Bobinas y Motores Electricos

UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE FACULTAD DE EDUCACIÓN CIENCIA Y TECNOLOGÍA LICENCIATURA EN CIENCIAS DE LA EDUCACIÓN ESPECIALIZACIÓN EN FÍSICA F ÍSICA Y MATEMÁTICA

TEMA: BOBINAS Y MOTORES ELECTRICOS NOMBRE: Bermeo Gloria DOCENTE: Dr. Galo Álvarez

Ibarra, 29 de junio de 2018


Contenido 1.

2.

PROPIEDADES ELECTROMAGNETICAS DE LA MATERIA ................................... ................................... 6 1.1.

Birrefringencia: ........................................... .................................................................. ............................................. ......................................... ...................6

1.2.

Diamagnetismo: .......................................... ................................................................. ............................................. ......................................... ...................6

1.3.

Efecto Faraday: ........................................... .................................................................. ............................................. ......................................... ................... 6

1.4.

Efecto Joule:............................................................... ..................................................................................... ............................................. ........................... ....7

1.5.

Espectroscopia Espectroscopia dieléctrica: ......................................... ............................................................... ............................................. ........................... ....7

1.6.

Fuerza intermolecular:..................................... intermolecular:........................................................... ............................................ ...................................... ................7

1.7.

Luminiscencia: Luminiscencia: ............................................ ................................................................... ............................................. ......................................... ...................8

1.8.

Efecto Meissner:.................................................. ........................................................................ ............................................ .................................. ............8

1.9.

Permeabilidad magnética: .......................................... ................................................................ ............................................ ........................... ..... 8

1.10.

Permitividad: ........................................... .................................................................. ............................................. ......................................... ...................9

1.11.

Polarización eléctrica:.......................................... ................................................................ ............................................ .............................. ........9

1.12.

Quimioluminiscencia:.......................................... ................................................................ ............................................ .............................. ........ 9

1.13.

Sonoluminiscencia: Sonoluminiscencia:.......................................... ................................................................ ............................................ .................................. ............ 9

1.14.

Susceptibilidad eléctrica:........................................................... .................................................................................. ............................ .....10

1.15.

Susceptibilidad magnética:........................................................... .................................................................................. ...........................10

CIRCUITOS MAGNETICOS .......................................... ................................................................ ............................................ ......................... ... 10 2.1.

3.

Analogías entre circuito eléctrico v circuito magnético:........................................... ...........................................10

2.1.1.

Analogía formal: La ley le y de ohm con la ley l ey hopkinson ...................................... ......................................12

2.1.2.

Precisión de los circuitos magnéticos .................................... .......................................................... ............................ ...... 13

2.1.3.

Magnetismo en corriente alterna............................................ ................................................................... ............................ ..... 14

TRANSFORMADORES TRANSFORMADORES ........................................... ................................................................. ............................................ ................................ .......... 14 3.1.

Principios de su funcionamiento: ................................... ......................................................... ........................................... .....................16

3.2.

Valores nominales de un transformador........................................... .................................................................. ........................... 16

3.3.

Voltaje nominal del bobinado () .......................................... ................................................................. ................................ ......... 17

3.4.

Potencia nominal () ............................................ .................................................................. ............................................ ............................ ...... 17

3.5.

Corriente nominal () ........................................... ................................................................. ............................................ ............................ ...... 17

3.6.

Relación de voltajes nominales (  =  =  =  ) ........................................... ...........................................17

3.7.

Frecuencia Frecuencia nominal () .......................................... ................................................................ ............................................ ............................ ......17


3.8.

Grupo de conexión ............................................................ ................................................................................... ........................................ .................17

3.9.

Chapa o placa característica de un transformador............................................ ..................................................... ......... 17

3.10.

Características de construcción ......................................... ............................................................... .................................... .............. 18

3.11.

Resistencia de aislamiento ................................... ......................................................... ............................................. ............................ ..... 19

3.12.

Operación del transformador ideal ....................................................... ........................................................................ .................20

3.13.

Relaciones de transformación .......................... ................................................ ............................................. ................................ ......... 21

3.14.

Balance de potencia en un transformador ideal ......................... ................................................ ............................ ..... 22

3.15. Impedancia vista en un lado cuando se conecta una carga en el otro lado l ado de un transformador (impedancia reflejada) ...................................................... ............................................................................. ............................ ..... 22 3.16.

Condiciones en los transformadores prácticos ............................................. ...................................................... ......... 23

3.17.

Circuitos equivalentes de transformadores prácticos ............................................ ............................................ 23

3.18.

TIPOS DE TRANSFORMADORES ................................................... .................................................................... .................23

3.18.1.

Transformadores Transformadores monofásicos: .......................................... ................................................................. ............................ ..... 24

3.18.2.

Transformadores Transformadores de mando ........................................ .............................................................. .................................... .............. 25

3.18.3.

Transformadores Transformadores halógenos ........................................... .................................................................. ................................ ......... 25

3.18.4.

Transformadores Transformadores para aire acondicionado: acondicionado: .................................................... .................................................... 25

3.18.5.

Transformadores Transformadores de potencia trifásica: ....................................................... .......................................................... ... 26

3.18.6.

Transformadores Transformadores de distribución ......................... ............................................... ........................................... ..................... 26

3.18.7.

Transformador trifásico seco:......................................... seco:............................................................... ................................ .......... 27

3.18.8.

Transformadores Transformadores trifásicos de refrigeración de aceite ................................... ................................... 27

3.18.9.

Transformadores Transformadores trifásicos de aceite (pad mounted) ..................................... ..................................... 28

3.18.10.

Transformadores Transformadores herméticos de llenado integral ........................................... ...........................................28

3.18.11.

Transformadores Transformadores subterráneos (subway) .......................................... ....................................................... ............. 29

3.18.12.

Transformadores Transformadores auto protegidos ........................... .................................................. ........................................ ................. 29

3.18.13.

Autotransformadores Autotransformadores ........................................... .................................................................. ........................................... ....................30

3.18.14.

Transformador de corriente Tt/Cc ........................... ................................................. ....................................... .................31

3.18.15.

Transformador de potencial TT/PP .................................... .......................................................... ............................ ...... 31

3.18.16.

Transformadores Transformadores de corriente constante ........................................................ ........................................................32

3.18.17.

Transformadores Transformadores para hornos .................................. ........................................................ ....................................... ................. 32

3.18.18.

Transformadores Transformadores de puesta a tierra ............................................................. ................................................................ ... 33


3.18.19. 3.19.

4.

Transformadores Transformadores móviles.............................................................. ............................................................................... .................33

Transformadores para radio .................................... .......................................................... ............................................. ........................... 33

3.19.1.

Transformadores Transformadores de energía ............................................... ...................................................................... ............................ ..... 33

3.19.2.

Transformadores Transformadores de frecuencias de audio ............................................. ...................................................... ......... 34

3.19.3.

Transformadores Transformadores de entrada ............................................... ...................................................................... ............................ ..... 34

3.19.4.

Transformadores Transformadores de etapas intermedias ........................................ ......................................................... .................34

3.19.5.

Transformadores Transformadores de salida ......................................... ............................................................... .................................... .............. 34

3.19.6.

Transformadores Transformadores de radiofrecuencia .............................. .................................................... ................................ .......... 34

3.19.7.

Transformadores Transformadores para rectificadores .................................. ........................................................ ............................ ...... 35

3.19.8.

Transformadores Transformadores especiales ........................................... .................................................................. ................................ ......... 36

3.19.9.

Los transformadores de control ....................... ............................................. ............................................. ........................... 36

3.19.10.

Los transformadores para máquinas herramientas ........................ ......................................... .................36

3.19.11.

Los transformadores de clase 2 .......................................... ................................................................. ............................ ..... 36

3.19.12.

Los transformadores para señalización ......................................... .......................................................... .................36

3.19.13.

Los transformadores para tubos luminiscentes ............................................ ................................................ 37

3.19.14.

Los transformadores para ignición .......................... ................................................ ....................................... .................37

3.19.15.

Los transformadores para juguetes............................................ ................................................................. .....................37

3.19.16.

Transformadores Transformadores para ensayos ....................................... ............................................................. ................................ .......... 37

GENERADORES Y MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA .................................... .................................... 38 4.1.

Motores de corriente directa........................................... .................................................................. ........................................... ....................38

Rotor ............................................ ................................................................... ............................................. ............................................ ....................................... .................38 1.1.1.

4.2.

5.

Tipos de Motores Eléctricos de Corriente Continúa o Directa ......................... 40

Generadores Generadores de Corriente Continua o Directa .................................................... .......................................................... ...... 44

4.2.1.

Aparato Especial: La Dinamo ................................. ....................................................... ........................................... .....................45

1.1.2.

Tipos de Generadores de Corriente Continua .......................................... ................................................... .........47

GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA .......................................... ........................................................... .................52 5.1.

Sistemas constructivos ............................................ .................................................................. ............................................ ............................ ...... 52

5.1.1.

Generador por los salientes en el estator........................................... ............................................................ .................52

5.1.2.

Generador sin escobillas ........................................................ ............................................................................... ............................ ..... 54

Anillos deslizantes ........................................... ................................................................. ............................................ ........................................... .....................55

UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE FACULTAD DE EDUCACIÓN CIENCIA Y TECNOLOGÍA LICENCIATURA EN CIENCIAS DE LA EDUCACIÓN ESPECIALIZACIÓN EN FÍSICA Y MATEMÁTICA Polos Magnéticos .............................................................................................................55 Cojinetes .......................................................................................................................... 55 

Cojinete de rodamiento ............................................................................................. 56



Cojinete de deslizamiento.......................................................................................... 56

Escobillas ......................................................................................................................... 56 Rotor ................................................................................................................................57 Estator ..............................................................................................................................58 Bobinado .......................................................................................................................... 59 

Bobinado en anillo .................................................................................................... 59



Bobinado en tambor .................................................................................................. 60

Ranura de armadura ........................................................................................................60

Arrollamientos distribuidos ............................................................................................. 61 6.

MOTORES MONOFÁSICOS.........................................................................................64 6.1.

7.

El motor monofásico de inducción ...........................................................................64

6.1.1.

Tipos de motores monofásico de inducción.......................................................66

6.1.2.

El motor universal .............................................................................................. 71

6.1.3.

Otros tipos de motores monofásicos .................................................................. 73

6.1.4.

El motor síncrono monofásico ........................................................................... 74

MOTORES POLIFÁSICOS ............................................................................................74 7.1.

Motores trifásicos......................................................................................................75

7.1.1.

Constitución de un motor trifásico..................................................................... 75

7.1.2.

Funcionamiento del motor trifásico ................................................................... 76

7.1.3.

Tipos y características ........................................................................................ 77

UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE FACULTAD DE EDUCACIÓN CIENCIA Y TECNOLOGÍA LICENCIATURA EN CIENCIAS DE LA EDUCACIÓN ESPECIALIZACIÓN EN FÍSICA Y MATEMÁTICA

TEMA DE INVESTIGACION: BOBINAS Y MOTORES ELECTRICOS 1. PROPIEDADES ELECTROMAGNETICAS DE LA MATERIA Existen 15 propiedades electromagnéticas de la material el cual son:

1.1.Birrefringencia: La birrefringencia o doble refracción es una propiedad de ciertos cuerpos, especialmente el espato de Islandia, de desdoblar un rayo de luz incidente en dos rayos linealmente polarizados de manera perpendicular entre sí como si el material tuviera dos índices de refracción distintos. La primera de las dos direcciones sigue las leyes normales de la refracción y se llama rayo ordinario; la otra tiene una velocidad y un índice de refracción variables y se llama rayo extraordinario. Ambas ondas están polarizadas perpendicularmente entre sí. Este fenómeno sólo puede ocurrir si la estructura del material es anisótropa. Si el material tiene un solo eje de anisotropía, (es decir es uniaxial), la birrefringencia puede describirse asignando dos índices de refracción diferentes al material para las distintas polarizaciones.

1.2.Diamagnetismo: En física, el diamagnetismo es una propiedad de los materiales que consiste en ser repelidos por los imanes. Es lo opuesto a los materiales ferromagnéticos los cuales son atraídos por los imanes. El fenómeno del diamagnetismo fue descubierto y nominado por primera vez en septiembre de 1845 por Michael Faraday cuando vio un trozo de bismuto que era repelido por un polo cualquiera de un imán; lo que indica que el campo externo del imán induce un dipolo magnético en el bismuto de sentido opuesto.

1.3.Efecto Faraday: El efecto Faraday (denominado a veces como rotación Faraday) fue descubierto en 1845 por el físico Michael Faraday, e intenta demostrar la interacción entre la luz y un campo magnético. El efecto describe cómo el plano de polarización de la luz puede cambiar y muestra cómo su alteración es proporcional a la intensidad del componente del campo magnético en la dirección de

propagación

de

la

onda

luminosa.


El efecto Faraday, un efecto magneto-óptico, es la primera evidencia experimental de que la luz y el magnetismo están relacionados. Hoy en día la base teórica para definir esta relación se denomina Teoría electromagnética, y fue desarrollada por James Clerk Maxwell entre los años 1860 y 70. Este efecto ocurre en la mayoría de los materiales dieléctricos transparentes afectados por fuertes campos magnéticos (por ejemplo: 5 Tesla (50000 gauss) para hacer rotar la

polarización

90

grados).

