UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería Y Aplicadas Carrera de Ingeniería Eléctrica Maquinas Eléctricas II
TEMA: TRABAJO INVESTIGATIVO Y PRÁCTICO
Integrantes: Moreta Corella Daniela Elizabeth Moya Cabezas Angelo Mauricio
Fecha: Viernes 10 de Febrero del 2018
Latacunga – Ecuador Ecuador
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CIRCUITO EQUIVALENTE DEL MOTOR MONOFASICO
Los motores monofásicos son motores de pequeña potencia fraccionaria mayormente: 1/4 hp, 1/2 hp, 3/4 hp, l hp, de uso más bien doméstico o en pequeños talleres o negocios donde se alimentan con corriente alterna monofásica para accionar refrigeradoras, bombas, instrumentos registradores, relojes, aparatos de cocina, máquinas-herramientas portátiles, tocadiscos, ventiladores, compresores, etc. Los motores monofásicos se construyen de diversos tipos cada cual con sus propias características constructivas y de operación. En el presente libro se estudiará sólo tres tipos importantes de motores monofásicos, a saber, los de inducción, los de conmutador y los síncronos, desde un punto de vista básico. A pesar de que el circuito equivalente de una máquina de inducción es simple, permite el cálculo de un modo sencillo no sólo de las corrientes de fase y factor de potencia, sino también del par, potencia, pérdidas y rendimiento de la máquina con un grado de precisión sorprendente si los parámetros del circuito están calculados, o son medidos, con la precisión adecuada al realizar el ensayo de vacío y el ensayo de cortocircuito El circuito equivalente del motor asíncrono tiene como importancia representar repres entar un sistema electromagnético complejo mediante en un circuito simple donde se agrupan los diferentes parámetros del motor en forma de resistencias e inductancias que modelan su comportamiento como podemos observar en la Figura 1.
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Circuito equivalente
Fig. 1 Circuito equivalente de un motor monofásico
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Motor de fase Partida
El motor de inducción de fase partida lo constituyen, esencialmente, cinco partes principales que son:
Una parte estacionaria llamada estator.
Una parte giratoria llamada rotor.
Un interruptor centrífugo situado en el interior del motor.
Dos escudos de los extremos que alojan a los cojinetes que sostienen el eje del rotor.
Un bastidor de hierro colado en el que el núcleo del estator está encajado a presión.
El estator de un motor de fase partida consiste en dos devanados sujetos en su lugar por unas ranuras rebajadas en un núcleo de acero laminado. Los dos devanados consisten en bobinas aisladas dispuestas y conectadas para que formen dos devanados separados el uno del otro a 90 grados eléctricos como se muestra en la figura 4. Uno de estos devanados es el principal o de funcionamiento y el otro es el de arranque. El devanado principal es de alambre aislado de cobre relativamente grueso y está colocado en el fondo de las ranuras del estator. El de arranque de alambre de calibre relativamente pequeño está situado en lo alto de las ranuras, encima de las bobinas del devanado principal.
Fig. 4 Motor de fase partida
Al poner el motor en marcha, ambos devanados están conectados en paralelo a la línea monofásica. Sin embargo, después que el motor ha acelerado aproximadamente hasta unos 2/3 o 3/4 de su velocidad de régimen, el devanado de arranque se desconecta automáticamente de la línea por medio de un
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI interruptor centrífugo. La construcción, del rotor es la misma que la de un motor de inducción trifásico con inducido en jaula de ardilla. Lo constituye un núcleo cilíndrico hecho con piezas de acero laminadas. Cerca de la superficie del rotor hay montadas unas barras de cobre. Estas barras están unidas a dos anillos terminales de cobre por medio de soldadura de bronce o soldadura autógena. En algunos motores el rotor es una unidad de una sola pieza colada de aluminio.
