibrio está determinado por el balance entre las potencias mecánica y eléctrica

Caída en la velocidad Aumento en Ia

Se establece la Nueva Condición de Equilibrio entre la nueva Ia y el par desarrollado y la nueva velocidad de rotación.

Incremento en el par producido por el motor

Es decir, el motor de CC en derivación se adapta a las variaciones de carga variando su velocidad para preservar el equilibrio de potencias.


A medida que el par exigido por la carga se reduce, Ia también disminuye y la velocidad aumenta. El aumento de la velocidad depende de la magnitud de la caída de voltaje a través de la resistencia de armadura, IaRa. El cambio de velocidad será, del mismo orden de magnitud de la caída de voltaje; los valores típicos están alrededor de 10%. Esto corresponde a una regulación de velocidad relativamente buena, lo cual constituye una ventaja atractiva en favor de los motores de CC con excitación en derivación.

Motor en Derivación

Esto indica que este motor funciona con una velocidad aproximadamente constante.

Se puede observar que, para un amplio rango de potencias, aún superiores a la nominal, la curva de par es relativamente plana


Motores con Conexión Compuesta

Es interesante comparar el desempeño de un motor en derivación con un motor de conexión compuesta; la comparación es fácil de hacer si se recuerda que la resistencia de la bobina de campo en serie se conecta, precisamente, en serie con la resistencia de la armadura y que el flujo total resulta de las contribuciones de las dos bobinas de campo: la derivación y la serie.

En la figura aparecen las curvas correspondientes a los motores con conexión compuesta (tanto el acumulativo como el diferencial).


Motores con Excitación en Serie

El motor serie tiene un comportamiento distinto al de los motores en derivación y al de los motores compuestos, ya que en ellos el flujo magnético se establece únicamente por medio de la corriente serie del circuito de armadura.

Puesto que la velocidad crece cuando el par de carga disminuye, entonces el motor puede alcanzar velocidades peligrosas si se le desconecta totalmente la carga. Para evitar que alcancen velocidades excesivas, los motores serie se deben acoplar siempre de manera mecánica a la carga. Esto no representa, necesariamente, un inconveniente pues, si se tiene en cuenta que el motor serie puede desarrollar muy alto par a bajas velocidades, eso lo convierte en muy útil y apropiado para cargas de tipo tracción (por ejemplo, bandas transportadoras o sistemas de propulsión de vehículos).

En un motor serie el par varía en relación inversa al cuadrado de la velocidad, por lo cual, bajo ciertas condiciones, el comportamiento de un motor serie puede ser inestable.


Motores de CC de Imán Permanente (permanent magnet, PM)

Comunes en aplicaciones donde se requieran pares relativamente bajos y un uso eficiente del espacio.

Posee una construcción distinta a los motores estudiados hasta el momento, puesto que el campo magnético del estator se produce por medio de polos debidamente ubicados y fabricados con materiales magnéticos. Por lo tanto, no se cambia el principio básico de operación incluida la conmutación, en relación con los motores de CC de estator bobinado.

Las características del motor de CC de imán permanente son diferentes de las del motor de CC con bobinas, debido a que en el primero el flujo en el entrehierro es constante.


Motores de CC de Imán Permanente (permanent magnet, PM)

Motores PM de CC

Desventajas

Son más pequeños y más ligeros para una misma potencia nominal.

Su eficiencia es mayor porque no existen pérdidas en los devanados de campo.

La característica par- velocidad es lineal, la cual facilita el análisis y el control.

La inversión del sentido de rotación se puede obtener fácilmente, al invertir la polaridad de la fuente.

Se pueden desmagnetizar al exponerse a campos magnéticos muy intensos, por la aplicación de voltajes excesivos o la operación a temperaturas excesivamente bajas o altas.

Su desempeño está sujeto a mayores variaciones de motor a motor que en los motores devanados, debido a las variaciones de los materiales magnéticos.

