MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESUMEN En este capítulo se inicia el estudio de las máquinas eléctricas con una descripción de sus elementos constitutivos, clasificación y sus principios básicos, con especial referencia a las máquinas eléctricas rotativas (Generadores y Motores). No se ha pretendido realizar una descripción detallada y pormenorizada de las máquinas eléctricas, sino solo dar unas ideas básicas que permitan al lector hacerse una idea de su constitución y funcionamiento para así poder entender el capítulo. Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en otra energía, o bien, en energía eléctrica pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético. Los generadores transforman energía mecánica en eléctrica. El motor transforma energía eléctrica en mecánica; se puede clasificar en motor de corriente continua o motor de corriente alterna. Una máquina eléctrica tiene un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. Normalmente uno de los circuitos eléctricos se llama excitación, porque al ser recorrido por una corriente eléctrica produce las ampervueltas necesarias para crear el flujo establecido en el conjunto de la máquina. Las máquinas rotativas están provistas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores, motores. Las máquinas estáticas no disponen de partes móviles, como los transformadores.
CAPÍTULO I: CONCEPTOS BÁSICOS MÁQUINA. “Aparato o conjunto de elementos que de manera sincronizada, y simultáneamente son capaces de efectuar un trabajo o de llevar a cabo una función predefinida, el funcionamiento puede ser dirigida por un operador o de forma autónoma.” (Leaño, s.f, párraf.1). MÁQUINA ELÉCTRICA. “Es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en otra energía (o viceversa), o bien, en energía eléctrica pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético.” (Leaño, s.f, párraf.2). MÁQUINA ELÉCTRICA. Conjunto de mecanismos capaces de generar, aprovechar o transformar la energía eléctrica. Si la máquina convierte energía mecánica en energía eléctrica se llama generador, mientras que si convierte energía eléctrica en energía mecánica se denomina motor. Esta relación se conoce como principio de conservación de la energía electromecánica. (Anónimo, s.f, pág. 243). CAPÍTULO II: CONSTITUCIÓN GENERAL DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS Toda máquina eléctrica rotativa consta de los siguientes elementos básicos: inductor, inducido, escobillas, culata o carcasa, entrehierro y cojinetes. 1. Inductor. Es una de las dos partes fundamentales que forman una maquina eléctrica, se encarga de producir y de conducir el flujo magnético. Se le llama también estator por ser parte fijo de la máquina. El inductor, a su vez, consta de los siguientes elementos: la pieza polar, el núcleo, el devanado inductor y la expansión polar. La pieza polar, sujeta a la culata de la máquina, incluye al núcleo propiamente dicho y a su expansión. El núcleo forma parte del circuito magnético de la maquina junto con los polos, las expansiones polares, el entrehierro, inducido y la culata, y en él se encuentran los devanados inductores. El devanado inductor está formado por el conjunto de espiras que, en número prefijado para cada tipo de máquina, producirá el flujo magnético cuando circule la corriente eléctrica. La expansión polar es la parte más ancha de la pieza polar, y se encuentra próxima al inducido o rotor de la máquina.
2. Inducido. El inducido constituye el otro elemento fundamental de la máquina. Se denomina también rotor por ser la parte giratoria de la misma. Consta, a su vez, de núcleo del inducido, devanado inducido y colector. El núcleo del inducido está formado por un cilindro de chapas magnéticas que están construidas, generalmente, de acero laminado con un 2% de silicio para mejorar las perdidas en el circuito magnético. Este cilindro se fija al eje de la máquina, el cual descansa sobre unos cojines de apoyo. Las chapas que forman el inducido o rotor de la maquina disponen de ranuras en las que se alojan los hilos de cobre del devanado inducido. El devanado inducido se encuentra conectado al circuito exterior de la maquina a través del colector, y es en él donde se produce la conversión de energía. El hilo de cobre utilizado para los devanados inducido e inductor es Ωde cobre electrolítico, el cual presenta una resistividad de 0.017Ω.mm2/m a 20ºC de temperatura. El colector inducido es un conjunto de láminas de cobre, denominado delgas, aislado entre si y conectadas a las secciones del devanado del inducido. Sobre las delgas se deslizan las escobillas. 3. Escobillas. Generalmente, se fabrican de carbón o de grafito, se hallan alojadas en un portaescobillas desde donde se deslizan sobre las delgas del colector y, mediante un conductor flexible, se unen a los bornes del inducido. 4. Culata o carcasa. La culata es la envoltura de la maquina eléctrica y está hecha de material ferromagnética. Su misión es conducir el flujo creado por el devanado inductor. También se unen a ella los polos de la máquina. 5. Entrehierro. Se denomina entrehierro al espacio existente entre la parte fija y la parte móvil de la máquina, es decir, entre el rotor y las expansiones polares, evitándose de esta manera el rozamiento entre ambos. 6. Cojinetes. Sirven de apoyo al eje del rotor de la máquina. (Anónimo, s.f, pág. 244-245).
CAPÍTULO III: CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS GENERADORES.
