Control De Motores Ingeniería en Mecatrónica
Escuela Especializada en Ingeniería ITCA - Fepade
UNIDAD I - TRANSFORMADORES 1.1.1 DEFINICION FUNDAMENTAL DEL TRANSFORMADOR.
P
Ara alguien que tiene contacto con ciertos tipos de industrias, como las manufactureras por ejemplo, es común observar maquinaria accionada por motores eléctricos de mediano y gran tamaño con equipo auxiliar de control y protección más o menos compleja. Todos estos elementos que intervienen en las instalaciones eléctricas residenciales, comerciales o industriales, operan bajo ciertos principios generales y están construidos con elementos más o menos comunes, estos elementos se diseñan y construyen en las fabricas de aparatos y maquinas eléctricas, se deben de instalar y operar y eventualmente mantener y reparar, esto hace necesario que existan personas con conocimientos de maquinas eléctricas que comprenden sus principios y estén en posibilidad de resolver distintos problemas que plantea el uso y conservación de las mismas. Para cada uno de estos tipos, existen variantes en cuanto a principio de funcionamiento y tamaño, el estudio de este tema, es materia de otras publicaciones, lo que se debe de hacer notar, es que en la mayoría de los casos los centros de producción de la energía eléctrica se encuentran distantes de los centros de consumo, lo que hace necesario que esta energía se transmita hasta cientos y en ocasiones llegan a miles de kilómetros, para poder hacer esto, es necesario el uso de los llamados transformadores. La invención del transformador, data del año de 1884 para ser aplicado en los sistemas de transmisión que en esta época eran de corriente directa y presentaban limitaciones técnicas y económicas. El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía eléctrica que usaba transformadores, se puso en operación en estados unidos.
1.1.2 Construcción del transformador. Como se ha mencionado anteriormente, un transformador consta de dos partes esenciales: el núcleo magnético y los devanados. Estos están relacionados con otros destinados a las conexiones mecánicas y eléctricas, entre las distancias partes del sistema de enfriamiento al medio de transporte, y a la protección de la maquina en general. En cuanto las disposiciones constructivas, el núcleo determina características relevantes, de manera que se establece una diferencia fundamental. En la construcción de transformadores, dependiendo de la forma del núcleo, pudiendo ser el llamado núcleo tipo columnas y en núcleo tipo acorazado. Existen otros aspectos que establecen diferencias entre tipo de transformadores, como es por ejemplo el sistema de enfriamiento, que establece la forma de disipación del calor producido en los mismos. 1.1.3 Construcción del núcleo. El núcleo magnético está formado por laminaciones de acero que tienen pequeños porcentajes de silicio y que se denominan laminaciones magnéticas. Estas laminaciones tienen la propiedad de tener pérdidas relativamente bajas por efectos de histerismos y de corriente circulante. Las laminaciones se disponen o colocan en la dirección del flujo magnético, de manera que los núcleos para transformadores están formados por un conjunto de laminaciones acomodadas en la forma y 2
dimensiones requeridas. La razón de usar laminaciones de acero al silicio en los núcleos de las maquinas eléctricas, es que el silicio aumenta la resistividad del material. En el caso de transformadores de gran potencia, se usan las llamadas laminaciones de cristal orientado cuyo espesor es de algunos milímetros y contienen el 3% y 4% de silicio, se obtienen de material laminado en caliente, después se hace el laminado frío, dando en tratamiento térmico final a las superficies de la misma. 1.1.4 Devanados para transformadores de distribución. En estos transformadores, la diferencia entre las tensiones primaria y secundaria es notable, los transformadores para redes de distribución de 13200 v. A las tensiones de utilización de 220 v. 1.1.5 CARACTERISTICAS DEL TRANSFORMADOR IDEAL El transformador básico consiste de dos bobinas eléctricamente aisladas y enrolladas sobre un núcleo común. La energía eléctrica se transfiere de una bobina a otra por medio del acoplamiento magnético .La bobina que recibe la energía de la fuente C.A se llama el (devanado) primario. La que proporciona energía a una carga C.A se llama (devanado) secundario El núcleo de los transformadores que se usan a bajas frecuencias se hace con un material magnético, usualmente acero laminado. Los núcleos de los transformadores que se usan a frecuencias altas se hacen de hierro pulverizado y cerámica o bien de materiales no magnéticos .Algunas bobinas se arrollan sencillamente sobre formas huecas no magnéticas (por ejemplo, de cartón o de plástico), de manera que el material del núcleo sea en realidad el aire. Si se supone que un transformador opera en condiciones ideales, la transferencia de la energía de un voltaje al otro va acompañada por pérdidas
1.1.6 Relación de voltaje El voltaje en las bobinas de un transformador es directamente proporcional al número de vueltas (o espiras) de cada una de ellas .Esta relación se expresa por la formula: 𝐕𝐕𝐕𝐕 𝐍𝐍𝐍𝐍 = 𝐕𝐕𝐕𝐕 𝐍𝐍𝐍𝐍 3
En la que: Vp= Voltaje en la bobina del primario en V Vs= Voltaje en la bobina del secundario V Np= Numero de vueltas en la bobina del primario Ns= Numero de vueltas en la bobona del secundario
El cociente Vp/Vs, se llama relación de voltaje (RV).El cociente Np/Ns se denomina relación de vueltas (RN ) Al sustituir estas cantidades en la ecuación obtenemos la formula equivalente RV = RN Una relacion de voltaje 1:4 (léase 1 a 4) significa que por cada volt del primario del transformador, en el secundario hay 4 .Cuando el voltaje del secundario es mayor que el del primario, al transformador se le llama elevador. Una relacion de voltaje 4:1 significa que por cada 4 V del primario, en el secundario hay solo 1 Cuando el voltaje del secundario es menor que el del primario al transformador se le llama reductor
Relacion de corriente
La corriente en las bobinas de un transformador es inversamente proporcional al voltaje en cada una de ellas : Esta relacion se expresa por medio de la ecuación �
𝐼𝐼𝐼𝐼 𝑉𝑉𝑉𝑉 �=� � 𝐼𝐼𝐼𝐼 𝑉𝑉𝑉𝑉
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1.1.7 Eficiencia La eficiencia de un transformador es igual al cociente de la salida de potencia en el secundario dividida entre la entrada de potencia en el devanado primario. Un transformador ideal tiene una eficiencia del 10% por que entrega toda la energía que recibe .a causa de pérdidas en el núcleo y en el cobre, la eficiencia del mejor transformador real es menor al 100% Expresado con una ecuación.
𝐸𝐸𝐸𝐸 =
𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃
𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃
=
𝑃𝑃𝑃𝑃
𝑃𝑃𝑃𝑃
En la cual Ef = eficiencia
Ps = salida de potencia del secundario en W
Pp = entrada de potencia en el primario en W 1.1.8 RELACION DE IMPEDANCIAS Un circuito transfiere la máxima cantidad de potencia a otro cuando las impedancias de los dos circuitos son iguales o están acoplados .Si los dos circuitos tienen impedancias diferentes se puede usar un transformador para acoplar las impedancias entre los dos circuitos .Al construir los devanados del transformador de manera que tengan determinada relación de vueltas , el transformador puede satisfacer cualquier requisito de acoplamiento de impedancias .La relación de vueltas determinada la relación correcta con la relación cociente de impedancias de los devanados del primario y del secundario .Esta relación expresada por medio de la ecuación. 𝑁𝑁𝑁𝑁 2 𝑍𝑍𝑍𝑍 � � =� � 𝑁𝑁𝑁𝑁 𝑍𝑍𝑍𝑍
Extrayendo la raíz cuadrada a ambos miembros, obtenemos
En la que
�
𝑁𝑁𝑁𝑁 𝑍𝑍𝑍𝑍 � = �� � 𝑁𝑁𝑁𝑁 𝑍𝑍𝑍𝑍
Np= numero de vueltas en el primario Ns = numero de vueltas en el secundario Zp = impedancia en el primario Ω Zs = impedancia en el secundario Ω
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1.1. 9 PÉRDIDAS Y EFICIENCIA DEL TRANSFORMADOR Los transformadores reales tienen pérdidas en el cobre y en el núcleo. Las pérdidas en el cobre es la potencia perdida en los devanados del primario y del secundario debido a la resistencia ohmica de los devanados.las pérdidas en el cobre, en watts, se obtienen con la formula:
Pérdidas en el cobre = 𝐼𝐼𝐼𝐼2 𝑅𝑅𝑅𝑅 = 𝐼𝐼𝐼𝐼 2 𝑅𝑅𝑅𝑅 Donde Ip= corriente en el primario en A Is = corriente en el secundario en A Rp= resistencia del devanado del primario en Ω Rs= resistencia del devanado secundario en Ω Las pérdidas en el núcleo son causadas por histéresis y por las corrientes parasitas. Las pérdidas por histéresis son la energía que se pierde al invertir el campo magnético en el núcleo conforme la corriente alterna magnetizadora aumenta y disminuye e invierte su dirección. Las pérdidas por las corrientes parasitas son producidas por la circulación de corrientes inducidas en el material del núcleo. Las pérdidas en el cobre de ambos devanados puede medirse por medio de un wattimetro .El wattimetro se coloca en el circuito primario del transformador cortocircuitando el secundario .posteriormente se aumenta el voltaje aplicado al primario hasta que en el secundario en corto circule la corriente nominal a plena carga; en ese momento el wattimetro indicara las pérdidas totales en el cobre. Las pérdidas en el núcleo también pueden obtenerse con un wattimetro en el circuito del primario, aplicando el voltaje nominal al primario con el circuito del secundario abierto.
La eficiencia de un transformador real se expresa como sigue:
𝐸𝐸𝐸𝐸 =
𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = = 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 + 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝐸𝐸𝐸𝐸 𝐸𝐸𝐸𝐸 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 + 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁
𝐸𝐸𝐸𝐸 =
𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑥𝑥 𝐼𝐼𝐼𝐼 𝑥𝑥 𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑥𝑥 𝐼𝐼𝐼𝐼 𝑥𝑥 𝐹𝐹𝐹𝐹 𝑥𝑥 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝐸𝐸𝐸𝐸 𝐸𝐸𝐸𝐸 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 + 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁
Donde Fp= factor de potencia de carga
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1.2 POLARIDAD DE LOS TRANSFORMADORES
La polaridad de un transformador indica como están relacionados entre si los voltajes primario y secundario; la polaridad depende del sentido en que se arrollen las bobinas, como se muestra continuación:
El devanado A esta arrollado en sentido contrario al devanado B y por consiguiente cuando el terminal x1 de a sea positivo, el terminal x1 de b será negativo, lo que indica que son de polaridad diferente. De acuerdo con las normas industriales, todos los transformadores (de distribución) monofásicos de hasta 200 kva de capacidad, con voltajes primarios de hasta 8660 v. Tienen polaridad aditiva. El resto de los transformadores monofásicos tienen polaridad sustractiva. Para interconectar dos o más transformadores es necesario conocerles la polaridad para evitar que se produzcan cortocircuitos en ellos, provocados por el hecho que el voltaje en los terminales de cada transformador no tiene la fase adecuada, lo cual puede comprobarse en la figura anterior.; otro problema que puede suscitarse es que, aunque no se produzcan cortocircuitos, el voltaje de salida de los transformadores no es el voltaje que se espera sino uno diferente, mayor o menor. La designación de los terminales de los transformadores monofásicos esta normalizada de la siguiente manera:
Aditivo
Sustractivo 7
Designación de los terminales en transformadores (los terminales marcados “ h “ corresponden al lado primario, y los “ x “ al secundario) Si el transformador posee más terminales en el secundario, la denominación de los mismos debe realizarse como sigue: A)
Para transformadores con polaridad aditiva; en orden ascendente de derecha a izquierda, comenzando con x1.
B)
Para transformadores con polaridad sustractiva; en orden ascendente de izquierda a derecha, comenzando con x1.
Si por alguna razón no se conoce la polaridad de un transformador monofásico, ésta se puede conocer realizando la siguiente prueba: 1- Energizar el primario con bajo voltaje (220v, por ejemplo) ; no se recomienda Usar voltajes menores por la dificultad en realizar lecturas con precisión. 2- Tomar la lectura de voltaje en los terminales secundarios extremos (para el Ejemplo se asumirá que es 22v). 3- Realizar la conexión h1 y el terminal secundario izquierdo. 4- Tomar una lectura de voltaje entre h2 y el terminal secundario derecho. 5- La lectura del paso 4 puede ser: A) 242v lo que indica que la polaridad del transformador es aditiva. B) 198v indicarían que la polaridad del transformador es sustractiva
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Es de hacer notar que para realizar la prueba anterior, no se necesita ningún equipo especial ya que para energizar el transformador puede utilizarse la instalación trifilar de una casa u oficina (220 voltios) y para efectuar la medición de voltajes es suficiente un téster común. 1.2.1 Arrollamiento de los transformadores. Los transformadores se bobinan con alambre de cobre aislado, haciéndose, algunos de los tamaños más pequeños, con alambre redondo, mientras que los conductores de sección cuadrada o rectangular se emplean para casi todas las unidades de tamaño medio y grande. Los conductores cuadrados y rectangulares forman una bobina mas compacta y maciza y esta proporciona una mejor conductividad para que el calor se desprenda de los arrollamientos. Las bobinas suelen hacerse con varias capas arrolladas con mucho cuidado, y cada capa se aísla bien de la anterior y de la que le sigue. Solo en algunos tipos de transformadores muy pequeños están las bobinas directamente arrolladas sobre las ramas del transformador. En casi todos los transformadores grandes y del tamaño medio, se devanan las bobinas sobre moldes, y después se introducen en las ramas del núcleo del transformador antes de ensamblar completamente el núcleo. Después de devanadas, se sacan completamente las bobinas, calentándolas en estufas, y después se sumergen en compuesto aislante caliente con el fin de aislar muy bien cada una de las vueltas contiguas. En muchos casos, se realiza la inmersión y la impregnación en tanques herméticamente cerrados, de modo que la bobina puede someterse primero a un vacío elevado para extraer hasta el último rastro de humedad y de aire de los arrollamientos. Después se aplica el compuesto aislante caliente a presión para obligarle a penetrar entre las separaciones que haya en las espiras del arrollamiento.
ardiTransformador trifásico de laboratorio
Luego se meten en la estufa las bobinas para secarlas completamente y para endurecer el compuesto aislante de modo que presente una superficie lisa y dura e impidan que penetren la humedad, polvo y suciedad en los arrollamientos durante el funcionamiento del transformador.
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Después de que se han aislado y secado minuciosamente las bobinas, se colocan sobre las ramas bien aisladas del núcleo del hierro. El aislamiento del núcleo consiste en varias capas de fibra de papel de pescado o en algunos casos, en las unidades de voltaje más alto, se compone de un tubo especial de baquelita o de un compuesto de aislante. 1.2.2 Conexión en paralelo de transformadores monofásicos
Dos o más transformadores monofásicos pueden conectarse en paralelo para suministrar una corriente más intensa o más en KvA de potencia que lo pueda proporcionar la capacidad de un solo transformador. De esta manera pueden instalarse transformadores suplementarios para poder hacer frente a un aumento de la carga, cuando ésta ha excedido a la capacidad de los transformadores ya instalados, o bien pueden conectarse temporalmente en paralelo dos o más transformadores pequeños para sustituir a un transformador más grande en las emergencias, cuando éste último tiene que ponerse fuera de servicio para repararlo.
Transformadores monofásicos con sus polaridades idénticas conectadas en paralelo.
Método correcto de conectar en paralelo los transformadores monofásicos cuando la polaridad de un de ellos es aditiva y la del otro sustractiva.
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Cuando se ponen en paralelo transformadores es necesario que tengan características semejantes, pues de lo contrario, es posible que un transformador soporte una parte de la carga mayor que la que le corresponde y tal vez haga saltar los fusibles. Esto arrojaría toda la carga sobre los transformadores restantes y los sometería a una carga excesiva o bien saltarían los fusibles de sus primarios. Es también muy importante comprobar que se conectan juntos conductores de terminales de polaridad correcta; porque si se conectaran en paralelo conductores secundarios de polaridad equivocada, ello daría como resultado un cortocircuito de doble voltaje, como si se conectaran en paralelo dos alternadores monofásicos desfasados 180º. Nunca deben conectarse en paralelo transformadores de diferentes relaciones de transformación. Ya que incluso una pequeña diferencia en los voltajes secundarios de dos o más transformadores daría como resultado corrientes cruzadas muy intensas entre dichas unidades, si se conectaran en paralelo. 1.2.3 Conexión en paralelo de transformadores trifásicos: Cuando se ponen en paralelo transformadores trifásicos hay que adoptar las mismas precauciones que cuando se ponen en paralelo alternadores trifásicos. Primero es necesario ajustar las fases de los conductores, determinando cuales son las fases idénticas. Esto puede hacerse por el método de del banco de lámparas o por el motor de inducción. Los dos o más bancos de transformadores deben conectarse a la misma línea primaria. Así se tendrán la misma frecuencia y funcionarán en sincronismo, una vez que se han ajustado las fases y se han conectado. Cuando están marcados correctamente los primarios y los secundarios de los transformadores en la forma que se ha explicado antes, es fácil conectar juntos los conducteros terminales de la misma polaridad. Si no están marcados, o cuando se crea que las marcas no son seguras, deben probarse los conductores terminales por medio de un voltímetro o de lámparas de prueba, con el fin de conectar juntos los conductores de polaridades semejantes entre los cuales no hay ninguna diferencia de voltaje.
Conexiones para un servicio trifásico de cuatro conductores con los secundarios conectados en estrella de un grupo de transformadores trifásicos.
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El sistema trifásico de cuatro conductores se obtiene sacando el cuarto conductor desde el neutro o el punto de tierra de un banco de transformadores conectados en estrella, como se indica en la figura anterior. Este sistema es empleado por la mayoría de compañías de servicio público para los circuitos de distribución de 2300 a 4000 voltios, de fuerza y alumbrado. Este sistema de cuatro conductores proporciona dos voltajes diferentes, uno que se obtiene entre dos cualesquiera de los conductores de línea, a, b, c, y el otro se obtiene entre uno o cualquiera de los conductores de línea y el conductor neutro. Suponiendo que el voltaje de fase secundario de los transformadores sea de 2300 voltios, el voltaje entre dos conductores cualesquiera de línea a y b será aproximadamente de 4000 voltios; en tanto que el voltaje entre uno cualquiera de los conductores de línea a, b o c y el conductor neutro será de 2300 voltios. El voltaje entre uno cualquiera de los conductores de línea y la tierra será de 2300 voltios, en tanto que el voltaje entre conductor neutro y la tierra será cero. En cualquier sistema trifásico de cuatro conductores en el que se saque el cuarto conductor, o sea, el conductor neutro, desde el centro de la y, o conexión de los arrollamientos del transformador conectado en estrella, el voltaje entre cualquier conductor de línea y el neutro es igual al voltaje entre los conductores de línea multiplicado por 0.577, que es lo mismo dividir por 1.73. 1.2.4 AUTOTRANSFORMADORES
DEFINICIÓN:
El auto transformador es un aparato que funciona en forma semejante al transformador, solo que la transferencia de energía se hace por inducción magnética y conducción eléctrica, debido a que los devanados están unidos eléctricamente. El empleo de auto transformadores no será admitido si los dos circuitos conectados a ellos no están previstos para la tensión mayor.
de alimentación con conductor neutro, el borde del extremo del arrollamiento común al primario y al secundario, se unirá al conductor neutro.