Ventajas


Se usan cuatro tipos básicos de motores de CC, estos son:

Motores de CC

Motor de devanado compuesto: el devanado de campo tiene componentes serie y paralelo. Este motor ofrece un mejor par de arranque que el motor en derivación, pero con una regulación de velocidad más mala.

Motor de devanado en derivación: el campo se conecta en paralelo con la armadura. Con el voltaje de armadura y la excitación de campo constantes, el motor tiene una buena regulación de velocidad (una característica velocidad-par plana).

Motor de devanado serie: el devanado de campo está en serie con la armadura. Este motor tiene un par de arranque muy alto y una regulación de velocidad mala. Es útil en aplicaciones de baja velocidad y alto par.

Motor de imán permanente: el devanado de campo se reemplaza con imanes permanentes. Este motor tiene un par de arranque adecuado, con una regulación de velocidad un tanto inferior a la del motor de devanado compuesto.


Accionamientos de CC y Control de Velocidad del Motor de CC

Las consideraciones que se deben tener en cuenta en la selección de un tipo específico de dispositivo para el accionamiento y control, así como algunas de las cargas que se pueden encontrar, destacan:

Las CARGAS DE PAR CONSTANTE son muy comunes y se caracterizan por la necesidad de un par constante en el rango completo de la velocidad. Esta necesidad se debe usualmente a la fricción; la carga demanda más potencia mecánica (hp) para velocidades más altas, puesto que la potencia es el producto de la velocidad y del par. Por lo tanto, la potencia requerida aumenta linealmente con la velocidad. Este tipo de carga es una característica de los transportadores y enrolladoras.

CARGAS DE PAR CONSTANTE

CARGAS DE POTENCIA MECÁNICA CONSTANTE

CARGAS DE PAR VARIABLE


Las CARGAS DE PAR VARIABLE también son comunes. En este caso, el par de la carga se relaciona con la velocidad de alguna manera, lineal o geométricamente.

Para algunas cargas, el par es proporcional a la velocidad (por lo tanto, la potencia mecánica (hp) es proporcional a la velocidad al cuadrado); ejemplos de este tipo de cargas son las bombas de desplazamiento positivo.

Más común que la relación lineal es la dependencia del cuadrado de la velocidad de las cargas inerciales, como las bombas centrífugas, algunos ventiladores y todas las cargas en las cuales se usa un volante para almacenar energía.


CARGA DE POTENCIA MECÁNICA (hp) CONSTANTE en el rango de velocidad del motor. Como el par es inversamente proporcional a la velocidad con potencia mecánica constante, este tipo de carga requiere mayores pares para las bajas velocidades. Ejemplos de cargas de potencia mecánica constante son los árboles para máquinas-herramientas (por ejemplo, tornos). Este tipo de aplicación requiere pares de arranque muy grandes.



Se necesita examinar cómo opera cada método, para ajustar la velocidad con un motor de CC.

El control del voltaje de la armadura sirve para ajustar suavemente la velocidad de 0 a 100% del valor nominal de placa (esto es, la velocidad base), siempre y cuando la excitación de campo también sea igual al valor nominal.

Se busca escoger el motor y accionamiento adecuado para ajustar la velocidad para una aplicación dada


Dentro de este rango, es posible controlar completamente la velocidad del motor para una carga de par constante, para suministrar un aumento lineal de la potencia mecánica (hp), como se muestra en la figura.


El debilitamiento del campo permite aumentar la velocidad hasta varias veces la velocidad base; sin embargo, el control del campo cambia las características de motor de CC de par constante a potencia mecánica constante y, por lo tanto, el par de salida cae con la velocidad, como se muestra en la figura.

La operación para velocidades mayores que la velocidad base requiere provisiones especiales para el control de campo, además de los circuitos requeridos para el control del voltaje de armadura, y, por tanto, ésta es más compleja y costosa.


MÁQUINAS DE CA


MÁQUINAS DE CA

De las secciones previas se concluye que es posible obtener un rango amplio de características de desempeño de las máquinas de CC, como motores y generadores.