El efecto Faraday es resultado de una resonancia ferromagnética cuando la permeabilidad de un material se representa por un tensor. Esta resonancia provoca que las ondas se descompongan en dos rayos polarizados circularmente y que se propagan con velocidades diferentes. Esta propiedad se conoce como birrefringencia circular. Los rayos se recombinan al llegar a la interface del medio, de tal forma que la onda resultante final tiene una rotación de su plano de polarización.

1.4.Efecto Joule: Si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. Este efecto es conocido como Efecto Joule en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule, que lo estudió en la década de 1860

1.5.Espectroscopia dieléctrica: La espectroscopia dieléctrica (a veces llamada espectroscopia de impedancia) mide las propiedades

dieléctricas

de

un

medio

como

función

de

la

frecuencia.

El método se basa en la interacción de un campo externo con un momento dipolar eléctrico de la muestra, a menudo expresado como permitividad.

1.6.Fuerza intermolecular: Es cuando los átomos pueden formar unidades estables llamadas moléculas mediante la compartición de electrones. Las fuerzas de atracción entre moléculas reciben el nombre de enlaces intermoleculares y son considerablemente más débiles que los enlaces iónicos,


covalentes y metálicos. Las principales fuerzas intermoleculares son: enlace por puente de hidrógeno y las fuerzas de Van der Waals.

1.7.Luminiscencia: Luminiscencia es toda luz cuyo origen no radica exclusivamente en las altas temperaturas, por el contrario, es una forma de "luz fría" en la que la emisión de radiación lumínica es provocada en

condiciones

de

temperatura

ambiente

o

baja.

La primera referencia escrita conocida pertenece a Henry Joseph Round

1.8.Efecto Meissner: El efecto Meissner, también denominado efecto Meissner-Ochsenfeld, consiste en la desaparición total del flujo del campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica. Fue descubierto por Walter Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933 midiendo la distribución de flujo en el exterior de muestras de plomo y estaño enfriados por debajo de su temperatura crítica en presencia de un campo magnético. Meissner y Ochsenfeld encontraron que el campo magnético se anula completamente en el interior del material superconductor y que las líneas de campo magnético son expulsadas del interior del material, por lo que este se comporta como un material diamagnético perfecto. El efecto Meissner es una de las propiedades que definen la superconductividad y su descubrimiento sirvió para deducir que la aparición de la superconductividad es una transición de fase a un estado diferente.

1.9.Permeabilidad magnética: En física se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de sí los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la intensidad de campo magnético existente y la inducción magnética que aparece en el interior de dicho material.


1.10. Permitividad: La permitividad (o impropiamente constante dieléctrica) es una constante física que describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vacío es 8,8541878176x10-12

F/m.

La permitividad es determinada por la habilidad de un material de polarizarse en respuesta a un campo eléctrico aplicado y, de esa forma, cancelar parcialmente el campo dentro del material. Está directamente relacionada con la susceptibilidad eléctrica. Por ejemplo, en un condensador una alta permitividad hace que la misma cantidad de carga eléctrica sea guardada con un campo eléctrico menor y, por ende, a un potencial menor, llevando a una mayor capacitancia del mismo.

1.11. Polarización eléctrica: En el electromagnetismo clásico, la polarización eléctrica (también llamada densidad de polarización o simplemente polarización) es el campo vectorial que expresa la densidad de los momentos eléctricos dipolares permanentes o inducidos en un material dieléctrico. El vector de polarización P es definido como el momento dipolar por unidad de volumen. La unidad de medida

en

el

SI

es

coulomb

por

metro

cuadrado.

La polarización eléctrica es uno de los tres campos eléctricos macroscópicos que describen el comportamiento de los materiales. Los otros dos son el campo eléctrico E y el desplazamiento eléctrico D.

1.12. Quimioluminiscencia: Bajo quimioluminiscencia se entiende el fenómeno que en algunas reacciones químicas la energía liberada no sólo se emite en forma de calor o de energía química sino en forma de luz.

1.13. Sonoluminiscencia: La sonoluminiscencia es un fenómeno físico caracterizado por la emisión de luz en líquidos sometidos a ultrasonidos. Según la teoría más aceptada el ultrasonido genera cavidades (burbujas) que colapsan rápidamente. En el colapso se generan temperaturas muy elevadas que pueden alcanzar los 30.000 grados centígrados. En estas condiciones los electrones se separan


de los núcleos de los átomos y se genera un plasma. Éste emitiría la luz observada. También es posible el proceso inverso convertir la luz generada nuevamente en líquido.

1.14. Susceptibilidad eléctrica: La susceptibilidad eléctrica χe según gran parte de los autores es la constante de

proporcionalidad (que también puede ser un tensor) que relaciona el campo eléctrico aplicado E con la polarización eléctrica inducida P.

1.15. Susceptibilidad magnética: La susceptibilidad magnética es el grado de magnetización de un material, en respuesta a un campo magnético. La susce ptibilidad magnética volúmica se representa por el símbolo χ, y no tiene dimensiones.

2. CIRCUITOS MAGNETICOS Se entenderá por circuito magnético a una estructura ferromagnética acompañada de fuerzas magneto motrices con la finalidad de canalizar líneas de fuerza magnéticas. Esta estructura puede contener espacios de aires atravesados por líneas de fuerza, estos espacios se conocen como entrehierros. Es posible determinar un circuito magnético debido a que su comportamiento está regido por ecuaciones análogas a aquellas de un circuito eléctrico. El modelo de circuito magnético se usa a menudo en el diseño de máquinas eléctricas y transformadores para simplificar el, de otro modo, muy complejo proceso de diseño. En un sencillo circuito eléctrico, como el ilustrado en la figura 2.a, la fuente de voltaje V, en causa una corriente I alrededor del circuito, a través de una resistencia R. La relación entre cantidades se obtiene mediante la ley de Ohm.  = ∗ 

2.1.Analogías entre circuito eléctrico v circuito magnético:


En un circuito eléctrico, ver la figura, el voltaje o fuerza electromotriz es la que impulsa el flujo, en un circuito magnético se llama fuerza magneto motriz (f.m.m), y se expresa por la siguiente ecuación: ℑ =  ∗ 

Donde:

: Fuerza magneto motriz, y su unidad es ampere por vuelta (A *v). N: Número de vueltas del bobinado. I: Corriente aplicada, su unidad es el Ampere. En un circuito eléctrico, el voltaje aplicado causa el flujo de una comente I. De modo semejante, en un circuito magnético la fuerza magneto motriz aplicada, causa la producción de un flujo magnético Φ. La relación entre voltaje y corriente en un circuito eléctrico es la ley de ohm (V

= I* R); de manera semejante, la relación entre fuerza magneto motriz y flujo es:  =  ∗ 

Donde: Φ:

Flujo magnético en weber.

: Reluctancia del circuito.


La reluctancia en un circuito magnético es la contraparte de la resistencia eléctrica y su unidad es ampere-vuelta por weber (A *vuelta / weber). Así como en un circuito eléctrico la conductancia es la reciproca de la resistencia, en un circuito magnético la permanencia es la reciproca de su reluctancia. = /  =  ∗ 

Bajo ciertas circunstancias es más fácil trabajar con la permanencia de un circuito magnético que con su reluctancia. Las reluctancias en un circuito magnético obedecen las mismas reglas a que obedecen en un circuito eléctrico. La reluctancia equivalente en un circuito serie es:  =  +  +  + ⋯ …

La reluctancia en un circuito paralelo es: / = (/) + (/) + (/) + ⋯

La permanencia en un circuito serie o paralelo obedecen las mismas reglas que las conductancias eléctricas.

2.1.1. Analogía formal: La ley de ohm con la ley hopkinson  ⇔  ⇔  ⇔   =  . ⇔  =  .

Entonces: La metodología de resolución de circuitos magnéticos lineales es idéntica a la metodología de resolución de circuitos eléctricos lineales. (Kirchoff)


2.1.2. Precisión de los circuitos magnéticos Los cálculos de flujo en el núcleo utilizando los conceptos de circuitos magnéticos, siempre son aproximados; a lo sumo tienen una precisión cercana aun 5% de la respuesta real. Hay una serie de razones para esta inexactitud inherente: 

El concepto de circuito magnético supone que todo el flujo esta confinado dentro del núcleo magnético, esto no es totalmente cierto. La permeabilidad de un núcleo ferromagnético es de 2000 a 60000 veces la del aire, pero una pequeña fracción del flujo escapa hacia el poco permeable aire circundante. Este flujo fuera del núcleo se llama flujo de dispersión y cumple un papel importante en el diseño de la máquina eléctrica.



El cálculo de la reluctancia supone cierta longitud de trayecto medio y un área de la sección transversal del núcleo. Estos supuestos no son totalmente acertados, especialmente en las esquinas.



En los materiales ferromagnéticos, la permeabilidad varía con la cantidad del flujo ya contenido en el material. Ello agrega todavía otra fuente de error al análisis de circuitos magnéticos, puesto que las reluctancias usadas en los cálculos de los circuitos magnéticos dependen de la permeabilidad del material.



Si hay entrehierros de aire en el recorrido del flujo en el núcleo, el área efectiva del corte transversal del entrehierro de airé será mayor qué el área del corte transversal del núcleo de hierro en ambos lados.

En la figura se puede apreciar el efecto de borde de un campo magnético en un entrehierro. Nótese el incremento del área efectiva en el entrehierro, comparada con el área de la sección transversal del metal.


2.1.3. Magnetismo en corriente alterna En lugar de aplicar una corriente continua a los bobinados del núcleo, ahora vamos a aplicar una corriente alterna y observar lo que sucede. En la figura. Esto es básicamente la curva de saturación. Sin embargo, cuando la corriente disminuye nuevamente, el flujo sigue una ruta diferente de la seguida cuando la corriente se aumentó. Cuando la corriente disminuye, el flujo en el núcleo sigue la ruta bcd y luego cuando la corriente aumenta nuevamente, el flujo sigue la ruta deb. Nótese que la cantidad de flujo presente en el núcleo depende no solamente de la cantidad de corriente aplicada a su embobinado, sino también de la historia previa del flujo en el núcleo. Esta dependencia de la historia precedente del flujo y la falla resultante para volver sobre el trazo de la trayectoria del flujo se llama histéresis. La trayectoria bcdeb trazada en la siguiente figura mientras la corriente aplicada cambia, se llama curva de histéresis.

3. TRANSFORMADORES Un transformador es un elemento que transfiere energía de un circuito a otro, utilizando el principio de la inducción electromagnética. El transformador se emplea para cambiar el valor


del voltaje o corriente en un sistema eléctrico. Si se reduce el voltaje, se denomina transformador reductor y si lo incrementa, transformador elevador. (Algunos transformadores no cambian el valor del voltaje y en este caso se denominan transformadores de aislamiento). La disponibilidad y el uso de la acción del transformador son unas de las razones principales de la preferencia comercial por la corriente alterna para uso como energía eléctrica. También la corriente alterna está sujeta a pérdidas de energía en la transmisión por efecto joule (I2 *R) dando una pérdida de unos cuantos watts. Los transformadores eléctricos de cualquiera de las frecuencias comerciales o aeronáuticas de línea, o desde 25 hasta 400 Hz. Se construyen sin variación alguna, con núcleo de hierro. La construcción con núcleo de aire se usa sólo para trabajo de alta frecuencia. Como en las armaduras tanto de CD como de CA, el núcleo magnético de hierro de un transformador es de construcción laminada. Para 60 Hz, se usan ampliamente laminados de exacta o aproximadamente 0,014 pulg (o 0.35 mm) para evitar las pérdidas por corrientes parásitas. La conexión de entrada de CA es a la bobina primaria. Esta bobina puede ser la de alta o la de baja tensión. Si la entrada es el extremo de alta tensión, el transformador se conoce como transformador reductor porque la salida tiene un voltaje inferior. Los terminales de bobina primaria se designan en forma convencional como terminales H1 Y H2 para alto voltaje. En este caso, las terminales de bobina secundaria se designan como X1 y X2. Cuando trabajan en el orden inverso, con la bobina de entrada o también primaria empleando el voltaje bajo, la unidad se conoce como transformador elevador. En este caso las etiquetas son una vez más X1 y X2 para la bobina de baja tensión y H1 y H2 para la de alta tensión. Cualquier transformador se puede usar como unidad reductora o elevadora de acuerdo con la forma en que se conecte. Las precauciones necesarias consisten en asegurarse que el aislamiento sea suficiente para soportar el extremo de alta tensión y que el voltaje de la espira de bobina sea razonable.


3.1.Principios de su funcionamiento: Cuando por un conductor se hace pasar una corriente eléctrica, se forma alrededor del mismo un campo magnético. Esta relación entre la electricidad y el magnetismo se llama electromagnetismo o efecto magnético de la corriente. Cuanto mayor sea la corriente eléctrica circulante más intensa será el campo magnético producido. Ver la siguiente figura:

Si cerca del conductor con corriente se colocase un segundo alambre, el campo magnético variable atravesará al alambre y producirá un voltaje entre los extremos de éste. Si los extremos del alambre se conectan para formar un circuito cerrado, el voltaje ocasionará que una corriente circule a través del circuito. Un voltaje que se produce en esta forma se denomina voltaje inducido y la corriente producida por el mismo, corriente inducida. Este fenómeno se conoce como inducción electromagnética. Recuérdese que Faraday encontró que si se modifica el número de líneas magnéticas que enlazan una bobina de alambre se induce un voltaje en la bobina. Este segundo voltaje es el de transformador y se dice que se crea por acción de transformación. En conclusión, son necesarios tres elementos en un transformador: una bobina primaria por la cual circula la corriente suministrada por la fuente de potencia, una bobina secundaria sobre la que se inducen las corrientes que alimentan a la carga y un núcleo magnético encargado de canalizar el máximo flujo magnético entre las dos bobinas.