Representado así:
En la conexión de un auto transformador a una fuente
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El uso del auto transformador esta limitado, debido a que sus devanados están conectados eléctricamente y el nivel de aislamiento solo permite la operación con pequeñas relaciones transformación ( generalmente 2 / 1 ). El estudio del auto transformador se hace por lo general a partir del transformador. 1.2.5 EL TRANSFORMADOR OPERANDO COMO AUTOTRANSFORMADOR Los autos transformadores monofásicos reversibles son aparatos estudiados principalmente para resolver los problemas que se presentan al conectar los aparatos eléctricos de uso industrial y domestico a diferentes tensiones. Considere un auto transformador monofásico como el de la siguiente figura:
Al conectarlo como auto transformador el circuito queda de la siguiente manera:
DESCRIPCIÓN TÉCNICA. Entre las principales características destacan:
Devanados clase H (180º ) Aislamientos: clase B (130º ) Frecuencia: 50-60 Hz. Rigidez electrica: 2000 V. Temperatura ambiente: 25ºc Grado de protección: IP- 20 Núcleo protegido contra corrosión Tapas protectoras pintadas con resina Epoxi.
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Los auto transformadores son reversibles y las tensiones de entrada y salida mas frecuentes son 110 / 220v. 125 / 220v. 110 / 230v. 110 / 125 / 220 v. 125 / 150 / 220 v. Y 220 / 380 v. Bajo demanda se fabrican en diferentes tensiones y potencias ( max. 6 v. )
Definición:
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 = 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 La potencia para el transformador. 𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑥𝑥 𝐼𝐼𝐼𝐼
EJEMPLO: Para el transformador: Is = P / Vs = 100000 / 2300 = 43.5 Amperes Ip = P / Vp =
100000 / 11500 = 8.7 Amperes
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La corriente en el secundario del autotransformador: Isa = 43.5 + 8.7 = 52.2 Amperes. La potencia del autotransformador: Pa = Vs.Is = 11500 . 52.2 = 600 KVA. 1.2.6 AUTOTRANSFORMADORES TRIFASICOS Los autotransformadores trifásicos se fabrican para diferentes usos. Las conexiones más comunes son: Conexión delta. Conexión estrella. Conexión delta abierta – delta abierta.
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PRUEBAS Y APLICACIONES DEL AUTOTRANSFORMADOR. Todas las pruebas que se hacen en los transformadores se le efectúan en forma semejante a los auto transformadores. APLICACIÓN O UTILIZACIÓN Las aplicaciones mas comunes del auto transformador son las siguientes:
Arranque de motores ( voltaje reducido ) Interconexión de líneas. Bancos de tierra. Como regulador de voltaje.
EJEMPLO: Un autotransformador alimenta una carga de 10 KW a 120 volt. Y factor de potencia unitario; si el voltaje de alimentación es de 240 volt. Calcular: 1. 2. 3. 4. 5.
La relacion de transformación. La corriente en el secundario y el primario. El numero de espiras en el secundario, suponiendo que el numero total deespiras es de 240 La potencia transformada. La potencia suministrada, directamente de la fuente de alimentación a la carga.
SOLUCION: 1). La relacion de transformación es: A = Vp / Vs = 240 / 120 = 2 2). La corriente en el secundario es: Is = P / Vcosθ = 10 . 100000 / 120 .1 = 83.33 Amperes. En el primario: A = Is / Ip ; Ip = Is / a = 83.33 / 2 = 41.6 Amperes. 3). El numero de espiras en secundario. A = Np / Ns ; Ns = Np / a = 240 / 2 = 120 Espiras. 4). La potencia transformada es: P.trans = P.carga = ( 1- 1 / a ) = 10 ( 1 – ½ ) = 5 KW. 5). La potencia suministrada de la fuente: P.fuente = P.carga – P.trans = 10 – 5 = 5 KW.
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CONSTRUCCIÓN.
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Unidad II – Los Motores Eléctricos Introducción El incremento en el uso de la electricidad para fines de alumbrado y potencia, está asociado con un continuo y estable incremento en el numero, tipo de maquinas, aparatos del hogar e industrias accionadas por motores eléctricos .Por lo que, el principal medio para transformar la energía eléctrica en mecánica rotatoria es el motor eléctrico. Los motores eléctricos se fabrican en varias potencias, desde fraccionarias en bajo voltaje hasta grandes potencias en alta tensión, en corriente alterna y corriente directa. Estos motores se pueden clasificar de diversas formas, pero la que se debe de aplicar, para todos los efectos prácticos, considera lo siguiente: tamaño (potencia), tipo de aplicación, características eléctricas, arranque, control de velocidad características del par; otros elementos son el tipo de protección mecánica y el método de enfriamiento. En términos básicos, los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica rotatoria; por su diseño, se encuentra en muy variadas aplicaciones (en motores a prueba de explosión, de agua , etc.) Todo esto y más, representa la tendencia en el uso de los motores eléctricos y el control de las maquinas en procesos industriales alrededor del mundo. Principios de operación. La operación de los motores depende de la interacción de campos magnética. Para comprender como opera un motor, se deben definir las reglas siguientes del magnetismo, así como la relación que existe entre el flujo de corriente y el campo magnético. 2.1.1 FUNDAMENTOS DEL MAGNETISMO Cualquier persona relacionada con el uso, aplicación y reparación de motores eléctricos, debe familiarizada con los principios del magnetismo, ya que los motores, transformadores, generadores y otros aparatos eléctricos, dependen de este para su funcionamiento. Un imán puede ser permanente o temporal. Si una pieza de hierro o acero se magnetiza y retiene el magnetismo, se le conoce como imán permanente. Estos resultan económicos y se usan para crear el campo magnético necesario en la operación de pequeños motores eléctricos. El imán con el que probablemente se tenga cierta familiaridad, es con el tipo de herradura y de barra; cada uno de estos tienen un polo norte y un polo sur, como si se tratara de un imán permanente .sin embargo, cuando la corriente se interrumpe, desaparece el campo magnético. A este tipo de magnetismo temporal, se le conoce como electromagnetismo.
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Los grandes motores eléctricos, transformadores y relevadores usan el campo magnético resultante de la circulación de la corriente a través de una bobina. Cuando una corriente eléctrica circula a través de un conductor, las líneas de fuerza magnética (flujo magnético) se crean alrededor del mismo como se muestra en la figura siguiente:
Cuando una corriente circula a través de un magnético a su alrededor
conductor se crea un campo
Cuando la sección de un conductor se hace pasar a través de un campo magnético, se dice que se induce voltaje y se crea la electricidad en el conductor o alambre .En este ejemplo, se puede observar fácilmente la relación entre electricidad y magnetismo. 2.1.2 LOS CAMPOS MAGNÉTICOS, FLUJO, Y POLOS
La fuerza de magnetismo es llamado un campo magnético. Este campo se extiende fuera del imán en todas las direcciones, Las líneas que se extienden del imán representan el campo magnético. Las líneas invisibles de fuerza que constituye el campo magnético se conocen como el flujo magnético. El flujo está muy denso en los polos. Donde las líneas de flujo son densas, el campo magnético es fuerte. Donde las líneas de flujo son esparcidas, el campo es débil. Las líneas de flujo están muy densas en los extremos del imán; por consiguiente, el campo magnético está más fuerte en los extremos del imán. Siempre se asumen líneas de fuerza que dejan el polo norte (N) y entran en el polo sur (S) de un imán. El polo norte y el polo sur se refieren a la polaridad de los extremos de un imán. Cuando un imán se suspende en un cordón y se permite girar, sus extremos apuntarán al norte y al sur. El extremo del imán que busca el polo magnético norte de la tierra es el polo norte del imán. Asumiendo ese flujo (las líneas de fuerza) salen del polo norte y entran al polo sur fue una decisión arbitraria. Sin embargo, asignando la dirección ayuda a entender el comportamiento del magnetismo. Como los polos magnéticos iguales se rechazan entre sí. Dos polos nortes crean una fuerza de rechazo. Entre más cerca se encuentran mayor es la fuerza. La fuerza de repulsión entre polos magnéticos varia inversamente con el cuadrado de la distancia entre ellos. Es decir, si la distancia se dobla, la fuerza se vuelve un cuarto O, si la distancia se divide en dos, la fuerza se vuelve cuatro veces. Los polos magnéticos diferentes crean una fuerza de atracción. Esta fuerza también es inversamente con el cuadrado de la distancia entre los polos.
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2.1.3
EL ELECTROMAGNETISMO
El electromagnetismo es la base de los tipos de motores, la electricidad y el magnetismo están siempre relacionados. Una corriente genera un campo magnético y un campo magnético puede generar una corriente eléctrica en un conductor. Hasta ahora nuestra discusión se ha centrado alrededor del campo magnético y el flujo propio de un imán.
Sin embargo, los campos magnéticos también son creados por la corriente eléctrica. El conductor portador de corriente tiene un campo magnético alrededor de él.
alrededor de un conductor puede determinarse usando lo que se llama la regla de la mano derecha.
El campo siempre está en ángulo recto (perpendicular) a la dirección de la corriente. Realmente existe como un campo continuo para toda la longitud. El flujo sólo existe en el aire. Sin embargo, el flujo todavía tiene una dirección supuesta, La dirección del flujo
Regla de la mano derecha para un campo alrededor de un conductor
Agarre al conductor con su mano derecha para que su dedo pulgar apunte en la dirección de corriente. Sus dedos indican la dirección del flujo. El flujo es perpendicular a la dirección de la corriente. Y la fuerza del campo magnético alrededor de un conductor está determinada por la intensidad de corriente que fluye a través del conductor. La fuerza a una distancia fija del conductor es directamente proporcional a la corriente. El campo magnético de un solo conductor es demasiado débil para muchas aplicaciones. Un campo más fuerte puede crearse combinando los campos asociados con dos o más conductores. Esto se hace enrollando a un conductor El conductor formado en esta forma se llama un devanado o bobina. Formando una bobina de conductores crea un electroimán, la bobina tiene polos en los extremos de ella en los cuales el flujo entra y sale. La polaridad de una bobina puede ser determinada aplicando la regla de la mano derecha de nuevo. Envuelva sus dedos alrededor de la bobina en la dirección de la corriente. Su dedo pulgar apuntará entonces al polo norte (también indica dirección del flujo). Invirtiendo la dirección de la corriente se invierte la polaridad de un electroimán.
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El pulgar de la mano derecha indica el polo norte de una bobina. Los otros dedos colocados en el sentido de la corriente en la bobina Un conductor de corriente dentro de un campo magnético experimentara una fuerza que tiende a expulsarlo, esta fuerza es la que produce la fuerza de torsión o giro de un motor eléctrico 2.1.4 INDUCCION ELECTROMAGNETICA Si un alambre conductor se mueve dentro de un campo magnético, de manera que el conductor corte las de dicho campo, se origina una fuerza electromotriz ,mediante producida en tal conductor , induciendo la fuerza electromotriz , mediante un moviendo relativo entre el conductor y un campo magnético , se presenta lo que se conoce como:”La inducción electromagnética ” . Si una sección de conductor se mueve a través de las líneas de fuerza magnética, de manera que el alambre cruce o corte la trayectoria del flujo, se inducirá un voltaje en este conductor .Si se instala un medidor suficientemente sensible, se observara que circula la corriente cada vez que el conductor se mueva a través de las líneas de fuerza.
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De acuerdo con la figura anterior , al usar un instrumento de medición analógico(con aguja) , si el conductor se mueve hacia arriba a través del flujo , la aguja se desplaza hacia el lado izquierdo .Si el conductor se mueve hacia abajo , la indicación de la aguja es hacia la derecha .si el conductor se mueve rápidamente hacia arriba y hacia abajo , suponiendo que el cero de la escala esta en el centro de esta, la aguja se desplazara rápidamente a la derecha y a la izquierda , generándose un voltaje .Si el movimiento se suspende , no se genera voltaje ; y si el conductor se mueve de derecha a izquierda en sentido paralelo al flujo, tampoco se genera voltaje .
2.1.5 LA LEY DE INDUCCION ELECTROMAGNETICA DE FARADAY
En 1831 Josep Faraday hizo uno de los más importantes descubrimientos en Electromagnetismo, que en la actualidad se conoce como: “La Ley de inducción electromagnética de Faraday” que relaciona fundamentalmente el voltaje y el flujo en el circuito .Esta ley se enuncia en los puntos siguientes: 1) Si se tiene un flujo magnético que eslabona a una espira y además varia con el tiempo, entonces se induce un voltaje entre terminales. 2- ) El valor del voltaje inducido, es proporcional al índice de cambio del flujo. Por definición de acuerdo al sistema internacional de unidades (SIU), cuando el flujo dentro de la espira varia en 1 weber por segundo , se induce un voltaje de 1 volt entre sus terminales .En consecuencia , si un flujo varia dentro de una bobina de N espiras , el voltaje inducido se da por la expresión.
𝐸𝐸 =
Δ𝜙𝜙 Δ𝑡𝑡
E= Voltaje inducido en volts N= Numero de espiras de la bobina ΔΦ= Cambio del flujo dentro de la espira o bobina (weber) Δt= Intervalo de tiempo durante el cual el flujo cambia (S)
3
La Ley de Faraday, establece las bases para las aplicaciones practicas en el estudio de transformadores, generadores , motores de corriente alterna. 2.1.6 VOLTAJE INDUCIDO EN UN CONDUCTOR En algunos motores y generadores, los conductores o bobinas se mueven con respecto a un flujo constante movimiento rotativo, produce un cambio en el eslabonamiento de flujo de las bobinas y , en consecuencia , un voltaje inducido de acuerdo con la ley de Faraday .Sin embargo ,en este caso especial (aunque común), es mas fácil calcular el voltaje inducido en base a los conductores , que hacer referencia a las bobinas mismas. En efecto, siempre que un conductor corte un campo magnético, se induce un voltaje entre sus terminales .El valor inducido esta dado por la expresión:
Donde
𝐸𝐸 = 𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵
E= voltaje inducido (en volts) B= Densidad de flujo (Telsa) L = Longitud activa de los conductores en el campo magnético (m) V= velocidad relativa del conductor (m/s)
Ejemplo Los conductores de un generador eléctrico grande, tiene una longitud de 1.5m son cortados por un campo de 0.75 Teslas y se mueven a una velocidad de 100m/s .Calcular el voltaje inducido en cada conductor
4
Solución De acuerdo con la expresión 𝐸𝐸 = 𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵
E= 0.75 x1.5 x 100 = 112.5 volts
2.1.7 EL FUNCIONAMIENTO BÁSICO DEL MOTOR AC Un motor de CA tiene dos partes eléctricas básicas: un " estator " y un " rotor " como se muestra en la figura.
El estator es el componente eléctrico estacionario. Consiste en un grupo de electro-imánes individuales colocados de tal manera que forman un cilindro hueco, con un polo de cada imán frente al centro del grupo. El término, estator, "se deriva de la palabra estacionario”. El estator es entonces la parte estacionaria del motor. El rotor es el componente eléctrico que gira. También consiste en un grupo de electro-imanes colocado alrededor de un cilindro, con los polos frente a los polos del estator. El rotor, obviamente, se localiza dentro del estator y está montado en el árbol o eje del motor. El término " rotor " se deriva del palabra rodar. El rotor es entonces la parte rotativa del motor. El objetivo de estos componentes del motor es hacer que el rotor gire, lo que a su vez rodará el árbol de motor. Esta rotación ocurrirá debido al fenómeno magnético conocido que los polos magnéticos diferentes se atraen entre si y los polos iguales se repelen.. Si nosotros cambiamos progresivamente la polaridad del estator de tal manera que su campo magnético combinado gira, entonces el rotor seguirá y rodará con el campo magnético del estator. Este " campo magnético rotativo del estator pueden entenderse bien observando que los polos del estator cambian debido al cambio de polaridad de las fases del voltaje trifásico aplicado. Cuando sucede un cambio, los polos del rotor son atraídos por los polos opuestos en el estator. Así, cuando el campo magnético del estator gira, el rotor es obligado a girar tras él. 5
Bobinas estacionarias alimentadas por corrientes trifásicas producen un campo magnético giratorio Para producir un campo magnético giratorio en el estator de un motor de CA de tres-fases, todo lo que se necesita es bobinar adecuadamente el estator y conectarlo al suministro de potencia trifásica. La polaridad de los polos de un electro-imán es determinada por la dirección de la corriente a través de la bobina. Por consiguiente, si se enrollan dos electro-imanes del estator opuestos en la misma dirección, la polaridad de los polos debe estar opuesta. En este punto no se ha dicho mucho sobre el rotor. En los ejemplos anteriores, se ha supuesto que los polos del rotor se enrollaron con bobinas, así como los polos del estator, y se alimentaron con DC para crear los polos de polaridad fijos. Esto, es a propósito, exactamente cómo trabaja un motor sincrono. Sin embargo, la mayoría de motores de CA usándose hoy día no son motores síncronos. En cambio, son los motores llamados de inducción, los caballos de batalla de la industria. No existe ningún suministro de poder externa hacia el rotor. Como usted podría imaginar del nombre del motor, se usa una técnica de inducción. La inducción es otra característica del magnetismo. Es un fenómeno natural que ocurre cuando conductores (las barras de aluminio en el caso de un rotor, se mueven a través de un campo magnético existente o cuando un campo magnético se mueve pasado un conductor. En cualquier caso, el movimiento relativo de los dos produce una corriente eléctrica que circula en el conductor. Esto es llamado " corriente inducida ". En otras palabras, en un motor de inducción la corriente real en el rotor no es causada por cualquier conexión directa de los conductores a una fuente de voltaje, sino por la influencia de los conductores del rotor que cortan las líneas de flujo producida por los campos magnéticos del estator. La corriente inducida que se produce en el rotor produce un campo magnético alrededor de los conductores del rotor. Este campo magnético alrededor de cada conductor del rotor producirá que cada conductor actué como un imán permanente. Cuando el campo magnético del estator gira, debido al efecto de las tres-fases de CA, el campo magnético inducido del rotor se atraerá y seguirá la rotación. El rotor se conecta al árbol de motor, asi que el árbol rodará y manejará la carga conectada al motor. En los motores asíncronos el campo giratorio lo produce un sistema de C.A. trifásica, cuya velocidad de giro dependerá de la frecuencia de las corrientes y del número de pares de polos de que conste el motor:
VELOCIDAD DE SINCRONISMO
6
ns =
120. f p
En la figura de la izquierda puede verse el bobinado de una máquina de un sólo par de polos. Cada ciclo de red el campo magnético giratorio da una vuelta completa. Para una frecuencia de la red de 60 Hz, el campo da 60 vueltas por segundo, esto es, 3600 r.p.m.
A la derecha puede verse el bobinado de una máquina de dos pares de polos ( 4 polos ). Cada ciclo de red el campo magnético giratorio da media vuelta. Para una frecuencia de la red de 60 Hz, el campo da 60/2 vueltas por segundo, esto es, 1800 r.p.m.
Como puede deducirse de la fórmula, la velocidad de sincronismo, velocidad con la que gira el campo magnético, será submúltiplo de 60· f, es decir de 60x50 = 3000 r.p.m. En Europa, ya que la frecuencia de la red es de 50 Hz. Para un número de pares de polos diferente de la unidad (siempre un número entero) surgirán velocidades inferiores. Velocidad para una frecuencia de 60 Hz Pares de Polos
Polos
R.p.m.
