Unidad 2.- Motores, transformadores y aplicaciones
Los motores eléctricos son máquinas utilizadas en transformar energía eléctrica en mecánica. Son los motores utilizados en la industria, pues combinan las ventajas del uso de la energía eléctrica (bajo, costo, facilidad de transporte, limpieza y simplicidad de la puesta en marca, etc.! con una construcci"n relativamente simple, costo reducido y buena adaptaci"n a los más diversos tipos de carga. #e acuerdo a la fuente de tensi"n que alimente al motor, podemos realizar la siguiente clasificaci"n$ •
Motores de corriente directa (DC) Motores de corriente alterna (AC)
2.1 Motores de corriente alterna y corriente directa.
%n primera instancia y antes de iniciar con la e&plicaci"n de los motores, es necesario conocer el funcionamiento de un generador. 'n generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener un voltaje entre dos de sus puntos puntos,, llamad llamados os polos polos,, terminales o bornes bornes.. Los generadores eléctricos son máquinas nas destinadas a transfo sforma rmar la ener energía gía mec mecáni ánica ca en eléctrica eléctrica.. %sta transformaci"n se consigue por la acci"n de un campo magnético sobre magnético sobre los conductores eléc eléctr tric icos os enro enrollllad ados os sobr sobre e una una arma armadu dura ra (den (denom omin inad ada a tamb tambié ién n esta estato tor! r!.. Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generar generara a una fuerza elect electromotri romotrizz (.%.). es el trabajo que el generador realiza para pasa pasarr la unid unidad ad de carga carga positiva del polo negativo al positivo por el interior del generador!. Los Los gene generrador adores es se clas clasif ifiican can en prim primar ariios y secu secund ndar ariios, os, seg* seg*n n sus sus características$ a! Son genera generadore doress primari primarios os los que que convierte convierten n en energía eléctrica la eléctrica la energía de otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente.
b! )ientras que los secundarios entregan una parte de la energía eléctrica que an recibido previamente. #os principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los motores. %l primero es el principio de la inducci"n descubierto por el científico e inventor británico )icael araday en +-+. Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las pro&imidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se establece o se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. %l principio opuesto a éste fue observado en +/ por el físico francés 0ndré )arie 0mpere. Si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica sobre el conductor. 1ipos de generadores eléctricos. %&isten diferentes tipos de generadores eléctricos, se pueden encontrar los que funcionan a base de gas natural, gas lp, gasolina, diesel, etc. 0 continuaci"n se muestra un modelo de cada tipo de generador.
0 gasolina
0 diesel
0 gas
uncionamiento básico de un generador. %l movimiento de una turbina ace girar una bobina conductora situada entre imanes. #e esta forma se induce en los ilos conductores de la bobina una corriente eléctrica.
%s el generador usado para producir electricidad a gran escala. %l principio básico de producci"n de electricidad es el mismo en mucas centrales$ mediante combustible, radiaci"n solar, el viento, etc., se genera el movimiento de unos grandes imanes, lo cual produce la corriente eléctrica.
CORRIENTE ALTERNA
Se denomina corriente alterna (abreviada 20 en espa3ol y 02 en inglés, de alternating current! a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. La forma de oscilaci"n de la corriente alterna más com*nmente utilizada es la de una oscilaci"n sinusoidal (figura +!, puesto que se consigue una transmisi"n más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilaci"n peri"dicas, tales como la triangular o la cuadrada. 'tilizada genéricamente, la 20 se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los ogares y a las empresas. Sin embargo, las se3ales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. %n estos usos, el fin más importante suele ser la transmisi"n y recuperaci"n de la informaci"n codificada (o modulada! sobre la se3al de la 20.
CORRIENTE DIRECTA
La corriente continua o corriente directa (22 en espa3ol, en inglés #2, de #irect 2urrent! es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. 0 diferencia de la corriente alterna (20 en espa3ol, 02 en inglés!, en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma direcci"n (es decir, los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos!. 0unque com*nmente se identifica la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería!, es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad. 1ambién cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, el flujo se denomina corriente continua y va del polo positivo al negativo.