3.2.Valores nominales de un transformador Valor que el fabricante del equipo asegura que la magnitud puede mantener permanentemente a lo largo de toda la vida útil del equipo.


3.3.Voltaje nominal del bobinado () Es el voltaje asignado al bobinado para ser aplicado en forma permanente entre sus terminales de línea.

3.4.Potencia nominal () Es la potencia aparente expresada en VA que determina la corriente nominal que circula por cada bobinado cuando este, está bajo su voltaje nominal  = . 

3.5.Corriente nominal () Es la corriente por los terminales del transformador correspondiente a dividir la potencia nominal entre el voltaje nominal:  = /.

3.6.Relación de voltajes nominales (  =  =  =  ) Es el cociente entre el voltaje nominal del bobinado de mayor tensión nominal (usualmente tomado como primario), dividido entre el voltaje nominal del bobinado de menor tensión nominal.

3.7.Frecuencia nominal () Frecuencia para la cual ha sido diseñado el transformador.

3.8.Grupo de conexión Establece la forma como están conectados los diferentes bobinados que lo componen y las correspondientes polaridades de cada uno de sus bornes. Esta definición es muy importante para transformadores trifásicos.

3.9.Chapa o placa característica de un transformador Cuando decimos un transformador: monofásico, 60Hz, 6,3/0,22kV, 100kVA Se deberá interpretar entonces que se trata de un transformador monofásico de dos bobinados, uno de los cuales tiene una tensión nominal de 6300 Voltios y el otro de 220 Voltios, que está diseñado


para operar bajo una excitación de 60 Hz y que puede trasmitir una potencia de 100.000 VA bajo condiciones nominales.

3.10. Características de construcción Al construir un transformador para una aplicación particular, son muchas las consideraciones que debe un fabricante tener en cuenta. Ellas incluyen eficiencia del transformador, su respuesta en determinada gama de frecuencias, etc. Los bobinados de todos los tipos de transformadores se realizan con hilo de cobre esmaltado, con objeto de conseguir un adecuado aislamiento eléctrico entre las espiras contiguas del arrollamiento. Generalmente se devanan el primario y los secundarios apilados unos sobre otros, aunque conservando la independencia entre devanados. Algunos transformadores de potencia tienen más de un devanado secundario. Cada uno de estos devanados está eléctricamente aislado de las demás. El efecto transformador será mejor cuanto mayor sea la frecuencia de trabajo, de forma que para frecuencias más altas se necesitarán núcleos más pequeños. Otro factor decisivo de gran influencia en el tamaño del núcleo es la potencia que debe transmitir de primario a secundario, debido a que tendrá que soportar un campo magnético más o menos intenso dependiendo de ella.

Los transformadores de potencia operan generalmente en una baja frecuencia de valor único (generalmente 50 o 60 ciclos). Las bobinas de transformadores que operan, ya sea con


corrientes alternas de menos de 2000 Hz o con corrientes continuas pulsantes se devanan alrededor de núcleos de hierro. Mediante los núcleos de hierro pueden generarse campos magnéticos intensos en un transformador. Esto, también, permite que se transfiera una gran cantidad de energía del devanado primario al secundario. A fin de que la magnitud de las pérdidas magnéticas (por histéresis) sea mínima, se utiliza hierro dulce con un elevado tanto por ciento de silicio. Las corrientes de Foucault, por su parte, se neutralizan parcialmente ya sea dividiendo el núcleo en delgadas láminas llamadas planchas o laminaciones, aisladas una de otra, o bien utilizando núcleos de hierro pulverizado. El primer sistema se emplea en los transformadores para baja frecuencia y el segundo en los que están destinados a funcionar con frecuencias elevadas, de hasta 100 MHz. Las corrientes parásitas y las pérdidas por histéresis crecen rápidamente con el aumento de la frecuencia de la corriente. Esta es la razón por la que los núcleos formados con planchas sólo se pueden utilizar para frecuencias que no sobrepasen los 16000 Hz.

3.11. Resistencia de aislamiento La medición de la resistencia de aislamiento sirve para tener una idea del estado en que se encuentran los aislamientos, y con base en esto, decidir si están en condiciones de soportar los esfuerzos dieléctricos que se originan al aplicar tensiones de prueba de trabajo. El obtener valores bajos no indica en forma decisiva que el aislamiento sea deficiente (en su diseño o aplicación), sino que hay suciedad o humedad en los aislamientos. La medición de la resistencia de aislamiento se efectúa por lo general con un aparato denominado “Megger”, que consta básicamente de una fuente de C.D. y un indicador de

Megohms. Las resistencias de aislamiento a determinar en un transformador, son la resistencia que presenta un devanado con respecto a otro y la que presenta un devanado con respecto al núcleo y con respecto al chasis es decir: A.T. contra B.T. A.T. contra B.T. + chasis a tierra


A.T. + chasis a tierra contra B.T Conviene anotar siempre los volt del megger empleado. Las conexiones para estas pruebas se indican en la figura.

3.12. Operación del transformador ideal Se llama transformador ideal a un transformador que no tiene ninguna pérdida, es decir, que no disipa potencia. Es obvio que tal transformador no existe en realidad, pero a través del estudio de un transformador ideal se puede analizar con mayor simplicidad el funcionamiento de los transformadores reales (que en la práctica se le aproximan mucho). Si se pudiera construir un transformador con propiedades ideales, debería tener las siguientes características, que en realidad no se pueden alcanzar: 1. Todo el flujo magnético creado por la bobina primaria se enlazaría idealmente con la bobina secundaria. No habría flujo de dispersión alguno. Esto se consigue casi por completo en un transformador de núcleo de hierro proyectado con cuidado. Hipótesis: µ ⇒ ∞ ; (Permeabilidad magnética muy grande) 2. Las bobinas primaria y secundaria tendría resistencia cero (conductores ideales, sin pérdidas). Una vez más, esto casi se consigue, pero está presente cierta resistencia porque la sección transversal del conductor es limitada. En la figura 14 se muestra un transformador que tiene estas propiedades ideales.


El funcionamiento del transformador ideal es pues como sigue: 

Con el voltaje entrante de bobina primaria momentáneamente positivo, el sentido de la corriente primaria es como se muestra con la flecha I1. Esto produce el flujo magnético Φm en sentido que se muestra. El subíndice m significa flujo mutuo. En

un transformador ideal, éste es el único flujo presente. 

Puesto que este flujo Φm cambia, se induce un voltaje E1, el cual se opone al

voltaje aplicado V1. La convención de puntos muestra que el voltaje inducido es positivo en la parte superior de la bobina cuando el voltaje aplicado es positivo. Esto concuerda con la ley de Lenz. 3. Al mismo tiempo, el flujo magnético también está induciendo un voltaje E2 en la bobina secundaria. 4. Otra vez de acuerdo con la ley de Lenz, este voltaje debe ser de una polaridad tal que cualquier corriente, I2, que produzca también debe oponerse al flujo mutuo φm.

3.13. Relaciones de transformación Estas relaciones son por definición:  = 2/1 = 1/2 = 1/2

A este valor de n se le conoce como factor de transformación o relación de vueltas. También se le conoce con las siglas a ó α La relación de vueltas es una cantidad fija y depende del

número de vueltas de los devanados del transformador, la cual no va a cambiar debido a que una vez devanadas las bobinas estas van a permanecer quietas sin desplazarse ni


cambiar su estado físico mediante el cual el fabricante las dispuso. Por esta razón se dice que el transformador es una máquina estática. Otra relación importante de a es:  = 1/2 ≈ 1/2

Esta relación es aplicable tanto a transformadores ideales como prácticos o reales.

3.14. Balance de potencia en un transformador ideal Para un transformador ideal se cumple que: ⃗ ⃗ =   .  =  .   

Por lo que ⃗  .  =  ⃗  .  

3.15. Impedancia vista en un lado cuando se conecta una carga en el otro lado de un transformador (impedancia reflejada) ⃗ =  


3.16. Condiciones en los transformadores prácticos Durante todo el estudio de los transformadores ideales se ha insinuado que el ideal no se alcanza en la realidad. Un problema básico es que el acoplamiento inductivo entre los devanados de las bobinas no es del todo perfecto. A pesar de todas las precauciones en el diseño del circuito magnético, hay cierta dispersión de flujo magnético desde cada bobina. Las bobinas tienen cierta resistencia, que produce pérdidas de I2 *R. Cada una tiene inductancia en virtud de su construcción, de modo que las corrientes que pasan a través de las bobinas ven una caída de voltaje IZ a través de la impedancia. Un transformador práctico con carga corresponde por tanto a la siguiente figura.

3.17. Circuitos equivalentes de transformadores prácticos Para efectuar mediciones prácticas en un transformador que conduzcan a la capacidad de predecir el desempeño, son desechables ciertas simplificaciones adicionales del circuito. Resulta útil el poder para agrupar el circuito combinado equivalente de un primario y un secundario. Esto depende del concepto de impedancia reflejada.

3.18. TIPOS DE TRANSFORMADORES Dependiendo de su aplicación, los transformadores pueden clasificarse en tres grupos principales: transformadores de potencia, transformadores de radio frecuencia y transformadores de audio. Todos ellos se basan en el mismo principio de funcionamiento. En el primer grupo pueden distinguirse los transformadores usados en las centrales de generación de energía para elevar el voltaje hasta los altos niveles que precisan las líneas


de transmisión. También los transformadores de distribución, usados para volver a reducir estos voltajes a los valores adecuados para el uso industrial y doméstico. En los equipos electrónicos modernos, fabricados con transistores y circuitos integrados, se requieren por lo general voltajes bajos (del orden de los 5 a los 20 voltios) en corriente continua. Como la tensión de alimentación de que se dispone generalmente en la red eléctrica es del orden de 110 ó 220 voltios, en corriente alterna, es necesario rebajar primero el nivel de voltaje mediante un transformador de alimentación y luego convertirla en corriente continua, mediante circuitos de rectificación y regulación. Los transformadores de radio frecuencia forman generalmente los diversos circuitos de sintonía de los aparatos receptores o bien los finales de los aparatos transmisores de señales de radio. Los transformadores de audiofrecuencia tienen como función primordial la de enlazar dos partes de un circuito o aparato de sonido, con unas características de voltaje y corriente muy diferentes, de forma que entre ellas se transmita el máximo de potencia de la señal de audio.

3.18.1. Transformadores monofásicos: Se fabrican dos bobinas independientes de cobre, una para el circuito de red y otra para la conexión de la carga, separadas con un aislamiento especial y atravesado por un circuito magnético formado por láminas de acero al silicio. Sistema de fijación: Ángulos plásticos horizontales, ángulos metálicos verticales, brida. Conexión: Cables, etiqueta de identificación Ejemplos, Ver la siguiente figura:


3.18.2. Transformadores de mando Los transformadores de mando deben ser utilizados para la alimentación de corriente en los circuitos de control, sus características más sobresalientes son: Intensidad de conexión considerablemente reducida, Elevada resistencia mecánica. Ver la siguiente figura:

3.18.3. Transformadores halógenos Producto usado en conjunto con un bombillo halógeno con reflector dicroico, con el fin de obtener un haz de luz con un claro y definido despliegue y de alta intensidad. Ventajas: Flujo luminoso constante durante su vida útil, mayor eficacia lumínica, luz blanca atractiva, largo promedio de vida. Este transformador en 12 V también presenta como ventaja con respecto al bombillo dicroico en 110 V directo, el valor de reposición que supera el 50% del costo al momento de reemplazarlo. - Tensión de entrada: diseñado para cualquier tensión. Tensión de salida: 12 V o 24 V. Potencia: desde 200 VA hasta 1000 VA.

3.18.4. Transformadores para aire acondicionado:


3.18.5. Transformadores de potencia trifásica: Se utilizan para subtransmisión y transmisión de energía eléctrica en alta y media tensión. Son de aplicación en subestaciones transformadoras, centrales de generación y en grandes usuarios. Ver la siguiente figura. Se construyen en potencias normalizadas desde 1.25 hasta 20 MVA, en tensiones de 13.2, 33, 66 y 132 kV. Y frecuencias de 50 y 60 Hz.

3.18.6. Transformadores de distribución Se denomina transformadores de distribución, generalmente los transformadores de potencias desde 25 hasta 2.500 kVA en diversas tensiones hasta 67 kV, tanto monofásicos como trifásicos. Aunque la mayoría de tales unidades están proyectadas para montaje sobre postes, algunos de los tamaños de potencia superiores, por encima de las clases de 18 kV, se construyen para montaje en estaciones o en plataformas. Las aplicaciones típicas son para alimentar a granjas, residencias, edificios o almacenes públicos, talleres y centros comerciales. También como aislamientos de aceite o silicona. Además se disponen de los mismos transformadores en seco con resina epoxy, no inflamables y sin mantenimiento. Ver las siguientes figuras:


Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica.

3.18.7. Transformador trifásico seco: Ver la siguiente figura. Se utilizan en interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, en lugares donde los espacios reducidos y los requerimientos de seguridad en caso de incendio imposibilitan la utilización de transformadores refrigerados en aceite. Son de aplicación en grandes edificios, hospitales, industrias, minería, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva.