1
2
3600
2
4
1800
3
6
1200
4
8
900
5
10
720
6
12
600
7
ESTATOR Parte fija del motor formada por paquetes de chapa magnética que alojan en ranuras a las bobinas que van a crear el campo magnético giratorio. Estas bobinas pueden estar conectadas en estrella o en triángulo. Por ejemplo un motor de 380/220 V se podrá conectar a una red de 380 V en estrella o a otra de 220 V en triángulo. En cualquier caso cada bobina estará a la tensión de fase de 220 V.
Estator con bobinas colocadas en las ranuras Las bobinas del estator pueden conectarse en estrella, como en triangulo, dependiendo del voltaje de alimentación. Como se muestra en el siguiente diagrama:
8
ROTOR
2.1.8 Rotor laminado jaula de ardilla mostrando las barras de aluminio y los anillos de corto circuito
El rotor es la parte del motor que va a girar y que está formada por paquetes de chapa magnética de forma cilíndrica en torno a un eje, con ranuras en las que se alojan conductores de aluminio cortocircuitados en sus extremos por medio de anillos (Jaula de ardilla). El rotor por sí mismo no tiene un numero de polos, sino que adopta el numero de polos inducidos por las bobinas del estator. DESLIZAMIENTO: El rotor nunca girará a la velocidad de sincronismo, ya que si iguala la velocidad de giro del campo del estator, las líneas de fuerza no cortarían a los conductores y no se generarían f.e.m., ni corrientes, ni par para mantener el movimiento.
Se llama deslizamiento a la diferencia entre la velocidad a la que gira el rotor y la velocidad de sincronismo, normalmente dada en % de la de sincronismo. 2.1.9 Datos de Placa de los Motores trifásicos. Muchas personas saben el significado de “HP” y "Voltios" cuando lo leen en la placa de un motor. Nos gustaría, ayudarle a entender las otras partes de la placa de datos que no son tan comunes para comprender la información completa suministrada por el fabricante.
9
La Asociación Nacional de Fabricante Eléctrico (NEMA) especifica que cada placa de motor debe mostrar estos datos específicos: El Nombre de fabricante; Los voltios nominales y los amperios de plena carga; La frecuencia nominal y el número de fases; La velocidad nominal de plena carga; elevación nominal de temperatura y la clase de sistema de aislamiento; La valuación de tiempo; Los caballos de fuerza nominales; El código de letra indicando el rotor bloqueado, El Factor de servicio; La eficiencia; El tamaño de carcasa; y Código del diseño. Más información adicional normalmente aparecerá en la mayoría de las placas de motor. El Nombre de fabricaciones es por sí mismo explicativo, Los Voltios nominales Y los Amperios de Plena Carga. Generalmente un motor operará a una variedad de voltajes de la línea, siendo más común 220 y 440V. Estos motores operarán según los límites de NEMA al voltaje nominal. El voltaje de la línea fluctuará debido a una variedad de factores. Por consiguiente, cada motor debe diseñarse para manejar éstas variaciones de voltaje. Los motores pueden resistir variaciones de voltaje de mas o menos 10%, así para un motor de 230 Voltios pudiera operar entre aproximadamente 207 a 253 voltios. En estos extremos, ningún motor correrá a su funcionamiento optimo pero resistirá estas condiciones. La Frecuencia nominal es la frecuencia para la cual el motor se diseña y se representa por Hertz (ciclos por segundo). Se usa 60 Hertz a lo largo de los Estados Unidos, Canadá, y otras partes del mundo mientras 50 Hertz es la norma en el resto del mundo. Los motores pueden tolerar una desviación de frecuencia de mas o menos 5%. La mayoría de los motores es trifásico debido a la efectividad - costo. Las RPM (las Revoluciones Por Minuto) de un motor es la velocidad a que el motor rodará al voltaje nominal y frecuencia nominal durante el torque de plena carga y no en vacío. Esta " velocidad de carga " plena normalmente variará entre 87% y 99% de velocidad síncrona que depende del diseño . Esta diferencia es conocida como el deslizamiento S. La velocidad síncrona es la velocidad teórica de un motor basada en el campo magnético giratorio. Esta es determinada por lo siguiente: S =(120 x F)/P S = velocidad in RPM F = frecuencia in hertz P = # de polos en el motor O, si usted sabe el número de polos en su motor, usted puede determinar la velocidad por la tabla siguiente: Numero de Polos
Velocidad Sincrona
Velocidad Real
2
3600
3450
4 6 8
1800 1200 900
1725 1140 850 10
LOS MOTORES ELECTRICOS Se tiene de que cuando se habla de motores eléctricos, se está haciendo referencia a grandes motores empleados principalmente en la industria entonces, de acuerdo al conocimiento que se tiene de ellos por el tipo de corriente con la que operan, se piensa que la mayoría consume corriente alterna . Si se consideran las múltiples aplicaciones que tienen los motores eléctricos, tanto en el hogar, como en la oficina y distintas áreas de la industria, se encontrara que los motores de corriente directa se utilizan, con pequeñas potencias , en gran variedad de casos, por ejemplo en : juguetes, aparatos del hogar(licuadoras, batidoras, extractores. Etc.)Equipos de oficina (maquinas de escribir, impresoras de carro, fotocopiadora, etc.) En robótica se encuentran también un número importante de aplicaciones. Otros usos, se tienen el de la medicina y equipos dentales. Esto hace que el concepto de grandes motores este cambiando debido al continuo crecimiento en la producción de pequeños motores.
En general, se puede establecer que en nuestra vida diaria usamos motores eléctricos, grandes y pequeños, los cuales se deben de fabricar en gran cantidad . Los motores están constituidos por dos partes principales A-) El estator (parte estacionaria) B-) El rotor (parte rotatoria ) El diseño y fabricación de estos componentes depende de la clasificación y esta relacionado con las características del motor .Los motores eléctricos operan bajo el principio de que un conductor colocado dentro de un campo magnético experimenta una fuerza cuando una corriente circula por el mismo
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F= Fuerza en newtons I= corriente en amperes L= Longitud del conductor , en metros B= Flujo magnético (weber /m2) En general , el rotor de un motor eléctrico queda dentro del campo magnético creado por el estator .Se induce una corriente dentro del rotor y la fuerza resultante (y por lo tanto el par ) produce la rotación.
2.2.1 POTENCIA Y PAR DE UN MOTOR ELECTRICO La potencia mecánica de los motores se expresa, ya sea en caballos de fuerza (HP) o Kilowatts. La relación entre estas cantidades se da por medio de la expresión: 𝐻𝐻𝐻𝐻 =
𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 0.746
Estas medidas cuantifican la cantidad de trabajo que un motor es capaz de desarrollar en un periodo especifico de tiempo. Dos factores importantes que determinan la potencia mecánica de salida en los motores son: el par y la velocidad El par es una medida de la fuerza que tiende a producir rotación. Se mide en libras-pie o Newton-metro .La velocidad del motor se establece comúnmente en revoluciones por minuto (RPM) la relación entre la potencia , el par y la velocidad se da con la expresión : 𝐻𝐻𝐻𝐻 =
𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 (𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅)𝑥𝑥 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 (𝐿𝐿𝐿𝐿 − 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃) 5252
Entonces se observa que a menor velocidad de operación del motor, es mayor el par que debe de desarrollar para entregar la misma potencia de salida para soportar un par grande .Los motores de baja velocidad necesitan componentes más robustas que aquellas que operan a alta velocidad para la misma potencia nominal :
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Los motores lentos son generalmente mas grandes , pesados y mas caros que los motores de altas revoluciones , para una potencia equivalente 2.2.2 CARACTERISTICA PAR-VELOCIDAD DE LOS MOTORES La cantidad del par producido por un motor varía generalmente con la velocidad. Las características par velocidad dependen del tipo y diseño de un motor. Se muestran frecuentemente con una grafica como la mostrada en la figura:
Algunos factores importantes indicados por la grafica son los siguientes: a) PAR DE ARRANQUE .Es el par producido a velocidad cero. b) PAR DE LEVANTAMIENTO. El mínimo par producido durante la aceleración del reposo a la velocidad de operación. c) PAR DE RUPTURA. El máximo par en el motor puede producir antes de la caída. 2.2.3LOS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA(C.A ) Una característica común de todos los motores de C.A. es un campo magnético rotatorio producido por el devanado del estator .Este concepto puede ser ilustrado para los motores trifásicos , considerando tres bobinas localizadas a 120º, cada bobina esta conectada a una fase de una alimentación trifásica.
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La corriente a través de cada bobina varia senoidalmente con el tiempo desfasada 120º con respecto a las otras bobinas .Esto significa que la corriente en la bobina B estará retrasada 1/3 de periodo con respecto a A y la corriente en la bobina C estará retrasada 1/3 de un periodo con respecto a B
Refiriéndose al diagrama En el tiempo 0, la corriente en la bobina A es un máximo , mientras las corrientes en las bobinas b y c están a la mitad de sus máximos valores y negativas. Los campos magnéticos se suman para producir un campo neto en la dirección de A, con una intensidad 1.5 veces mayor que la bobina A actúara sola
En el tiempo 1, la corriente en la bobina B es un máximo, mientras que las corrientes en A y C son la mitad de sus máximos valores y negativas. El campo magnético es 1.5 veces mayor en magnitud y en la dirección del campo con respecto a la bobina B. En el tiempo 2, el campo está en la dirección de C. 2.2.4 MOTORES DE JAULA DE ARDILLA El rotor de un motor con jaula de ardilla esta hecho de barras conductoras que están en paralelo con el eje y en corto circuito por medio de unos anillos en los extremos, en los que se soportan físicamente. El tamaño de la barra, su forma y resistencia influyen en forma significativa en las características parvelocidad. 14
De acuerdo a sus características par-velocidad, los motores de jaula de ardilla se diseñan en los tipos A, B, C y D, como se muestra en la siguiente figura. El diseño tipo B es el más común y cubre la mayoría de las aplicaciones de los motores.
El Factor de Servicio del motor (SF) El Factor de Servicio de motor (SF) es un factor que cuando se multiplica por los caballos de fuerza, nos da los caballos de fuerza permisibles de carga máxima que puede llevarse bajo las condiciones especificadas para el factor de servicio al voltaje y frecuencia nominales. Esto es práctico ya que da una estimación de los caballos de fuerza disponibles extra. Los inconvenientes al operar en el área de factor de servicio son que reducirá la velocidad de motor, eficiencia y el aumento la temperatura de motor. Esto afecta la vida útil del motor. Es por esta razón que usted no debe operar un motor continuamente en el rango de SF. Se establecieron los factores de servicio para los funcionamientos al voltaje nominal, frecuencia, condiciones de ambiente a nivel del mar.
2
La eficiencia. La eficiencia es la relación de la potencia de salida dividida por la potencia de entrada .La eficiencia es reducida por cualquier forma de calor, incluso la fricción, pérdidas en los bobinados, la pérdida del rotor, la pérdida del núcleo (el histéresis y corrientes de remolino), etc. El Tamaño de carcaza. El tamaño de la carcaza del motor se ha regularizado con un sistema uniforme de numeración. Este sistema se desarrolló por NEMA y los tamaños de carcaza específicos se han asignado a especificaciones estándar basadas en el encapsulado, caballos de fuerza y velocidad NEMA Letra de Diseño. Los cambios en los bobinados de motor y diseño del rotor alterarán las características de funcionamiento de los motores de inducción. Para obtener la uniformidad en la aplicación, NEMA ha designado diseños específicos de motores de propósito general especificando el troqué de rotor cerrado bloqueado, el troqué critico o máximo, deslizamiento, corrientes de arranque, y otros valores. NEMA designa las letras A, B, C, y D. NEMA Diseño A Son motores que tienen el torque de arranque normal, pero las corrientes de arranque altas. Esto es útil para las aplicaciones con cargas excesivas pesadas breves. Las maquinas de Inyección de moldeo es una aplicación buena para este tipo de motor. NEMA Diseño B son los más comunes. Ellos ofrecen torque de arranque normal combinado con un arranque con baja corriente. Estos motores tienen el torque de rotor bloqueado suficiente para arrancar una variedad amplia de aplicaciones industriales. NEMA Diseño C tienen el torque de arranque alto con las corrientes de arranque bajas. Ellos se diseñan para arrancar las cargas pesadas debido a su torque del rotor bloqueado alto y alto valor de deslizamiento. NEMA Diseño D tienen torque de arranque alto y baja corriente de arranque, sin embargo estos motores ofrecen deslizamiento alto. Esto reduce los picos de potencia en caso de aparecer, mientras aumentara el deslizamiento El Tipo de encapsulado. Se proporcionan los motores típicamente a prueba de goteo (ODP), el totalmente encerrado y enfriado por ventilador (TEFC), prueba de la explosión (EXP), el totalmente encerrado a prueba de químicos (TENV),
Los Números de Identificación de fabricante. El modelo, fecha, & el número de serie se proporcionan para ayudar en la identificación. Los Números de los rodamientos. Los números de los rodamientos son incluidos si se necesitan reemplazos.
Los Diagramas de conexión. Este diagrama es una ayuda a un electricista calificado en la instalación eléctrica de un motor. 3
Conexión de motores de 9 terminales 2 voltajes con conexión interna ya conectado solo en estrella o solo en delta.
La conexión mas común es estrella .así, para bajo voltaje queda conectado en estrella paralelo (Y Y) y para alto voltaje en estrella serie ( Y ).
El que viene en delta, para bajo voltaje conexión en delta paralelo ( 2 2 ), para alto voltaje delta serie ( 2 )
A continuación se presentan las conexiones mencionadas anteriormente, y borneras.
que se realizan en las
2.2.5 Motor asíncrono de rotor bobinado o de anillos rozantes El principio del motor de inducción de anillos deslizantes y sus características del torque / velocidad a carga plena son las mismas que las del motor de jaula de ardilla normal pero el rotor es bobinado con alambre 4
de cobre. Se toman los bobinados del rotor a resistencias externas usando anillos deslizantes con carbono normalmente montados en el extremo del árbol del rotor. Las resistencias externas pueden hacerse del alambre especial similar a los calentadores de gran potencia o incluso pueden ser una solución salina.
El motor de rotor bobinado o de anillos deslizantes es similar al motor trifásico jaula de ardilla, su estator contiene los bobinados que generan el campo magnético giratorio.
Rotor Bobinado
Ahora, en el rotor se han sustituido las barras de aluminio por bobinas de alambre de cobre que están conectadas a los anillos deslizantes par conectar resistores externos y controlar la corriente de arranque. El objetivo del diseño del motor de anillos deslizantes es eliminar la corriente excesivamente alta del arranque y el troqué elevado asociado con el motor de jaula de ardilla. Cuando el motor se arranca un voltaje es inducido en el rotor, con la resistencia agregada de la resistencia externa la corriente del rotor y por lo tanto el troqué pueden controlarse fácilmente. 5
La resistencia es lentamente reducida durante la aceleración de los motores, cuando el motor alcanza su velocidad nominal las resistencias se ponen en cortocircuito
2
UNIDAD III - MOTOR MONOFASICO Los motores monofásicos, como su propio nombre indica son motores con un solo devanado en el estator, que es el devanado inductor. Prácticamente todas las realizaciones de este tipo de motores son con el rotor en jaula de ardilla. Suelen tener potencias menores de 1KW, aunque hay notables excepciones como los motores de los aires acondicionados con potencias superiores a 10KW. Se utilizan fundamentalmente en electrodomésticos, bombas y ventiladores de pequeña potencia, pequeñas máquinas-herramientas, en los mencionados equipos de aire acondicionado, etc. Se pueden alimentar entre una fase y el neutro o entre dos fases. No presentan los problemas de excesiva corriente de arranque como en el caso de los motores trifásicos de gran potencia, debido a su pequeña potencia, por tanto todos ellos utilizan el arranque directo. Presentan los siguientes inconvenientes: • Se caracterizan por sufrir vibraciones debido a que la potencia instantánea absorbida por cargas monofásicas es pulsante de frecuencia doble que la de la red de alimentación. • "No arrancan solos" debido a que el par de arranque es cero. Los sistemas ideados para el arranque de los motores asíncronos monofásicos se basan por tanto en provocar un desequilibrio entre los pares antagonistas que generan ambos campos magnéticos. Las principales realizaciones se basan en cambiar, al menos durante el arranque, el motor monofásico por un bifásico (que "arranca sólo"). Un motor bifásico tiene dos devanados en el estator, desplazados π/(2·P). Las principales realizaciones de motores monofásicos utilizando esta técnica son: 1. Motores de arranque por condensador 2. Motores de fase partida
3
3.1.1MOTORES DE INDUCCIÓN
GENERALIDADES Llevan un estator en cuyo paquete de chapas van alojados dos ramales de arrollamiento. Para el rotor se utilizan rotores de jaula.
El ramal principal, que suele denominarse arrollamiento principal, va colocado en dos tercios de las ranuras del estator y sus conexiones llevan las designaciones (U1, U2). El arrollamiento auxiliar (ramal auxiliar Z1, Z2) va alojado en el tercio restante de las ranuras, desfasado en el espacio 90º.
Para que se produzca un campo giratorio en el estator es condición necesaria que haya un decalaje en el tiempo entre la corriente del arrollamiento auxiliar y la corriente del arrollamiento principal.
U1 – u2 arrollamiento principal Z1 – z2 arrollamiento auxiliar
Los campos alternos que se producen en el arrollamiento principal y en el arrollamiento secundario están entonces decalados entre sí en el espacio y en el tiempo, y forman un campo giratorio común. Ese campo giratorio permite el auto arranque.
4
Lo s motores monofásicos de inducción pueden arrancar solos.
La velocidad del campo giratorio viene dada, igual que En los motores trifásicos, por el número de polos y por la frecuencia de red (50Hz)
El desfase entre las corrientes del arrollamiento principal Y del
arrollamiento secundario se consigue mediante
El efecto de una capacidad, de una resistencia activa o Por la mayor inductividad del arrollamiento auxiliar. Los campos giratorios que se crean tienen forma elíptica. Si se intercala una capacidad, una resistencia activa o una inductividad en el arrollamiento auxiliar de los motores de inducción monofásicos, se obtiene un campo giratorio. Los motores monofásicos con inductividad se utilizan poco por su reducido par de arranque. 3.1.2 MOTORES DE FASE PARTIDA HISTORIA Fueron estos los primeros motores monofásicos usados en la industria y aun perduran. Se usan en maquinas, bombas, ventiladores, lavadoras y una gran cantidad de otras aplicaciones. Se fabrican en potencias de 1/30 (25 W) a 1/2 HP (373W)
2
El motor de fase partida tiene dos grupos de devanados, el de trabajo y el de arranque, ambos bobinados se conectan en paralelo y la tensión de la red se aplica a ambos. El devanado de trabajo es de alambre mas grueso y de más espiras y se aloja en la parte superior de las ranuras del estator y el bobinado de arranque de menos vueltas y alambre mas fino se instala en la parte inferior o externa del estator.
Desplazamiento de los devanados y operación Para motores de dos polos fase partida EL ARRANQUE Una de las partes más importante de este tipo de motor es el mecanismo de arranque. En los monofásicos se utiliza uno especial a base de un interruptor centrifugo que desconecta el devanado de arranque de la red cuando el motor alcanza el 75-80 % de su velocidad quedando conectado solo el bobinado de trabajo. El interruptor está conectado en serie con el devanado de arranque por lo que al abrirse lo desconecta. Si el interruptor centrífugo se encuentra abierto en el momento del arranque la corriente del bobinado de trabajo se eleva debido a la falta de giro del motor. Esto es comparable a un transformador al que le hemos hecho un cortocircuito en el bobinado secundario. En este caso el secundario en el motor esta representado por el bobinado del rotor que en este caso (jaula de ardilla) es prácticamente un cortocircuito.