¿No sería más conveniente, en algunos casos, utilizar la ventaja de la potencia de CA monofásica o polifásica disponible virtualmente en cualquier parte, que consumir energía y usar equipo adicional para rectificar y regular las fuentes de CC requeridas por los motores de corriente continua?

En efecto, el motor de inducción de CA es una gran herramienta de trabajo en muchas aplicaciones industriales, y los generadores sincrónicos se usan casi exclusivamente para la generación de potencia eléctrica en todo el mundo.


El principio fundamental de operación de las máquinas de CA es la generación de un campo magnético rotativo, el cual hace que el rotor gire a una velocidad que depende de la velocidad de rotación de dicho campo.

Ahora se debe explicar cómo se puede generar un campo magnético rotativo en el estator y en el entrehierro de una máquina de CA, por medio de corrientes alternas.

MÁQUINAS DE CA

Campos Magnéticos Rotativos


Como las bobinas están espaciadas 120°, la distribución de flujo resultante de la suma de las contribuciones de los tres devanados es la suma de los flujos debidos a los devanados separados, como se muestra en la figura 17.27.

Por lo tanto, el flujo en la máquina trifásica rota en el espacio de acuerdo con el diagrama vectorial de la figura 17.28 y tiene una amplitud constante.


Un observador estacionario sobre el estator de la máquina vería un flujo sinusoidal variable, como se muestra en la figura 17.27


Es posible configurar los devanados de tal forma que tengan más polos. Por ejemplo, la figura 17.29 presenta una vista simplificada de un estator de cuatro polos.

Como el flujo resultante se genera por corrientes sinusoidales, la velocidad de rotación del flujo se debe relacionar con la frecuencia de las corrientes de fase sinusoidales.



o

En general, la velocidad de rotación del campo magnético rotativo se determina por la frecuencia de la corriente de excitación f y por el número de polos p presente en el estator, de acuerdo con la ecuación

min/revp

f120ns

p

f22

60

n2 Ss


Ahora, la estructura de los devanados en el análisis precedente es la misma si la máquina de CA es un motor o un generador; la diferencia entre las dos depende de la dirección del flujo de la potencia.

donde ns (o ωs) se llama velocidad sincrónica.


La velocidad de rotación del rotor depende, por lo tanto, del número de polos magnéticos presentes en el estator y en el rotor. La magnitud del par producido por la máquina es una función del ángulo γ entre los campos magnéticos del estator y del rotor.

Como se describió antes, el campo magnético del estator rota en una máquina de CA y, por lo tanto, el rotor no puede "alcanzar" el campo del estator, y lo persigue constantemente.

En un generador, el par electromagnético es un par de reacción que se opone a la rotación de la máquina; es decir, el par contra el cual la máquina motriz hace el trabajo.

En un motor, por otra parte, el voltaje de rotación generado (por el movimiento) en la armadura se opone al voltaje aplicado; este voltaje es la fcem. En consecuencia, la descripción del campo magnético rotativo dada hasta ahora se aplica para la acción motora o para la acción generadora de las máquinas de CA.



Lo que es común para todas las máquinas rotativas es, que el número de polos del estator y del rotor debe ser idéntico, si se desea generar un par. Además, el número de polos debe ser par, puesto que por cada polo norte debe existir su correspondiente polo sur.

Una característica importante y muy deseada en una máquina es su habilidad para generar un par electromagnético constante. Con una máquina de par constante, se pueden evitar las pulsaciones que conllevan la vibración mecánica indeseada en el motor en sí mismo y en otros componentes mecánicos acoplados al motor (por ejemplo, cargas mecánicas, como árboles o transmisiones por correas).

No siempre se puede desarrollar un par constante; sin embargo, se mostrará que es posible alcanzar esta meta cuando las corrientes de excitación son polifásicas. Una regla general a este respecto es que es deseable, en lo posible, producir un flujo constante por polo.



Devanado de Campo

El generador sincrónico o alternador es una de las máquinas de CA más comunes.

El campo del rotor se obtiene por medio de una corriente continua suministrada al devanado del rotor, o por imanes permanentes.

El rotor se conecta a una fuente mecánica de potencia y rota a una velocidad que se considerará constante, para simplificar el análisis.