Su principal característica es que son refrigerados en aire con aislación clase F, utilizándose resina epoxi como medio de protección de los arrollamientos, siendo innecesario cualquier mantenimiento posterior a la instalación. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.

3.18.8. Transformadores trifásicos de refrigeración de aceite


3.18.9. Transformadores trifásicos de aceite (pad mounted) Este tipo de Transformador es usado para el suministro de energía eléctrica en baja tensión conectado mediante cables de acometida y de distribución subterránea, a edificios residenciales, centros comerciales, urbanizaciones, clínicas, etc. Ver fig. # 35 El pad mounted es apto para las aplicaciones que requieran una unidad de transformación compacta, auto-protegida, que armonice con el medio ambiente.

3.18.10.

Transformadores herméticos de llenado integral

Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, siendo muy útiles en lugares donde los espacios son reducidos. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Ver en la siguiente figura. Su principal característica es que al no llevar tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento, siendo esta construcción más compacta que la tradicional. Se fabrican en


potencias normalizadas desde 100 hasta 1000 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.

3.18.11.

Transformadores subterráneos (subway)

Transformador de construcción adecuada para ser instalado en cámaras, en cualquier nivel, pudiendo ser utilizado donde haya posibilidad de inmersión de cualquier naturaleza. Ver la siguiente figura. Potencia: 150 a 2000KVA Alta Tensión: desde 13,8 hasta o 34,5 KV Baja Tensión: 216,5/125; 220/127; 380/220; 400/231V

3.18.12.

Transformadores auto protegidos

El transformador incorpora componentes para protección del sistema de distribución contra sobrecargas, corto-circuitos en la red secundaria y fallas internas en el transformador, para esto


posee fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión, montados internamente en el tanque, fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión. Para protección contra sobretensiones el transformador está provisto de dispositivo para fijación de pararrayos externos en el tanque. Ver la siguiente figura. Potencia: 45 a 150KVA Alta Tensión: 15 o 24,2KV Baja Tensión: 380/220 o 220/127V

3.18.13.

Autotransformadores

Los autotransformadores se usan normalmente para conectar dos sistemas de transmisión de tensiones diferentes, frecuentemente con un devanado terciario en triángulo. De manera parecida, los autotransformadores son adecuados como transformadores elevadores de centrales cuando se desea alimentar dos sistemas de transporte diferentes. En este caso el devanado terciario en triángulo es un devanado de plena capacidad conectado al generador y los dos sistemas de transporte se conectan al devanado, autotransformador. El autotransformador no sólo presenta menores pérdidas que el transformador normal, sino que su menor tamaño y peso permiten el transporte de potencias superiores. Ver la siguiente figura.


3.18.14.

Transformador de corriente Tt/Cc

Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de medida y control. Ciertos tipos de transformadores de corriente protegen a los instrumentos al ocurrir cortocircuitos.

Algunos valores de los transformadores de corriente son: Carga nominal: 2.5 a 200 VA, dependiendo su función. Corriente nominal: 5 y 1A en su lado secundario. Se definen como relaciones de corriente primaria a corriente secundaria. Unas relaciones típicas de un transformador de corriente podrían ser: 600/5, 800/5, 1000/5.

3.18.15.

Transformador de potencial TT/PP

Es un transformador devanado especialmente, con un primario de alto voltaje y un secundario de baja tensión. Tiene una potencia nominal muy baja y su único objetivo es suministrar una muestra de voltaje del sistema de potencia, para que se mida con instrumentos incorporados. Ver la siguiente figura. Además, puesto que el objetivo principal es el muestreo de voltaje deberá ser particularmente preciso como para no distorsionar los valores verdaderos. Se pueden conseguir transformadores de potencial de varios niveles de precisión, dependiendo de qué tan precisas deban ser sus lecturas, para cada aplicación especial.


3.18.16.

Transformadores de corriente constante

Un transformador de corriente constante es un transformador que automáticamente mantiene una corriente aproximadamente constante en su circuito secundario, bajo condiciones variables de impedancia de carga, cuando su primario se alimenta de una fuente de tensión aproximadamente constante. El tipo más usual, la disposición de «bobina móvil», tiene separadas las bobinas del primario y secundario, que tienen libertad para moverse entre sí, variando por tanto la reactancia de dispersión magnética del transformador. Existen disponibles tipos para subestación que proporcionan unos modelos compactos integrales, que llevan incluidas los accesorios necesarios para el control y protección del transformador. Los accesorios normales comprenden un interruptor a solenoide primario, una protección. Contra apertura del circuito, fusibles o cortacircuitos con fusibles en el primario y descargadores de sobretensiones en el primario. Los transformadores de corriente constante de tipo estático no tienen partes móviles y funcionan según el principio de una red resonante. Esta red normalmente consta de dos reactancias inductivas y dos capacitivas, cada una de igual reactancia para la frecuencia de alimentación. Con tal red, la corriente secundaria es independiente de la impedancia de la carga conectada, pero es directamente proporcional a la tensión del primario.

3.18.17.

Transformadores para hornos

Los transformadores para hornos suministran potencia a hornos eléctricos de los tipos de inducción, resistencia, arco abierto y arco sumergido. Las tensiones secundarias son bajas, ocasionalmente menores de 100 V, pero generalmente de varios centenares de Volts. La gama


de tamaños varía desde algunos kVA a más de 50 MVA, con corrientes en el secundario superiores a 60 000 A. Las corrientes elevadas se obtienen conectando en paralelo muchas secciones de devanado. La corriente es recogida por barras internas y llevada a través de la tapa del transformador mediante barras o mediante bornes de gran corriente.

3.18.18.

Transformadores de puesta a tierra

Un transformador de puesta a tierra es un transformador ideado principalmente con la finalidad de proporcionar un punto neutro a efectos de puesta a tierra. Puede ser una unidad de dos devanados con el devanado secundario conectado en triángulo y el devanado primario conectado en estrella que proporciona el neutro a efectos de puesta a tierra o puede ser un autotransformador trifásico de un solo devanado con devanados en estrella interconectada, o sea en zig-zag.

3.18.19. Transformadores

Transformadores móviles móviles

y

subestaciones

móviles.

Los

transformadores

o

autotransformadores móviles están montados normalmente sobre semirremolques y llevan incorporados pararrayos y seccionadores separadores. Una subestación móvil tiene, además, a paramenta y equipo de medida y de protección. La unidad se desplaza por carretera arrastrada por tractores. Los reglamentos estatales y federales sobre transporte por carretera limitan el peso y tamaño máximos. Las unidades móviles se usan para restablecer el servicio eléctrico en emergencias, para permitir el mantenimiento sin interrupción de servicio, para proporcionar servicio durante las construcciones importantes y para reducir las inversiones en el sistema. La unidad móvil está proyectada de manera que constituye una unidad compacta de aplicación múltiple que proporciona la máxima potencia en kVA, para el peso admisible.

3.19. Transformadores para radio 3.19.1. Transformadores de energía La finalidad del transformador de energía en las aplicaciones de los radiorreceptores consiste en variar la tensión de la red doméstica a un nivel tal que, cuando se aplique a una válvula de vacío o a un rectificador de semiconductores (ya sea de media onda o de onda completa) y esté


adecuadamente filtrada, pueda usarse para alimentar las tensiones y corrientes de polarización para los dispositivos activos (válvulas, transistores, etc.) de la radio. El transformador de energía también puede usarse para cambiar la tensión de la red a un valor adecuado para los filamentos de las válvulas o lámparas que pueda haber en la radio.

3.19.2. Transformadores de frecuencias de audio Pueden emplearse tres tipos de transformadores de frecuencias de audio en los receptores de radio: de entrada, de etapas intermedias y de salida. En el receptor normal sólo se usa el transformador de salida. El acoplamiento entre etapas de amplificación se consigue mediante impedancias comunes a los circuitos de entrada y salida de las etapas de amplificación.

3.19.3. Transformadores de entrada Funcionan entre la fuente de tensión de c.a. (más comúnmente el último amplificador de frecuencia intermedia en una radio) y la primera válvula de vacío o transistor de amplificación del amplificador de audio. La relación de espiras para este transformador viene determinada por la tensión normal aplicada sobre el primario y el valor deseado de tensión que debe aplicarse a la rejilla de la primera válvula o a la base del primer transistor.

3.19.4. Transformadores de etapas intermedias Todo lo dicho antes para el transformador de entrada se aplica a los transformadores de etapas intermedias, con la excepción de que los transformadores de etapas intermedias se usan entre etapas de amplificación de los amplificadores de audio.

3.19.5. Transformadores de salida Funcionan entre la última etapa de válvulas de vacío 0 transistores del amplificador de audio y el circuito de carga, que en las radios es la bobina del altavoz. Normalmente, el transformador de salida para una etapa de salida de potencia tiene una relación reductora, debido a que la impedancia del altavoz es relativamente baja en comparación con la impedancia de la salida de un amplificador, ya sea de válvulas o de transistores.

3.19.6. Transformadores de radiofrecuencia


Este término se usa para describir una clase de transformadores que funcionan a una frecuencia muy superior a la de la gama de audio. Esta es la frecuencia de la portadora de la señal de radio recibida o, en las radios superheterodinas, es la diferencia entre la frecuencia de la portadora entrante y la frecuencia del oscilador de la radio. Esta frecuencia diferencia se denomina frecuencia intermedia y los transformadores a través de los cuales pasa se denominan transformadores de frecuencia intermedia. Los transformadores de radiofrecuencia realizan esencialmente las mismas funciones que los transformadores de frecuencia de audio (relación de espiras determinada por las tensiones deseadas), pero presentan tres diferencias importantes. Como se ha mencionado anteriormente, trabajan con frecuencias muy superiores. Además, operan con potencias considerablemente menores que los transformadores de audio. Finalmente, uno o ambos devanados de un transformador de radiofrecuencia a menudo están shuntados mediante un- condensador, de manera que se forma un circuito sintonizado que atenúa todas las frecuencias menos la deseada.

3.19.7. Transformadores para rectificadores Los transformadores para rectificadores suministran energía a los rectificadores a la tensión de entrada de c.a. requerida para la tensión de salida de c.c. deseada. Están construidos en tamaños que llegan hasta los 15 000 kVA y a veces superiores. La tensión del secundario generalmente es baja, variando desde menos de 50 V, para algunos procesos electrolíticos, hasta 1000 V para otras aplicaciones. La corriente secundaria generalmente es elevada y puede alcanzar muchos miles de amperes. Pueden usarse conexiones de transformador que producen desfases para conseguir 12 fases, 24 o incluso más, a fin de reducir los armónicos de la corriente en la entrada de c.a. Pueden usarse transformadores auxiliares o conexiones entre los devanados de fase de los propios transformadores del rectificador. Cuando se usan dos devanados secundarios (como en el circuito en doble estrella) debe haber la misma impedancia entre el primario y cada devanado del secundario, para obtener ángulos de conmutación y tensiones de c.c. iguales en los dos circuitos del secundario.


3.19.8. Transformadores especiales Los transformadores especiales de aplicación general son transformadores de distribución de tipo seco que generalmente se usan con los primarios conectados a los circuitos de distribución de baja tensión, para alimentar cargas de alumbrado y pequeñas cargas a tensiones todavía más bajas. Existen transformadores para tensiones del primario de, 120, 240, 480 y 600 V, con potencias nominales comprendidas entre 25 VA y 500 kVA, a 60 Hz.

3.19.9. Los transformadores de control Son transformadores de aislamiento de tensión constante y tipo seco. Generalmente se usan con los devanados primarios conectados a circuitos de distribución de baja tensión de 600 V o menos. La elección adecuada de un transformador de control facilitará la alimentación con la potencia correcta a tensión reducida para cargas de alumbrado y de control hasta 250 VA.

3.19.10.

Los transformadores para máquinas herramientas

Son similares a los transformadores de control con capacidades de hasta 1500 VA para alumbrado localizado y para dispositivos de control de máquinas tales como solenoides, contactores, relés, tanto sobre herramientas portátiles como fijas. Principalmente se usan para proporcionar salidas de 120 V a partir de relés de 240 a 480 V a 60 Hz. También existen para funcionamiento a distintas tensiones con 25 y 50 Hz.

3.19.11.

Los transformadores de clase 2

Son transformadores de aislamiento de tipo seco adecuados para usar en los circuitos de clase 2 del National Electrical Code. Estos transformadores se usan generalmente en control remoto, en alimentación de pequeñas potencias y en los circuitos de señal para el accionamiento de timbres, campañas, controles de hornos, válvulas, relés, solenoides y similares. Son unidades con el primario a 120 V tanto del tipo limitador de energía como del tipo no limitador.

3.19.12.

Los transformadores para señalización

Son transformadores de aislamiento, reductores, de tensión constante y tipo seco, que generalmente se usan con sus devanados primarios conectados o circuitos de distribución de


baja tensión para alimentar sistemas de señalización no sujetos a las limitaciones de los circuitos de clase 2. Existen para circuitos de 120 ó de 240 V. Llevan una selección de tensiones de salida de 4, 8, 12, 16, 20 ó24 V, conectando adecuadamente los cuatro terminales de salida. Existen unidades de hasta 1000 VA.

3.19.13.