1
3.1.3 MOTOR DE ARRANQUE POR CAPACITOR
GENERALIDADES Y PARTES DE QUE CONSTA Este motor es similar al de fase partida es su construcción excepto en que se conecta un capacitor en serie en el bobinado de arranque. Se trata de motores asíncronos monofásicos que en el momento del arranque son bifásicos. Tienen por tanto dos devanados en el inductor (que siempre está en el estator) desplazados π/(2·P). Estos devanados son: - El devanado principal, así denominado porque es el que recibe energía durante todo el tiempo en el que el motor está funcionando - El devanado auxiliar, de características idénticas al principal, pero al que se le ha Añadido un condensador en serie, que es el que permite conseguir el desfase suficiente entre las dos corrientes. Se denomina devanado auxiliar porque sólo recibe energía eléctrica en el momento del arranque, ya que posteriormente, dicho devanado se desconecta por la acción de un interruptor centrífugo. En la mayor parte de los motores monofásicos de arranque por condensador, el motor arranca como bifásico, pero cuando se alcanza una velocidad, de aproximadamente el 75% de la velocidad de sincronismo, se abre el interruptor centrífugo, funcionando a partir de ese momento como un motor monofásico propiamente dicho. En otras ocasiones, y para evitar problemas de mantenimiento, el motor es realmente bifásico, y no está provisto del mencionado interruptor.
2
FUNCIONAMIENTO La corriente que es liberada por el capacitor durante el arranque hace que el par de arranque de estos motores sea dos veces mayor que uno de fase partida sin capacitor
El par de arranque de un motor de fase partida con capacitor es producido por un campo magnético giratorio dentro del motor. Este campo relocaliza el devanado de arranque 90 grados eléctricos desfasados con respecto al bobinado de trabajo, lo que hace que la corriente en el devanado de arranque se adelante a la del devanado de trabajo.
devanado del rotor efectuando la rotación.
Imagen real de un motor monofásico con condensador
Esta condición produce un campo magnético giratorio en el estator, el cual a su vez induce una corriente en el
3
3.1.4 MOTOR DE CAPACITOR PERMANENTE
CARACTERÍSTICAS En estos motores el devanado de trabajo y arranque tienen un capacitor en serie.
Este método evita el uso de interruptor de arranque pero el par es menor en el arranque y el trabajo.
2
UNIDAD IV- MAQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA 4.1.1Los motores DC
Los motores DC se han utilizado hace tiempo en las aplicaciones industriales debido a que producen un control muy preciso de velocidad, pueden ser usados en transportadores, elevadores, extrusoras, manejo de materiales y en aplicaciones textiles o de aceros.
Motores de Corriente Continua
Los motores de DC son construidos de algunos de los principales componentes que incluyen lo siguiente:
•
Carcasa o soporte
•
El Árbol o eje
•
Los baleros o rodamientos 3
•
Los Bobinados del Campo Principales ( Estator)
•
La Armadura (el Rotor)
•
El Conmutador
•
Ensamble de carbones
De estos componentes, es importante entender las características eléctricas de los bobinados del campo principales, conocido como el estator, y los bobinados rotatorios, conocido como la armadura. Una comprensión de estos dos componentes ayudará con la comprensión de varias funciones de un motor de DC. Construcción básica La relación de los componentes eléctricos de un motor de DC es mostrado en la ilustración siguiente.
Los bobinados del campo están montados en las piezas polares para formar los electroimanes. En los motores de DC más pequeños el campo puede ser un imán permanente. Sin embargo, en los campos de DC más grandes el campo es típicamente un electroimán. Se fijan los bobinados del campo y piezas del polo al marco. Rotor y Estator de una Maquina de Corriente continua La armadura se inserta entre los bobinados del campo. La armadura se apoya en los baleros de los extremos. Se sostienen los Carbones contra el commutator.
2
Estator de una maquina de 2 polos en el campo
La armadura gira entre los polos de los bobinados del campo. La armadura es hecha de un árbol o eje, un núcleo, bobinados de la armadura, y un conmutador. Los bobinados de la armadura normalmente son colocados en las ranuras del núcleo.
Los carbones descansan sobre el conmutador para proporcionar el voltaje del suministro al motor. El motor de DC es mecánicamente complejo y puede causar los problemas en ciertos ambientes adversos. Por ejemplo, la suciedad en el conmutador puede inhibir de proporcionar el voltaje de alcanzar la armadura. Una cierta cantidad de cuidado se requiere al usar los motores de DC en ciertas aplicaciones industriales. Los corrosivos pueden dañar el conmutador. Además, la acción del fricción del carbón contra el conmutador causa chispas que pueden ser problemático en los ambientes arriesgados de explosiones.
Hay dos elementos eléctricos de un motor de DC, los bobinados del campo y la armadura. Los bobinados de la armadura son hecho de conductores gruesos que terminan en el conmutador. El voltaje DC se aplica a los bobinados de la armadura a través de carbones que montan en el conmutador. En motores DC pequeños, los imanes permanentes pueden usarse para el estator.
2
Sin embargo, en motores grandes usados en las aplicaciones industriales el estator es un electroimán. Cuando se aplica el voltaje a los bobinados del estator un electroimán con polos norte y sur se establecen. El resultante el campo magnético es estático (no-rotatorio). Para la simplicidad de explicación, los estatores se representarán por los imanes permanentes en las ilustraciones siguientes.
Un motor de DC gira como resultado de dos campos magnéticos que actúan recíprocamente entre sí. El primer campo es el campo principal que existe en los bobinados del stator. El segundo campo existe en la armadura. Siempre que los circula corriente a través de un conductor un campo magnético se genera alrededor del conductor.
En los motores a corriente continua, la energía eléctrica de una fuente continua es absorbida a través de las escobillas o carbones, al devanado (armadura rotor) en la cual circula una corriente I que, si existe un campo de excitación, actuando con este, produce un par motriz que hace girar el rotor.
Apenas el rotor entra en rotación, en la armadura se induce una f .c .e .m. Que depende del numero de giros y del flujo.
E =k n Φ
Y que es llamada fuerza contra electromotriz porque tiene la dirección opuesta a la corriente de armadura. Para mantener la corriente de armadura, la fuente debe mantener la tensión
V = E + I x Ra
Donde Ra es la resistencia de la armadura, de los polos auxiliares etc.
Notando que cuando el motor esta parado E = O, la corriente de arranque resulta
I = Va / Ra Y por lo tanto de valor elevado, dado que la resistencia Ra es muy pequeña; es evidente en este caso la necesidad de reducir este valor de corriente al arranque mediante un reóstato oportuno RA de arranque en serie a la armadura.
3
Después de que el motor haya sido arrancado, y el reóstato Ra excluido, se pueden verificar los funcionamientos siguientes:
- Motor al vacío La corriente de armadura tiene un valor modesto dado que el par motriz se debe solo a las pérdidas en el hierro y las de roce y ventilación: en este caso la tensión aplicada V es igual a la f.c.e.m. De esta forma a paridad de tensión aplicada V es cerca igual a la f.c.e.m.
- Motor a carga Cuando al motor resulta aplicado un par resistente (freno) se verifica una disminución y contemporáneamente una reducción de la f.c.e.m. E que así, a paridad de tensión aplicada V, produce un aumento de la corriente I de armadura. El numero de giros disminuye hasta que, al crecer de la corriente, nos resulta un par motriz igual al par resistente.
4.1.2 Funcionamiento de los motores de corriente continua El funcionamiento de un motor de continua puede explicarse con ayuda del modelo de maquina que ya conocemos
Fuerza de Torsión sobre una espira conductora dentro de un campo magnético
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Se aplica una tensión a las escobillas, con lo que circulara una corriente por la bobina. Si existe un campo excitador actuara una fuerza sobre la bobina recorrida por la corriente. La fuerza esta aplicada a una distancia r del eje de rotación, con lo que también aparecerá un par. Según la regia de la mano izquierda La bobina girara en el sentido indicado en la figura
Esquema simplificado de un motor de Continua.
En la posición horizontal no circula corriente por la bobina pues las escobillas o carbones se encuentran situadas sobre el aislante. Sin embargo, la espira conductora continuara girando por inercia. A continuación el colector invertirá el sentido de la corriente que circula por la espira .Por tanto, las corrientes que circulan por los conductores situados bajo los polos tendrán los mismos sentidos que antes, con lo que el par actuará siempre en el mismo sentido. Estos fenómenos se van repitiendo mientras exista una tensión aplicada a las escobillas.
El par M depende de la fuerza que actúa sobre los conductores recorridos por corriente. La fuerza puede calcularse con la fórmula F= B x I x L x z
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Estructura laminada del rotor de un motor DC
Rotor de un motor o generador de Continua
Laminado que forma el estator de una maquina DC. 6
Estator de una maquina DC se observa el núcleo laminado de chapas y las bobinas que forman el
campo estático
Masas polares del campo en el estator de una maquina de DC
4.1.3 Fuerza contraelectromotriz Corriente de inducido Cuando una bobina gira en un campo magnético aparecer en ella una fuerza electromotriz, de valor aproximadamente igual al de la tensión
En circuito abierto. La f.e.m. Depende de la inducción magnética B del campo y de la frecuencia de giro n . Esta fuerza electromotriz también se induce en el devanado de inducido del motor de corriente continua. Según la regia de la mano derecha tendrá un sentido opuesto al de la tensión L/g aplicada a la armadura, por lo que también se la denomina fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.). De ella depende la intensidad de la corriente de la armadura (inducido). Tenemos pues
Ia =
Ua −Uo Ra
Despejando podemos calcular la tensión en circuito abierto si conocemos la intensidad de la corriente que circula por el inducido
2
U o = U a − I a .Ra En el instante de conexión el rotor aun no gira, por lo que la fuerza contraelectromotriz será nula. Tenemos pues para la corriente de Arranque.
I A− a =
Ua Ra
Para que el rendimiento sea grande deberá ser pequeña la resistencia Ra del devanado de inducido. Con lo que la corriente de arranque Ia será muy intensa. Por tanto, será preciso limitarla mediante un reóstato de arranque. Por otro lado, la gran intensidad de la corriente de arranque da lugar a un gran par de arranque MA, con lo que la frecuencia de giro n crecerá muy rápidamente hasta alcanzar su valor de régimen Cuando el motor se carga disminuye su velocidad y, por tanto, la fuerza contraelectromotriz. Por consiguiente, la intensidad de inducido crecerá. La frecuencia de giro se irá reduciendo hasta que el aumento de la intensidad de inducido del motor provoque un momento de valor igual a! Par resistente de la maquina a impulsar.
Sentido y frecuencia de giro Según la regia de la mano izquierda el sentido de la fuerza que actúa sobre un conductor recorrido por una corriente y situado en un campo magnético depende de los sentidos del campo y la corriente. Esto significa en el caso del motor de continua que su sentido de giro depended del sentido de la corriente Ie que circula por el devanado de excitación (inductor) y del de la corriente Ia por el devanado de inducido Cuando se desee invertir el sentido de giro de los motores DC deberá invertirse el sentido de una de estas dos corrientes.
El sentido de giro de un motor de continua puede invertirse cambiando el sentido de la corriente que circula por el inducido o el de la que circula por el inductor. Cuando deba cambiarse frecuentemente el sentido de giro de un motor de corriente continua se invertirá el sentido de la corriente de Inducido (o armadura) , con lo que se evitan las elevadas tensiones que aparecen por autoinducción cuando se conmuta el devanado de excitación.
La frecuencia de giro de un motor de corriente continua puede gobernarse. Mediante la tensión del inducido o mediante la intensidad de la corriente de excitación. 2
Cuando aumenta la tensión, Ua aplicada al inducido también crecerá la intensidad de inducido Ia,, con lo que también aumentara el par Motor M y el rotor se moverá a mayor velocidad. Pero por otro lado también crecerá la fuerza contraelectromotriz uo, que hará disminuir la corriente de inducido /a,. La frecuencia de giro n crecerá hasta un valor tal que haga que la corriente de inducido Ia, tenga la intensidad de partida. De este modo presentará el motor el mismo par M que antes de variar la tensión. Razonamientos análogos nos permiten sacar la conclusión de que la frecuencia de giro n disminuirá cuando se reduzca la tensión Ua aplicada al inducido.
3
Estructura de una maquina de corriente continua con cuatro polos en el estator, mostrando los conductores en las ranuras del rotor
Cuando se reduce la intensidad de excitación Ie disminuye también la fuerza contraelectromotriz Uo. Con ello crecerán la corriente de inducido Ia y el par M. Por tanto el rotor girara a mayor velocidad. No obstante, esto provocara que aumente la fuerza contraelectromotriz uo y que se reduzca la intensidad de inducido Ia. Si suponemos que el par resistente es constante, la frecuencia de giro n del motor seguirá creciendo hasta que la corriente de inducido Ia haya alcanzado la intensidad que presentaba originariamente.
Razonando análogamente para un aumento de la intensidad de la corriente de excitación obtendríamos como resultado que la frecuencia De giro disminuiría. Es importante evitar el que la corriente de excitación se reduzca repentinamente en un salto de gran intensidad, pues en este caso la frecuencia de giro aumentaría excesivamente, o sea, que el motor se embalaría, con lo que podría estropearse.
Reacción del inducido La corriente que circula por el devanado de inducido da lugar a un campo transversal que afectará al campo principal. La zona neutra quedando desplazada un ángulo a en sentido contrario al de giro. Para evitar un aumento de las chispas en las escobillas deberán desplazarse estas en el sentido de giro del motor a una distancia adecuada para la carga correspondiente. No obstante, de este modo no se logra evitar el debilitamiento del campo principal. Para evitar los inconvenientes del desplazamiento de las escobillas pueden montarse polos auxiliares de conmutación, al igual que en las dinamos. Para grandes potencias y cuando los motores se carguen bruscamente se puede disponer además un devanado de compensación. Al igual que en las dinamos ambos tipos de devanado se conectan en serie con el del inducido para que al campo transversal se le opongan en todo momento campos magnéticos de igual valor y sentido opuesto. El sentido de la corriente en el devanado del polo de conmutación debe ser tal que a un polo principal en el estator de la maquina le siga en el sentido de giro uno auxiliar del mismo nombre.
Ejercicios 1. Qué misión tiene el conmutador en los motores de corriente continua?
2. Cómo se obtiene el par en los motores de continua?
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3. Porqué aparece una fuerza contraelectromotriz en los motores de continua? Que sentido tiene y de que magnitudes depende?
4. Por que tienen una gran intensidad las corrientes de arranque de los motores de continua? >Cómo se las puede limitar?
5. De que depende el sentido de giro de un motor de continua? ¿Cómo se Ie puede invertir el giro?
6 De qué magnitudes depende la frecuencia de giro de un motor de corriente continua?
7. Por qué aumenta la frecuencia de giro cuando se aumenta la tensión del devanado de inducido en un motor de corriente continua?
8. Por qué se embalan los motores de continua cuando se producen grandes descensos bruscos en la intensidad de la corriente de excitación?
9 Que consecuencia tiene la reacción de inducido en un motor de continua?
Conexiones — Comportamiento de régimen
El comportamiento de régimen de los motores de continua depende en gran manera del modo en que se conecten inductor e inducido.
4.1.4 Motor con excitación en derivación En el motor con excitación en derivación, también llamado motor shunt, el devanado del inducido y el de excitación se encuentran conectados en paralelo
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Motores de pequeño tamaño ( menos de 1 HP) tienen un campo estático con imanes permanentes
Por tanto, el devanado del inductor, o sea, el de excitación, esta sometido directamente a la tensión de la red, con lo que su campo magnético es prácticamente independiente de la frecuencia de giro y de la carga.
La frecuencia de giro n se reduce ligeramente cuando aumenta la carga es decir, el par resistente. En cambio la intensidad /g de la corriente de inducido crece cuando se carga el motor en derivación. La caída de tensión en la resistencia R. Del devanado de inducido también aumenta, con lo que disminuye la fuerza contraelectromotriz y como consecuencia también la frecuencia de giro.
El comportamiento de un motor con excitación en derivación se caracteriza por una ligera reducción de la frecuencia de giro n cuando aumenta la carga.
El rendimiento es relativamente bajo para cargas pequeñas, pues las pérdidas de excitación, que son constantes e independientes de la carga, se ponen claramente de manifiesto. La corriente de arranque i A es intensa, pues las resistencias de los devanados de inducido, auxiliar y de compensación son pequeñas.
Despreciando las resistencias de los devanados de compensación y de conmutación obtenemos la siguiente fórmula para la intensidad de La corriente de arranque:
I A = (V / Ra ) + Ie
1
La corriente de excitación Ie suele despreciarse a causa de su pequeña intensidad. El motor se pone en marcha mediante un reóstato de arranque
La frecuencia de giro n puede gobernarse mediante la tensión Ua aplicada al devanado del inducido o también variando la intensidad de la corriente de excitación Ie mediante el reóstato de campo (el superior en la La tensión aplicada al inducido puede variarse mediante el reóstato de arranque, siempre que éste este proyectado para funcionamiento en régimen permanente. E! Motor shunt se utiliza en todos aquellos casos en que sea precisa una frecuencia de giro uniforme, por ejemplo, para accionar maquinas / herramientas. 4.1.5 Motor de continua con excitación independiente
El devanado de excitación y el de inducido de un motor de continua con excitación independiente se alimentan mediante dos fuentes de Tensión diferentes , cuyas tensiones suelen ser también de valores distintos. Los motores de comente continua cuyo campo magnético se obtiene mediante imanes permanentes (por ejemplo, motores para limpiaparabrisas) deben considerarse también como motores con excitación independiente. Los motores con excitación independiente presentan un comportamiento de régimen análogo a los motores con excitación en derivación, o sea, que su frecuencia de giro es prácticamente constante e independiente de las variaciones de la carga. Su velocidad se puede gobernar mediante la tensión del devanado de armadura ( inducido) o también mediante la intensidad de la comente de excitación ( campo del estator). Los motores con excitación independiente se emplean cuando se desea poder gobernar la frecuencia de giro, para lo cual suele variarse la tensión del inducido. Esta suele venir suministrada por generadores de continua (convertidor Leonard) o por rectificadores gobernados por tiristores
Este es el tipo mas comun de motor DC en aplicaciones industriales de velocidad variable por medio de controles de velocidad electrónicos ( SCR)
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Los motores con excitación independiente se utilizan en aquellos casos en que haya de gobernarse la frecuencia de giro dentro de márgenes muy amplios y se precisen grandes potencias, por ejemplo, para accionar maquinas/ herramientas, excavadoras, trenes laminadores, etcétera.
4.1.6Motor con excitación en serie En el motor con excitación en serie, o simplemente motor serie, todos !Os devanados están conectados en serie, por lo que la corriente que circula por todos ellos es la misma. intensidad de la corriente de inducido Ia y también la de la corriente de excitación Ie, pues en el motor serie / = Ia = Ie. Al aumentar la intensidad de excitación Ie disminuye lafrecuencia de giro n . Cuando se reduce la carga aumenta fuertemente la frecuencia de giro.