ALTERNADOR (GENERADOR SINCRÓNICO)

Rotor conexión se hace por medio de escobillas, similar a las máquinas de CC



Máquina sincrónica trifásica de dos polos.

Alternador trifásico de cuatro polos, en el cual los polos del rotor se generan por medio de una configuración del devanado de polos salientes, y los polos del estator son el resultado de la acción de los devanados empotrados en el estator.


Diferencia entre grados mecánicos, θm y grados eléctricos, θe

ALTERNADOR (generador sincrónico)

En el alternador de cuatro polos, el flujo ve dos ciclos completos durante un giro del rotor y, por lo tanto, el voltaje que se genera en las bobinas también oscila con una frecuencia igual al doble de la frecuencia de rotación del rotor.

donde n es la velocidad mecánica en rev /min.

El voltaje entre los terminales de una bobina de la máquina completa un ciclo cada vez que un par de polos pasa por la bobina. Por lo tanto, la frecuencia del voltaje generado por el generador sincrónico es

donde p es el número de polos. Los grados eléctricos (o radianes) se relacionan con los grados mecánicos, por medio de:

me

p2

Hznp

f602

Si la velocidad se expresa en rad/s, se obtiene

me 2

p donde ωm, es la velocidad mecánica de rotación en rad/s.


El número de polos empleado en un generador sincrónico se determina, por dos factores:


La frecuencia deseada del voltaje generado (por ejemplo, 50 Hz, si el generador se usa para producir potencia de CA)

En este aspecto, existe una diferencia significativa, por ejemplo, entre la velocidad de rotación de un generador con turbina de vapor y un generador hidroeléctrico, pues el primero es mucho más rápido.

La velocidad de rotación de la máquina motriz

Una aplicación común del alternador es la de sistemas para cargar baterías de automóviles, en los cuales, el voltaje de CA generado se rectifica para suministrar la corriente continua requerida para cargar la batería.


Excepto por un devanado adicional para ayudar a arrancar el motor y minimizar la sobre velocidad y la sub velocidad del motor.

MOTOR SINCRÓNICO

Motores Sincrónicos Generadores Sincrónicos

Respecto a su Construcción

El principio de operación es opuesto: una excitación de CA en la armadura genera un campo magnético en el entrehierro entre el rotor y el estator, para dar como resultado un par mecánico.

Se mencionó anteriormente que para obtener un par constante en un motor eléctrico, es necesario mantener los campos magnéticos del rotor y del estator constantes el uno con relación al otro. Esto significa que el campo que rota electromagnéticamente en el estator y el campo que rota mecánicamente en el rotor se deben alinear todo el tiempo.

Para generar el campo magnético del rotor, se suministra una CC al devanado del campo; esto se realiza frecuentemente por medio de una excitatriz, la cual consta de un pequeño generador de CC impulsado por el motor, conectado mecánicamente a él.


La única condición para que esto ocurra consiste en que ambos campos roten a la velocidad sincrónica.

Es decir, son motores de velocidad constante.

Para una máquina sincrónica de polos no salientes (rotor cilíndrico), el par se puede escribir en términos de la corriente alterna del estator, is(t), y de la corriente continua del rotor, If:

donde γ es el ángulo entre los campos del estator y del rotor

Si ωe es la frecuencia eléctrica de is(t), con

Si la velocidad angular de rotación es

p

f120ns

MOTOR SINCRÓNICO

)(seni

tikT

f

s

sraddt

d mm /

donde ωm = 2πn/60

is(t)=Issen(ωet)

El par se puede expresar: )()( senItwsentikT fes

Con k, constante de la máquina.Is es el valor rms de la corriente del estator. If es la corriente continua del rotor.


MOTOR SINCRÓNICO

Un modelo por fase para circuitos para describir el motor sincrónico se presenta en la figura, donde el circuito del rotor se representa por una resistencia y una inductancia equivalentes del devanado de campo, Rf y Lf, respectivamente, y el circuito del estator está representado por la resistencia y la inductancia equivalentes del estator, Rs y Ls, respectivamente, y por la fem inducida, Eb.