Son máquinas eléctricas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica. Se instalan en las centrales eléctricas (CC.EE.) y en los diferentes equipos de transporte como autos, aviones, barcos, etc. En las CC.EE. los generadores son accionados mecánicamente mediante turbinas que pueden ser a vapor o hidráulicas; en los equipos de transporte mediante motores de combustión interna o turbinas a vapor. En una serie de casos los generadores se usan como fuente de energía para equipos de comunicaciones, dispositivos automáticos, de medición, entre otros. (Tiravanti, s.f, párraf.3). GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA. CONSTRUCCIÓN MECÁNICA. Se identifican solo sus componentes principales, que se describen a continuación. Estator. El estator de una máquina de CC proporciona el apoyo mecánico para la máquina, y consta del yugo y los polos (o polos del campo). El yugo desempeña la función básica de proveer una trayectoria sumamente permeable para el flujo magnético. Para máquinas pequeñas de imanes permanentes, puede ser una estructura anular laminada soldada en sus extremos. Para máquinas devanadas pequeñas, los polos del campo y el yugo se troquelan como una sola pieza a partir de laminaciones delgadas de acero. Para maquinas grandes, el yugo se construye con partes hechas con acero fundido. Los polos se montan dentro del yugo y se diseñan en forma apropiada para recibir los devanados del campo. A menudo los polos del campo están elaborados con láminas delgadas que se apilan juntas, con lo que se busca reducir al mínimo las pérdidas magnéticas debidas a la proximidad de los polos con el flujo de la armadura. Para máquinas grandes, los polos de campo se construyen por separado y después de atornillan al yugo. Devanado Del Campo. Las bobinas del campo están devanadas en los polos, de forma que estos alternan su polaridad. Existen dos tipos de devanados del campo: un devanado de campo shunt y un devanado del campo serie. El devanado de campo shunt tiene muchas vueltas de alambre delgado y recibe ese nombre porque se conecta en paralelo con el devanado de la armadura. El devanado del campo serie, como su nombre lo indica, se conecta en serie con el devanado de la armadura y tiene comparativamente pocas vueltas de conductor grueso. Una máquina de CC puede tener ambos devanados del campo arrollados en el mismo polo. Una máquina con un devanado del campo shunt se llama maquina shunt. Una máquina serie se devana solo con devanado del campo serie. Una máquina compound, o compuesta, tiene ambos devanados. Cuando en una máquina compound los dos devanados del campo producen flujos en la misma dirección, la máquina es de tipo cumulativo. La máquina es de tipo diferencial cuando al campo que establece el devanado del campo shunt se opone el campo que establece el devanado del campo en serie. Como el devanado del campo en serie lleva una corriente constante, disipa potencia. Al utilizar imanes permanentes en vez de un
devanado del campo shunt se elimina la pérdida de potencia y, así, se mejora la eficiencia de la máquina. Para la misma especificación de potencia, una máquina con imanes permanentes (o máquinas de tipo PM) es más pequeña y ligera que una maquina devanada. La desventaja de la maquina tipo PM por supuesto, es su flujo constante. Armadura. La parte rotatoria de una máquina de CC, que está cubierta por los polos fijos en el estator, se llama armadura. La longitud efectiva de la armadura es por lo general la misma que la del polo. Su sección transversal es circular y está hecha con laminaciones delgadas, muy permeables y aisladas eléctricamente, las cuales se encuentran apiladas y montadas en forma rígida sobre el eje. La alta permeabilidad asegura una trayectoria de reluctancia baja para el flujo magnético, el aislamiento eléctrico reduce las corrientes parasitas en el núcleo de la armadura. Las laminaciones tienen ranuras axiales en su periferia para alojar las bobinas de la armadura. Por lo común se utiliza un conductor de cobre para las bobinas de la armadura debido a su baja resistividad. Conmutador. El conmutador esta hecho de segmentos de cobre duro en forma de cuña. Un extremo de dos bobinas de la armadura está conectado eléctricamente a un segmento de cobre del conmutador. La forma en que cada bobina se conecta al segmento del conmutador define el tipo de devanado de la armadura. Básicamente hay dos tipos de devanados de la armadura: el devanado imbricado o de lazo y el devanado ondulado. El devanado de la armadura es el corazón de una máquina de CC. Se trata del devanado en el que se induce la Fem (acción generadora) y se desarrolla el par (acción motora). El conmutador es un dispositivo muy bien concebido que cumple la función de un rectificador. Convierte la fem alterna inducida en las bobinas de la armadura en un voltaje unidireccional Escobillas. Las escobillas están sujetas en posición fija sobre el conmutador por medio de portaescobillas. Dentro del portaescobillas un resorte ajustable ejerce una presión constante sobre la escobilla con objeto de mantener un contacto apropiado entre ésta y el conmutador. La presión de la escobilla debe ser precisamente la requerida, pues si fuera bajo el contacto entre ella y el conmutador seria deficiente, lo cual produciría chispas en exceso y el conmutador se quemaría. Por otro lado, demasiada presión ocasionaría un desgaste excesivo de la escobilla y el sobrecalentamiento del conmutador por la fricción. Hay muchos tipos de escobillas, que varían por su composición. Una escobilla puede estar hecha de carbón, carbón, carbón – grafito o una mezcla de cobre y carbón. La presencia de grafito en una escobilla proporciona autolubricación entre ésta y el conmutador. Aunque los portaescobillas están montados en la campana en extrema, están aislados eléctricamente de ella. Una escobilla está conectada eléctricamente a su portaescobillas por medio de un conductor de cobre trenzado que se llama soguilla o trenza. Mediante los
portaescobillas es posible establecer la conexión eléctrica entre el circuito externo y las bobinas de la armadura. (Brown y Hamilton, 1984, pág.285-289). TIPOS DE GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA. Con base en el método de excitación, los generadores de CC pueden dividirse en dos categorías: con excitación independiente y autoexcitados. Un generador tipo PM puede considerarse con excitación independiente y con flujo magnético constante. La corriente del campo (excitación) es un generador con excitación independiente la suministra una fuente externa independiente. En cambio, un generador autoexcitado proporciona su propia corriente de excitación. GENERADOR DE CC CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE. Como su nombre lo indica, un generador de CC con excitación in dependiente requiere una fuente de CC externa independiente para el devanado del campo, por lo que se usa principalmente en pruebas de laboratorio y comerciales, y conjuntos con regulación especial. La fuente externa puede ser otro generador de CC, un rectificador controlado o no, o una batería. La condición de estado estable supone que no hay ningún cambio apreciable en la corriente de la armadura o en su velocidad para una carga determinada. En otras palabras, esencialmente no hay cambio en la energía mecánica o en la magnética del sistema. Por tanto, no hay necesidad de incluir la inductancia de cada devanado ni la inercia del sistema como parte del circuito equivalente. Las ecuaciones que definen la operación en estado estable son: Vf
=
If
(Rfw
+
Rfx)
=
IfRf Donde Rf = Rfw + Rfx es la resistencia total en el circuito del devanado del campo shunt. De acuerdo con la ecuación 5.26, el voltaje en las terminales es: Vt = Ea – IaRa
(5.27)
(Say, 1976, pág 519-522).