En vacío la velocidad crece excesivamente. El motor se embala. Por Consiguiente, los motores con excitación en serie no deberán funcionar sin estar cargados. La frecuencia de giro n depende en gran manera de la carga. Cuando el motor se carga aumenta la
El par M es proporcional a la fuerza F aplicada al devanado de inducido, que a su vez depende de la inducción magnética B y de la intensidad Ia de la corriente que circula por el inducido, pues F = B • L • I • z. Por debajo de la saturación magnética la inducción B depende de la corriente /e del devanado del inductor. Como estas corrientes son iguales a la consumida, el par del motor serie será directamente proporcional al cuadrado de la intensidad I de la corriente del motor. Las resistencias de los devanados son muy pequeñas para que el rendimiento tome valores grandes. Por consiguiente la intensidad de Arranque del motor IA será muy grande pues
I A = V / Ri
El motor con excitación en serie presenta un gran par de arranque MA. 3
Un motor serie se caracteriza por presentar un gran par de arranque MA y por tener una frecuencia de giro n que depende mucho de la carga.
Los motores con excitación en serie deben ponerse en marcha a través de un reóstato de arranque para limitar la intensidad de su corriente de arranque
La frecuencia de giro n puede gobernarse mediante resistores en serie (dimensionados para el régimen permanente) o mediante rectificadores gobernados a tiristores. (SCR) También puede variarse la frecuencia de giro con un reóstato de campo conectado en paralelo con el devanado de excitación. Deberá evitarse que el motor se embale.
El motor serie se emplea para accionar grandes cargas, por ejemplo, vehículos, ascensores, motores de arranque para coches, etc., Gracias A su gran par de arranque MA.
4.1.7 Motor compound El motor compound reúne las propiedades de los motores serie y shunt, pues posee un devanado en serie y otro en paralelo
El motor compound presenta comportamientos de régimen diferentes según cómo se haya proyectado Un motor compound normal presenta un par de arranque MA ligeramente inferior al de un motor serie equivalente. Al cargarlo su frecuencia de giro n se reduce algo mas que en un motor shunt; en vacío no se embala.
Un motor proyectado como hipercompound presenta un comportamiento similar a un motor serie. En cambio un motor hipocompound se. Asemeja a un motor con excitación en derivación Por ser mas flexible su relación frecuencia de giro
Circuito de un motor compound. 2
/ par, encuentra su aplicación en el accionamiento de masas pesadas, por ejemplo,
para prensar, estampar, cizallar, etc.
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Ejercicios 1. ¿Cómo se comporta una maquina con excitación en derivación?
2. Al cargar un motor con excitación en derivación, ¿por qué se reduce ligeramente su frecuencia de giro?
3. Calcular la intensidad de la corriente de arranque de un motor shunt de características nominales: U = 200 V; I=5 A; Ra. = 1 Ω; Rw = 0,75 Ω; Re = 180 Ω; UV = 2 V
La tensión de la red vale 200 V. ¿Qué valor debe tener la resistencia de arranque para que la intensidad de la corriente de arranque no sobrepase el doble de la intensidad nominal?
4. En que se caracteriza el comportamiento de un motor con excitación en serie?
5. En los motores serie, Por que la frecuencia de giro depende fuertemente de la carga?
6. Por que presentan un gran par de arranque los motores serie?
7. Un motor serie con las siguientes características: U = 220 V; / = 12 A; R = 1,5 Ω; Re = 1.20 Ω Rw= 0,80 Ω
Se conecta a una red de tensión U = 215 V. Que resistencia debe tener el reóstato de arranque para que la corriente de arranque no Sobrepase una intensidad dos veces mayor que la nominal?
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8. ¿Cómo puede gobernarse la frecuencia de giro de los motores de continua?
9. ¿Cómo se comporta un motor compound cuando varia la carga?
10. Cuando se emplean motores serie, cuando motores shunt y cuando motores compound Para que se aplican los motores de con excitación independiente?
11 Un motor con excitación independiente se comporta como un motor shunt. ¿Por qué?
12. Describir la estructura y el funcionamiento de un grupo convertidor Leonard.
13 En los motores con excitación independiente suelen emplearse tensiones diferentes para el devanado de excitación y para el devanado de armadura. Porque ?
Los motores universales El motor Universal es el tipo más común de motor de alta velocidad encontrado En los aparatos y en las herramientas portátil operadas por AC.. Los usos típicos Incluyen aspiradora, las pulidoras del suelo, taladros eléctricos, las fresadoras, y Las máquinas de coser. Ellos probablemente serán encontrados en cualquier parte donde se requiera potencia media y alta velocidad o velocidad variable. Note que El funcionamiento suave no es un rasgo de estos motores. Por consiguiente, no se encuentran en equipo electrónico.
La construcción consiste en un juego estacionario de bobinas y el núcleo magnético llamado “el estator” y un juego de bobinas montadas en el núcleo magnético llamado 'armadura. Incorporado en la armadura se encuentra un interruptor rodando llamado ' el conmutador'.
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La conexión a la armadura se realiza por medio de contactos carbones (o metal) llamados ' carbones qué
están montados en el marco del motor y presionan contra el conmutador. Técnicamente, éstos realmente son motores tipo serie de DC pero a través del uso de acero laminado el material del núcleo magnético, correrá en CA o DC - así el nombre universal.
El mando de velocidad de motores universales se logra fácilmente con el control basado en el thyristor similar para encender el dimmers de luz. Sin embargo, usando simplemente un dimmer de luz como un control de velocidad de motor no puede trabajar debido a las características inductivas de los motores universales.
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Estructura del núcleo laminado del campo del motor universal
El cambio de dirección de giro requiere intercambiar las dos conexiones entre el El stator y la armadura.
Este tipo de motor se encuentra en las batidoras, los mezcladores de comida, aspiradora, las máquinas coser, y muchas herramientas de poder portátiles.
Problemas con los motores universales Estos motores pueden fallar de varias maneras:
* Los bobinados abiertos - esto puede producir un bobinado recalentado, un motor totalmente muerto, falte de poder, o el chispeo excesivo.
* En cortocircuito los bobinados - esto puede producir corriente excesiva, el chispeo severo, la velocidad reducida a impulsos, y caliente. El protector térmico, fusible, o el protector de circuito abierto.
Probando de motores universales
Pruebe que el campo bobinado para la continuidad con un ohmmeter. Un bobinado abierto esta defectuoso y requerirá reemplazo del ensamble del estator entero a menos que el daño puede localizarse. Compare la resistencia de los dos bobinados - ellos deben ser casi igual. Si no son, un cortocircuito en uno de los bobinados es probable. De nuevo, el reemplazo será necesario.
También pruebe para un cortocircuito al marco - esto debe leer infinidad. Si da más bajo que 1 M , el motor necesitará ser reemplazado a menos que usted puede localizar la falta. 5
Precaución: los motores de tipo serie pueden tomar altísimas velocidades si corre sin una carga de cualquier clase y una falla total puede resultar debido al desmontaje centrífugo de La armadura debido al exceso las fuerzas centrifugas. En otros términos, el rotor explota. Esto es Improbable con los motores pequeños pero es una idea generalmente prudente correrlos con la carga normal.
Resumen Las máquinas de corriente continua transforman la energía mecánica en energía eléctrica (de corriente continua), o viceversa, se las llama generadores o motores respectivamente. También estas máquinas están esencialmente constituidas por una parte fija, que produce el flujo de inducción, llamada inductor y otra parte giratoria, que contiene el arrollamiento en el cual se produce la f.e.m. Inducida (o contra f.e.m.), llamada inducido o armadura. La parte giratoria incluye el colector (rectificador u ondulador mecánico) componente esencial para el funcionamiento de la máquina. Son aplicables a estas máquinas las condiciones normales de servicio vistas en general para las máquinas rotantes. Si se trata de un generador de corriente continua la potencia nominal es la potencia en bornes expresada en watts (W), para un motor en cambio es la potencia entregada en el eje (también en W) en condiciones nominales. La tensión nominal es la tensión entre bornes de la máquina en condiciones de referencia definidas. Para generadores de corriente continua destinados a funcionar dentro de un rango pequeño de tensiones, la potencia nominal y la corriente nominal, salvo que se especifique lo contrario, se refieren a la máxima tensión. Para los motores en general con la tensión nominal el motor entrega la potencia nominal correspondiente a la velocidad denominada base, de referencia (más adelante se explica su significado). Los motores de corriente continua deben poder soportar para la máxima velocidad, con la plena excitación y su correspondiente tensión de armadura, una corriente igual a 1.5 veces la corriente nominal durante un tiempo no menor de 1 minuto. Salvo que se especifique lo contrario, se supone que la máquina no será sometida a este tipo de sobrecargas, más que durante unos pocos cortos períodos durante toda su vida.
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Para las máquinas de corriente continua se define una velocidad base, que corresponde a una condición de funcionamiento en la cual la máquina entrega potencia y par nominales. El modo más simple de regular la velocidad de un motor es variando la tensión de armadura debido a que la velocidad de un motor de corriente continua es directamente proporcional a ella. Aumentando la tensión de armadura y manteniendo el flujo, la velocidad del motor puede incrementarse continuamente desde el reposo hasta alcanzar la velocidad base. El par desarrollado permanece constante (a corriente de armadura constante), mientras no se varíe la corriente de campo y consecuentemente el flujo. Si se requiere incrementar la velocidad por arriba del valor base, se puede recurrir a la regulación del campo, es decir reducir la corriente de excitación. Generalmente el par desarrollado se reduce mientras la potencia, que es el producto del par por la velocidad, permanece constante, siendo este tipo de característica conveniente en algunos procesos industriales y para determinadas máquinas herramientas. En el funcionamiento por encima de la velocidad base existen límites mecánicos y eléctricos que no deben ser superados por problemas estructurales, o de conmutación. La principal razón del gran desarrollo de los motores de corriente continua es el control de la velocidad mediante SCR. En particular la alimentación mediante convertidores a tiristores, permite satisfacer varios requerimientos de regulación, como ser: Por las características de funcionamiento mencionadas, estas máquinas pueden estar sometidas a posibles sobre velocidades, razón por la cual deben diseñarse para estas exigencias y deben probarse que son capaces de soportarlas. La máquina de corriente continua debe poder funcionar desde vacío hasta alcanzar la sobrecarga o exceso de par correspondiente, sin presentar daños permanentes en la superficie del colector o de las escobillas y sin chisporroteos peligrosos.
.tomado de Http://www.sea.siemens.com/step/templates/lesson.mason?Dcd:2:1:2
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UNIDAD V - MAQUINA SINCRONA
La energía eléctrica se obtiene principalmente con maquinas síncronas. Según el tipo de corriente que se desea obtener se emplean generadores síncronos de corrientes trifásicas, también llamados alternadores trifásicos, o generadores síncronos de corriente monofásica, también llamados alternadores monofásicos.
Las maquinas síncronas pueden funcionar también como motores; sin embargo, el motor síncrono solo se aplica en accionamientos especiales. La denominaci6n maquina síncrona viene del hecho de que, al funcionar como motor el rotor de la maquina girará a la misma velocidad que el campo giratorio del estator, o sea, sincrónicamente.
5.1.1 Generador síncrono Funcionamiento Cuando se haga girar un campo magnético homogéneo con frecuencia de giro constante se inducirá en las bobinas del estator una tensión senoidal
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El campo magnético puede generarse mediante bobinas recorridas por corriente continua o mediante imanes permanentes.
El rotor es alimentado con un corriente DC por medio de anillos deslizantes.
Estas maquinas se denominan sincronas debido a que el rotor debe girar a una velocidad constante a fin de mantener la frecuencia del voltaje generado también constante.
En las maquinas de inductor móvil (o de polos) se obtiene el campo magnético mediante los polos del rotor, que en este caso es el inductor.
Generador síncrono monofásico (de inductor móvil e inducido fijo).
Estator y rotor de un alternador de baja velocidad 9
En el devanado del estator (inducido en este caso) se induce una tensión alterna, que será senoidal si la inducción magnética B en el entrehierro esta distribuida senoidalmente (campo no homogéneo) y el rotor gira con velocidad constante. Esta distribución senoidal de la inducción en el entrehierro se logra en las maquinas con ruedas polares dándoles una forma especial a las zapatas polares, y en las maquinas de rotor liso, también llamadas turboalternadores, , disponiendo los diferentes devanados del inductor rotórico de forma especial.
Rotor de alternador de baja velocidad
La frecuencia f de la tensión alterna inducida depende del numero de pares de polos p y de la frecuencia de giro n (f = p • n). Considerando esta cuestión desde el punto de vista opuesto podemos decir que para la frecuencia de la red f == 60 Hz la frecuencia de giro solo podrá tomar los siguientes valores: 3600 RPM, 1800 RPM, 1200 RPM, 900RPM Observe que al aumentar el numero de polos la velocidad del generador disminuye
En las maquinas de inductor móvil, cuando no se empleen imanes permanentes sino electroimanes, deberá suministrarse a través de anillos rozantes y escobillas de carbón la potencia de excitación necesaria para la creación del campo magnético en las bobinas del rotor. La mayoría de las maquinas sfncronas que se construyen son maquinas de inductor móvil, pues su potencia de excitación es Reducida.
Cuando la maquina de inductor móvil tenga en el estator tres bobinas desplazadas 120° entre sl se obtendrán corrientes trifásicas la conexión de las bobinas del estator se puede hacer en delta para bajo voltaje (alta corriente ) o en estrella para voltajes mas altos con menores corrientes
Si el rotor tuviera mas de dos pares de polos se deberá construir el estator con devanados polifásicos, igual que los motores asíncronos trifásicos. 1
Estator de un alternador de baja velocidad
Rotor de dos polos no salientes de un alternador sincrono
Rotor de seis polos salientes de un generador sincronico, mostrando los anillos rozantes
5.1.2 Comportamiento de régimen Estudiaremos el comportamiento de régimen en el experimento tomando como ejemplo un generador sfncrono, trifásico. El experimento nos muestra que la tensión en circuito abierto V depende de la 2
intensidad de la comente de excitación. La forma de la curva característica en circuito abierto es parecida a la de las curvas de imanación. (Incluso para una intensidad de excitación nula /e = 0 A se inducirá una tensión debida al magnetismo remanente en el hierro. Cuando empiece a aumentar la intensidad de excitación /g la tensión en circuito vacío abierto Vg crecerá rápidamente, y cuando aquella ya sea grande, los incrementos de la tensión serán muchos menores. La tensión en circuito abierto Vg depende de la inducción magnética B.
Curva Característica del Voltaje generado dependiente de la corriente de excitación del rotor
La relación existente entre la inducción magnética B y la intensidad del campo magnético H en los circuitos magnéticos con hierro se representa mediante las curvas de imanación, pues la permeabilidad ^ del hierro disminuye al aumentar La intensidad del campo .
Esta ultima es directamente proporcional a la intensidad de la corriente de excitación.
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Los bobinados del estator se conectan en estrella para un voltaje alto o en delta para un voltaje bajo pero mayor disponibilidad de corriente
Por ello, la tensión en circuito abierto crecerá linealmente al aumentar la intensidad de excitación mientras la permeabilidad p. Permanezca constante. Cuando esta disminuya, la tensión en circuito abierto aumentara relativamente poco aunque siga aumentando la intensidad de la corriente de excitación. El experimento nos enseña además que la tensión en los bornes V disminuye cuando se carga el generador con resistencias. Esto es debido a que la circulación de a corriente produce una caída de tensión en a impedancia interna del generador, que se compone de un resistor y una reactancia inductiva. Como la componente resistiva es mucho menor que la reactiva, en la practica se la suele despreciar. Cuando se carga el generador trifásico con reactancias inductivas la tensión en sus bornes descenderá considerablemente. Cuando la carga este constituida por condensadores, la tensión en bornes será mayor que la tensión en circuito abierto. Normalmente se suelen trazar diagramas vectoriales monofásicos con los valores correspondientes a una sola fase.
Conexión en paralelo de Alternadores AC
Realización • Se medirá la tensión en circuito abierto Vg en función de la intensidad de la corriente de excitación /g a la frecuencia de giro nominal n^ = 3600 r.p.m. • Se medirá la tensión en los bornes U en función de la intensidad de la corriente de carga /a la frecuencia de giro nominal n^ y a una intensidad de excitación /g = 2,4 A. Se calcular ^ la potencia aparente S a partir de los valores medidos. • Se medirá la tensión en los bornes U y la intensidad / que circule por una carga formada por tres condensadores conectados en estrella, y después, por tres bobinas conectadas también en estrella.
En las centrales eléctricas suelen montarse varios generadores para alimentar la red de suministro de energía. La cantidad de energía generada puede adaptarse a la demanda haciendo que en cada instante sólo funcionen el numero de generadores necesarios. Cuando aumenta la demanda de energía se ponen en Funcionamiento más generadores. Sin embargo, la conexión adicional en paralelo de un nuevo generador sólo puede realizarse una vez que:
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• La tensión en bornes V y la tensión de la red V coincidan. • La frecuencia del generador y la frecuencia de la red sean iguales. • Se tenga el mismo orden de sucesi6n de fases. • Se tenga el mismo desfase quo en la red.
Síncronoscopio con frecuencimetro doble y voltímetro diferencial.
La tensión en los bornes del generador V se mide con un voltímetro y se ajusta variando la intensidad de excitación Ie hasta que aquella coincida con la tensión de la red.
La frecuencia f se ajusta variando la frecuencia de giro del generador. Se la puede controlar con un frecuencimetro doble, instrumento que posee dos instrumentos de medida, uno para la red y otro para el generador. El orden de sucesión de las fases se controla con un indicador de campo giratorio y puede invertirse intercambiando los terminales de las líneas. El desfase se ajusta variando la frecuencia de giro, y puede controlarse con ayuda de una conexión a lámpara apagada, de una conexión a lámpara encendida, de una conexión por rotacion o de un sin cronoscopio .
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Método de lámpara apagada cuando L1 se apaga es posible la conexión paralela de los alternadores
Estos circuitos de sincronizaci6n sólo se emplean actualmente para potencias pequeñas y en laboratorios técnicos. En las centrales eléctricas de potencia se utilizan síncronoscopios para la sincronizaci6n a mano, aunque actualmente lo mas frecuente es que existan dispositivos de sincronización electrónicos totalmente automáticos. Que conectan los generadores adicionales automáticamente v están situados generalmente en centrales de distribuci6n de carga, exteriores a la central generadora. Después de la conexión en paralelo debe realizarse una distribuci6n de la carga, para lo cual se varan la intensidad de la corriente de excitación /„ del generador y la potencia de la maquina motriz. Si después de su conexión en paralelo se aumenta la potencia motriz del nuevo generador, este proporcionara potencia activa a la red de suministro de energía. Entonces el rotor se adelantara al campo giratorio que aparece en el estator del generador cargado (o, = —). El ángulo existente entre la posición del rotor y la de este campo giratorio, llamado ángulo de desfase o de deslizamiento interno i9, aumenta al crecer la potencia activa suministrada. La potencia activa suministrada por un generador síncrono se gobierna mediante la potencia motriz. Una variación de la intensidad de excitación /g tiene como consecuencia una variación de la potencia reactiva suministrada. Si después de añadir el generador a la red ya alimentada por otros generadores se aumenta la intensidad de excitación /g, el nuevo alternador suministrara una potencia reactivo-inductiva a la red. Si se redujera la intensidad /g, el generador tomaría potencia reactivo inductiva de la red.
La intensidad de la corriente de excitación la determina el valor y el signo de la potencia reactiva suministrada por el generador. 6
Los generadores síncronos suelen tener un devanado atenuador, para que la frecuencia de giro del rotor no sufra oscilaciones fuertes cuando se produzcan variaciones bruscas de la carga. Este devanado equivale al inducido en cortocircuito de los motores de rotor en jauja de ardilla.