Motores de corriente contínua
Los motores de corriente continua, son máquinas que convierten energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica. La mayoría las máquinas de corriente continua son semejantes a las máquinas de corriente alterna ya que en su interior tienen corrientes y voltajes de corriente alterna. Las máquinas de corriente continua tienen corriente continua s"lo en su circuito e&terior debido a la e&istencia de un mecanismo que convierte los voltajes internos de corriente alterna en voltajes corriente continua en
los terminales. %ste mecanismo se llama colector, y por ello las máquinas de corriente continua se conocen también como máquinas con colector. +.4 5artes básicas de las máquinas de corriente continua 6nductor$ %s la parte de la máquina destinada a producir un campo magnético, necesario para que se produzcan corrientes inducidas, que se desarrollan en el inducido, este inductor consta de las partes siguientes$ 5ieza polar$ %s la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entreierro, incluyendo el n*cleo y la e&pansi"n polar. 7*cleo$ %s la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor. #evanado inductor$ %s el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica. %&pansi"n polar$ %s la parte de la pieza polar pr"&ima al inducido y que bordea al entreierro. 5olo au&iliar o de conmutaci"n$ %s un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutaci"n. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.
2ulata$ %s una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina. %l 6nducido es la parte giratoria de la máquina, también llamado rotor y consta de las siguientes partes$ #evanado inducido$ %s el devanado conectado al circuito e&terior de la máquina y en el que tiene lugar la conversi"n principal de la energía.
2olector$ %s el conjunto de láminas conductoras (delgas!, aisladas unas de otras, pero conectadas a las secciones de corriente continua del devanado y sobre las cuales frotan las escobillas. 7*cleo del inducido$ %s una pieza cilíndrica montada sobre el cuerpo (o estrella! fijado al eje, formada por n*cleo de capas magnéticas. Las capas disponen de unas ranuras para alojar el devanado inducido. Las escobillas son piezas conductoras destinadas a asegurar, por contacto deslizante, la cone&i"n eléctrica de un "rgano m"vil con un "rgano fijo. %l entreierro es el espacio comprendido entre las e&pansiones polares y el inducido8 suele ser normalmente de + a - mm, lo imprescindible para evitar el rozamiento entre la parte fija y la m"vil. Los cojinetes son las piezas que sirven de apoyo y fijaci"n del eje del inducido. . #iagrama de una máquina de corriente continua$
+. 2ulata . 7*cleo polar -. 5ieza polar 9. 7*cleo de polo au&iliar :. 5ieza polar de polo au&iliar ;. 6nducido <. 0rrollado del inducido . 0rrollado de e&citaci"n =. 0rrollado de conmutaci"n +/. 2olector ++. %scobillas positivas +. %scobillas negativas
La
parte
partes y
de + a la : forman parte del inductor. %n conjunto las - se designan por polo inductor. La parte ; constituye el inducido, al que va arrollado un conductor de cobre formando el arrollamiento
del
inducido. 0lrededor
de
los
n*cleos
polares,
va
arrollando, en forma de élice, el arrollamiento de e&citaci"n (!. 0nálogamente cada n*cleo de los polos La
de parte
conmutaci"n lleva un arrollamiento de conmutaci"n (=!. +/
representa el conmutador o colector, que está constituido por
varias láminas aisladas entre sí, formando un cuerpo cilíndrico. %l arrollamiento del inducido está unido por conductores con las láminas del colector8 inducido y colector giran conjuntamente. Sobre la superficie del colector rozan unos contactos a presi"n mediante unos muelles. #icas piezas de contacto se llaman escobillas. %l espacio libre entre las piezas polares y el inducido se llama entreierro.
0plicaciones Los motores de corriente continua en derivaci"n son adecuados para aplicaciones en donde se necesita velocidad constante a cualquier ajuste del control o en los casos en que es necesario un rango apreciable de velocidades (por medio del control del campo!. %l motor en derivaci"n se utiliza en aplicaciones de velocidad constante, como en los accionamientos para los generadores de corriente continua en los grupos moto4 generadores de corriente directa. %l motor devanado en serie se usa en aplicaciones en las que se requiere un alto par de arranque, como en la tracci"n eléctrica, gr*as, malacates, etcétera. %n los motores en compound, la caída de la característica velocidad4par se puede ajustar para que se adecue a la carga.