Si δ es cero, la máquina sincrónica no puede desarrollar potencia útil.

La potencia desarrollada tiene un máximo cuando δ es igual a 90°.

Debido a la dependencia de la potencia del ángulo δ, este ángulo se llama ángulo de potencia.


Si se supone que |Eb| y |Vs| son constantes, se puede dibujar la curva de la figura, para relacionar la potencia y el ángulo de potencia en una máquina sincrónica.

MOTOR SINCRÓNICO

Un generador sincrónico usualmente se opera con el ángulo de potencia entre 15° y 25°.

Para motores sincrónicos y cargas pequeñas, δ es cercano a 0°, y el par del motor es apenas suficiente para vencer sus propias pérdidas por fricción y por fricción con el aire; cuando la carga aumenta, el campo del rotor cae más fuera de fase con el campo del estator (a pesar de que los dos rotan a la misma velocidad), hasta que δ alcanza un máximo de 90°.

Si el par de la carga excede el par máximo, el cual se produce cuando δ = 90°, el motor se ve obligado a bajar la velocidad por debajo de la de sincronismo.

Esta condición NO es deseable y se deben aplicar las medidas para apagar el motor automáticamente en el momento en que se pierda el sincronismo.

El máximo par se llama par crítico o límite y es una medida importante del desempeño del motor sincrónico.


MOTOR INDUCCIÓN

El motor de inducción es la máquina eléctrica más ampliamente usada, debido a su construcción relativamente sencilla.

El devanado del estator de una máquina de inducción es semejante al de una máquina sincrónica.

La principal ventaja de la máquina de inducción, la cual se usa casi exclusivamente cuando trabaja como motor (su desempeño como generador no es muy bueno), es que no se necesita una excitación separada para el rotor.

El rotor consiste en uno de dos arreglos:

Jaula Ardilla Rotor Devanado

Contiene barras conductoras en cortocircuito en los extremos y empotradas en él;

Consiste en un devanado polifásico semejante al del estator, pero eléctricamente en cortocircuito.


MOTOR INDUCCIÓN


MOTOR INDUCCIÓN

El motor de inducción trabaja en virtud de las corrientes inducidas en el rotor, a partir del campo del estator.

Su operación es semejante a la del transformador, en que las corrientes en el estator (el cual actúa como bobina primaria) inducen voltajes en el rotor (que actúa como bobina secundaria), que a su vez producen corrientes en el rotor.

En la mayoría de los motores de inducción no se necesitan conexiones eléctricas externas para el rotor; en consecuencia, permite una construcción sencilla y fuerte, sin necesidad de anillos deslizantes ni escobillas.

A diferencia del motor sincrónico, el motor de inducción no opera a la velocidad sincrónica, sino a una velocidad algo menor, la cual depende de la carga.


El siguiente análisis se centra principalmente en un motor de inducción de jaula de ardilla.

Ya conocemos la noción de un campo magnético rotativo del estator. Se puede imaginar ahora que un rotor de jaula de ardilla se coloca en un estator en el cual está presente un campo magnético rotacional.

MOTOR INDUCCIÓN

El campo del estator induce voltajes en los conductores de la jaula, y si el campo de estator se genera por medio de una fuente trifásica, las corrientes resultantes en el rotor también son trifásicas y se determinan por la magnitud de los voltajes inducidos y por la impedancia del rotor.

Como las corrientes del rotor son producidas por los voltajes inducidos por el estator, el número de polos y la velocidad de rotación del campo magnético inducido son los mismos que los del campo del estator, si el rotor está en reposo.

Cuando se aplica inicialmente un campo del estator, el campo del rotor es sincrónico con él y los campos son estacionarios entre sí. Por lo tanto, de acuerdo con el análisis anterior, se genera un par de arranque.


MOTOR INDUCCIÓNSi el par de arranque es suficiente para iniciar el movimiento del rotor, el rotor acelera hasta alcanzar la velocidad de operación.