5.1.3 Diferentes tipos industriales de generadores
Los generadores síncronos se fabrican pana potencias desde algunos VA hasta varios GVA. La potencia se indica en VA como eh los transformadores porque el factor de potencia cos Φ (factor de potencia) depende de la carga y la maquina esta dimensionada para una determinada intensidad de corriente y una determinada tensión. Los fabricantes generalmente especifican un P.F. de 0.8 como es típico de las cargas Las maquinas, ya sean mono o trifásicas, presentan una tensión nominal Va que es según el tipo de aplicaci6n al que vaya a destinarse, desde unos pocos voltios hasta 27 kv, y una frecuencia trifásica o bifásica entre 16 2/3 y 400 Hz. Las maquinas pequeñas poseen a veces rectificadores incorporados y suministran por tanto una tensión continua (dinamos trifásicas). Los generadores pueden impulsarse mediante turbinas a vapor, agua o gas, así como mediante motores de explosi6n o hélices.
El devanado del estator es igual en todos los generadores síncronos y se encuentra colocado en las ranuras del paquete de chapas estatoricas Los generadores de gran tamaño se refrigeran directamente mediante agua o gas. Los generadores de tamaño menor poseen devanados análogos a las maquinas asíncronas de igual tamaño
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Rotor de dos polos y estator de un turbogenerador de alta velocidad (rotor liso).
La construcción del rotor depende de la frecuencia de giro n de la maquina de impulsión, de la frecuencia f y de la potencia nominal S^ del generador. Los generadores de las centrales eléctricas de potencia para frecuencias de giro superiores a n = 1800 r.p.m., potencias de mas de 10 MVA y frecuencias de red de 60 Hz están sometidos a grandes esfuerzos mecánicos, por lo que posee un rotor de polos lisos (cilíndrico). Este tipo de maquinas se llaman también turbogeneradores. Por debajo del límite de potencia mencionado y para menores frecuencias de giro se utilizan rotores con polos salientes. También llamados ruedas polares. Las maquinas de rotación lenta (por ejemplo de las centrales hidroeléctricas) presentan un gran numero de polos. Las maquinas de pequeña potencia (por ejemplo, dinamos trifásicas) tienen rotores de polos intercalados o rotores con imanes permanentes. Para crear el campo magnético de todo generador se precisa una potencia de excitación que se genera mediante un generador de tamaño menor acoplado al eje principal (excitación propia).
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Partes de un generador AC con excitatriz
Puede ser o bien una excitatriz, o sea, un generador de continua auto excitado o, para potencias grandes, un generador (excitatriz principal) que recibe a su vez su propia corriente de excitación de un tercer generador de continua, también acoplado al eje principal y auto excitado (excitatriz auxiliar o piloto). En la actualidad ya no se emplean generadores de corriente continua como excitatriz principal de los generadores de gran tamaño sino generadores trifásicos de inducido móvil. Las corrientes trifásicas se inducen pues en el rotor, se rectifican mediante rectificadores montados directamente sobre el eje y se llevan directamente al devanado de excitación del generador principal . La excitatriz auxiliar tiene frecuentemente un rotor con imanes permanentes (magneto) . La corriente de excitación de la maquina principal se gobierna pues con la tensión de la excitatriz (principal), que puede variarse a su vez con ayuda de su corriente de excitación En las maquinas síncronas trifásica autorreguladas y sin escobillas la excitatriz trifásica se encuentra dispuesta directamente dentro del armazón del rotor. Un dispositivo regulador se encarga de que, cuando la maquina sea la única que alimente una red, la tensión en los bornes no varíe en mas del ±2% cuando oscile la carga de red.
El generador síncrono puede ser monofásico o trifásico, pero a partir de los 5 kw resulta más económico fabricar generadores trifásicos, igualmente a medida que aumenta el tamaño de la máquina el campo se encuentra en el rotor.
Un generador pequeño a condiciones nominales tiene baja eficiencia, por ejemplo un generador de 1 kw puede tener una eficiencia de 50 a 60%, mientras que uno de 10 MW puede tener una eficiencia de 90% y uno de 1000 MW puede alcanzar 99% de eficiencia.
Ejercicios sobre Alternadores AC 1. Citar las diferencias entre las maquinas de inductor móvil y las de inducido móvil. 2. Bajo qué condiciones se inducirán corrientes alternas trifásicas en los devanados de una maquina de inducido fijo e inductor móvil? 3. De que magnitudes depende la frecuencia de las corrientes trifásicas generadoras? 4.Que forma la tensión en circuito abierto de los generadores? 5.Como varia con la carga la tensión en los bornes de un generador, al variar la carga? 6. Bajo que condiciones pueden conectarse generadores trifásicos en paralelo? 7.Cómo se controla el desfase y el orden de sucesi6n de las fases antes de añadir en paralelo a la red un nuevo generador? 9
VOLTAJE GENERADO POR UN GENERADOR
Como se ha expuesto anteriormente, con estos dispositivos electromecánicos de conversión, podemos transformar energía en ambos sentidos (MECANICA-ELECTRICA). Esto ha sido aprovechado por el hombre para construir sus sistemas generadores, transmisores y consumidores de potencia, los cuales son la base del desarrollo y actividad mundial. La siguiente figura muestra a grandes rasgos un sistema de estos.
Sistema de generación, transmisión, distribución, y consumo de energía.
En la figura anterior apreciamos que se utiliza una fuente de energía mecánica para mover el generador eléctrico. Esta fuente de energía mecánica puede ser la turbina de una hidroeléctrica o estar movida por el vapor de agua de una caldera o reactor nuclear; también podemos quemar combustible fósil en un motor de combustión interna. El generador produce típicamente un nivel de 10 KV con grandes corrientes. Aquí termina la parte de "generación". 10 KV no es el nivel de voltaje adecuado para transmitir la energía eléctrica a grandes distancias, ya que las corrientes en las líneas serían muy grandes y las pérdidas I2R serían altísimas; por eso se eleva el voltaje a 400 KV y se reducen en 40 veces las corrientes, con lo que las pérdidas I2R disminuyen 1600 veces y el requerimiento del calibre del cable baja. Al llegar a los centros de consumo (ciudades, corredores industriales, etc.), debemos reducir el nivel de voltaje a valores más seguros para la población (típicamente 13.5 KV). La distribución es el paso anterior al consumo. Finalmente, la energía llega al hogar, industria, etc., con un nivel seguro de 110 V, 220 V, donde es consumida en iluminación, refrigeración, calefacción, motores, etc. Aquí cabe también dar mérito al transformador por su participación en el sistema, la cual eleva la eficiencia de dicho sistema, evitando pérdidas y aumentando la seguridad en el manejo de la energía.
Resumen El generador Ac de campo giratorio es el mas ampliamente utilizado. 10
En este tipo de generador la corriente directa desde una fuente separada se encuentra alimentando los bobinados del rotor por medio de carbones sobre anillos deslizantes. Esto mantiene un campo electromagnético rotativo con una polaridad fija (similar a una barra de imán).. El campo magnético giratorio, apunta hacia fuera y corta los devanados del estator que se encuentran en las ranuras del estator. Cuando gira el rotor, se inducen voltajes alternos en los bobinados ya que son cortados por los polos cambiantes debido a la rotación. Ya que la potencia de salida es obtenida de los bobinados estacionarios, la salida puede ser conectada a los terminales fijos de los bobinados. Los carbones y anillos deslizantes son adecuados para la alimentación del campo DC debido a que el nivel de potencia en el campo es mucho menor que el circuito de armadura.
5.1.4 Motores síncronos Funcionamiento Si se conecta el devanado del estator de una maquina stncrona trifásica a una red también trifásica aparecerá en la maquina un campo giratorio. Si se impulsa externamente el rotor en el sentido del campo giratorio el polo norte del campo arrastrara al polo sur del rotor y el sur Del campo, al norte del rotor. El rotor seguirá girando con la frecuencia de giro del campo que. Como ya sabemos, se calcula con la frecuencia y el numero de polos. Por tanto, el rotor girará sincrónicamente con el campo y la maquina trabajará como motor. Es otras palabras un motor sincrono es exactamente igual a un generador sincrono. Pero en lugar de obtener voltaje en los devanados del estator aplicamos un voltaje trifásico que formara un campo magnético giratorio. El rotor debe ser alimentado siempre con una fuente DC. El rotor se ve obligado entonces a seguir al campo giratorio a una velocidad de sincronismo establecida por el numero de polos y la frecuencia aplicada en el estator
Comportamiento de régimen Cuando se conecta el devanado del estator de una maquina síncrona trifásica y se impulsa el rotor con un motor de arranque el rotor continuará girando con la frecuencia de giro del campo. Las maquinas síncronas pequeñas poseen devanados auxiliares para que el motor pueda arrancar asincrónicamente. Estos devanados actuan entonces como e! Inducido en cortocircuito de un motor de rotor en jaula de ardilla. Cuando la frecuencia de giro sea suficientemente grande la maquina pasará a! Funcionamiento síncrono. Si se cortocircuita el devanado excitador la maquina podrá arrancar de! Modo que acabamos de describir, pues dicho devanado se comportara como un inducido en cortocircuito. Cuando se ha alcanzado una velocidad constante se elimina el puente de cortocircuito y se conecta !A excitación, con lo que la maquina tambien pasara a funcionar sincrónicamente. El motor síncrono no modifica su frecuencia de giro cuando la carga varia. Sin embargo, cuando esta aumente también aumentara el
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Ángulo de desfase interno (ángulo de carga), que es el formado por e! Rotor retrasado respecto al campo giratorio . Cuando se sobrepasa el par máximo o de desenganche del motor e! Rotor se para («cae fuera de fase»). La frecuencia de giro de los motores sí'ncronos no varia cuando fluctua !A carga. Cuando se sobrecargue el motor se desenganchará (perderá el sincronismo) y la frecuencia de giro se reducirá a n = 0. Motor sincrono corrector de fase El valor y el tipo de potencia reactiva que consume un motor síncrono de la red de suministro eléctrico puede gobernarse a través de la comente de excitación ie. Para una carga mecánica determinada M !A corriente de entrada i presenta una intensidad mínima para una determinada potencia de Excitación /,, para la cual se cumple que cos Φ = 1. Cuando se disminuye la intensidad de la corriente de excitacion /,, (subexcitacion) aumentara la intensidad / de la corriente de entrada al Motor, que tendrá pues una componente reactivo-inductiva. El instrumento para medir el factor de potencia indicará valores de cos Φ < 1 en la zona inductiva. Si aumentáramos la intensidad de excitación ie (sobreexcitación) también crecerá la intensidad de la corriente Do entrada i. No obstante esta presentará ahora una componente reactivo-capacitiva y el instrumento indicador de factor de potencia nos indicará también valores de cos Φ < 1,pero que se encontrarán en la zona capacitiva. El consumo de potencia reactiva de un motor síncrono puede gobernarse con la intensidad de excitación ie. El motor tomará Potencia reactivo-inductiva cuando este subexcitado y la cederá cuando este sobreexcitado.Por ello, para compensar la potencia reactiva y corregir pues el factor de potencia de una instalación, se utilizan en la practica motores sincronos en lugar de condensadores. El motor actúa como desfasador dinámico funcionando para ello sobreexcitado y frecuentemente, en vacio. Por esto se denominan también como capacitores rotativos.
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UNIDAD VI - CONTROL DE MOTORES INTRODUCCION El presente estudio de la asignatura de control de motores no pretende de ninguna manera abarcar todo este tema, ni mucho menos agotarlo, si no que el estudios básico de dispositivos, funcionamiento y diseño de esquemas de control automáticos por medio electromecánicos (contactor, temporizador, etc.). El tema de controles y automatismo, como una parte muy necesaria e importante de las Instalaciones, se ha venido desarrollando muy aceleradamente en nuestro medio, de acuerdo con los avances de la tecnología y la industria, Lo cual hace necesario la actualización de los medios de control automáticos siendo esta asignatura la base para los controles automáticos de los motores eléctricos por autómatas programables. El control de potencia es una de las cuatro funciones que conforman la estructura de un automatismo. Su función básica consiste en establecer o interrumpir la alimentación de los receptores siguiendo las órdenes de la unidad de proceso de datos. Dichas órdenes se elaboran a partir de la información procedente de los captadores (función de adquisición de datos) y de los órganos de mando (función de diálogo hombre-máquina). Entre los receptores más utilizados para el accionamiento de máquinas se encuentran los motores eléctricos asíncronos de jaula. Los equipos de control de potencia destinados a controlarlos, normalmente llamados arrancadores, realizan las funciones de seccionamiento, protección y conmutación. Se pueden clasificar en tres familias: 1. Arrancadores “todo o nada”: el motor suele arrancar con sus características propias y el Régimen de velocidad establecido es constante. 2. Arrancadores basados en arrancadores electrónicos: la aceleración y la deceleración están controladas y el régimen de velocidad establecido es constante. 3. Arrancadores basados en variadores de velocidad electrónicos: el arranque y la parada están controlados y la velocidad depende de una consigna.
Equipo con seccionador, cortacircuito fusibles y contactores.
Los arrancadores reúnen los elementos necesarios para controlar y proteger los motores eléctricos. De la elección de éstos depende el rendimiento de toda la instalación: nivel de protección, funcionamiento con velocidad constante o variable, etc. El arrancador garantiza las siguientes funciones: 1. Seccionamiento, 2. Protección contra cortocircuitos y sobrecargas, 3. Conmutación.
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El seccionamiento.
Para manipular las instalaciones o las máquinas y sus respectivos equipos eléctricos con total seguridad, es necesario disponer de medios que permitan aislar eléctricamente los circuitos de potencia y de control de la red de alimentación general. Esta función, llamada seccionamiento, corresponde a: aparatos específicos: seccionadores o interruptores. Seccionadores, funciones de seccionamiento integradas en aparatos con funciones múltiples. Obsérvese que en los equipos con varios arrancadores no siempre es necesario añadir un seccionador a cada arrancador. Sin
embargo, conviene tener siempre dispuesto un mando de aislamiento general que permita aislar todo el equipo.
La protección.
Todos los receptores pueden sufrir accidentes: De origen eléctrico, sobre tensión, caída de tensión, desequilibrio o ausencia de fases que provocan un aumento de la corriente absorbida, cortocircuitos cuya intensidad puede superar el poder de corte del contactor. De origen mecánico: – calado del rotor, sobrecarga momentánea o prolongada que provocan un aumento de la corriente que absorbe el motor, haciendo que los bobinados se calienten peligrosamente. Con el fin de que dichos accidentes no dañen los componentes ni perturben la red de alimentación, todos los arrancadores deben incluir obligatoriamente: protección contra los cortocircuitos, para detectar y cortar lo antes posible las corrientes anómalas superiores a 10 In, l protección contra las sobrecargas, para detectar los aumentos de corriente hasta 10 In y cortar el arranque antes de que el recalentamiento del motor y de los conductores dañe los aislantes. Si es necesario, se pueden añadir protecciones complementarias como el control de fallos de aislamiento, de inversión de fases, de temperatura de los bobinados, etc. La protección corresponde a: l aparatos específicos: seccionadores 14
portafusibles, disyuntores, relés de protección y relés de medida, l funciones específicas integradas en los aparatos de funciones múltiples.
La conmutación La conmutación consiste en establecer, cortar y, en el caso de la variación de velocidad, ajustar el valor de la corriente absorbida por un motor. Según las necesidades, esta función puede realizarse con aparatos, electromecánicos: contactores, contactores disyuntores y disyuntores motores, electrónicos: relés y contactores estáticos, arrancadores ralentizadores progresivos, variadores y reguladores de velocidad.
6.1.1 CARACTERÍSTICAS DE UN DISEÑO A) Todo esquema debe ser realizado de forma tal que pueda ser interpretado por cualquier técnico. Para ello es necesario que se indiquen claramente los circuitos que lo componen, así como el ciclo de funcionamiento. B) Ser ayuda muy valiosa para el mantenimiento del equipo, así como para la localización de posibles daños que permitan proceder a su reparación. SÍMBOLOS MAS UTILIZADOS (DIN)
Marcas más usadas :
Fases
R-S-T ó
L1 - L2 - L | Neutro
Relé Térmico
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N
Contactos Principales de Contactor
Bobina de contactor
A1
a
A2
b
Normalmente cerrado (NC)
3
5
2
4
6
1
1
1
2
2
2
Normalmente abierto (NA)
Conexión - desconexión
1
L1 L2 L3 T
3
3
3
4
4
4
1
3
1
3
1
3
2
4
2
4
2
4
Botoneras Dobles
Desconexión múltiple
Conexión múltiple
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
4
4
4
4
4
4
3 4
Marcha-paro
16
T
T
1
2
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Dos posiciones
Auxiliar normalmente cerrado
Auxiliar normalmente abierto
11
11
12
12
13
13
14
14
Notas : Los contactos cerrados y abiertos la numeración puede variar, contactos Cerrados: 21-22, 31-32, 41-42, etc; contactos abiertos: 23-24, 33-34 43-44, etc.
Contactos auxiliares del relé térmico:
95
97
95
97
96
98
96
98
Contactos temporizados al trabajo:
55
67
16
56
68
15
18
55
67
56
68
Finales de carrera o interruptores de posición:
1
3
1
3
1
3
2
4
2
4
2
4
EL CONTACTOR
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Contactor: es un aparato de maniobra automático con poder de corte, y que por consiguiente puede abrir o cerrar circuitos con carga o en vacío.
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Partes del contactor.
A) Carcaza
Circuito electromagnético: o electroimán de un contactor, está compuesto de bobina, núcleo y armadura.
B) Bobina
Es el arrollamiento de alambre, que al aplicarse la tensión crea un campo magnético, Se construye con cobre o aluminio La tensión de alimentación puede ser la misma del circuito de fuerza o inferior a ésta, o reducidas por un transformador.
C) Núcleo
Metálica, generalmente en forma de E, Se construye con una serie de láminas muy delgadas (chapas ), ferromagnéticas y aisladas entre sí, generalmente de hierro silicoso, con la finalidad de reducir al máximo las corrientes parásitas o de Focault originando pérdidas de energía por el efecto joule). En los contactores cuyo circuito de mando va a ser alimentado por corriente alterna, el núcleo debe tener un elemento adicional denominado espiras de sombra, espiras en cortocircuito espiras de frager o anillos de defasaje.
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Cuando circula la corriente alterna por la bobina, cada vez que el flujo es cero, la armadura se separa del núcleo dos veces por segundo, porque el flujo magnético producido por la bobina es también dos veces cero. En realidad como el tiempo es muy pequeño (1/120 de segundo cuando la frecuencia es 60 Hz), es imposible que la armadura se separe completamente del núcleo, pero es suficiente para que se origine un zumbido y vibración, Para evitar este inconveniente se colocan en las dos columnas laterales del núcleo las espiras de sombra (construidas en cobre), para suministrar al circuito magnético un flujo cuando la bobina no le produce, creando en consecuencia un flujo magnético constante, similar al que puede producir la corriente continua.
NUCLEO
ARMADURA
espiras de sombra
BOBINA
D) Armadura
Elemento similar al núcleo de transformador, en cuanto a su construcción, pero que a diferencia de éste es una parte móvil, cuya finalidad principal es cerrar el circuito magnético, cuando se energice la bobina, porque en estado de reposo debe estar separada del núcleo. Se aprovecha de esta propiedad de movimiento que tienen para colocar sobre él una serie de contactos (parte móvil del contacto) que se cerraran o abrirán siempre que la armadura se ponga en movimiento.