Los transformadores para tubos luminiscentes

Para suministrar energía a anuncios de neón o de otros gases, se fabrican en tamaños que comprenden desde los 50 a los 1650 VA. Las gamas de tensiones en el secundario están comprendidas entre 2 000 y 15 000 V. La tensión depende de la longitud del tubo que forma el circuito; es decir, cuanto mayor sea la longitud del tubo, mayor tensión se necesita. La corriente suministrada por los transformadores está comprendida entre 18 y 120 mA.

3.19.14.

Los transformadores para ignición

Son transformadores elevadores de tipo seco, de alta reactancia, usados para el encendido de los quemadores de gas o de fuel-oil domésticos. Tales transformadores están limitados a las tensiones primarias de 120 o 240 V. Las tensiones secundarias están limitadas a 15 400 V y normalmente la gama va desde los 6 000 a los 14 000 V. La gama de corrientes nominales en el secundario va desde 20 a 28 mA y la de potencias de 140 a 430 VA.

3.19.15.

Los transformadores para juguetes

Son transformadores reductores, del tipo secundario de baja tensión, cuya principal finalidad es suministrar corriente a juguetes accionados eléctricamente. Normalmente son portátiles y, debido a su uso previsto, se pone una especial atención en su construcción en lo relativo a seguridad y a eliminación del peligro de incendio; la entrada al devanado primario debe estar limitada por construcción a 660 W, incluso cuando el devanado del secundario esté cortocircuitado, condición que debe ser soportada sin crear peligro de incendio. Tales transformadores no están autorizados para tensiones del primario superiores a 150 V y las tensiones del secundario no pueden ser superiores a 30 V entre dos terminales de salida cualquiera.

3.19.16.

Transformadores para ensayos


Los transformadores para ensayos, usados para realizar pruebas de tensiones elevadas a baja frecuencia, han sido desarrollados para tensiones superiores, para hacer posible el estudio de aplicaciones de tensiones de transporte cada vez mayores. A menudo se necesitan tensiones de 1 500 000 o más volts. Se han construido unidades para 1000 KV respecto a tierra, pero normalmente resulta más económico obtener tales tensiones conectando dos o más unidades en «cascada» o en «cadena». Los transformadores para ensayo, normalmente están proyectados para aplicaciones de corta duración. Sin embargo, para aplicaciones especiales, puede requerirse una potencia de varios miles de kVA y el tiempo de aplicación puede ser continuo.

4. GENERADORES Y MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA 4.1.Motores de corriente directa El motor de corriente continua o directa es básicamente un transductor de par que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. El par desarrollado por el eje del motor es directamente proporcional al flujo en el campo y a la corriente en la armadura. Algunas características de los motores de corriente continua son: 

Poder regular continuamente la velocidad del eje.



Un par de arranque elevado.

Es necesario aplicar corriente continua en el inducido (bobinado situado en el rotor) y en el inductor (bobinado o imán situado en el estator) Sus partes principales (ya mencionadas en el flujograma) son:

4.1.1. Rotor Constituye la parte móvil del motor, proporciona el torque para mover a la carga. Está formado por: 

Armazón: Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales: servir como soporte

y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y del imán permanente,


para completar el circuito magnético. 

I mán permanente: Compuesto de material ferromagnético altamente remanente, se encuentra

fijado al armazón o carcaza del estator. Su función es proporcionar un campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interactúe con el campo formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interacción de estos campos. 

E scobillas: Las escobillas están fabricadas se carbón, y poseen una dureza menor que la del

colector, para evitar que éste se desgaste rápidamente. Se encuentran albergadas por la porta escobillas. Ambos, escobillas y porta escobillas, se encuentran en una de las tapas del estator. La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de Lafuente de alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor. La función de la porta escobillas es mantener a las escobillas en suposición de contacto firme con los segmentos del colector. Esta función la realiza por medio de resortes, los cuales hacen una presión moderada sobre las escobillas contra el colector. Esta presión debe mantenerse en un nivel intermedio pues, de ser excesiva, la fricción desgastaría tanto a las escobillas como al colector; por otro lado, de ser mínima esta presión, se produciría lo que se denomina "chisporroteo", que es cuando aparecen chispas entre las superficies del colector y las escobillas, debido a que no existe un buen contacto. Tabla de E structura

La siguiente tabla muestra la distribución de las piezas de un motor:

Rotor

Estator

Eje

Armazón

Núcleo y Devanado

Imán permanente

Colector

Escobillas y porta escobillas Tapas


Como ya lo dijimos, los motores eléctricos de corriente continua son de gran facilidad para la regulación de velocidad, cambios o inversiones rápidas de la marcha, y sin necesidad de equipos costosos es posible efectuar control automático de torques y velocidades. Por las ventajas descritas anteriormente se utilizan primordialmente en industrias papeleras, textileras, químicas, siderúrgicas y metalúrgicas. En estos motores, el estator está formado por polos principales y auxiliares excitados por corriente continua, así mismo el rotor se alimenta con corriente continua mediante el colector del gas y las escobillas. 1.1.1. Tipos de Motores E léctricos de Corriente Continúa o Directa

Los motores de corriente continua se clasifican de acuerdo al tipo rebobinado del campo como motores en derivación, en serie, shunt, shunt estabilizado, o compuesto. Sin embargo, algunos de ellos pueden ser auto excitados o de excitación separada o pueden tener campos de imán permanente. Ellos muestran curvas muy diferentes de torque-velocidad y se conectan en diferentes configuraciones para diferentes aplicaciones. Algunos motores de corriente continua utilizan imán permanente como campo principal, especialmente los de potencia (HP) fraccionada (1/4,1/2,3/4) y baja potencia. Los motores de imán permanente tienen la ventaja de no requerir una fuente de potencia para el campo, pero tienen la desventaja de ser susceptibles a la des magnetización por cargas de choque eléctricas o mecánicas. Los campos de imán permanente no se pueden ajustar para entonar el motor para ajustarse a la aplicación, como pueden los de campo bobinado. Veamos las características principales de la clasificación de los motores de corriente continua: 

E n Deri vación: El estator se alimenta con la misma tensión que el inducido. En los

motores en derivación, el flujo por polo es prácticamente constante, y considerando que el par del motor es proporcional a la corriente y que la velocidad disminuye linealmente al aumentar esta, se tiene un motor en el que la velocidad varia muy poco cuando varía el par, por lo cual se utilizan en casos donde la


velocidad debe ser lo más independiente posible de la carga. Los motores con excitación independiente son prácticamente iguales a los anteriores. 

I ndependiente: El estator y el inducido se alimentan con fuentes separadas o

independientes. 

Motor en Seri e: El estator y el inducido se conectan de modo tal que por ellos circule

la misma corriente. En un motor serie, el flujo del campo es una función de la corriente de la carga y de la curva de saturación del motor. A medida que la corriente de la carga disminuye desde plena carga, el flujo disminuye y la velocidad aumenta. Para cada motor serie, hay una mínima carga segura determinada por la máxima velocidad de operación segura. En los motores serie, la corriente del inducido atraviesa los polos y como el flujo producido en un polo depende de la corriente, el flujo será variable. El comportamiento típico de este motor es el siguiente: 

El par del motor crece al principio en forma cuadrática, más adelante, crece en forma lineal.



La velocidad disminuye más que proporcionalmente al crecer la intensidad.

Por lo cual, se tiene un par muy elevado a velocidades pequeñas(arranque) y velocidades muy grandes con pares muy pequeños. Este tipo de motores no puede funcionar en vacío puesto que en estas condiciones el flujo es muy pequeño y según la velocidad aumenta produciéndose un embalsamiento. No pueden usarse en aplicaciones donde la carga pueda faltar ocasionalmente. Suelen utilizarse para tracción eléctrica, grúas, etc. 

Motores Compuestos: Es una combinación de las conexiones en serie y en derivación.

Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura. El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de armadura varia, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se conecta de manera tal que su flujo se añade al flujo del campo principal shunt. Los motores compuestos se conectan normalmente de esta manera y se denominan como compuesto acumulativo.

UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE FACULTAD DE EDUCACIÓN CIENCIA Y TECNOLOGÍA LICENCIATURA EN CIENCIAS DE LA EDUCACIÓN ESPECIALIZACIÓN EN FÍSICA Y MATEMÁTICA Esto provee una característica de velocidad la cual no es tan “dura “o plana como

la del motor shunt, no tan “suave” como un motor serie. Un motor compound tiene un limitado rango de debilitamiento de campo, la debilitación del campo puede resultar en exceder la máxima velocidad segura del motor sin carga. Los motores de corriente continua compound son algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de torque constante a través de un amplio rango de velocidad. Los compuestos tienen características intermedias a los motores en serie y derivación. Presentan elevados pares de arranque y no tienen velocidades tan altas a bajas cargas.



Motor Shunt: En un motor shunt, el flujo es constante si la fuente de poder del campo

es fija. Asuma que el voltaje de armadura Et es constante. A medida que la corriente de la carga disminuye desde plena carga sin carga, la velocidad debe aumentar proporcionalmente de manera que la fuerza contra electromotriz Ec aumentará para mantener la ecuación en balance. A voltaje nominal y campo completo, la velocidad del motor shunt aumentará 5% a medida que la corriente de carga disminuya de plena carga a sin carga. La reacción de armadura evita que el flujo de campo permanezca absolutamente constante con los cambios en la corriente de la carga. La reacción de armadura, por lo tanto, causa un ligero debilitamiento del flujo a medida que la corriente aumenta. Esto tiende a aumentar la velocidad del motor. Esto se llama “inestabilidad” y el motor

se dice que está inestable.




Motor Shunt E stabilizado: Para vencer la potencial inestabilidad de un motor recto shunt reducir la “caída” de velocidad de un motor compound, un ligero devanado serie

es arrollado sobre el devanado shunt. El flujo del devanado serie aumenta con la corriente de carga y produce un motor estable con una característica de caída de velocidad para todas las cargas. El devanado serie es llamado un campo estabilizador o “stab” y el motor un motor shunt estabilizado. La regulación de velocidad de un motor shunt estabilizado es típicamente menor al 15%. La mayoría de los motores Reliance Super RPM y RPM III son shunt estabilizados. Cuando el campo shunt del motor es debilitado para aumentar la velocidad a un nivel de operación más alto, el flujo del devanado serie llega a ser un porcentaje mayor del flujo total, de manera que a medida que la corriente aumenta, la caída de velocidad es un porcentaje mayor que antes. En aplicaciones donde la instabilidad resultante pudiera afectar seriamente el funcionamiento de la maquina (movida por el motor), el campo serie puede desconectarse. En aplicaciones donde los efectos de estabilidad nos son críticos, como en un frenado regenerativo, el campo serie puede utilizarse para mejorar el rendimiento que el provee. Cuando el campo serie no se conecta, el fabricante del control debe asegurar que la máxima velocidad segura del motor no es excedida debe reconocer la perdida de torque que resulta de la operación del motor shunt estabilizado sin el devanado serie. En la figura que a continuación se presenta, se muestran las conexiones de los distintos tipos de motores de corriente continua, conectados a la misma red de alimentación eléctrica.


4.2.Generadores de Corriente Continua o Directa Los generadores de corriente continua son máquinas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica. Su funcionamiento se reduce siempre al principio de la bobina giratorio dentro de un campo magnético. Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en el otro sentido durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de corriente en un sentido, o corriente continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la bobina. Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contacto con el conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invertía su sentido dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de un sentido en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 voltios. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo. Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor, que suelen estar formadas por un gran número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se produce aumentará y


disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a través del cual se esté moviendo el circuito. Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente constante. Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético. En algunos casos, se añaden interpolos más pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo. El campo inductor de un generador se puede obtener mediante un imán permanente (magneto) o por medio de un electroimán (dinamo). En este último caso, el electroimán se excita por una corriente independiente o por autoexcitación, es decir, la propia corriente producida en la dinamo sirve para crear el campo magnético en las bobinas del inductor. Existen tres tipos de dinamo según sea la forma en que estén acoplados el inductor y el inducido: en serie, en derivación y en combinación. Los generadores de corriente continua se clasifican según el método que usan para proporcionar corriente de campo que excite los imanes del mismo. Un generador de excitado en serie tiene su campo en serie respecto a la armadura. Un generador de excitado en derivación, tiene su campo conectado en paralelo a la armadura. Un generador de excitado combinado tiene parte de sus campos conectados en serie y parte en paralelo. Los dos últimos tipos de generadores tienen la ventaja de suministrar un voltaje relativamente constante, bajo cargas eléctricas variables. El de excitado en serie se usa sobre todo para suministrar una corriente constante a voltaje variable. Un magneto es un generador pequeño de corriente continua con un campo magnético permanente.