%n aplicaciones en las que tradicionalmente se emplean motores en compound, podría considerarse el motor 5) en los casos en que se necesiten una eficiencia un poco más alta y una mayor capacidad de sobrecarga. %n las aplicaciones de motores devanados en serie, la consideraci"n del costo puede influir en la decisi"n de acer el cambio. 5or ejemplo, en tama3os de armaz"n menores de : pulgadas de diámetro, el motor devanado en serie es más econ"mico8 pero en tama3os de más de : pulgadas, este motor cuesta más en vol*menes grandes, y el motor 5) en estos tama3os más grandes desafía al motor devanado en serie con sus pares altos y su baja velocidad en vacío. Los motores de e&citaci"n independiente tienen como aplicaciones industriales el torneado y taladrado de materiales, trefilaci"n, e&trusi"n de materiales plásticos y goma, ventilaci"n de orno, retroceso rápido en vacío de gancos de gr*as, desenrollado de bobinas y retroceso de *tiles para serrar. Los motores de e&citaci"n en derivaci"n tienen aplicaciones como ventiladores, bombas, máquinas. >erramientas además de los citados para el motor de e&citaci"n independiente. %ntre las aplicaciones del motor serie cabe destacar tracci"n eléctrica, gr*as, bombas idráulicas de pist"n y en general en aquellos procesos donde lo importante sea vencer un par de gran precisi"n en la velocidad. %l mayor uso del motor compound aditivo es en estrujadoras, gr*as tracci"n, calandras, ventiladores, prensas, limadores, etcétera. %l motor compound diferencial presenta el peligro de embalarse para fuertes cargas, por lo que su empleo es muy limitado. Los motores de imán permanente se emplean para el movimiento de maquinaria (tornos! en procesos de fabricaci"n automática, arrastres de cintas de audio y video, movimiento de cámaras, etc.
2.2.Transformadores Monofsico y trifsico.
Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensi"n en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas!, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un peque3o porcentaje de pérdidas, dependiendo de su dise3o y tama3o, entre otros factores. %l transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensi"n, en energía alterna de otro nivel de tensi"n, basándose en el fen"meno de la inducci"n electromagnética. %stá constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un n*cleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La *nica cone&i"n entre las bobinas la constituye el flujo magnético com*n que se establece en el n*cleo. %l n*cleo, generalmente, es fabricado bien sea de ierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleaci"n apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario seg*n correspondan a la entrada o salida del sistema en cuesti"n, respectivamente. 1ambién e&isten transformadores con más devanados8 en este caso, puede e&istir un devanado ?terciario?, de menor tensi"n que el secundario.
1ransformador monofásico @ásicamente está formado por un n*cleo compuesto de láminas de ierro y dos bobinados, a los cuales denominaremos primario y secundario. %l bobinado primario con A7+B espiras es aquel por el cual ingresa la energía y el secundario con A7B espiras es aquel por el cual se suministra dica energía.
Transformador monofsico ideal
5ara analizar un transformador, vamos a iniciar su estudio suponiendo que el mismo es ideal, por lo que debe presentar las siguientes características$ C Las bobinas primaria y secundaria no tienen resistencia "nmica. C 1odo el flujo magnético se encuentra en el n*cleo de láminas de acero. C %l n*cleo no tiene reluctancia. C %l n*cleo no tiene pérdidas por corrientes parásitas ni por istéresis. Transformadores trifsicos
0 partir de ciertas potencias, los transformadores son trifásicos, pudiéndose armar un conjunto o AbancoB trifásico, mediante el uso de tres transformadores monofásicos o bien un solo transformador trifásico, el cual se forma mediante un n*cleo magnético y las bobinas necesarias para armar tres fases, tal como se observa en la figura
2one&iones normalizadas #e acuerdo a la forma en que se conectan los bobinados, los conjuntos trifásicos, están definidos por un grupo de cone&i"n que los identifica mediante una nomenclatura que se determina por dos letras y un n*mero seg*n el siguiente detalle$ C La primera letra may*scula, define la forma de cone&i"n de los bobinados de alta tensi"n, la cual puede ser # (1riángulo! o D (%strella!. C La segunda letra min*scula, define la forma de cone&i"n de los bobinados de baja tensi"n, la cual puede ser d (1riángulo! o y (%strella!. C %l n*mero multiplicado por -/, define el ángulo de desfasaje entre la tensiones de fase equivalentes de alta y baja tensi"n. Las cone&iones normalizadas más utilizadas pertenecen a los grupos / (/E!, : (+:/E!, ; (+/E! y ++ (--/E! 2.!. Re"lamento de o#ras e instalaciones el$ctricas %R.O.I.E.&.