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E) Contactos
Los contactos son elementos conductores que tienen por objeto establecer o interrumpir el paso de la corriente, ya sea en el circuito de potencia o en el de mando, tan pronto como se energice la bobina.
Contacto móvil
Contactos fijos
Se construyen dichos puntos en materiales aleados a base de plata-cadmio, plata-níquel, plata-paladio, etc. Estas partes deben tener una gran resistencia al desgaste por erosión que produce el arco, tener buena resistencia mecánica, poca resistencia eléctrica en el punto de contacto, no oxidable y no ser susceptible a pegarse o soldarse. Una de las precauciones que más debe cuidarse es la de hacerles un mantenimiento periódico, así como protegerlos del polvo, grasa, humedad, etc.
En el contactor encontraremos dos tipos de contactos: principales y auxiliares
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A) Contactos Principales:
Son los contactos que tienen por finalidad realizar el cierre o apertura del circuito principal, a través del cual se transporta la corriente al circuito de utilización (carga) Se tienen contactores con contactos capacitados para transportar corrientes desde unos cuantos amperios, hasta corrientes con intensidades muy elevadas. La zona, donde se produce el arco, conocida comúnmente cámara apaga chispas, debe constituirse con materiales muy resistentes al calor, tales como poliester con un gran porcentaje de fibra de vidrio.
B) Contactos Auxiliares: Son aquellos contactos que tienen por finalidad el gobierno del contator (específicamente de la bobina) y de su señalización. Pueden ser abiertos o cerrados, y como están hechos para dar paso únicamente pequeñas corrientes suelen ser normalmente más pequeños que los contactos principales. El número de contactos auxiliares por contactor varía de acuerdo a las necesidades
de las diferentes maniobras desde uno normalmente abierto, hasta varios abiertos y cerrados. Algunos casos se tienen contactores que tienen únicamente contactos auxiliares, denominados por esta razón contactores auxiliares.
6.1.2 Funcionamiento del contactor:
Cuando la bobina es recorrida por la corriente eléctrica, genera un campo magnético que hace que el núcleo atraiga a la armadura (parte móvil), se cierran todos los contactos abiertos y se abren los contactos cerrados. (principales y auxiliares) Al desenergizar la bobina los contactos vuelven a su estado inicial ( reposo).
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6.1.3 Ventajas en el uso de contactores:
1. Posibilidad de maniobra en circuitos sometidos a corrientes muy altas. 2. Posibilidad de controlar un motor desde varios puntos (estaciones). 4. Seguridad del personal, dado que se realizan las maniobras desde lugares alejados del motor u otras cargas. 5. Automatización del arranque de motores. 6. Automatización y control en numerosas aplicaciones, con ayuda de los aparatos auxiliares de mando. ( llenado automático de tanques de agua, control de temperatura en los hornos, etc...)
Elección de los contactores:
1. Tensión, frecuencia y potencia nominales de la carga. 2. Clase de arranque del motor. 3. Número aproximado de accionamientos (conexiones por hora).
Fallas:
El contactor no queda energizado (auto sostenido). Causa: Contacto de retroalimentación deteriorado. 2
No se energiza el contactor. Causa: Contacto de paro, contacto 95-96 de sobrecarga, abierto, Dañado el Contacto de arranque. Revisar conexiones, bornes y ajustar el aprete de Los tornillos. La desconexión de los contactos dentro del contactor muy lenta: Casa: La fuerza de los resortes(resortes) del la armadura deficientes. 4. Circuito magnético ruidoso y vibración excesiva, Causa: fallas en las espiras de sombra. 6.1.4 DISPOSITIVOS EMPLEADOS EN CONTROLES
Elementos de Mando
Son aquellos aparatos que actúan accionados por el operario.Los más importantes son los pulsadores, selectores
Interruptores. Son dispositivos con cierto poder de corte, para cerrar o abrir circuitos. Al abrirse el circuito, la chispa que se produce debe apagarse rápidamente, antes de que se forme un arco eléctrico, que dañaría fácilmente los contactos.
Simbología
Componente
Pulsadores. 3
Aparatos de maniobra con poder de corte. Se diferencian de los interruptores porque cierran o abren circuitos solamente mientras actúen sobre ellos una fuerza exterior, recuperando su posición de reposo (inicial) al cesar dicha fuerza, por acción de un muelle o resorte.
Simbología
Componente
SELECTORES DOS POSICIONES
Simbología
Componente
4
ELEMENTOS DE SEÑALIZACIÓN.
Son todos aquellos dispositivos cuya función es llamar la atención sobre el correcto funcionamiento o paros anormales de las máquinas, aumentando así la seguridad del personal y facilitando el control y mantenimiento de los equipos.
Clases de señalizaciones.
1. Acústicas.
Son señales perceptibles por el oído. Entre las más usadas figuran los timbres, zumbadores o chicharras, sirenas, etc.
2. Ópticas.
Son señales perceptibles por la vista. Existen dos clases:
A) Visuales.
Si se emplean ciertos símbolos indicativos de la operación que se está realizando.
B) Luminosa.
Únicamente se emplean lámparas o pilotos, de colores diferentes.
De acuerdo a la complejidad y riesgo en el manejo de los equipos, se pueden emplear, señalizaciones visuales, y luminosas, e incluso en casos especiales señalizaciones ópticas y acústicas contemporáneamente.
6.1.5 CONEXION DE LOS ELEMENTOS DE SEÑALIZACIÓN
Señalizaciones de marcha 5
Se usa para indicar que un equipo se ha puesto en funcionamiento. El dispositivo que Señalice puede energizarse:
Mediante el uso de contactos auxiliares normalmente abiertos o, conectándolo en paralelo con la bobina.
Señalizaciones de paro, originado por sobrecarga
Para el efecto se utiliza el contacto normalmente abierto del relé térmico, el cual al cerrarse, a consecuencia de la sobrecarga, actúa sobre el elemento de señalización energizándolo.
Simbología
Componente
PRESOSTATOS.
Son aparatos que accionan circuitos eléctricos, al transformar cambios de presión de instalaciones neumáticas o hidráulicas, Pueden ser de membrana o sistema tubular.
6
Simbología
Componente
A) De Membrana:
Actúan por variaciones de presión en un circuito hidráulico o neumático,
B)Sistema tubular.
Actúa mediante un tubo ondulado sobre el contacto eléctrico del presostato, el cual cierra o abre circuitos según suba o baje la presión., ejemplo de aplicación la puesta en marcha y/o parada de un motor de la bomba . El presostato: Se instala en la tubería de conducción de aire o agua que actuará al abrirse una llave, por la variación de la presión. Son aparatos que abren o cierran circuitos en función de la temperatura que los rodea pueden ser de láminas bimetálicas y de tubo capilar
Simbología
Componente
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C) láminas bimetálicas
Se basan en la acción de la temperatura sobre una placa impuesta por dos metales de diferente coeficiente de dilatación, que se curva al elevarse la temperatura, hasta llegar a abrir o cerrar los contactos del circuito de mando.
D) tubo capilar.
Interruptor eléctrico cierra y abre a las variaciones de presión de un fluido alojado en un tubo delgado, al variar la temperatura
Flotador.
Los interruptores de flotador pueden tener formas diversas en lo que respecta a su construcción mecánica o física. Sin embargo en esencia se componen de uno o mas juegos de contactos normalmente cerrados o normalmente abiertos, accionado mediante un sistema de palanca.
Simbología
Componente
6.1.6 ELEMENTOS DE PROTECCIÓN.
Protección contra los cortocircuitos.
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Un cortocircuito es el contacto directo de dos puntos con potenciales eléctricos distintos: en corriente alterna: contacto entre fases, entre fase y neutro o entre fases y masa conductora, en corriente continua: contacto entre los dos polos o entre la masa y el polo aislado. Las causas pueden ser varias: cables rotos, flojos o pelados, presencia de cuerpos metálicos extraños, depósitos conductores (polvo, humedad, etc.), filtraciones de agua o de otros líquidos conductores, deterioro del receptor o error de cableado durante la puesta en marcha o durante una manipulación. El cortocircuito desencadena un brutal aumento de corriente que en milésimas de segundo puede alcanzar un valor cien veces superior al valor de la corriente de empleo. Dicha corriente genera efectos electrodinámicos y térmicos que pueden dañar gravemente el equipo, los cables y los juegos de barras situados aguas arriba del punto de cortocircuito. Por lo tanto, es preciso que los dispositivos de protección detecten el fallo e interrumpan el circuito rápidamente, a ser posible antes de que la corriente alcance su valor máximo. Dichos dispositivos pueden ser: Fusibles, que interrumpen el circuito al fundirse, por lo que deben ser sustituidos. Disyuntores, que interrumpen el circuito abriendo los polos y que con un simple rearme se pueden volver a poner en servicio. La protección contra los cortocircuitos puede estar integrada en aparatos de funciones múltiples, como los disyuntores motores y los contactores disyuntores, los fusibles proporcionan una protección fase a fase, con un poder de corte muy elevado y un volumen reducido. Se pueden montar de dos maneras: En unos soportes específicos llamados portafusibles, en los seccionadores, en lugar de los casquillos o las barretas. Se dividen en dos categorías: Fusibles “distribución” tipo G. Protegen a la vez contra los cortocircuitos y contra las sobrecargas a los circuitos con picos de corriente poco elevados (ejemplo: circuitos resistivos). Normalmente deben tener un calibre inmediatamente superior a la corriente del circuito protegido a plena carga. Fusibles “motor” tipo a M Protegen contra los cortocircuitos a los circuitos sometidos a picos de corriente elevados (picos magnetizantes en la puesta bajo tensión de los primarios de transformadores o electroimanes, picos de arranque de motores asíncronos, etc. Las características de fusión de los fusibles M “dejan pasar” las sobre intensidades, pero no ofrecen ninguna protección contra las sobrecargas. En caso de que también sea necesario este tipo de protección, debe emplearse otro dispositivo (relé térmico). Normalmente deben tener un calibre inmediatamente superior a la corriente del circuito protegido a plena carga.
Dispositivo de protección contra funcionamiento monofásico Se puede instalar en un portafusibles multipolar o en un seccionador portafusibles. Requiere fusibles con percutor (o indicadores de fusión). Se trata de un dispositivo mecánico que se acciona mediante el percutor liberado cuando se funde un fusible. Controla la apertura de un contacto conectado en serie con la bobina del contactor. De este modo, queda garantizada la caída del contactor, es decir, la desconexión del receptor, incluso si sólo se funde un fusible. También está disponible un contacto de cierre suplementario para señalizar el fallo a distancia.
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Son dispositivos cuya finalidad principal es proteger el motor y el mismo circuito, contra posibles daños producidos especialmente por el paro de intensidades muy altas de corriente
Fusibles.
Son conductores calibrados expresamente para el paso de determinadas cantidades de corriente ( por consiguiente más débiles que el resto de los conductores del circuito),de manera que al producirse un cortocircuito, éste se interrumpirá inmediatamente (por el bajo punto de fusión que tiene).
Simbología
Componente
PROTECCION AUTOMATICOS.
Son aparatos construidos únicamente para proteger contra sobrecargas, relé térmicos, termomagnéticos y electromagnéticos . Para que un contactor cumpla funciones de protección es necesario que se le adicione otro dispositivo denominado relé de protección. Fabrican en una extensa gama, tanto por la diversidad de tipos, como de procedimientos para proteger. Irregularidades que se pueden producir en las condiciones de servicio de una máquina o motor son:
1. Sobrecarga, por parte de la máquina accionada por el motor. 2. Disminución de la tensión de red, que puede dar lugar a sobrecargas. 3. Gran inercia de las partes móviles, que hacen funcionar el motor Sobrecargado en el período del arranque. 4. Excesivas puestas en marcha por unidad de tiempo. 5. Falta de una fase, haciendo que el motor funcione solo con dos fases. 10
En estos u otros casos similares, los elementos de protección desconectarán el circuito de desconectándose lógicamente el circuito de alimentación de la máquina o motor.
mando,
Relé térmico.
Son elementos de protección (una por fase) contra sobrecargas, cuyo principio de funcionamiento se basa en la deformación de ciertos materiales ( bimetales ) bajo el efecto del calor, para accionar, a una temperatura determinada, sus contactos auxiliares que desenergicen todo el sistema. Los bimetales empezarán a curvarse cuando la corriente sobrepase el valor nominal. Empujando una placa de fibra hasta que provoque la apertura y cierre de sus contactos auxiliares que desenergicen la bobina y energicen el elemento de señalización. Una vez que los relé térmico hayan actuado se rearman empleando dos sistemas:
Rearme manual. Debe emplearse este sistema siempre que se tengan circuitos con presostatos, termostatos, interruptores de posición o elementos similares, con el objeto de evitar una nueva conexión en forma automática al bajar la temperatura del bimetal.
Rearme automático. Se emplean exclusivamente en casos en que se usan pulsadores para la maniobra, de manera que la reconexión del contactor no podrá producirse después del enfriamiento del bimetal, sino únicamente volviendo a accionar el pulsador.
En casos especiales, en que la corriente pico de arranque es muy alta, se pueden usar relés térmicos de acción retardada, cortocircuitar el relé durante ese tiempo, o bien hacer uso de transformadores de intensidad. Si un relé, correctamente regulado, desconecta con mucha frecuencia, será necesario disminuir lo carga del motor, o reemplazarlo por uno de más potencia. Solamente en casos en que la absorción de corriente por parte del motor, sea demasiado alta Finalmente un cortocircuito después de los relés, si los fusibles de protección están mal calibrados (sobredimensionados), puede provocar el daño de los relés. En este caso tanto el motor como el contactor peligran igualmente de ser deteriorados.
Relé térmico diferencial.
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En un sistema trifásico, cuando falla una fase o hay desequilibrio apreciable en la red, el motor seguirá funcionando, si no existe protección En este caso la protección del relé térmico, aunque esté bien elegido y regulado, no es suficiente, por lo que es necesario recurrir a un dispositivo similar denominado relé térmico diferencial. Su funcionamiento se basa en la diferencia de curvatura de los tres bimetales en un relé térmico normal al fallar una fase, se detecta esta diferencia de curvatura de los bimetales y actúan sobre los contactos auxiliares del relé, interrumpiendo inmediatamente el circuito de mando.
6.1.7 Daños en los relé de protección.
1) Rele térmico
Los daños que se pueden presentar con mas frecuencia son: a) El relé no dispara a la intensidad ajustada. Puede haber falla en el Mecanismo o el bimetal estar defectuoso. B) Deficiencia en el sistema de rearme. b) Los contactos de disparo (auxiliares del térmico) se han fundido o Soldado.
2) Rele termo magnéticos y electromagnético
Los daños que se pueden presentar son similares a los del relé térmico. 12
Para evitarlos en lo posible, se ha de tener mucho cuidado por mantenerlos en perfecto estado y limpios. Así mismo es necesario no colocarlos en sitios o lugares húmedos, que producen oxidación y corrosión, ni en lugares expuestos a vibración.
6.1.8 SISTEMAS DE ARRANQUE DE MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS.
Teóricamente no existe razón alguna para que un motor no pueda arrancarse conectándolo directamente a la red de suministro. El inconveniente que se presenta, si así se hiciera, es que la corriente absorbida en el instante del arranque llegaría a alcanzar valores de hasta 7 veces la corriente nominal. Estas corrientes altas no perjudicarían el motor, siempre y cuando no se mantuviera durante mucho tiempo, pero Sí podría dar lugar a una gran caída de tensión en la red principal, a la vez que podría Dar lugar a un gran choque en la máquina arrastrada en el momento del arranque. Por Consiguiente es mucho mejor efectuar el arranque del motor a tensión reducida, con el Objeto de reducir la intensidad absorbida en el momento del arranque en la misma Proporción. Para evitar que en estas circunstancias la aceleración sea muy lenta, es Necesario que los dispositivos elegidos para el arranque tengan en cuenta la carga y se Eviten períodos muy largos de aceleración, que ocasionen calentamiento en el motor, Especialmente cuando esta operación debe repetirse con cierta frecuencia.
Arranque directo (a plena tensión).
Consiste en aplicar toda la tensión de línea a los bornes (U, V, W del motor), por medio de un interruptor o contactor, La corriente que absorbe el motor con este arranque suele tomar valores de 5 a 7 In, por lo que no se emplea para motores con potencias mayores de 4 ó 5 HP. En estos motores jaula de ardilla la reducción de la intensidad de arranque está acompañada de la disminución del par de arranque, no siendo este prácticamente regulable. En cambio en los motores con rotor bobinado, la reducción de la intensidad permite un aumento del par, siendo regulable hasta el valor máximo de la intensidad nominal. El tiempo que se necesita para ello depende de la carga impuesta a la maquina, de su inercia y de su fricción. La carga de arranque no afecta al valor de la corriente de arranque sino simplemente a su duración. En cualquier motor de jaula, la corriente y el par dependen solo del deslizamiento. Cuando un motor de jaula se conecta directamente a la línea en vacío, según su potencia, puede adquirir la velocidad nominal en un segundo. Cuando la maquina arranca con carga de poca inercia, el tiempo de arranque del mismo motor podría aumentar a 5 ó 10 segundos. Aunque la potencia de la línea aumenta y se están desarrollando muchos arrancadores de baja corriente para los motores de jaula, los arrancadores directos se usan cada 13
vez más debido a su simplicidad y bajo precio. La sencillez del arranque directo hace posible el arranque con un simple contactor, Los arrancadores automáticos comprenden el contactor trifasico con protección de sobrecarga y un dispositivo de protección de sobrecarga de tiempo inverso. El arranque y la parada se efectúan mediante pulsadores montados sobre la caja, pudiéndose también disponer de control remoto si fuera necesario. Un control de 2 alambres en donde el medio de conexión y desconexión del motor es realizado por medio del dispositivo controlador, como un termostatos, flotador, presostato, etc su esquema de control es mostrado a continuación.
Circuito de control de 2 alambres.
Diagrama esquemático del control de dos alambres utilizando selector
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Circuito de control manual y automático con Selector de tres posiciones
Esquema del circuito de fuerza y mando.
Si se necesita instalar un dispositivo donde es necesario el arranque y paro de una Maquina, como el control de ella desde uno o varios puntos se vuelve necesario el Uso de pulsadores de arranque y paro.
Nota. Pulsador de arranque color Verde. Pulsador de paro color rojo
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CIRCUITO DE CONTROL DE 3 ALAMBRES.
El esquema multifilar del la alimentación de la maquina se puede mostrar a Continuación
6.1.9 Circuito de fuerza
Y su diagrama unifilar de igual manera.
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6.2 CONTACTORES DE CONTACTOS AUXILIARES (RELE)
Cuando a una bobina con núcleo de hierro, acero o ferrita se le hace pasar corriente, el núcleo recibirá el campo magnético creado y se convertirá en un imán, controlar con electricidad o electroimán. Un relé es un electroimán que atrae uno de los contactos de un interruptor según halla corriente o no. Se puede pensar que no tiene mucha utilidad, que para eso están los pulsadores de toda la vida, pero ahora le estamos dando la posibilidad de abrir un interruptor a cualquier circuito eléctrico, por ejemplo que cuando se abra la puerta del garaje se encienda la luz, .
TIPOS DE RELE.
ARRANCADOR JOGGING.