GENERADOR DE CC AUTOEXCITADO. Según el método de conexión del devanado o devanados del campo, un generador autoexcitado se clasifica adicionalmente en: generador shunt o en derivación, si su
devanado del campo, llamado devanado del campo shunt, se conecta en paralelo con las terminales de la armadura; generador serie, cuando su devanado del campo, denominado devanado del campo en serie, se conecta en serie con la armadura, y generador compound o compuesto, que incorpora ambos devanados del campo: shunt y serie. Generador Shunt o En Derivación. Cuando el devanado del campo de un generador con excitación independiente se conecta en paralelo con la armadura, el generador de CC recibe el nombre de generador shunt o en derivación. En este caso, el voltaje en las terminales también es el voltaje del devanado del campo. Sin carga, a corriente en la armadura suministra la corriente de carga y la corriente del campo. Como el voltaje en las terminales puede ser muy alto, la resistencia de circuito del campo también debe ser alta con objeto de mantener su pérdida de potencia en el mínimo. Así, el devanado del campo shunt tiene un gran numero d vueltas de una conductor relativamente delgado. El generador shunt es capaz de crecer el voltaje presente en las terminales en tanto permanezca algún flujo residual en los polos del campo. Generador Serie. Como su nombre lo indica, el devanado del campo de un generador serie está conectado en serie con la armadura y el circuito externo. Debido a que el devanado del campo en serie tiene que conducir la corriente de carga especificada, generalmente tiene pocas vueltas de un conductor grueso. Una resistencia variable Rd, conocida como desviador para campo en serie, puede conectarse en paralelo con el devanado del campo serie para controlar la corriente que lo atraviesa y, por tanto, también al flujo que produce. Cuando el generador opera sin carga, el flujo producido por el devanado del campo en serie es igual a cero. Por tanto, el voltaje en las terminales del generador es igual a la fem inducida debido al flujo residual, Er. En cuanto el generador entrega una corriente de carga, la fmm del devanado del campo en serie produce un flujo que apoya al flujo residual. Por consiguiente, la fem inducida, Ea, en el devanado de la armadura es mayor cuando el generador entrega potencia que cuando esta sin carga. No obstante, el voltaje en las terminales, Vt, es más bajo que la fem inducida debido a: la caída de voltaje a través de la resistencia de la armadura, Ra, la resistencia del devanado del campo en serie Rs, y la acción de desmagnetización por la reacción de la armadura. Como las caídas de voltaje a través de las resistencias y la reacción de la armadura son funciones de la corriente de carga, la fem inducida y también el voltaje en las terminales dependen de la corriente de carga. La curva de magnetización para el generador serie se obtiene al excitar en forma independiente el devanado del campo en serie. El voltaje en las terminales correspondiente a cada punto de la curva de magnetización es menor en una cantidad igual a las caídas de voltaje a través de Ra y Rs cuando la reacción d la armadura es igual a cero. El voltaje en las terminales cae aún más cuando la reacción de la armadura también está presente. Una vez que la corriente de carga impele al generador hacia la región saturada, cualquier incremento adicional en su valor vuelve tan grande la reacción de la armadura que ocasiona
la caída brusca del voltaje en las terminales. En realidad, si se llega al extremo, el voltaje en las terminales puede caer hasta cero. La característica creciente de un generador serie lo hace adecuado cuando se precisa incrementar el voltaje. Otra diferencia clara entre un generador shunt y uno serie es que el primero tiende a mantener un voltaje constante en las terminales, mientras que el generador serie tiende a suministrar una corriente de carga constante. Las ecuaciones básicas que rigen su operación en estado estable son: Vt
=
Ea – IaRa –
IsRs
(5.31) Donde Is es la corriente en el devanado del campo en serie, Rs es la resistencia del devanado del campo en serie, e Id es la corriente en la resistencia del desviador para el campo en serie, Rd. (Slemon y Straughen, 1981, pág.323-331). GENERADOR COMPOUND. La característica de descenso de un generador shunt y la de ascenso de un generador serie brinda la motivación suficiente para teorizar acerca de la posibilidad de una característica externa mejor con la fusión de los dos tipos de generadores en uno solo. En realidad, y con ciertas restricciones, poner los dos generadores juntos es como transformar dos generadores en uno solo con buen comportamiento. Esto se logra devanando ambos tipos de campos, serie y shunt, en cada polo del generador. Cuando se agrega la fmm del campo en serie a la fmm del campo shunt, se habla de un generador compound cumulativo. De otro modo, se denomina generador compound diferencial. A continuación se analizan tres grados de funcionamiento compound que revisten gran interés. Generador Subcompound. Cuando el voltaje con carga completa en un generador compound es un tanto mayor que el de un generador shunt, pero menor que el voltaje sin carga, se habla de un generador subcompound. En él, la regulación del voltaje es un poco mejor que la del generador shunt. Generador Compound Llano o Normal. Si el voltaje sin carga es igual al voltaje a plena carga, el generador se denomina generador compound llano o normal. Se usa cuando la distancia entre el generador y la carga es corta. En otras palabras, no ocurre ninguna caída de voltaje significativa en la línea de transmisión llamada alimentador que conecta el generador con la carga. Generador Ultracompound. Si el voltaje a plena carga es mayor que el voltaje sin carga, el generador es ultracompound, el cual es el que se elige cuando el generador se conecta a la carga mediante una línea de transmisión larga. La línea de transmisión larga supone una caída