Sin embargo, un motor de inducción nunca puede alcanzar la velocidad de sincronismo; si lo hiciera, el rotor sería estacionario con respecto al campo rotativo del estator, como si rotaran a la misma velocidad.

En la ausencia de movimiento relativo entre los campos del estator y del rotar, no se inducen voltajes en el rotor. En consecuencia, un motor de inducción se limita a velocidades inferiores a la velocidad de sincronismo, ns.

Si la velocidad de rotación del rotor es n; el rotor se atrasa con respecto a la rotación del campo del estator a una velocidad (ns - n). Esto es equivalente a un movimiento contrario del rotor a la velocidad de deslizamiento, definida por (ns - n).

El deslizamiento, s, se define como una fracción de ns:

De donde la velocidad del rotor es:n = ns(1 - s)

s

s

n

nns


MOTOR INDUCCIÓNEl deslizamiento, s, es una función de la carga y la cantidad de deslizamiento en un motor dado depende de su construcción y del tipo de rotor (jaula de ardilla o rotor devanado). Como existe un movimiento relativo entre el campo del estator y el rotor, los voltajes se inducen en el rotor con una frecuencia llamada frecuencia de deslizamiento, relacionada con la velocidad relativa entre rotor y campo del estator.

Esto da lugar a un fenómeno interesante: El campo del rotor viaja, con relación al rotor, con una velocidad de deslizamiento sns, pero el rotor viaja mecánicamente a la velocidad (1-s)*ns, de tal forma que el efecto neto es que el campo del rotor viaja a la velocidad

Es decir, a la velocidad de sincronismo. El efecto de que el campo del rotor rote a la velocidad de sincronismo, a pesar de que el rotor no lo hace, es extremadamente importante, porque significa que los campos del estator y del rotor continúan estacionarios entre sí y, por lo tanto, se puede producir un par neto ns = ns

Como en el caso de los motores de CC y sincrónicos, las características de los motores de inducción son

sss nnsns 1

El par de arranque,.

El par máximo

La curva par-velocidad


MOTOR INDUCCIÓN

Desempeño del Motor de Inducción

El desempeño del motor de inducción se puede describir por medio de las curvas par-velocidad semejantes a las de los motores de CC.

El punto a es el par de arranque, también llamado par de rompimiento, y es el par disponible con el rotor "bloqueado", es decir, en una posición estática.

En esta condición la frecuencia del voltaje inducido en el rotor es la más alta, ya que es igual a la frecuencia de rotación del campo del estator; en consecuencia, la reactancia inductiva del rotor es la mayor.

Cuando el rotor acelera, el par cae para alcanzar el valor máximo llamado par mínimo de aceleración (punto b); esto ocurre típicamente entre el 25 y 40% de la velocidad sincrónica.

Cuando la velocidad del rotor continúa aumentando, la reactancia del rotor disminuye adicionalmente. El par alcanza un máximo cuando la reactancia inductiva del rotor es igual a la resistencia del rotor; el par máximo también se llama par límite (punto c).


MOTOR INDUCCIÓN

Después de este punto, el par cae hasta hacerse cero a la velocidad de sincronismo, como se mencionó antes.

Diferentes arreglos de construcción permiten el diseño de los motores de inducción con diferentes curvas par-velocidad; esto permite al usuario seleccionar el motor más adecuado para una aplicación dada. La figura 17.43 presenta las cuatro clasificaciones básicas, clases A, B, C y D, como las define la NEMA.

Las características determinantes en la clasificación son el par y la corriente del rotor bloqueado, el par límite, el par mínimo de aceleración y el deslizamiento,

También se indica el 150% del par (punto d) y el par nominal (punto e).


MOTOR INDUCCIÓN

Los motores clase A tienen un par límite mayor que los motores clase B y un deslizamiento de 5% o menos. Los motores de esta clase frecuentemente se diseñan para una aplicación específica.

Los motores de la clase B son motores de uso general; éste es el tipo más común de los motores de inducción, con valores típicos de deslizamiento de 3 a 5%.