Este circuito provee la puesta en marcha intermitente, por medio del pulsador jog Y una marcha continua a través del pulsador de start.
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Diagrama esquemático de fuerza del arranque jogging.
Diagrama esquemático control y fuerza del arranque jogging con selector.
6.2.1 ELEMENTOS AUXILIARES DE MANDO.
Son aparatos que, a diferencia de los pulsadores, no son accionados por el operario, sino por otros factores, como son tiempo, temperatura, presión, acción mecánica, etc. Y que regularmente son de ruptura brusca. La combinación de contactores, elementos de mando y auxiliares de mando, darán lugar a instalaciones totalmente automatizadas.
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Finales de carrera o interruptores de posición. Son aparatos destinados a controlar la posición de una parte en una máquina o la misma máquina. Poseen contactos cerrados y abiertos, Su aplicación va dirigida a la parada o versión del sentido de desplazamiento de las maquinas, Al actuar una fuerza mecánica sobre la parte saliente del interruptor de posición, desplaza los contactos y abre o cierra determinados circuitos. Entre los interruptores de posición podemos citar también los interruptores accionados por boya.
Simbología
Componente
6.2.2 CONTROL DE SECUENCIA MANUAL Y AUTOMÁTICO
El control de secuencia consiste en una serie de arrancadores que se conectan de tal manera que una máquina que realiza una determinada operación durante el proceso, no puede arrancar hasta que la operación anterior de dicho proceso se haya realizado. En algunas aplicaciones industriales existen procesos de trabajos que requieren operaciones en diversas etapas, las cuales se realizan con una determinada secuencia. Para dichos procesos se requiere un sistema de control que garantice su realización, sin que exista la posibilidad de error en la secuencia de las diferentes operaciones.
Control de secuencia manual
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Diagrama Esquemático del control de secuencia manual de dos motores.
Funcionamiento.
Al pulsar arranque 1 se energiza la bobina de contactor M1, el contacto auxiliar 13-14, de M1 se cierra, y solamente después de esta maniobra podemos pulsar Arranque 2, para continuar el proceso. Al pulsar Arranque 2 se energiza instantáneamente la bobina M2, cerrando su contacto denominado 13 – 14 de M2 Este mismo circuito nos permite ir parando cada motor, siempre en secuencia.
Circuito de fuerza.
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TEMPORIZADORES
Relés de tiempo o temporizadores. Son aparatos que cierran o abren determinados contactos al cabo de un tiempo.
Simbología
Componente
Existen dos grupos de temporizadores.
On delay: Sus contactos temporizados actúan después de cierto tiempo de haber sido energizado.
Off delay. Sus contactos temporizados actuaron solamente después de cierto tiempo de que el temporizador haya sido desenergizado.
Los temporizadores, según su construcción y funcionamiento puede ser :
1.Temporizadores con mecanismo de relojería: Sistemas basados en engranajes que actúan accionados por un pequeño motor. De Manera que al cabo de cierto tiempo de funcionamiento del motor, se produce la Apertura o cierre del circuito de mando.
2. Temporizadores electrónicos: Sistemas basados en circuitos electrónicos.
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3. Temporizadores neumáticos: El retardo de sus contactos temporizados se obtiene por el movimiento de una membrana, por acción de una bobina.
Funcionamiento.
Cuando se presiona el botón de arranque se energiza la bobina de contactor (M1), cerrando sus contactos principales (1-2, 3-4, 5-6) ver diagrama de fuerza, arrancando el motor Nº 1, Al mismo momento se energiza la bobina de relevador de tiempo (T). Después transcurrido el tiempo previamente fijado, el contacto RT normalmente abierto ( 15-18) se cierra y se energiza la bobina del contactor (M2), arrancando el motor Nº 2. Si la instalación comprende más contactores los circuitos de control, se pueden conectar de la misma forma. 6.2.3 SISTEMA DE ENCLAVAMIENTO
El enclavamiento, es un sistema de seguridad que garantiza que dos o más contactores nunca funcionaran al mismo tiempo, de manera que al funcionar alguno de ellos quede bloqueado o anulado el otro o los otros. Pueden ser eléctricos, mecánicos o combinación de ambos.
Enclavamiento eléctrico
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A) Por contactos auxiliares (Eléctrico)
Es un sistema simple y se realiza utilizando un contactor auxiliar normalmente cerrado, de manera que al abrirse no permita el paso de corriente a la bobina del contactor que se desea bloquear o enclavar. Este enclavamiento es eficaz cuando el circuito ya está energizado, pero presenta deficiencias en el momento inicial, ya que, como ambos contactores auxiliares están cerrados, existe la posibilidad de enviar un impulso eléctrico a ambos contactores, si se oprimen contemporáneamente los pulsadores para marcha derecha y marcha izquierda. A pesar de este inconveniente, en los circuitos de inversores de giro, nunca debe omitirse este enclavamiento.
B) Por pulsadores:
Es un sistema complementario del anterior y sirve para eliminar la posibilidad de energizar, al mismo tiempo, las dos bobinas de los contactores del inversor. Para realizar este enclavamiento es necesario utilizar dos pulsadores de conexión-desconexión, (Botoneras dobles). Cuando se oprima cualquiera de los dos (izquierda o derecha) bloqueara automáticamente al otro, pues el contacto cerrado del Pulsador se conecta en serie con el auxiliar cerrado de la bobina que se desea Enclavar; y si se oprimen ambos al tiempo, no podrá energizarse ninguna bobina, ya Que ambos circuitos quedarán abiertos.
B) Enclavamiento Mecánico.
El enclavamiento mecánico es útil en instalaciones en las que los aparatos eléctricos se encuentran sometidos a exigencias extremadamente duras. En estas condiciones, existe el peligro de que, por la acción de los golpes repentinos o repetidos, se cierren simultáneamente los contactores (si el mecanismo carece de enclavamiento mecánico) y, como consecuencia, se produzca un cortocircuito entre fases. Aún en este caso debe usarse el enclavamiento eléctrico, para evitar que se queme la bobina al energizar un contactor bloqueado mecánicamente. Este sistema se emplea cuando se tienen los dos contactores, se presenta por medios de líneas que denota que existe un enclavamiento mecánico. El enclavamiento mecánico es útil en instalaciones en las que los aparatos eléctricos se encuentran sometidos a exigencias extremadamente duras, Aún en este caso debe usarse el enclavamiento eléctrico, para evitar que se queme la bobina al energizar un contactor bloqueado mecánicamente.
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ENCLAVAMIENTO ELECTRICO / MECANICO.
6.2.4 INVERSIÓN DEL SENTIDO DE ROTACIÓN
Cuando se necesita que el rotor gire en sentido contrario, bastará hacer que el flujo principal lo haga. Como este flujo es el resultado de tres campos magnéticos creadas por cada una de las fases que alimentan el estator, será suficiente invertir o permutar entre sí DOS fases cualesquiera y se obtendrá el cambio de sentido en la rotación del motor. Para garantizar que nunca funcionarán los dos contactores al mismo tiempo, se emplea un sistema de seguridad, denominando enclavamiento, de manera que al funcionar alguno de ellos queda anulado o bloqueado el otro contactor.
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ARRANQUE POR RESISTENCIAS ESTATÓRICAS.
Consiste en intercalar, en serie con el estator, un grupo de resistencias entre la red de alimentación y el motor, durante el período de alimentación, a fin de reducir la tensión aplicada en los bornes del motor. Una vez transcurrido el período de aceleración, se eliminan las resistencias aplicando la tensión total de la red al motor. Las resistencias que se utilizan deben estar ajustadas, no solamente para obtener una corriente de arranque por debajo de un valor aceptable sino también para obtener un par suficiente en el momento del arranque. Este sistema, a diferencia del de conmutación estrella-triángulo, permite regular el par de arranque a un valor elevado, Además el par motor crece mucho más rápidamente en función de la velocidad, que en el arranque por conmutación estrella-triángulo. Al realizar un arranque por resistencias estatóricas debemos tener presente: a) El arrancador está conformado por las resistencias, un contactor que conecta la totalidad de ellas en serie con el motor, y de tantos contactores y temporizadores como etapas de arranque se requieran, 10
b) El contactor que aplica la tensión total al motor debe estar calculado para soportar la intensidad nominal del motor, mientras los demás contactores deben calcularse de acuerdo con la reducción que se desee obtener en la tensión aplicada al motor. El relé térmico debe estar regulado a la intensidad nominal del motor. c) El par de arranque se reduce con el cuadrado de la relación de tensiones. d) Se necesitan tres conductores entre el arrancador y el motor. e) El motor en ningún momento queda desconectado de la línea.
Circuito de fuerza arrancador por resistencia.
ARRANQUE POR CONMUTACIÓN ESTRELLA-TRIÁNGULO.
Se ha estudiado que el arranque directo absorbe una corriente muy alta al conectarlo a la red, razón por la cual no puede emplearse para motores mayores de 4 ó 5 HP. En estos casos, especialmente para motores asíncronos trifásicos con rotor en cortocircuito, es muy común la utilización del sistema de arranque estrella-triángulo.
Conexión estrella: consiste en unir entre sí los finales de las tres bobinas del estator ( X, Y Z o T4, T5, T6) y alimentar solamente los principios ( U, V, W o T1, T2, T3) con las tres fases ( L1, L2, L3), recibiendo cada bobina una tensión equivalente a la tensión entre fases dividida por √3.
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Conexión triángulo: consiste en unir el principio de una bobina con el final de la siguiente ( T1-T6, T2-T4, T3-T5) energizando los tres puntos de unión que se obtienen con las tres fases.(T1-T6 a L1, T2-T4 a L2, T3T5 a L3) En este caso cada bobina recibe la tensión total entre fases o tensión de línea. Si durante el proceso de arranque se conecta el motor en estrella, la tensión aplicada a cada bobina del estator se reducirá en √3. Es decir, un 58% de la tensión de línea y consecuentemente, la intensidad que absorberá el motor será también √3 menor. Al ser la reducción √3 en la tensión y la corriente, tendremos como resultado una disminución total de √3 x √3 o sea de tres veces el valor de la In, equivalente a un 30% del que tendría en arranque directo. Esta característica sirve de base al sistema de arranque estrellatriángulo, siendo necesario, para poder efectuar este tipo de conexión, que cada una de las bobinas sea independiente con sus extremos accesibles en la placa de bornes del motor. Además es necesario que la tensión de línea coincida con la tensión menor de las indicadas en la placa de características del mismo. Al usar este sistema de arranque, debe necesariamente iniciarse en estrella (arranque), ya que en esta posición, al quedar cada bobina del estator conectada a una tensión √3 menor de la tensión nominal, Una vez que el motor haya alcanzado aproximadamente entre 70 y 80% de la velocidad nominal, se desconecta el acoplamiento en estrella para realizar la conmutación a la conexión triángulo (marcha normal). En esta condición el motor recupera sus características nominales, con una corriente pico de muy poca duración, pero cuyo valor (2.5 el valor nominal) no llega al que se presenta en el arranque directo. En casos de alguna duda, sobre el tiempo de conmutación, es preferible regular el temporizador para un tiempo más bien mayor que demasiado corto. En motores con potencias superiores a 30 ó 40 HP, se presentan tensiones inducidas que permanecen el motor, aún después de que se ha realizado la desconexión estrella, y si se realiza inmediatamente la conexión triángulo, pueden presentarse en oposición de fase con la red y ser todavía suficientemente altas, como para generar una violenta corriente transitoria. En resumen, al realizar un arranque por conmutación estrella triángulo se debe tener en cuenta: A) En el sistema se necesitan tres contactores y un temporizador. B) Los contactores de red y triángulo deben estar calculados para soportar un 58% de la intensidad nominal, y el relé térmico regulado para esa misma intensidad. C) El contactor estrella debe estar calculado para soportar un 33% de la intensidad nominal. F) Se necesitan seis conductores entre el arrancador y el motor. G) En el momento de la conmutación existe un corto período en el cual el motor queda desconectado de la línea de alimentación.
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6.2.5 Circuito de fuerza arrancador estrella -delta
Diagrama de control. ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR.
Consiste en emplear un autotransformador conectado en estrella con las tomas variables precisas para ír aplicando al motor tensiones cada vez más crecientes para conseguir su arranque. A medida que el motor va acelerando, se pasa la conexión del mismo a sucesivas tomas de autotransformador, hasta llegar a aplicar la plena tensión nominal al motor, y en ese momento se pone fuera de servicio el autotransformador. Normalmente se emplean autotransformadores con tomas que corresponden aproximadamente al 50, 65 y 80% de la tensión de red, con las que se obtienen, respectivamente, valores de 25, 42 y 64% de los pares que se obtendrían en arranque directo a plena tensión. Por otra parte, la corriente en el primario se reduce aproximadamente con el cuadrado de la relación de tensión del secundario al primario. Así se tiene que, si se desprecia la corriente magnetizante del autotransformador, las tomas de tensión del mismo proporcionarán intensidades de arranque del 25, 42 y 64% de las que se obtendrían con la tensión total. Con este sistema se obtienen características más favorables que las que se obtendrían con el arranque por Resistencias estatóricas; es decir, se obtiene un par de arranque más elevado con una Corriente pico menor, empleándose generalmente para el arranque de motores de Elevada potencia. Además presenta la ventaja de no ocasionar pérdidas de potencia exteriores durante el arranque, aunque también presenta la particularidad de tener que Desconectar el motor de a red durante el breve intervalo de la conmutación, lo que Puede ocasionar una corriente transitoria elevada. Al realizar un arranque por autotransformador debemos tener presente: El 13
arrancador está conformado por el autotransformador, un contactor para alimentar éste a la red, uno o más contactores para aplicar las correspondientes tomas del autotransformador al motor, y un contactor para alimentar el motor a plena tensión. Para una corriente de línea determinada, el par obtenido en el motor es mayor al emplear un autotransformador, debido a que la tensión que puede aplicarse con aquel método es mayor que con el arranque por resistencias estatóricas. Se necesitan tres conductores entre el arrancador y el motor. La potencia absorbida es menor que en el arranque por resistencias estatóricas, Una desventaja, con respecto al arranque por resistencias estatóricas, es la menor suavidad durante la aceleración y al mismo tiempo más lenta. Estos arrancadores se construyen para motores de elevada potencia. Circuito de control del arrancador. ( dos transformadores).
Circuito de Fuerza del arrancador. MOTORES DE ROTOR BOBINADO O ANILLOS ROZANTES.
Una de las formas de limitar la intensidad de la corriente de arranque, sin perjudicar el par, es la utilización de motores de anillos rozantes. Con este tipo de motor es posible llegar a disponer de una resistencia elevada en el momento del arranque, y de una resistencia mucho menor cuando el motor haya alcanzado su velocidad de régimen. Para ello es necesario conectar en serie con el arrollamiento del rotor, unas resistencias exteriores que se van eliminando a medida que el motor va acelerando, hasta llegar a cortocircuitar el circuito del rotor en el momento en que el rotor haya alcanzado su velocidad nominal. Normalmente, para la eliminación de los diferentes grupos de resistencias, se emplean contactores accionados por temporizadores, independientemente de la carga accionada por el motor. Debe tenerse presente que en este sistema de arranque no se está sujeto a una reducción de la tensión para limitar la corriente pico de arranque, puesto que el estator queda alimentado siempre por la tensión total, mientras que en serie con el bobinado del rotor se intercalan las resistencias, que se van eliminado progresivamente en dos o más tiempos, de acuerdo a la necesidad. Con este método la corriente pico de arranque se reduce 14
en función de la resistencia rotórica, mientras que el par de arranque se incrementa. A medida que la velocidad aumenta, el par decrece, y tanto más rápidamente cuanto mayor sea la resistencia en el circuito del rotor. Existen casos especiales, en que las mismas resistencias se emplean también para controlar la velocidad del motor, debiendo ser dimensionadas, en estos casos, para efectuar ese trabajo, puesto que el paso de corrientes por ellas es mucho más prolongado que si se tratara de un simple arranque. Al realizar un arranque por resistencias rotóricas debemos tener presente:
a)
El arrancador está conformado por las resistencias rotóricas, un contactor para conectar el estator a la línea de alimentación, y dos o más contactores y temporizadores para eliminar las resistencias.
b)
El contactor que conecta el estator a la red debe estar calculado para la intensidad nominal.
c)
Los contactores que cortocircuitan las resistencias se calculan en función de la intensidad rotórica y del sistema que se adopte para cortocircuitar cada grupo de resistencias.
d)
Estos arrancadores se construyen normalmente para máquinas que deben arrancar a plena carga.
ARRANQUE DE UN MOTOR DE DOS VELOCIDADES CONEXIÓN DRARLANDER
En los motores de dos velocidades, conexión dharlander, en su diseño interno de los devanado, sus bobinas se conectan de tal forma que es posible el cambio de velocidad con un solo devanado de seis terminales en el estator, Cuando se desea que la velocidad de giro sea baja ( 1725 rpm), solo será posible si se alimentan los terminales que forman la conexión delta ya que de esta forma su devanados o grupos de boinas por fase del motor se conectan en polos consecuentes en donde cada grupo de bobina nos genera un par de polos magnéticos y cada fase posee dos grupos obteniendo al final cuatro polos magnéticos.
En el esquema anterior se presento y se analizó la fase A, pero en las fases restante su construcción es similar y si se desea tener el doble de la velocidad los devanados o grupos en esta oportunidad se deberán conectar de tal manera que el grupo de cómo efecto la creación de un polo magnético y debido que la fase tiene dos grupos la maquina tendrá 2 polos magnéticos obteniéndose el doble de la velocidad ( 3575 RPM). Recuerde que en esta ocasión solo es posible el cambio de velocidad por el diseño propio de la 15
maquina quedando en esta oportunidad los grupos de bobina en conexión polo bobinado. Y cada grupo forma un polo y cada fase posee dos grupos la maquina seria de dos polos. Nota: Existe motor dharlander de. 2 - 4, 4- 8, 6-12. Etc.
También es posible tener motores conexión dharlander a cuatro velocidades donde cada maquina posee 2 devanados dharlander de 2 velocidades.
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Bibliografía Autor: Walter N. Alerich.
Casa Editorial: Limusa.
Nombre de la obra: Control de motores eléctricos,
País: México, D.F.
Casa editorial: Publicaciones Delmar
Año de edición: 2005.
País: México, D.F.
Número de ejemplares: 1
Año de edición: 1988. 5.
Número de ejemplares: 3
Autor: Roldan Viloria, J.. Nombre de la obra: Motores eléctricos: Accionamiento de Maquinas.
2. Autor: Departamento técnico - comercial de AGUT, S.A. Casa editorial: Thomson Paraninfo, S.A Nombre de la obra: El contactor y sus aplicaciones. País
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Casa editorial: Marcombo Año de edición: 2005, 4ª edición. País: España Número de ejemplares: 0 Año de edición: 1981 Número de Ejemplares: 2 6
Autor: Veganzones Nicolas, Carlos y Blazquez Garcia, Francisco.
3. Autor: Pulig - Jutglaz, Serrahima y Urpi, S.A.
Nombre de la obra: Transformadores y Maquinas Eléctricas Asíncronas.
Nombre de la obra: contactores electromagnéticos.
Casa editorial: ETS Ingenieros Industriales
Casa editorial: Marcombo
País : España.
País: México, D.F.
Año de edición: 2004, 1 edición.
Año de edición: 1985
Número de Ejemplares: 0
Número de Ejemplares: 2
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4. Autor: Enriquez, Gilberto.
Www.automatización.com
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