significativa del voltaje y perdida de potencia en la línea de transmisión. (Chapman, 1985, pág.332-335). GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA O SÍNCRONOS. CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA SÍNCRONA. Los componentes básicos de una maquina síncrona son el estator, que alberga los conductores de la armadura, y un rotor, que provee el campo necesario según se explica a continuación. Estator. También conocido como armadura de una maquina síncrona, el estator está formado por laminaciones delgadas de acero sumamente permeable a fin de reducir las pérdidas en el núcleo. Las laminaciones se mantienen juntas por medio de bastidor del estator. El bastidor, que puede ser hierro de fundición o fabricarse con placas soldadas de acero suave, no se diseña para conducir flujo, sino para dar apoyo mecánico al generador síncrono. El interior del estator tiene una variedad de ranuras cuyo objetivo es alojar los gruesos conductores de la armadura (bovinas o devanados). Los conductores de la armadura se encuentran simétricamente dispuestos para formar un devanado polifásico equilibrado. Para ello, el número de ranuras por polo y por fase debe ser un número entero. La fem inducida por fase en generadores síncronos de gran tamaño es del orden de los kilovolts (kv) con capacidad de generación que se mide en megavolt-amperes (MVA). Rotor. En el diseño de generadores síncronos se usan dos tipos de rotores, el cilíndrico y el de polos salientes. El rotor se hace girar a velocidad síncrona mediante un impulsor primario, digamos una turbina de vapor. Además, tiene tantos polos como el estator, y su devanado conduce corriente continua, de modo que produce flujo constante por el polo. El rotor de polos salientes, se utiliza en generadores de velocidad baja y media porque la pérdida en el devanado es pequeña a esas velocidades. Consta de un conjunto par de polos laminados que se proyectan hacia afuera. Cada polo tiene un extremo en cola de milano que se ajusta en un hueco en forma de cuña, o se sujeta con tornillos a una rueda magnética llamada araña. El rotor cilíndrico, se emplea en un turbogenerador bi o tetrapolar de alta velocidad. Está formado por un cilindro liso y solido de acero forjado, con cierto número de ranuras sobre su periferia exterior, a cuales se diseñan para alojar las bobinas del campo. La construcción cilíndrica brinda los beneficios siguientes: resulta en una operación silenciosa a la velocidad alta, ofrece mejor equilibrio que el rotor de polos salientes y reduce la pérdida por el viento. (Brown y Hamilton, 1984, pág.403-405). GENERADOR SÍNCRONO DE POLOS SALIENTES.
La explicación precedente de un generador síncrono solo es satisfactoria cuando el rotor tiene construcción cilíndrica. Un rotor cilíndrico presenta un entrehierro casi uniforme, y la variación en la reluctancia del entrehierro alrededor de su periferia, debido a las ranuras, es despreciable. Por otro lado un rotor, un rotor de polos salientes tiene un entrehierro más grande en la región entre los polos que en la región apenas por arriba de ellos. Por tanto cabe esperar que las reluctancias de las dos regiones en un generador de polos salientes difieran en forma significativa. Para explicar tal diferencia, la reactancia síncrona se divide en dos reactancias. La componente de la reactancia síncrona a lo largo del eje polar (eje d) comúnmente se llama reactancia síncrona del eje directo, Xd, y la otra componente a lo largo del eje entre polos (eje q) se denomina reactancia síncrona del eje de cuadratura, Xq. (Del Toro, 1985, pág. 445-452). MOTORES. Son equipos eléctricos que transforman la energía eléctrica en energía mecánica; sirven para accionar diferentes máquinas, mecanismos y dispositivos que son usados en la industria, agricultura, comunicaciones, y en los artefactos electrodomésticos. En los sistemas modernos de control los motores se usan en calidad de dispositivos gobernadores, de control, como reguladores y/o programables. (Tiravanti, s.f, párraf.4). MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA. MOTOR SERIE. En un motor serie, el devanado del campo se conecta en serie con el circuito de la armadura, donde también se incluye una resistencia externa Rax en serie con la armadura que puede usarse para arrancar el motor y después cortocircuitarse, o bien para controlar la velocidad del motor. Como el devanado del campo en serie conduce la corriente especificada de la armadura para el motor, tiene pocas vueltas de conductor grueso. Conforme la corriente de la armadura cambia con la carga, también lo hace el flujo que produce el devanado del campo. En otras palabras, el flujo que establece un motor serie es una función de la corriente de la armadura. Si el flujo por polo puede expresarse como ɸp = KfIa (6.6) Luego, la fuerza contraelectromotríz es Ea = KaKfIaѠm (6.7) Y el par que desarrolla el motor serie es Td = KaKfI2a (6.8) Con base en las ecuaciones anteriores es evidente que la fuerza contraelectromotríz en el motor es proporcional a la corriente de la armadura y que el par que desarrolla un motor serie es proporcional al cuadrado de la corriente de la armadura en la medida en que el motor opera en la región lineal. Conforme se incrementa la corriente en la armadura, también lo hace el flujo producido por ella.