Los motores clase C tienen un par de arranque grande para una corriente de arranque dada, y un deslizamiento bajo. Estos motores se usan típicamente en aplicaciones que demandan un par de arranque alto, pero que tienen cargas relativamente normales, una vez se han alcanzado la velocidad de trabajo.

Los motores de clase D se caracterizan por un par de arranque alto, alto deslizamiento, corriente de arranque bajas y baja velocidad de plena carga. Un valor típico de deslizamiento es alrededor de 13%.


MOTOR INDUCCIÓN

Los factores que se deben considerar en la selección de un motor de CA para una aplicación dada son el rango de velocidad, la máxima y la mínima, y la variación de velocidad.

Por ejemplo, es importante determinar si se requiere una velocidad constante o no; qué variaciones se pueden permitir, en el par o en la velocidad; si se requiere operación con velocidad variable, en cuyo caso se necesita un accionamiento de velocidad variable.

También son importantes los requerimientos de par. Se deben considerar el par de arranque y el par de operación; ellos dependen del tipo de carga. El par de arranque puede variar desde un porcentaje pequeño del par de plena carga hasta varias veces el par de plena carga. Por otra parte, el exceso de par de arranque determina las características de la aceleración del motor.

En forma semejante, se deben considerar las condiciones de desaceleración, para determinar si se requiere un freno externo o no.


MOTOR INDUCCIÓN

Si el motor opera con carga iguales a cero o reducidas por periodos, el ciclo de trabajo, es decir, el porcentaje del tiempo que se carga el motores un criterio importante en la selección.

Por último, pero, no menos importantes, están las propiedades de calentamiento del motor. La temperatura del motor se determina por las pérdidas internas y por la ventilación; los motores que operan a una velocidad reducida no generan suficiente enfriamiento y se puede necesitar ventilación forzada.

Otro factor que se debe considerar es el ciclo de trabajo del motor, el cual depende de la naturaleza de la aplicación y es una consideración importante cuando el motor se usa en una operación repetitiva, no continua, tal como la que se encuentra en algunos tipos de máquinas-herramientas.


Las máquinas de CA se limitan a la operación con velocidad fija o casi fija cuando se alimentan con fuentes de frecuencia constante.

Existen varios métodos simples para suministrar limitado control de velocidad a una máquina de inducción de CA; métodos más complejos, con el uso de circuitos avanzados de electrónica de potencia se pueden utilizar si la aplicación requiere un control con amplio ancho de banda de la velocidad o el par del motor.

CONTROL DE VELOCIDAD Y PAR DE LOS MOTORES CA


Control del Número de Polos


Esta conmutación debe ser muy cuidadosa y sincronizada para evitar daños en la máquina.

El método más fácil, conceptualmente, para implementar control de velocidad para una máquina de inducción es la variación del número de polos.

Para las máquinas de 60 Hz, se pueden alcanzar las siguientes velocidades, si se cambia el número de polos magnéticos en el devanado del estator:

Los estatores de los motores se pueden devanar de tal forma que el número de pares de polos se pueda variar mediante la conmutación de las posibles conexiones del devanado.

Número de polos 2 4 6 8 12

n, rev/min 3.600 1.800 1.200 800 600


Como la velocidad del rotor depende inherentemente del deslizamiento, el control del deslizamiento es un medio válido para alcanzar alguna variación de la velocidad en la máquina de inducción.

Ya que el par del motor cae con el cuadrado del voltaje, es posible cambiar el deslizamiento al modificar el par del motor mediante la reducción del voltaje del motor.

Este procedimiento permite el control de velocidad en un rango de velocidad que hace posible la operación estable del motor. En relación con la figura 17.42, esto es posible solamente por encima del punto c, es decir, por encima del par límite.


Control del Deslizamiento



Control del Rotor

Sin embargo, para mantener las mismas características de par en todo el rango de velocidades, el voltaje del motor debe cambiar con la frecuencia, para mantener un par constante.

La relación V /Hz se debe mantener constante.