67S10L026F7%S %LG21H620S. #%67626I7$ 0./+.4 Sistemas de tuberías, ductos, conductores, dispositivos y equipos, instalados en un edificio para la alimentaci"n y distribuci"n de energía eléctrica. 0./.4 0 titulo enunciativo, pero no limitativo, los elementos que componen las 6nstalaciones %léctricas, podrán ser$ 0!.4 #uctos, tuberías conduit y sus cone&iones. @!.4 2ajas y registros. 2!.4 2onductores eléctricos. #!.4 %mpalmes y terminales. %!.4 2entros de carga. !.4 6nterruptores termomagneticos. J!.4 6nterruptores de navajas. >!.4 2ontroles y arrancadores. l!.4 0ccesorios diversos. K!.4 'nidades de alambrado. !.4 0cometidas y subestaciones. )01%H60L%S. %l proyecto fijara en cada caso la capacidad, dimensiones y demás características de las unidades de iluminaci"n, equipos, accesorios, controles y arrancadores, centros de carga, interruptores termomagneticos e interruptores de navajas que se utilicen. #urante las cargas, transportes, descargas y almacenamientos el Supervisor deberá tener especial cuidado de no da3ar los materiales, equipos y accesorios, los cuales deberán llagar a la obra con sus empaques e identificaci"n originales del fabricante. se estibaran en bodegas cerradas, evitando la umedad, polvo y cualquier otro fen"meno que pueda da3arlos. %M'65FS. Los equipos y dispositivos que se coloquen, para el funcionamiento correcto de las 6nstalaciones %léctricas, deberán cumplir con los requisitos y características que fije el proyecto.
0 titulo enunciativo, pero no limitativo, podrán ser$ 0!.4 )otores. @!.4 @ombas. 2!.42entros de carga. #!.4 1ableros de alumbrado y distribuci"n. %!.4 6nterruptores termomagneticos. !.4 6nterruptores de navajas. J!.4 6nterruptores a presi"n. >!.4 6nterruptores de flotador. l!.4 0lternadores para bombas. K!.4 0rrancadores manuales. !.4 0rrancadores magnéticos. L!.4 'nidades de alumbrado. )!.4 Lamparas. 7!.4 @alastaras y reactores. N!.4 1ransformadores. H%M'6S61FS #% %K%2'26I7. Las 6nstalaciones %léctricas se ejecutaran de acuerdo con el proyecto y cumplirán con lo fijado en el Heglamento de Fbras e 6nstalaciones %léctricas de la 2omisi"n ederal de %lectricidad. Los ductos que se utilicen para alojar los conductores, serán de lamina de acero, de forma rectangular, protegidos convenientemente en su interior y e&terior contra la corrosi"n, en tal forma que el aislamiento de los conductores no sufra raspaduras. %n su instalaci"n se observara la siguiente$ 0!.4 #eberán construirse e instalarse en tal forma, que se asegure la continuidad mecánica y eléctrica de todo el sistema de canalizaci"n. @!.4 %starán soportados por colgadores a intervalos no mayores de uno punto cincuenta ( +.:/ ! metros. 2!.4 Se utilizaran para ampliar espacios de alambrado en concentraciones de medidores, tableros de distribuci"n o de control, o en puntos similares, en instalaciones de no mas de ;// voltios entre conductores. #!.4#eberán cubrir totalmente los conductores que contengan y el espesor mínimo de la lamina será de uno punto cincuenta y nueve ( +.:= ! milímetros ( calibre +; !. %!.4 7o contendrán interruptores, arrancadores u otros dispositivos de protecci"n o control. !.4 Llevara ménsulas en su interior cada sesenta ( ;/ ! centímetros, en las que apoyaran los conductores, debiendo conservar estos la misma posici"n relativa dentro y a lo largo del ducto. J!.4 2uando atraviesen muros o pisos, deberán pasar en tramos completos sin uniones. >!.4 Se utilizaran las cone&iones especiales que requieran en sus uniones entre tramo y tramo, bajadas y cambios de direcci"n. %l espacio ocupado por los conductores no será mayor del cuarenta por ciento ( 9/O! de la secci"n interior del ducto. K!.4 #eberán llevar preparaciones para acer derivaciones o cone&iones de tubería conduit a interruptores o arrancadores, así como tapas que los agan fácilmente registrables.