Un aumento en el flujo mejora el nivel de saturación en el motor. Cuando el motor está saturado, el flujo se incrementa solo gradualmente con un aumento adicional en la corriente de la armadura. Por tanto, el par desarrollado deja de ser proporcional al cuadrado de la corriente. Cuando un motor serie opera sin carga, el par que desarrolla es apenas suficiente para superar la perdida por rotación en la máquina. Como la perdida por rotación es solamente una fracción del par a plena carga, resulta que el par desarrollado por la maquina es muy pequeño sin carga. De la ecuación 6. Se desprende que la corriente de la armadura también debe ser muy pequeña. Por tanto, la fuerza contraelectromotríz sin carga debe ser casi igual al voltaje aplicado Vs. MOTOR SHUNT. El circuito equivalente de un motor shunt con una resistencia de arranque en el circuito de la armadura. El devanado del campo se conecta directamente a la fuente. Si el voltaje de esta es constante, el flujo que crea el devanado del campo es constante. El par que desarrolla el motor es Td = KaɸpIa = KIa (6.14) Donde K = Kaɸp es una cantidad constante. Por tanto, el par que desarrolla un motor shunt es proporcional a la corriente de la armadura. Cuando el motor shunt trabaja con cierta carga, la fuerza contraelectromotríz del motor es Ea = Vs – IaRa (6.15) Puesto que Ea = KaɸpѠm, la velocidad angular de operación (velocidad) del motor es Vs – IaRa Ѡm =
(6.16) Kaɸp
Cuando se incrementa la carga en el motor tienen lugar los cambios siguientes: la corriente de la armadura Ia se incrementa para satisfacer a demanda del aumento de carga, aumenta la caída de voltaje a través de la resistencia Ra del circuito de la armadura, para un voltaje de fuente fija, la fuerza contraelectromotríz Ea disminuye y puesto que el flujo es constante cuando la reacción de la armadura es depreciable, la disminución en la fuerza contraelectromotríz del motor se acompaña de un decrecimiento en su velocidad. MOTOR COMPOUND. Un motor compound shunt puede tener un devanado del campo en serie adicional, de la misma manera que un generador shunt. Un motor compound puede conectarse como motor shunt en derivación corta o como motor shunt en derivación larga. En un motor shunt en derivación larga, el devanado del campo shunt se conecta directamente al suministro, por tanto, flujo que crea el devanado del campo shunt es constante para cualquier condición de
carga. Por otro lado, el devanado del campo shunt de un motor compound en derivación corta se conecta en paralelo con las terminales de la armadura. El flujo creado por el devanado del campo shunt de un motor shunt en derivación corta disminuye ligeramente con el incremento en la carga debido a la caída de voltaje a través del devanado del campo en serie. Motor Compound Cumulativo. Cuando el devanado del campo en serie se conecta para formar un motor compound cumulativo en derivación larga, el flujo total por polo en el motor es ɸpc = 1.125 ɸp. Puesto que el par desarrollado es proporcional al producto del flujo total en el motor y la corriente de la armadura, esta corriente, que es la de un motor compound cumulativo en derivación larga, puede calcularse como: Iaɸp Iac =
22.5 =
ɸpc
=
20 A
1.125
Motor Compound Diferencial. En el caso del motor compound diferencial en derivación larga, el flujo total por polo en el motor es ɸpd = 0.875ɸp. la corriente de la armadura del motor compound diferencial en derivación larga puede calcularse como: Iaɸp Iad =
22.5 =
ɸpc
=
25.714 A
0.875
(El-Hawary, 1986, pág.356-372). MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA. MOTORES SÍNCRONOS. Un motor síncrono funciona en condiciones de estado estable a una velocidad fija llamada velocidad síncrona. CONSTRUCCIÓN Y OPERACIÓN DE UN MOTOR SÍNCRONO. Armadura. La armadura de un motor síncrono es exactamente igual que la de un generador síncrono. Tiene un gran número de ranuras diseñadas para alojar los tres devanados de fase doble capa, que son idénticos. Los devanados de fase están desplazados espacialmente 120º
eléctricos uno de otro y los excita una fuente trifásica equilibrada. Los devanados de fase sujetos a excitación producen n campo magnético uniforme que gira a lo largo de la periferia del entrehierro a velocidad síncrona. Rotor. El rotor del motor síncrono tiene un devanado del campo que produce el flujo constante en el motor exactamente de la misma forma que lo hace en un generador síncrono. Una vez que el devanado del campo se excita con una fuente de corriente continua, produce polos alternos sobre la superficie del rotor. Por lo expuesto hasta ahora debe resultar evidente que no hay diferencia entre un motor síncrono y un generador síncrono. TIPOS DE MOTORES SÍNCRONOS. Motor Síncrono De Rotor Cilíndrico. El circuito equivalente de un motor síncrono de rotor cilíndrico por fase son: Ra y Rs son la resistencia del devanado por fase y la reactancia síncrona, respectiva. Con base en el circuito equivalente es posible expresar: VṼ = Ẽ + ĨaRa + jĨaXs (8.3) Motor Síncrono de Polos Salientes. El circuito equivalente de un motor síncrono de rotor cilíndrico es exactamente igual que el de un generador síncrono de rotor cilíndrico, salvo por la dirección de la corriente de fase Ĩa. Por analogía, es posible obtener el circuito equivalente de un motor síncrono de polos salientes. Las polaridades de las fem inducidas en los ejes d y q se han invertido para explicar el cambio de dirección de la corriente de fase. El voltaje de excitación por fase puede expresarse como sigue: Ẽa = VṼ a – ĨaRa – jĨdXd – jĨqXq Ẽa = VṼ a – ĨaRa – jĨaXq – jĨd(Xd – Xq) (8.9) (Fitzgerald y Umans, 1983, pág.471-42). MOTORES POLIFÁSICOS DE INDUCCIÓN Se llama motor de inducción porque el rotor recibe la energía por inducción y por ende, un motor de inducción es un transformador con un devanado secundario giratorio. CONSTRUCCIÓN. Los componentes esenciales de un motor de inducción son un estator y un rotor. Estator. El miembro externo (estacionario) de un motor de inducción se llama estator y está formado por un conjunto de laminaciones delgadas, ranuradas, de acero de alta permeabilidad, dentro de un bastidor o carcasa de acero o hierro de fundición. El bastidor