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Arranque por condensador
Como medio de mejorar el par relativamente bajo del motor de fase partida por resistencia se agrega un capacitor al devanado auxiliar para producir una relación casi real de 90° entre las corrientes de los devanados de arranque y de marcha, en lugar de aproximadamente 30°, elevando el par de arranque a los límites normales del par nominal. La Figura 2 muestra el diagrama de conexiones del motor de arranque por capacitor, cuya diferencia implica la adición de un capacitor en el devanado auxiliar. Se puede advertir también a partir de la misma figura 2, el mejoramiento del torque de partida debido a la inclusión del capacitor
Fig. 2 Motor de Fase Partida con arranque por condensador
Debido a su mayor par de arranque, que es de 3.5 a 4.5 veces el par nominal, y a su reducida corriente de arranque para la misma potencia al instante del arranque, el motor de arranque por capacitor se fabrica hoy en tamaños de caballaje integral hasta de 7.5 hp. El condensador suele ir montado en la carcasa del motor. Si el arrollamiento auxiliar no es de tipo dividido, el condensador se conecta antes del arrollamiento auxiliar, y en el caso de arrollamiento auxiliar partido, va situado entre sus bobinas parciales como se puede observar en la Figura 3.
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Fig. 3 arranque con capacitor de arranque-capacitores electrolítico-interruptor centrífugo
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Espira sombra
Todos los motores monofásicos que se describieron anteriormente emplean estatores con entrehierros uniformes con respecto a sus devanados de rotor y estator, que están distribuidos uniformemente por la periferia del estator (figura 4).
Fig. 4 Motor espira de sombra
El motor de polos sombreados es, en general, un motor pequeño de potencia fraccionaria que no es mayor de 1/10 hp, aunque se han producido motores hasta de ¼ hp. La gran ventaja de este motor estriba en su extrema simplicidad: un devanado monofásico, rotor con jaula de ardilla vaciada y piezas polares especiales. No tiene interruptores centrífugos, capacitores, devanados especiales de arranque ni conmutadores. En la figura se puede observar su curva característica velocidad-par, en donde se puede apreciar cómo su par de arranque es muy limitado comparado con los motores anteriormente descritos. El flujo en el segmento del polo sombreado siempre está en retraso al correspondiente en el segmento principal, tanto en tiempo como en espacio físico, aunque no existe entre ellos una verdadera relación
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI de 90°. El resultado es que se produce un campo magnético rotatorio, suficiente para originar un pequeño desbalanceo en los pares del rotor, tal que el par en el sentido de las manecillas del reloj es mayor que el contrario, o viceversa, y el rotor siempre gira en la dirección del campo rotatorio como se observa en la figura 5.
Fig.5 Características de velocidad de un motor de polos sombreados
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Esquema de fuerza y de control Diagrama de control
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Ejercicio Un motor asíncrono monofásico de 1.800 w, 220V, 50 Hz, 4 polos , tiene los siguientes parámetros del circuito equivalente : R = 3Ω : x1= 5Ω : R2= 1.5Ω : x2 = 2Ω : Xu= 100Ω : se desprecian las perdidas en el hierro y mecánicas . Si el motor se conecta a una red de 220 v , 50 Hz y trabaja con un deslizamiento de 5 por 100 . Calcular: 1) corriente absorbida por el motor y su factor de potencia: 2) potencia mecánica desarrollada: 3) par en el eje: 4) rendimiento. Valores de las resistencias totales del rotor
Impedancias Zd y Zi
La corriente absorbida por el motor es
El motor entonces absorbe una corriente de con un factor de potencia de esto es Utilizando el divisor de corriente, obtenemos las intensidades
Se obtiene una potencia mecanica interna total de :
Velocidad de sincronismo
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Potencia electrica absorbida por el motor
Rendimiento
Claramente es inferior al que poseen los motores trifasicos .E en lo practico un motor monofasico oscila entre el 60 y el 80 por 100.
MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA
La máquina de corriente continua puede ser utilizada tanto como generador o como motor, aunque en la actualidad su uso está dado como motor, ya que la generación de energía en corriente continua se logra mediante equipos rectificadores, de mejor eficiencia y menor costo. En cuanto a su uso como motor, tiene gran importancia en la industria automotriz ya que los vehículos, cuentan con un número importante de motores de pequeña potencia (limpiaparabrisas, motor de arranque, levanta vidrios, calefactor, etc).
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Aspectos constructivos del motor dc.
La máquina de continua consta de dos partes principales:
La parte inmóvil, destinada principalmente para crear el flujo magnético, y
La parte rotatoria, llamada inducido, en la que transcurre el proceso de transformación de la energía mecánica en eléctrica (generador eléctrico) o a la inversa, la transformación de la energía eléctrica en mecánica (motor eléctrico).
Las partes inmóvil y rotatoria están separadas una de otra por un espacio denominado entrehierro. La
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI parte inmóvil o estator de la máquina de continua está compuesta por los polos principales, destinados a crear el flujo magnético principal; los polos auxiliares o polos de conmutación, instalados entre los principales y que sirven para lograr el funcionamiento sin chispas de las escobillas en el colector (en el caso de falta de espacio en las máquinas de pequeña potencia los polos auxiliares no se instalan); y el armazón o yugo. El inducido representa un cuerpo cilíndrico, que gira en el espacio entre los polos, y está compuesto por el núcleo dentado del inducido, el devanado arrollado a éste, el colector y el aparato de escobillas A continuación se da una breve descripción de los elementos constructivos principales de la máquina de corriente continua.
Polos principales
Fig 6. Polos principales
Bobinas de campo En el núcleo polar va colocada la bobina de excitación o de campo, por la cual pasa corriente continua. Véase la figura 6 La bobina se arrolla a un armazón hecho de chapa de acero de 1-2 mm de espesor con aislante de cartón de 2-3 mm, o de plástico o de papel de baquelita.
Yugo del estator Se llama yugo o armazón a la parte inmóvil de la máquina, a la que se sujetan los polos principales y auxiliares y con ayuda de la cual la máquina se sujeta a la cimentación. La parte del yugo que sirve para conducir el flujo de los polos principales y auxiliares se llama culata véase en la figura 6.
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Interpolos El polo auxiliar o interpolo consta también de un núcleo polar que termina en una zapata polar, de una u otra forma, y de la bobina que va colocada en el núcleo. Véase la figura 6.1.
Fig 6.1. interpolos
Arrollamiento de compensación El arrollamiento de compensación es uno de los medios más efectivos que contribuyen al mejoramiento de la conmutación de las máquinas que funcionan con cargas bruscamente variables. El objetivo de este arrollamiento es eliminar en el mayor grado posible la distorsión del campo magnético principal, provocada por la reacción de armadura. Para ello, el arrollamiento compensador se coloca en las ranuras estampadas en las expansiones polares de los polos principales, y se ejecuta según el esquema de la figura 6.2.
Fig 6.2. Arrollamiento de compensación de una maquina dc
Colector-Conmutador El devanado del inducido se conecta al conmutador, que puede ser de distintos tipos, según la potencia de la máquina y su velocidad. En la figura 7.4 se muestra el tipo simple de conmutador cilíndrico. Generalmente, el conmutador se fabrica de pequeñas láminas de forma trapezoidal, llamadas también delgas, aisladas entre si y del cuerpo por medio de juntas y empaquetaduras de mica.
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Fig 6.3.Corte de un conmutador cilíndrico
Aparato de escobillas Para la toma de corriente del conmutador rotatorio y para suministrarle a éste corriente, se emplea el aparato de escobillas, que consta de: a) las escobillas, b) los portaescobillas c) los pernos portaescobillas d) la corona portaescobillas e) las barms colectoms. En la figura 6.4 se muestra una de las estructuras típicas del portaescobilIas de una máquina de continua.