4.2.1. Aparato Especial: La Dinamo La dinamo fue el primer generador eléctrico apto para uso industrial. Emplea principios electromagnéticos para convertir la energía de rotación mecánica en corriente continua. El primer dinamo, basado en los principios de Faraday, fue construido en 1832 por el fabricante francés de herramientas Hipólito Pixii. Empleaba un imán permanente que giraba por medio


de una manivela. Este imán estaba colocado de forma que sus polos norte y sur pasaban al girar junto a un núcleo de hierro con un cable eléctrico enrollado (como un núcleo y una bobina). Pixii descubrió que el imán giratorio producía un pulso de corriente en el cable cada vez que uno de los polos pasaba junto a la bobina; cada polo inducía una corriente en sentido contrario, esto es, una corriente alterna. Añadiendo al esquema un conmutador eléctrico situado en el mismo eje de giro del imán, Pixii convirtió la corriente alterna en corriente continua. Uno de los principales usos de la dinamo es la utilización de la energía eólica, de esta forma el viento hace rotar las aspas conectadas al eje de la dinamo, produciendo electricidad y aprovechando esta fuente de energía inagotable. Uno de los usos más corrientes que se le dio a la dinamo fue el de generador de energía eléctrica para el automóvil. A medida que, desde principios del siglo XX, los automóviles se iban haciendo más complejos, se demostró que los sistemas de generación de energía eléctrica con los que se contaba no eran lo suficientemente potentes para las necesidades del vehículo. Esta circunstancia favoreció la implantación paulatina de la dinamo en el mismo. Aunque se trataba de un elemento que proporcionaba la energía necesaria con relativamente poco peso, presentaba ciertos problemas. El más importante era que la velocidad de rotación que se le suministraba nunca era constante (las revoluciones del motor están continuamente variando) con lo cual tenía que ser capaz de suministrar la misma corriente en ralentí (movimiento lento) que cuando el motor estaba a pleno rendimiento. Esto se solucionó con los reguladores que, aunque son sencillos en su diseño, requieren de un reglaje muy delicado. Estos dispositivos debían ser capaces de regular el voltaje y la intensidad. Además, debería evitar que la dinamo funcionara como un motor eléctrico cuando el vehículo estuviera al ralentí, que es cuando prácticamente no produce energía, para que el flujo de corriente no se invirtiera. Dado que las dinamos tienen un diseño muy parecido al de los motores eléctricos, en el automóvil llegaban a funcionar como tales cuando se invertía el flujo de corriente al ser mayor el potencial que suministraba la batería que el potencial que suministraba la dinamo.


1.1.2. Tipos de Generadores de Corriente Continua Generador de excitación en Serie:

El devanado inductor se conecta en serie con el inducido, de tal forma que toda la corriente que el generador suministra a la carga fluye por igual por ambos devanados. Dado que la corriente que atraviesa al devanado inductor es elevada, se construye con pocas espiras de gran sección. Tiene el inconveniente de no excitarse al trabajar en vacío. Así mismo se muestra muy inestable por aumentar la tensión en bornes al hacerlo la carga, por lo que resulta poco útil para la generación de energía eléctrica. Para la puesta en marcha es necesario que el circuito exterior esté cerrado.

A partir de una tensión máxima, el aumento de intensidad hace decrecer la tensión en bornes. Ello es debido a que la reacción de inducido empieza a ser importante, las caídas de tensión van aumentando y, sobre todo, los polos inductores se van saturando con lo que el flujo no crece en la misma proporción que la intensidad.


A partir de una tensión máxima, el aumento de intensidad hace decrecer la tensión en bornes. Ello es debido a que la reacción de inducido empieza a ser importante, las caídas de tensión van aumentando y, sobre todo, los polos inductores se van saturando con lo que el flujo no crece en la misma proporción que la intensidad. Como en el resto de las máquinas auto excitadas, se necesita un cierto magnetismo remanente que permita la creación de corriente en el inducido al ponerse en movimiento los conductores. El sentido de giro de la máquina siempre ha de ser tal que el campo creado refuerce al del magnetismo remanente, de lo contrario, lo anularía y la dinamo no funcionará.


Generador de excitación Compuesta (compound)

En el generador con excitación mixta o compuesta el circuito inductor se divide en dos partes independientes, conectando una en serie con el inducido y otra en derivación Existen dos modalidades, la compuesta corta que pone el devanado derivación directamente en paralelo con el inducido (EAC) y la compuesta larga que lo pone en paralelo con el grupo formado por el inducido en serie con el otro devanado (FC). El devanado serie aporta solamente una pequeña parte del flujo y se puede conectar de forma que su flujo de sume al flujo creado por el devanado paralelo (aditiva) o de forma que su flujo disminuya el flujo del otro devanado (diferencial). Así mismo, en función del número de espiras del devanado serie su aportación de flujo será mayor o menor, dando lugar a los tipos: hipercompuesta, normal, hipo compuesta y diferencial. Gracias a la combinación de los efectos serie y derivación en la excitación de la dinamo se consigue que la tensión que suministra el generador a la carga sea mucho más estable para cualquier régimen de carga.


La gran estabilidad conseguida en la tensión por éstos generadores dinamos los convierte, en la práctica, en las más utilizadas para la generación de energía. A medida que aumenta la intensidad de consumo, la excitación en paralelo disminuye, pero la excitación en serie aumenta. De este modo puede conseguirse una tensión de salida prácticamente constante a cualquier carga. Generador en derivación o de excitación en Paralelo (shunt)

Siendo la dinamo o generador shunt una máquina auto excitada, empezará a desarrollar su voltaje partiendo del magnetismo residual tan pronto como el inducido empiece a girar. Después a medida que el inducido va desarrollando voltaje este envía corriente a través del inductor aumentando el número de líneas de fuerza y desarrollando voltaje hasta su valor normal. Puesto que circuito inductor y el circuito de la carga están ambos conectados a través de los terminales de la dinamo, cualquier corriente engendrada en el inducido tiene que dividiese entre esas dos trayectorias en proporción inversa a sus resistencias y, puesto que la parte de la corriente pasa por el circuito inductor es relativamente elevada, la mayor parte de la corriente pasa por el circuito de la carga, impidiendo así el aumento de la intensidad del campo magnético esencial para producir el voltaje normal entre los terminales. El voltaje de una dinamo shunt variara en razón inversa de la carga, por la razón mencionada en el párrafo anterior. El aumento de la carga hace que aumente la caída de voltaje en el circuito de inducción, reduciendo así el voltaje aplicado al inductor, esto redúcela


intensidad del campo magnético y por con siguiente, el voltaje del generador. Si se aumenta bruscamente la carga aplicada a una dinamo shunt la caída de voltaje puede ser bastante apreciable; mientras que, si se suprime casi por entero la carga, la regulación de voltaje de una dinamo shunt es muy defectuosa debido a que su regulación no es inherente ni mantiene su voltaje constante. Estos generadores se adaptan bien a trabajos fuertes, pero pueden emplearse para el alumbrado por medio de lámparas incandescentes o para alimentar otros aparatos de potencia constante en los que las variaciones de carga no sean demasiado pronunciadas. La dinamo shunt funciona con dificultad en paralelo porque no se reparte por igual la carga entre ellas. Generador con excitación I ndependiente

En este tipo de generador, la tensión en los bornes es casi independiente de la carga de la máquina y de su velocidad, ya que la tensión se puede regular por medio del reóstato de campo, aunque naturalmente, dentro de ciertos límites, porque la excitación del campo inductor no puede aumentar más allá de lo que permite la saturación. En la siguiente figura se representa el esquema de conexiones completo de un generador de corriente continua con excitación independiente; se supone que el sentido de giro de la máquina es a derechas lo que, por otro lado, es el que corresponde a casi todas las máquinas motrices. Si hubiere que cambiar el sentido de giro, bastará con cambiar, las conexiones del circuito principal.


5. GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator, el principio de funcionamiento de un generador síncrono se basa en la ley de Faraday. Para crear tensión inducida en el estator, debemos crear un campo magnético en el rotor o circuito de campo, esto lo lograremos alimentado el rotor con una batería, este campo magnético inducirá una tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a través de él (Cortéz, 2010). Al operar como generador, la energía mecánica es suministrada a la máquina por la aplicación de un torque y por la rotación del eje de la l a misma, una fuente de energía mecánica puede ser, por ejemplo, una turbina hidráulica, a gas o a vapor. Una vez estando el generador conectado a la red eléctrica, su rotación es dictada por la frecuencia de la red, pues la frecuencia f recuencia de la tensión trifásica depende directamente directamente de la velocidad de la máquina. En la actualidad la máquina de corriente alterna tienen una gran participación en la l a vida diaria de la humanidad, en especial los generadores en el área industrial, debido a su amplio campo de aplicación y beneficios.

5.1.Sistemas constructivos 5.1.1. Generador por los salientes en el estator La particularidad de este tipo de generador es que tiene el inducido en el rotor, esta configuración es propia de máquinas de baja y media velocidad y potencia, hasta 1000 rpm. Por tal razón para poder sacar la tensión producida, necesitamos de un sistema de colector de anillos. El número de anillos a utilizar va a depender depender directamente del número de fases con la l a que nos encontremos trabajando.


I lustr lustr ación 1: Polos salientes en el estator

5.1.1.1 5.1.1.1.Pol .Polo os salie salient nte es en el r otor

El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas l áminas de acero de silicio que se les llama "paquete", que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos. Este generador a diferencia del anterior tiene el inducido en el estator, por tal razón no necesitamos un mecanismo de colector de anillos para extraer la tensión generada ya que esta va a encontrarse en la parte externa de la máquina, necesitaríamos únicamente únicamente un par de anillos, con la finalidad de ingresar el voltaje de campo, pero esto es de gran ayuda ya que el voltaje de campo es considerablemente más pequeño que la tensión generada, por tal razón este par de anillos van hacer de medidas pequeñas, y así mismo las escobillas no tendrían un tamaño mayor. Este tipo de generadores se los utiliza util iza para grandes potencias debido a la versatilidad que nos brinda.


I lustr lustr ación 2: Polos en el rotor

5.1.2. Generador sin escobillas Este tipo de generadores son de mediana potencia, para la excitación podríamos tener un banco de baterías que sería de respaldo, la excitatriz podría ser un alternador, es decir un generador síncrono con polos salientes en el estator, luego de esta etapa, sale a una placa electrónica en donde por medio de dispositivos electrónicos, se envía al circuito de excitación del generador principal. Para realizar reparaciones en este tipo de generadores, generadores, es necesario saber sobre dispositivos electrónicos, y centrarse en el controlador. Los generadores síncronos auto excitados ya no requieren de escobillas y los de excitación separada requieren de escobillas y en lugar del conmutador utilizan anillos rasantes. Existen modelos para los generadores síncronos sin escobillas, los cuales pueden ser, de anillos para introducir corriente de excitación, de anillos para extraer tensiones generadas.


I lustr lustr ación 3: Generador sin escobillas

5.1.2.1 5.1.2.1.D .De escri scri pción ción de par tes cons consttr uct uctivas ivas

Un generador y sus partes que lo conforman, son: anillos rozantes, eje, polos magnéticos, carcasa, cojinetes, y diferentes accesorios mecánicos y eléctricos añadidos al conjunto principal conformado por el rotor y el estator. Anillo A nilloss desli sli zante ntes

La función que tienen los anillos rozantes, son para poder conectar externamente al circuito eléctrico integrado en el rotor, resistencias externas. La función de dichas resistencias, es modificar la resistencia retórica Polos Magnéticos

Hay solo dos tipos de polos magnéticos (denominados polo norte magnético, "N", y polo sur magnético, "S"), y que nunca pueden aislarse. Un imán puede ser "Multi polar" (más de un N, o más de un S), pero no puede tener solo N sin S, ni solo S sin N. Si el imán es una barra con los polos en los extremos (barra "magnetizada" longitudinalmente), al partirla por la mitad para intentar separar el polo N del S, se obtienen dos imanes de menor tamaño, tama ño, cada uno con sus polos N y S en los extremos. Cojinetes


Un cojinete en ingeniería es la pieza o conjunto de ellas sobre las que se soporta y gira el árbol transmisor de momento giratorio de una máquina. Cojinete de deslizamiento radial, por partes: el cilindro claro es donde iría el árbol, la tapa negra desmontable para la lubricación (fricción mixta). De acuerdo con el tipo de contacto que exista entre las piezas (deslizamiento o rodadura), el cojinete puede ser un cojinete de deslizamiento o uno de rodamiento respectivamente. 

Coji nete de rodamiento

Un rodamiento o cojinete de rodadura es un tipo de cojinete, que es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un árbol y las piezas conectadas a éste por medio de rodadura, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento. 

Coji nete de desli zamiento.

En un cojinete de deslizamiento dos casquillos tienen un movimiento en contacto directo, realizándose un deslizamiento por fricción, con el fin de que esta sea la menor posible. La reducción del rozamiento se realiza según la selección de materiales y lubricantes. Los lubricantes tienen la función de crear una película deslizante que separe los dos materiales o evite el contacto directo. Al tocarse las dos partes, que es uno de los casos de uso más solicitados de los cojinetes de deslizamiento, el desgaste en las superficies de contacto limita la vida útil. La generación de la película lubricante que separa por una lubricación completa requiere un esfuerzo adicional para elevar la presión y que se usa sólo en máquinas de gran tamaño para grandes cojinetes de deslizamiento. La resistencia al deslizamiento provoca la conversión de parte de la energía cinética en calor, que desemboca en las partes que sostienen los casquillos del cojinete. E scobillas

Este es el caso de los motores ó generadores eléctricos, donde se debe establecer una conexión de la parte fija de la máquina con las bobinas del rotor. Para realizar esta conexión, se fijan dos anillos en el eje de giro, generalmente de cobre, aislados eléctricamente del eje y conectados a los terminales de la bobina rotatoria. Enfrente de los anillos se disponen unos


bloques de carbón que, mediante unos resortes, hacen presión sobre ellos estableciendo el contacto eléctrico necesario. Estos bloques de carbón se denominan escobillas y los anillos rotatorios reciben el nombre de colector. En determinado tipo de máquinas electromagnéticas, como los motores o generadores de corriente continua, los anillos del colector están divididos en dos o más partes aisladas unas de otras y conectadas a una o más bobinas.