proporciona apoyo mecánico al motor y, aunque está hecho de material magnético, no está diseñado para conducir flujo magnético. En las ranuras se devanan o colocan bobinas idénticas y luego se conectan para formar un devanado trifásico equilibrado. Rotor. El rotor también está compuesto de laminaciones delgadas, ranuradas, de acero sumamente permeable que se fijan por presión sobre un eje. Hay dos tipos de rotores: de jaula de ardilla y devanado. El rotor de jaula de ardilla, se usa cuando la carga requiere un par de arranque reducido. Para motores pequeños, un devanado así se moldea forzando un material conductor fundido con aluminio dentro de las ranuras mediante el proceso de fundición a presión. Para motores grandes, el devanado de jaula de ardilla se forma insertando barras con ductoras pesadas generalmente de cobre, aluminio o alguna de sus aleaciones en las ranuras y después soldándolos o atornillándolas a los anillos terminales. El rotor devanado, tiene tantos polos y fases como el estator. La colocación de las bobinas de un rotor devanado no es diferente de la de un estator. Los devanados trifásicos en el rotor están conectados internamente para formar una conexión neutra interna. Los otros tres extremos están conectados a los anillos rozantes. Con las escobillas deslizándose sobre los anillos rozantes, es posible agregar resistencias externas en el circuito del rotor. De este modo puede controlarse la resistencia total del circuito del rotor, al hacerlo, se está controlando el par que desarrolla el motor. (Gur y Hiziroglu, 1998, Pág.509-511). TIPOS DE MOTORES POLIFÁSICOS DE INDUCCIÓN. Según la National Electrical Manufacturers Association (NEMA) ha clasificado los motores de inducción de jaula de ardilla en seis clases identificadas con letras A a F. la denominación de cada letra esta encamina da a satisfacer las exigencias de cierta aplicación. Motores Clase A. Un motor clase A se considera estándar y es apropiado para aplicaciones de velocidad constante. El motor puede arrancar aplicando el voltaje especificado y desarrollar un par de arranque de 125 a 175% del par a plena carga. Motor Clase B. Un motor de clase B se considera de propósito general y puede arrancar aplicando el voltaje especificado. La resistencia del rotor para un motor clase B es tanto más elevada que la de uno clase A. El incremento en la reactancia del rotor reduce el par de arranque, en tanto que un in cremento de la resistencia del rotor aumenta el par de arranque.
Motor Clase C. Un motor clase C tiene un rotor de doble jaula y está diseñado para arrancar con voltaje pleno. La resistencia elevada del rotor limita la corriente de arranque entre 3.5 y 5 veces la corriente a plena carga. El par de arranque es de 200 a 275% del par a plena carga y la regulación de velocidad es de 4 a 5%. Motor Clase D. Un motor de clase D se caracteriza por su alta resistencia, capaz de desarrollar un par de arranque de 250 a 300% del par especificado. La alta resistencia del rotor se crea utilizando aleaciones de lata resistencia para construir las barras del rotor y reduciendo el área transversal de la barra. La corriente de arranque puede ser de tres a ocho veces la corriente especificada. Motor Clase E. Los motores clase E tienen un par de arranque bajo y operan con bajo deslizamiento con la carga especificada. La corriente de arranque es relativamente baja para motores de menos de 7.5 caballos de fuerza. Estos motores pueden arrancar con el voltaje nominal o especificado. Sin embargo, para motores de más de 7.5 caballos de fuerza, la corriente de arranque puede ser suficientemente alta para exigir un circuito de arranque a voltaje reducido. Motor Clase F. Un motor clase F generalmente es de doble jaula. Es un motor de par bajo y de todos los motores, es el que necesita la corriente de arranque más bajas. El par de arranque suele ser 1.25 veces el par especificado, en tanto que la corriente de arranque es de dos a cuatro veces la corriente nominal. La regulación de velocidad es superior a 5%. Están diseñados para reemplazar a los motores clase B y se construyeron en tamaños mayores de 25 caballos de fuerza. (Lindsay y Rashid, 1986, pág. 554-555). MOTORES MONOFÁSICOS DE INDUCCIÓN. Un motor que opera con una fuente monofásica se llama motor de inducción monofásico, y solo requiere un devanado monofásico para mantener al motor en movimiento. Todo motor de inducción monofásico recibe este nombre por el método que se emplea para permitirle que arranque por sí mismo. Algunos motores que analizaremos en esta sección son: el motor de fase dividida, el motor de arranque por condensador, el motor de arranque por condensador y marcha por condensador, y el motor de condensador con fase dividida permanente. (Matsch y Morgan, 19986, pág.566-567). MOTOR DE FASE DIVIDIDA. Es uno de los motores de inducción más ampliamente utilizado para aplicaciones mecánicas que requieren potencias en fracciones de caballo de fuerza. El motor emplea dos