Para los motores con rotores devanados, se pueden conectar resistores a los anillos deslizantes del rotor; al agregar resistencia al rotor se aumentan las pérdidas en el rotor y, por lo tanto, la velocidad del rotor disminuye. Este método se limita también a la operación por encima del par límite, tal que la forma de la característica par-velocidad del motor cambia cuando se cambia la resistencia del rotor.

Si se usa una fuente de frecuencia variable, se puede controlar la velocidad del motor sin causar pérdidas adicionales.

La velocidad del motor depende directamente de la frecuencia de la fuente, ya que la frecuencia de la alimentación determina la velocidad del campo magnético rotativo.

Regulación de la frecuencia



La electrónica de potencia y los microcontroladores han hecho posible que las máquinas de CA, mediante el uso de accionamientos de frecuencia ajustable, sean adecuadas para muchas aplicaciones de ingeniería que hasta hace poco requerían el uso de accionamientos de CC de velocidad controlada. Un accionamiento de frecuencia ajustable consta de cuatro subsistemas principales, como se muestra en la figura 17.45.

El diagrama de la figura 17.45 supone que una fuente trifásica de CA está disponible; el voltaje de CA trifásico se rectifica usando un rectificador controlado o no controlado 8

Accionamientos de Frecuencia Ajustable


Un circuito intermedio es necesario algunas veces para acondicionar mejor el voltaje y la corriente rectificados. Luego se usa un inversor para convertir el voltaje de CC fijo en un voltaje de corriente alterna de frecuencia y de amplitud variables. Esto se realiza por medio de la modulación de amplitud de pulso (Pulse-Amplitude Modulation, PAM) o por las técnicas de modulación de ancho de pulso (pulse-width modulation, PWM).



CONCLUSIONES

Los principios desarrollados en este capítulo se pueden aplicar a las máquinas eléctricas rotativas, para explicar cómo la energía mecánica se puede convertir en energía eléctrica, y viceversa. La primera función se desarrolla por los generadores eléctricos y la segunda por los motores eléctricos.

Las máquinas eléctricas se describen en términos de sus características mecánicas, sus curvas par-velocidad y sus características eléctricas, en las cuales se incluyen los requerimientos de corriente y de voltaje. Las pérdidas y la eficiencia son una parte importante de la operación de las máquinas eléctricas, y se debe reconocer que existen pérdidas eléctricas (debidas a la resistencia de los devanados), pérdidas mecánicas (rozamiento y fricción con el aire) y pérdidas magnéticas del núcleo (corrientes parásitas e histéresis). Los principales componentes mecánicos de una máquina eléctrica son el estator, el rotor y el entrehierro. Eléctricamente, los parámetros importantes son el circuito de la armadura (por el cual circula la corriente de carga) y el circuito de campo (magnetización). Los campos magnéticos establecen el acoplamiento entre los sistemas eléctrico y mecánico


Las máquinas eléctricas se clasifican ampliamente en máquinas de CC y máquinas de CA; las primeras usan una excitación de CC para los circuitos de campo y de armadura, mientras las segundas se pueden subdividir adicionalmente en dos clases: máquinas sincrónicas y motores de inducción. Las máquinas sincrónicas de CA se caracterizan por una excitación de CC para el campo y una de CA para la armadura. Las máquinas de inducción (de tipo jaula de ardilla), por otra parte, no requieren excitación de campo, puesto que ésta se suministra por inducción electromagnética. Típicamente, las máquinas de CC tienen el devanado de la armadura en el rotor, mientras las máquinas de CA lo tienen en el estator

El funcionamiento de las máquinas eléctricas se puede predecir aproximadamente con el uso de modelos para circuitos o con las curvas de desempeño. La selección de una máquina particular para una aplicación dada tiene en cuenta muchos factores, entre los cuales se incluyen la disponibilidad de fuentes eléctricas adecuadas (o de motores primarios), el tipo de carga y otros aspectos, de los cuales la disipación de calor y las características térmicas son probablemente los más importantes

CONCLUSIONES


FINCAPÍTULO

electrotecnia.cap.9. maquina electricas

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