I lustración 4: Foto de escobillas industriales

Rotor

El rotor es el componente que gira (rota) en una máquina eléctrica, sea ésta un motor o un generador eléctrico. Junto con su contraparte fija, el estator, El rotor está formado por un eje que soporta un juego de bobinas arrolladas sobre un núcleo magnético que gira dentro de un campo magnético creado bien por un imán o por el paso por otro juego de bobinas, arrolladas sobre unas piezas polares, que permanecen estáticas y que constituyen lo que se denomina estator de un corriente continua o alterna, dependiendo del tipo de máquina de que se trate. En máquinas de corriente alterna de mediana y gran potencia, es común la fabricación de rotores con láminas de acero eléctrico para disminuir las pérdidas asociadas a los campos magnéticos variables, como las corrientes de Foucault y las producidas por el fenómeno llamado histéresis.


I lustración 5: Rotor

E stator

El estator es la parte fija de una máquina rotativa y uno de los dos elementos fundamentales para la transmisión de potencia (siendo el otro su contraparte móvil, el rotor). El término aplica principalmente a la construcción de máquinas eléctricas y dependiendo de la configuración de la máquina, el estator puede ser: El alojamiento del circuito magnético del campo en las máquinas de corriente continua. En este caso, el estator interactúa con la armadura móvil para producir torque en el eje de la máquina. Su construcción puede ser de imán permanente o de electroimán, en cuyo caso la bobina que lo energizase denomina devanado de campo El alojamiento del circuito de armadura en las máquinas de corriente alterna. En este caso, el estator interactúa con el campo rotante para producir el torque y su construcción consiste en una estructura hueca con simétrica cilíndrica, hecha de láminas de acero magnético apiladas, para así reducir las pérdidas debidas a la histéresis y las corrientes de Foucault.


I lustración 6: Bobinados de rotor y estator

Bobinado

Recibe el nombre de bobinado el conjunto formado por las bobinas, comprendiendo en esta expresión tanto los lados activos que están colocados en el interior de las ranuras y las cabezas que sirven para unir los lados activos, como los hilos de conexión que unen las bobinas entre sí como los que unen estas bobinas con el colector o con la placa de bornes. Bobinado en anillo y en tambor: La fuerza electromotriz generada en el bobinado inducido depende sólo del número de hilos activos, o sea, los exteriores paralelos al eje de rotación. Puede hacerse una primera clasificación de los bobinados según la manera de unir entre sí los hilos activos: 

Bobinado en anillo

Es aquel en el cual las espiras son arrolladas sobre el anillo que constituye la armadura del inducido. Las bobinas solo poseen un lado activo, que es el que se encuentra en el lado exterior y es paralelo al eje de rotación.


I lustración 7: Bobinado en anillo



Bobinado en tambor

Es aquel en el que los dos lados activos de cada bobina están colocados en la superficie exterior de la armadura. De esta forma, cada espira dispone de dos conductores activos.

I lustración 8: Bobinado de tambor

Ranura de armadura

Ocupada por un solo lado activo. Bobinado de una capa.


Ocupada por dos lados activos. Bobinado de dos capas.

Cuando el bobinado es de dos capas, la capa que está en el fondo de la ranura se llama capa inferior, baja o interior y la que se encuentra junto al entrehierro es llamada capa superior, alta o exterior. Los bobinados de máquinas de corriente continua se construyen modernamente en dos capas, mientras que los de corriente alterna son ejecutados tanto en una como en dos capas.

Arrollamientos distribuidos Así como los arrollamientos concentrados son simples bobinas, fáciles de concebir, los arrollamientos distribuidos son mucho más complejos ya que deben cumplir no solamente condiciones eléctricas y magnéticas, sino también constructivas: las bobinas deben ser sencillas de realizar, de colocar y minimizar el uso de materiales. Los arrollamientos rotóricos de las máquinas eléctricas se conectan a través de escobillas que puede apoyar sobre anillos rozantes, que son aros conductores, continuos, conectados a los extremos del arrollamiento.


I lustración 9: Anillos rozantes de un motor

O sobre un colector, que está formado por segmentos conductores, denominados delgas, aisladas entre sí y conectadas a cada bobina. Esto da lugar a dos tipos de arrollamientos distribuidos, los primeros denominados a anillos, o de fases son eléctricamente abiertos y pueden estar tanto en el estator como en el rotor; mientras que los segundos, denominados a colector, son eléctricamente cerrados y se utilizan solamente en el rotor.

I lustración 10: Colector en un inducido

5.1.2.2.Tipos de ranura.

Como ya se dijo las bobinas de los arrollamientos distribuidos, y sus aislaciones, se alojan en ranuras o canaletas ubicadas en la superficie, o muy cerca de ella, del estator o del rotor o en ambas. Las partes magnéticas entre las ranuras se denominan dientes. Las ranuras pueden ser abiertas, semi cerradas o cerradas.


I lustración 11: Tipos de ranura

Las ranuras abiertas, que poseen sus lados paralelos, se emplean en máquinas de potencia media o grande, por ejemplo más de 50 kW y en los inducidos a colector, salvo los muy pequeños, de pocos cientos de watt. Cuando las ranuras son abiertas, con sus lados paralelos, y están ubicadas sobre una estructura cilíndrica, los dientes resultan necesariamente trapezoidales, es decir no tienen la misma sección en toda su altura, lo que debe ser tenido en cuenta al considerar la inducción magnética y la saturación de los mismos. La razón por la cual se emplean las ranuras abiertas, con sus lados paralelos, es que las bobinas utilizadas en esas máquinas son prácticamente rígidas y no se podrían colocar si la abertura de la ranura fuera más estrecha. Las ranuras semi abiertas se emplean en máquinas de menor potencia, que utilizan bobinas formadas por conductores sueltos, los que se colocan individualmente o en pequeños grupos, muchas veces en forma manual y luego se terminan de conformar y de acomodar las cabezas de bobina, en la propia máquina. (Olvera, 2010) A fin de poder acomodar mejor los conductores en el fondo y en el tope de las ranuras, lo que mejora el factor de llenado de las mismas, conviene que ambos sean redondeados, como se muestra en la figura. Tanto en las ranuras abiertas como en las semi cerradas, se debe evitar que los lados de las bobinas se salgan de las mismas, especialmente si están sometidas a la fuerza centrífuga del rotor, lo que provocaría un accidente catastrófico. El cerrado de las ranuras se hace por medio de una cuña de cierre construida con un material de la resistencia adecuada y que, en la mayoría de los casos, es no magnético. En los dientes de las ranuras abiertas se hacen unas entalladuras a fin de sostener esas cuñas de cierre. Las ranuras cerradas, que no necesariamente deben tener una sección circular como se muestra en la figura, se emplean principalmente en los rotores de las máquinas asincrónicas. Dentro de esas ranuras se colocan barras conductoras, normalmente sin aislación, que constituyen el arrollamiento


rotórico de esas máquinas. Es común que las máquinas posean distintos tipos de ranuras en el estator y en el rotor, adecuándolas a los arrollamientos empleados.

6. MOTORES MONOFÁSICOS Los motores monofásicos son motores de pequeña potencia fraccionaria mayormente: 1/4 hp, 1/2 hp, 3/4 hp, l hp, de uso más bien doméstico o en pequeños talleres o negocios donde se alimentan con corriente alterna monofásica para accionar refrigeradoras, bombas, instrumentos registradores, relojes, aparatos de cocina, máquinas-herramientas portátiles, tocadiscos, ventiladores, compresores, etc. (Vargas, 2006) Los motores monofásicos se construyen de diversos tipos cada cual con sus propias características constructivas y de operación. Por lo que se estudiará sólo tres tipos importantes de motores monofásicos, a saber, los de inducción, los de conmutador y los síncronos, desde un punto de vista básico.

6.1.El motor monofásico de inducción Es el motor que presenta las mejores características, por lo que es el de mayor difusión en el país. Presenta un rotor de jaula de ardilla. El estator está compuesto por un embobinado de trabajo o principal, el cual se distribuye en las ranuras del estator del mismo modo que en los motores trifásicos. Como se sabe, al aplicar una tensión monofásica alterna al embobinado principal, se generan dos campos magnéticos giratorios de igual amplitud y constantes, que giran a la misma velocidad pero en sentidos contrarios. Como resultado se produce un campo magnético pulsatorio, el cual no es capaz de poner en marcha el motor por cuanto produce un torque de arranque nulo. En la Figura 12 se muestra las curvas de torque-velocidad correspondientes a cada uno de los campos magnéticos giratorios (en Línea de trazos), así como la curva resultante (en línea continua), diferencia de las curvas de los torques 1 y 2, que es la que corresponde propiamente al motor de inducción monofásico. El campo que gira a la derecha da origen, por ejemplo, al torque giratorio 1 y el que gira a la izquierda, al torque giratorio 2, de sentido contrario.


I lustración 12: Curvas de torque-velocidad de un motor de inducción monofásico

Se observa en la Figura 12 que este motor no tiene torque de arranque debido a que ambos torques se equilibran. Sin embargo, si se utilizara algún medio manual, mecánico auxiliar, u otro, para ponerlo en marcha, el motor empezará a girar en el sentido en el que es impulsado y aumentará su velocidad hasta acercarse a la de sincronismo quedando así en condiciones de desarrollar trabajo mecánico. El método más común utilizado es el de un embobinado auxiliar o de arranque, generalmente de menor calibre y menor número de vueltas, distribuido también en el estator pero formando 90° magnéticos con el embobinado principal, creando así una diferencia de fase el entre la corriente que circula por el embobinado principal y la que circula por el embobinado auxiliar. Con esta medida se consigue que el motor pueda funcionar como bifásico durante la puesta en marcha. De allí el nombre de motores de fase partida o de fase dividida en el que se les conoce. El circuito de la fase partida se conecta en paralelo con el circuito principal y se puede utilizar sólo durante la puesta en marcha o también durante el funcionamiento. En el primer caso, cuando el motor alcanza un 75% de su velocidad nominal, un interruptor centrífugo montado en el rotor, desconecta el embobinado auxiliar, quedando únicamente en servicio el embobinado principal. El ángulo  de desfasaje entre las corrientes mencionadas es relativamente grande debido a que las impedancias de los embobinados principal y auxiliar son bastante diferentes. El ángulo


de impedancia del embobinado principal es mayor que el del auxiliar por lo que la corriente de este último adelanta a la del embobinado principal. En algunos casos, se agrega condensadores en el circuito del embobinado auxiliar que adelantan aún más la corriente de éste. El campo magnético resultante de ambos embobinados resulta ser también, en tales condiciones, un campo magnético giratorio que induce tensiones en el en el rotor cortocircuitado y que produce un torque que hace girar el rotor a una velocidad muy cercana a la de sincronismo, la cual dependerá, como se sabe, del número de polos y de la frecuencia de la red.

6.1.1. Tipos de motores monofásico de inducción Existen los siguientes tipos de motores monofásicos de inducción: el de fase partida normal, el de fase partida de arranque por resistencia, el de fase partida de arranque por condensador, el de arranque por condensador más condensador permanente y el motor con condensador de dos valores. En la Figura 13 (a) se muestra el esquema de conexiones de un motor de fase partida normal. El estator posee dos embobinados, el principal y el auxiliar. Este último se energiza sólo durante el período de puesta en marcha: cuando el motor alcanza una velocidad de 75 a 80% de la de sincronismo, un interruptor centrífugo se abre desconectando el embobinado auxiliar. En la Figura 13 (b) puede verse la característica típica de torque-velocidad de estos motores, funcionando con embobinado auxiliar y sin éste. El deslizamiento a carga nominal es de un 5% o menos.


I lustración

13:

El motor de (a) Esquema (b) Característica (c) Diagrama Fasorial en el arranque

la

fase de

partida

normal conexiones torque-velocidad

Como el embobinado principal permanece energizado durante el funcionamiento, se construye con alambre de mayor calibre; con el fin de lograr un torque grande, puesto que el torque es proporcional al flujo concatenado, el embobinado se construye con un número de vueltas grande. En los motores de fase partida normales el desfasaje  entre las corrientes del embobinado principal  y auxiliar  es de unos 25° Véase el diagrama fasorial en el arranque de la Figura 13 (c). En la Figura 13 (a) se muestra el esquema de conexiones de un motor de fase partida de

arranque por resistencia . Este motor utiliza una resistencia R externa adicional en serie con el embobinado auxiliar con el fin de aumentar aún más el desfasaje durante la puesta en marcha.


I lustración

14:

El

(a) (b) Diagrama (c) Motor de fabricación nacional

motor de fase Esquema fasorial

partida

con de en

arranque el

por

resistencia conexiones arranque

El desfasaje puede conseguirse también aumentando la resistencia del embobinado auxiliar con relación al principal, construyendo el embobinado auxiliar con alambre de menor calibre todavía. La reactancia del embobinado auxiliar se reduce bobinando un tercio de sus espiras en sentido contrario al del resto de las espiras. Estos motores se conectan directamente a la red, pues a pesar de presentar corrientes de arranque altas, de 4 á 7 veces la nominal, éstas no afectan mayormente la tensión de la red como ocurre en las instalaciones con motores trifásicos. Estos motores usan un interruptor electromagnético con una bobina sensora en serie con el embobinado principal para controlar contactos normalmente abiertos en el embobinado auxiliar. La corriente de arranque alta provoca el cierre de dichos contactos, pero, a medida que aumenta la velocidad del rotor y la corriente decrece, los contactos se abren de nuevo a una velocidad prefijada. El sentido de giro de un motor de fase partida se puede cambiar invirtiendo las conexiones del embobinado auxiliar en la caja de bornes de la máquina. Los torques de arranque están comprendidos entre 100 y 200% del torque nominal. Los embobinados auxiliares no se construyen para soportar una operación prolongada. Si el interruptor no se abre cuando el motor se ha puesto en marcha, la acumulación de calor resultante puede ocasionar que se quemen ambos embobinados.