devanados separados que se sitúan espaciados en cuadratura y están conectados en paralela una fuente monofásica. Un devanado, que se conoce como devanado principal, tiene resistencia baja e inductancia alta. Este devanado conduce corriente y establece el flujo necesario a la velocidad especificada. El segundo devanado, llamado devanado auxiliar, tiene resistencia alta e inductancia baja. En el momento del arranque, los dos devanados toman corrientes del suministro. La corriente del devanado principal está en atraso respecto de voltaje aplicado en casi 90º debido a su elevada inductancia (gran número de vueltas) y baja resistencia. La corriente en el devanado auxiliar se encuentra esencialmente en fase con el voltaje aplicado debido a su alta resistencia y baja inductancia (menor número de vueltas). El par de arranque desarrollado por un motor de fase dividida es, en general de 150 a 200% del par a plena carga. La corriente de arranque es aproximadamente de seis a ocho veces la corriente a plena carga. MOTOR DE ARRANQUE POR CONDENSADOR. En un motor de arranque por condensador se incluye un condensador en serie con el devanado auxiliar. Si el valor del condensador se elige apropiadamente, es posible diseñar un motor de arranque por condensador de manera que la corriente en el devanado principal se encuentre en atraso respecto de la corriente en el devanado auxiliar exactamente en 90º. Por tanto el par de arranque desarrollado por un motor con condensador puede ser tan alto como el de un motor polifásico. Sin embargo, el motor de arranque por condensador se utiliza cuando los requerimientos de par de arranque son de cuatro a cinco o veces el par especificado. MOTOR DE ARRANQUE POR CONDENSADOR Y MARCHA POR CONDENSADOR. Estos motores tienen un factor de potencia bajo a la velocidad nominal (especificada) y están diseñadas para satisfacer los requerimientos de carga especificada. Cuanto más bajo es el factor de potencia, más alta es la potencia de entrada para la misma potencia de salida. Por ende la, la eficiencia de un motor monofásico es más baja que la de un motor de inducción polifásico del mismo tamaño. La eficiencia de un motor de inducción monofásico puede mejorarse con el empleo de otro condensador cuando el motor funciona a la velocidad especificada. Esto lleva al desarrollo del motor de arranque por condensador y marcha por condensador. MOTOR DE CONDENSADOR CON FASE DIVIDIDA PERMANENTE. Un motor PSC usa el mismo condensador para ambas cargas, de arranque y plena. Puesto que el devanado auxiliar y el condensador permanecen en el circuito en tanto el motor opere, no es necesario un interruptor centrífugo. Por ello, la longitud del motor es menor
que en los casos anteriores. El condensador generalmente se elige para obtener eficiencia alta a la velocidad especificada. (McPherson, John Wiley y Sons, 1981, pág. 578-582). MOTOR DE POLOS SOMBREADOS. Cuando el devanado auxiliar de un motor de inducción monofásico toma la forma de anillo de cobre de llama motor de polos sombreados. Frecuentemente este motor tiene una construcción de polos salientes, similar al estator de una máquina de CC. Sin embargo, el polo siempre esta laminado para minimizar la perdida en el cobre; además, está dividido físicamente en dos secciones. Un anillo de cobre pesado en cortocircuito, llamado bobina de sombreado, se coloca alrededor de la sección más pequeña y cubre un tercio del arco polar y se llama parte sombreada del polo. La sección más grande recibe el nombre, de parte no sombreada. El devanado principal rodea por completo al polo. El rotor se fabrica por fundición a presión, igual que el rotor de cualquier otro motor de inducción monofásico. MOTOR UNIVERSAL. Un motor de serie CC diseñado específicamente para la operación con CA se conoce como motor universal. Un motor universal se devana y conecta exactamente igual que un motor serie de CC; es decir el devanado del campo se conecta en serie con el devanado de la armadura. Sin embargo, es necesario hacer algunas modificaciones para transformar un motor serie de CC en un motor universal. (Nasar y Unnewehr, 1983, pág.598-602).
CAPÍTULO IV: POTENCIA Y ENERGÍA DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA
La potencia que desarrolla una maquina eléctrica es la energía por unidad de tiempo. Si se trata de un motor, la potencia dependerá de los mecanismos acoplados al eje del motor y serán accionadas por él, y si se trata de un generador, dependerá del circuito al que alimenta. Según esto, es fácil apreciar que las máquinas eléctricas pueden funcionar con diferentes valores de potencia útil. De todos estos valores, el que caracteriza la máquina se denomina potencia nominal. El principal problema que podemos tener con una maquina eléctrica rotativa es que se caliente. Es necesario refrigerar estas máquinas porque pueden quemarse. (Anónimo, 2011, párraf.5). PÉRDIDAS. Estas pérdidas se dan en diferentes partes de la máquina, como veremos a continuación. PÉRDIDAS MECÁNICAS. Son debidas al rozamiento y se dan en las partes móviles: cojinetes, escobillas (debido a su rozamiento con el colector), etc. PÉRDIDAS EN EL COBRE. Se denominan así a las pérdidas en los conductores de los circuitos eléctricos de la máquina ya que estos son de cobre. Son debidas al efecto Joule, es decir, parte de la energía eléctrica que circula por los conductores se transforma en calor por los choques de los electrones con los iones metálicos de dicho conductor. PÉRDIDAS EN EL HIERRO. Se denominan de esta manera a las perdidas en el circuito magnético, que está formado por un núcleo de hierro. Pueden ser de dos tipos: Pérdidas por histéresis, que son debidas a la magnetización cíclica del hierro. Pérdidas por corrientes de Foucault, que se producen por las corrientes inducidas en el hierro. RENDIMIENTO. La relación entre la potencia que desarrolla una máquina eléctrica (potencia útil) y la potencia que absorbe se denomina rendimiento. Será siempre menor que 1 porque la potencia útil es menor que la potencia absorbida, debido a las pérdidas que ya hemos visto. η=
Pu Pab
Evidentemente, si damos el rendimiento como un porcentaje, habrá que multiplicar η por 100. (Anónimo, s.f, párraf.6).