.9. %lementos eléctricos de 2ontrol industrial (Helevadores!. H%L%P0#FH%S %L%21H62FS %l relé o relevador (del francés relais, relevo! es un dispositivo electromecánico, que funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. ue inventado por Kosep >enry en +-:. Da que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, una forma de amplificador eléctrico. 2omo tal se emplearon en telegrafía,
aciendo la funci"n de repetidores que generaban una nueva se3al con corriente procedente de pilas locales a partir de la se3al débil recibida por la línea. Se les llamaba ArelevadoresB. #e aí AreléB. Los contactos de un relé pueden ser 7ormalmente 0biertos (70 o 7F (7ormally Fpen!!, por sus siglas en inglés!, 7ormalmente 2errados (7ormally 2losed!(72! o de conmutaci"n. Los contactos 7ormalmente 0biertos conectan el circuito cuando el relé es activado8 el circuito se desconecta cuando el relé está inactivo. %ste tipo de contactos son ideales para aplicaciones en las que se requiere conmutar fuentes de poder de alta intensidad para dispositivos remotos. Los contactos 7ormalmente 2errados desconectan el circuito cuando el relé es activado8 el circuito se conecta cuando el relé está inactivo. %stos contactos se utilizan para aplicaciones en las que se requiere que el circuito permanezca cerrado asta que el relé sea activado. Los contactos de conmutaci"n controlan dos circuitos$ un contacto 7ormalmente 0bierto y uno 7ormalmente 2errado con una terminal com*n. H%L%P0#FH #% LQ)670S %ste tipo de relé se utilizaba para discriminar distintas frecuencias. 2onsiste en un electroimán e&citado con la corriente alterna de entrada que atrae varias varillas sintonizadas para resonar a sendas frecuencias de interés. La varilla que resuena acciona su contacto8 las demás, no. %l desarrollo de la microelectr"nica y los 5LL integrados a relegado estos componentes al olvido. Los relés de láminas se utilizaron en aeromodelismo y otros sistemas de telecontrol. Los n*cleos de todas las máquinas de corriente alterna son laminados para reducir las pérdidas por corrientes
.:.0plicaciones. envoltios armadura 5or el general, ejemplo, electroimán, que usted objetivo puede un podría bajo cambiar del poder querer relevador una el elcantidad circuito electroimán es usar electr"nico44para muco una para peque3a más dar grande cantidad mover energía de energía. una de usando energía : +/P 20 ycorriente. aen :/ ellos amperios milliamps (9/ (:/ vatios!. milliRatts!, mientras lalos armadura puede soportar Los mando relevadores son que bastante enciende comunes algo como en aparatos un motor de o una la casa luz. d"nde 1ambién ay un comunes una combinando acer gran elelectr"nico más fácil relevador autom"viles el )ás mantenimiento. tarde con d"nde forma en los de ay autom"viles, tableros +P de una en entrada la caja fabricantes yuna de casi fusibles todo empezaron necesita para %n general, el objetivo del relevador es usar peque3a cantidad deson energía en el electroimán, un bajo poder el circuito electr"nico44para mover una armadura que puede cambiar una cantidad muco más grande de energía. 5or ejemplo, usted podría querer el electroimán para dar una energía usando : voltios y :/ milliamps (:/ milliRatts!, mientras la armadura puede soportar +/P 20 a amperios (9/ vatios!. Los relevadores son bastante comunes en aparatos de la casa d"nde ay un mando electr"nico que enciende algo como un motor o una luz. 1ambién son comunes en los autom"viles d"nde ay +P de entrada y casi todo necesita una gran corriente. )ás tarde en los autom"viles, los fabricantes empezaron combinando el relevador con forma de tableros en la caja de fusibles para acer el más fácil el mantenimiento.
En general, el objetivo del relevador pequeña cantidad es usar una de energía otor son o una lu*# +abin autoóviles $. de entrada dónde casi !a todo necesita tarde los epe*aron /abricantes en los autoóviles, con caja /ora de /usibles de tableros para en anteniiento# poder el circuito electrónico--para una over cabiar uc!o energía# "s una grande cantidad de querer el electroi"n para usando dar una energía ($%& la soportar aradura illi'atts), puede ientras ($& vatios)# bastante aparatos dónde !a de counes un la casa en enciende algo coo un relevador pequeña energía cantidad es usar una de otor o una lu*# +abin son autoóviles $. todo de necesita entrada dónde casi !aen tarde los /abricantes en los epe*aron con la anteniiento# caja /ora de /usibles deautoóviles, tableros para