En la Figura 14 (a) se muestra el esquema de conexiones del motor de fase partida con arranque por condensador. Este motor es semejante al anterior con la diferencia que tiene un condensador e electrolítico de corriente alterna tipo seco de gran capacitancia, entre 75 y 350 , en serie con el embobinado auxiliar, y que se desconecta una vez que se pone en

marcha el motor. El condensador está diseñado para trabajo intermitente de corta duración.

El torque de arranque es proporcional al producto   sean  en donde  es el ángulo entre las corrientes  e  que circulan por los embobinados principal y auxiliar respectivamente. El condensador permite que dichas corrientes se desfasen entre si alrededor de 90° dunmte la puesta en marcha, tal como se observa en el diagrama fasorial de la Figura 15 (b). Ya que todos estos motores de fase partida funcionan sólo con el embobinado principal, sus características de funcionamiento son las misma. Sin embargo, en el motor de arranque por condensador existe un flujo mayor y un mayor desfasaje , lo cual produce torques de arranque mayores. Véase la figura 16.


I lustración 15: Características torque-velocidad de motores de fase partida de arranque por condensador.

El deslizamiento en condiciones normales es menor que 5%. Estos motores se usan mucho en aplicaciones domésticas, por ejemplo, para el accionamiento de los compresores de las refrigeradoras. En la Figura 16.1 (a) se muestra el esquema de conexiones del motor con condensador C

permanente. Este motor funciona con ambos devanados. Cuando funciona con un solo embobinado, las pulsaciones de potencia al doble de la frecuencia aplicada ocasionan un motor ruidoso.

Con dos embobinados desfasados 90°, la potencia es pareja y el motor es silencioso. Se consigue aumentar el factor de potencia y la eficiencia. En este motor, la capacitancia durante la puesta en marcha y en la marcha normal tienen el mismo valor. Estos motores tienen buena" características de marcha, debido a su baja capacitancia. La baja capacitancia produce un torque de arranque bajo ( 50% del torque nominal). Véase la Figura 16.1 (b). El condensador electrolítico más barato no está especificado para trabajo continuo por lo que se debe usar un condensador del tipo de papel impregnado en aceite, de mayor costo.


Estos motores se usan sobre todo en el accionamiento de ventiladores. En la Figura 17 (a) se muestra el esquema de conexiones de un motor de inducción con condensador de dos

valores. En este motor, sólo durante la puesta en marcha, se conecta un segundo condensador  de mayor valor en paralelo con un condensador permanente  . Esto se hace con el fin de que el motor desarrolle un buen torque de arranque, pero conservando sus características de marcha normal. La capacitancia durante el período de puesta en marcha puede ser 10 o más veces la capacitancia de marcha. El condensador de arranque  es uno electrolítico de unos 250 , mientras que el condensador permanente es uno de papel inpregnado en aceite de unos 15 .

I lustración

16:

Motor de inducción (a) Esquema (b) Características torque-velocidad.

monofásico

con

condensador de

de

dos

valores. conexiones.

Las curvas de la Figura 17 (b) muestran la velocidad de marcha con ambos condensadores en el circuito como inferior a la velocidad con sólo el condensador de marcha. El deslizamiento a carga nominal en los motores permanentemente partidos es de un 10%.

6.1.2. El motor universal El motor universal o motor serie monofásico es semejante a un motor serie de corriente continua en el que se ha hecho pequeñas modificaciones para mejorar su funcionamiento en corriente alterna: los polos salientes del estator están hechos de placas con el fin de reducir las


corrientes parásitas. Véase la Figura 10.8; el embobinado inductor es de pocas espiras de alambre grueso; no hay polos de conmutación ni embobinado de compensación. El motor universal tiene el mismo principio de funcionamiento que un motor de corriente continua. Con ayuda de la Figura 18 (b) y (c) se explica la razón por la cual este motor puede funcionar en corriente alterna.

I lustración 17: El motor universal

Cuando se invierte la polaridad de la red, se invierten, a la vez, las corrientes de excitación y la de armadura, pues éstas se encuentran en serie. Como resultado de esto, el sentido de giro del motor sigue siendo el mismo. Las características de operación son similares a la" del motor serie de corriente continua. Tiene un amplio rango de velocidad con carga, tal como se puede observar en la Figura 19, pudiendo alcanzar valores muy altos entre 3,000 y 11,000 rpm.

I lustración 18: Variación de la velocidad del motor universal con la carga.

La velocidad de vacío puede llegar a ser cinco veces la velocidad a plena carga.


La velocidad de un motor universal es algo menor cuando trabaja con corriente alterna debido a la caída de tensión en la reactancia del campo, especialmente con cargas grandes. El motor universal se construye para pequeñas potencias (hasta 0.5 hp de capacidad). Se utiliza cuando se necesita que pueda funcionar con corriente continua y cuando se necesita obtener velocidades muy altas que se regulan con la carga, o sea, que disminuye al incrementarse la carga. Se usa generalmente para accionar pequeños aparatos tales como máquinas de calcular, máquinas de vacío, mezcladoras de comida, equipo de ventilación, herramientas portátiles, aspiradoras y otros aparatos electrodomésticos.

6.1.3. Otros tipos de motores monofásicos 6.1.3.1.E l motor de polos sombreados o divididos

Es un motor asíncrono de jaula de ardilla, cuyo estator tiene un embobinado concentrado de dos o cuatro polos, incapaz de producir por si sólo un campo magnético giratorio. Con el fin de lograr el campo magnético giratorio se hace una pequeña ranura en los polos y se coloca en la misma una espira de cobre cortocircuitada, que abarca de un medio a un tercio del polo.

I lustración

19: Esquema de motores de polos sombreados (a) Motor de dos polos. (b) Motor de cuatro polos (c) Motor de dos polos.

con

una

espira

cortocircuitada.

En esta espira se induce una f.e.m que hace circular una corriente por la espiro produciéndose un campo magnético atrasado  respecto al campo principal. Véase la Figura 10 (c). Como consecuencia se produce un pequeño campo resultante que oscila de un extremo


a otro del polo, desde la porción no sombreada hasta la porción sombreada igual que un campo magnético giratorio. Por lo tanto, las espiras de cortocircuito actúan de un modo similar al embobinado auxiliar de los motores de fase partida: sus campos magnéticos forman, junto con el campo magnético principal  , un campo magnético girotorio. Esto es suficiente para poder en movimiento el rotor que luego funciona como cualquier motor de inducción. El motor de polos sombreados es de construcción especialmente sencilla y barata, y no requiere de dispositivos auxiliares (condensador, interruptor centrífugo), pero la" pérdidas en las espiras de sombra a velocidad nominal son grandes presentando poca capacidad de sobrecarga y una eficiencia muy baja de alrededor del 20%. Véase la Figura 10 (d). Tiene un torque de arranque bajo. Su empico no está muy difundido y se le utiliza en pequeñas aplicaciones de 100 W o menos, en las que no interesa el torque de arranque ni la eficiencia, como por ejemplo, en el accionamiento de pequeños ventiladores, tocadiscos, aparatos de cinta magnetofónica, máquinas electrodomésticas, etc.

6.1.4. El motor síncrono monofásico Los motores síncronos monofásicos se parecen, en su modo de funcionar, a los motores síncronos trifásicos; se emplean, pues, cuando se exige un número de revoluciones exactamente constante y se desea mejorar el factor de potencia, en lugar de usar condensadores. En nuestro medio se usan los motores síncronos monofásicos en relojes y mesas giratorias.

7. MOTORES POLIFÁSICOS Son motores de corriente alterna que generalmente son conectados a redes de alimentación trifásica. Estos motores se fabrican de las más diversas potencias, desde una fracción de caballo hasta varios miles de caballos. Tienen una característica de velocidad sensiblemente constante, y una característica de parque varia ampliamente según los diseños.


I lustración 20: Ejemplo de motor polifásico

7.1.Motores trifásicos 7.1.1. Constitución de un motor trifásico 

Se compone de 3 partes, principalmente: estator, rotor y escudos.



Estator compuesto de una carcasa de fundición, un núcleo formado por chapas magnéticas, y un arrollamiento constituido por bobinas individuales alojadas en las ranuras del núcleo.



El rotor puede ser del tipo jaula de ardilla o bien bobinado .

I lustración 21: Constitución de un motor trifásico

7.1.1.1.E l estator

Está constituido por un enchapado de hierro al silicio, introducido generalmente a presión,


entre una carcasa de hierro colado. El enchapado es ranurado, lo cual sirve para insertar allí las bobinas, que a su vez se construyen con alambre de cobre, de diferentes diámetros. 7.1.1.2.E l r otor

Es la parte móvil del motor. Está formado por el eje, el enchapado y unas barras de cobre o aluminio unidas en los extremos con tornillos. A este tipo de rotor se le llama de jaula de ardilla o en cortocircuito porque el anillo y las barras que son de aluminio, forman en realidad una jaula. 7.1.1.3.Los escudos

Están hechos con hierro colado (la mayoría de veces). En el centro tienen cavidades donde se incrustan cojinetes de bolas sobre los cuales descansa el eje del rotor. Los escudos deben estar siempre bien ajustados con respecto al estator, porque de ello depende que el rotor gire libremente, o que tenga "arrastres" o "fricciones".

7.1.2. Funcionamiento del motor trifásico Cuando la corriente atraviesa los arrollamientos de las tres fases del motor, en el estator se origina un campo magnético que induce corriente en las barras del rotor. Dicha corriente da origen a un flujo que al reaccionar con el flujo del campo magnético del estator, originará un para motor que pondrá en movimiento al rotor. Dicho movimiento es continuo, debido a las variaciones también continuas, de la corriente alterna trifásica. Solo debe hacerse notar que el rotor no puede ir a la misma velocidad que la del campo magnético giratorio. Esto se debe a que a cada momento recibe impulsos del campo, pero al cesar el empuje, el rotor se retrasa. A este fenómeno se le llama deslizamiento. Después de ese momento vendrá un nuevo empuje y un nuevo deslizamiento, y así sucesivamente. De esta manera se comprende que el rotor nunca logre alcanzar la misma velocidad del campo magnético giratorio.


Es por lo cual recibe el nombre de asíncrono o asincrónico. El deslizamiento puede ser mayor conforme aumenta la carga del motor y lógicamente, la velocidad se reduce en una proporción mayor. Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético. El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el estator, el movimiento circular que se observa en el rotor del motor. Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado flecha.

7.1.3. Tipos y características

Si el rotor tiene la misma velocidad de giro que la del campo magnético rotativo, se dice que el motor es síncrono. Si por el contrario, el rotor tiene una velocidad de giro mayor o menor que dicho campo magnético rotativo, el motor es asíncrono de inducción. Los motores eléctricos trifásicos están conformados por dos grandes grupos:

7.1.3.1.Motores Síncronos Este motor tiene la característica de que su velocidad de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta. Es utilizado en aquellos casos en donde se desea una velocidad constante. Las máquinas síncronas funcionan tanto como generadores y como motores. En nuestro medio sus aplicaciones son mínimas y casi siempre están relacionadas en la generación de energía eléctrica. Para


el caso referente a la máquina rotativa síncrona, todas las centrales Hidroeléctricas y Termoeléctricas funcionan mediante generadores síncronos

trifásicos.

Para

el

caso

del

motor

se

usa

principalmente cuando la potencia demandada es muy elevada, mayor que 1MW (mega vatio). Los motores síncronos se subdividen a su vez, de acuerdo al tipo del rotor que utilizan, siendo estos: rotor de polos lisos (polos no salientes) y de polos salientes. Motores de rotor de polos lisos o polos no salientes: Se utilizan en rotores de dos y cuatro polos. Estos tipos de rotores están construidos al mismo nivel de la superficie del rotor (Fig.1.5). Los motores de rotor liso trabajan a elevadas velocidades.

Rotor de polos no salientes en un motor síncrono Motores de polos salientes: Los motores de polos salientes trabajan a bajas velocidades. Un polo saliente es un polo magnético que se proyecta hacia fuera de la superficie del rotor. Los rotores de polos salientes se utilizan en rotores de cuatro o más polos. Véase en la figura.

I lustración 22: Rotor de polos salientes en un motor sincrónico


7.1.3.2.Motor asíncrono Los motores asíncronos o motores de inducción, son las máquinas de impulsión eléctrica

más utilizadas, pues son sencillas, seguras y baratas. Los motores asíncronos se clasifican según el tipo de rotor, en motores de rotor en jaula de ardilla (o motores con inducido en cortocircuito) y en motores de rotor bobinado o de anillos rozantes.

Motores de inducción asíncronos

En los motores asíncronos trifásicos, la energía eléctrica se suministra al bobinado del estator. Como consecuencia de ello, aparece un par aplicado al rotor, y éste girará.

Estator de un motor asíncrono trifásico

Bobinas y Motores Electricos

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