CAPÍTULO V: LEYES BÁSICAS DEL ELECTROMAGNETISMO El comportamiento y las características de una máquina eléctrica se entienden y predicen mejor si se comprende no solo su construcción física, sino también la función que desempeña el campo magnético de esa máquina, ya que casi todos los equipos prácticos para conversión de energía utilizan tal campo como medio. ECUACIONES DE MAXWELL La teoría fundamental de los campos electromagnéticos se basa en las cuatro ecuaciones de Maxwell, que no son sino generalizaciones de leyes que se basan en experimentos. Las cuatro ecuaciones de Maxwell son las siguientes. (Guru y Hiziroglu, 1998, pág.64-65). Nombre
Forma Diferencial
Forma Integral
Ley de Gauss Ley de Gauss para el campo magnético Ley de Faraday
Ley de Ampere generalizada
PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LOS MATERIALES CURVA MAGNÉTICA. La magnitud fundamental que identifica las diferentes características magnéticas de los materiales es la permeabilidad magnética µ, utilizándose usualmente la permeabilidad relativa µr = µ/µo. La clasificación básica es en materiales magnéticos o ferromagnéticos y no magnéticos dependientes de la forma de la curva µ = B/H para diferentes valores de H.
Los materiales no magnéticos (aire, cobre, bronce, agua, etc) presentan una curva lineal para todo H, siendo el valor de µr ∼= 1. Por su parte los materiales magnéticos (hierro, niquel, cobalto) presentan una curva no lineal en H, típica, la cual presenta dos zonas bien diferenciadas para H creciente. Una zona lineal don de µr∼= 1000 (o mucho mas), una zona de transición rápida llamada codo donde µr ∼= 1comportandose como material no magnético. A esta curva se le denomina usualmente curva de hierro o curva magnética. HISTÉRESIS. Los materiales magnéticos (ferromagnéticos) presentan todos (en mayor o menor medida actualmente controlable) el fenómeno de histéresis. Este fenómeno se caracteriza por el hecho de que la curva magnética cuando H “crece” es diferente que la curva magnética cuando H “decrece”, siempre en el plano [H; B] la curva magnética para H crecientes esta “por debajo” de la curva magnética para H decrecientes. Este fenómeno usualmente no es tenido en cuenta en la práctica operativa común con las máquinas, pero sí debe ser tenido en cuenta en algunas aplicaciones en particular, como luego veremos, en la determinación de las llamadas pérdidas magnéticas. MAGNETOSTRICCIÓN. Los materiales magnéticos presentan un fenómeno de deformación elástica en presencia de un campo magnético externamente aplicado. Si bién el cambio dimensional en términos absolutos es despreciable (micras), si el campo es alterno, el fenómeno se manifiesta por una vibración en el rango audible al doble de la frecuencia de la fuente. En la práctica operativa este fenómeno no se tiene en cuenta, sin embargo en las especiaciones de las máquinas se debe tener en cuenta en virtud de las restricciones actualmente existentes de contaminación sonora. (Anónimo, s.f, pág. 10-11). CIRCUITOS MAGNÉTICOS Denominamos circuitos magnéticos ciertas trayectorias concentradas de flujos magnéticos en materiales ferromagnéticos junto con su fuente de excitación magnetomotriz (Fmm). METODOLOGÍA DE ANÁLISIS. Es posible realizar una analogía entre los circuitos magnéticos con fuentes constantes de Fmm excitadoras (corriente en d.c) y los circuitos eléctricos de cd. Si hacemos abstracción de la no linealidad magnética, la técnica de análisis es idéntica para ambos tipos de circuitos.
CIRCUITO SERIE. Cuando el trayecto del flujo único he idéntico para diferentes reluctancias, conectadas entonces en serie. CIRCUITO PARALELO. Cuando existe dos o más trayectorias de flujo en general diferentes para diferentes reluctancias conectadas entonces en paralelo. EL ENTREHIERRO. Los circuitos magnéticos que se encuentran usualmente en las máquinas, salvo en el caso de los transformadores, no presentan una trayectoria continua de material ferromagnético. En general aparece una discontinuidad en la trayectoria constituida por un espacio en aire, de una longitud muy pequeña δ (del orden de mm) mucho menor que cualquiera de las dimensiones que conforman la sección de la trayectoria ferromagnética. A este espacio en aire es lo que denominamos entrehierro. FLUJO DE FUGAS. El supuesto anterior que todo el flujo se cierra por la trayectoria de material ferromagnética introduce otro error tenga el circuito o no entrehierro. (Anónimo, s.f, pág. 13-16). IMANES PERMANENTES En todas las máquinas que usan imanes permanentes para establecer el flujo magnético que se requiere, es deseable que el material que se usa para los imanes permanentes posea las características siguientes de, retentividad (densidad d eflujo residual) alta, de modo que el imán sea poderoso y provea el flujo que necesita y coercitividad alta, de manera que no sea fácil que los campos magnéticos espurios lo desmagneticen. (Guru y Hiziroglu, 1998, pág.115).
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Say,M.,G. (1976). Alternating Current Machines. Nueva York. Pitmann McPherson, G. (1981). An Introduction to Electrical Machines and Transformers, Nueva York. John Wiley & Sons. Slemon, G.R. y A. Straughen. (1981). Electric Machines, Addison Wesley, Reading. Massachusetts.
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