Fig 6.4. Estructura de un portaescobillas
Inducido o armadura Actualmente, se emplea exclusivamente inducidos dentados de tambor, hechos de chapa de acero para transformadores de 0.5 mm de espesor para una frecuencia de remagnetización del inducido (20 - 60 Hz) normal para las máquinas de continua. Las chapas de acero se arman en
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI direcci6n axial de la máquina, y para reducir las pérdidas por corrientes parásitas se aislan una de otra con lacas o papel de 0.03-0.05 mm de espesor. En la figura 6.5 puede verse una hoja de acero del inducido de tambor.
Fig. 6.5. hoja de acero
Devanados del inducido Los devanados del inducido de tambor que se emplean en la actualidad se componen de secciones (figura 6.6) fabricadas con frecuencia en plantillas especiales y colocadas en las ranuras del núcleo del inducido.
Fig.6.6. Sección separada del arrollamiento
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Aspectos constructivos del generador dc.
Clasificación de los Generadores Eléctricos. La clasificación de los generadores Eléctricos son en dos fases.
Primario
Secundario.
Primario. Convierten en energía eléctrica la energía de otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente, como alternadores, dinamos, etc. Secundario
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI Entregan una parte de la energía eléctrica que han recibido previamente, es decir, en primer lugar reciben energía de una corriente eléctrica y la almacenan en forma de alguna clase de energía. Posteriormente, transforman nuevamente la energía almacenada en energía eléctrica. Un ejemplo son las pilas o baterías recargables El funcionamiento de los generadores síncronos se basa en el principio de hacer girar una espira dentro de un campo magnético para que se induzca en aquélla una fuerza electromotriz. También sucede lo mismo si se deja la espira fija y se hace girar el campo, es decir, los electroimanes que lo producen. Este último sistema es el más conveniente puesto que en la espira se tendrá fuerte corriente, que es la misma que se utilizará en la red, mientras que en los electroimanes se tiene sólo una pequeña corriente continua auxiliar, encargada de producir el campo magnético necesario. Por esta razón, la construcción de las máquinas síncronas se ha orientado en ese sentido. En la figura 6.7 se ilustra el principio constructivo aludido.
Fig. 6.7 principio constructivo aludido
Un generador síncrono está compuesto por varias partes perfectamente separadas, cada una de las cuales tiene una misión bien definida. Estas son: el estator, el rotor la carcasa y la excitatriz. En la figura 6.8 se muestra la ubicación relativa de todas estas partes entre sí, en una representación resumida y más bien simbólica.
Fig. 6.8 Partes de un generador
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Estator El estator Está compuesto por un núcleo de chapas de material ferromagnético, sujetas, formando un paquete, mediante una serie de pernos o de chavetas en forma de cola de milano (figura 6.9). 132 Las chapas están aisladas entre sí, para evitar, en lo posible, las pérdidas producidas por las corrientes parásitas, que se traducen en un calentamiento de los núcleos de hierro sometidos a campos magnéticos alternos, calor que se produce a expensas de la energía eléctrica de la máquina.
Fig. 6.9 Estator de un generador
El Rotor El inductor o rueda polar, se suele construir de una pieza para las máquinas de reducido número de polos o de un núcleo central macizo, al que se fijan las masas polares, en las máquinas multipolares (figura 7).
Fig. 7 rotor de un generador
La carcasa
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI Es la parte externa de la máquina que envuelve al estator y comprende la cubierta, la base y los apoyos. En la cubierta se encuentran los conductos y orificios para la ventilación. En los apoyos se aseguran generalmente los portaescobillas para el inductor. 134 La figura 7.1 muestra un generador completo en el que se puede ver la excitatriz acoplada al mismo eje principal de la máquina; los anillos con los portaescobillas colocados; los orificios para la ventilación; y la caja de bornes principales. en un costado.
Fig. 7.1. Generador completo con su excitatriz
Bobina del estator Como la mayor parte de los generadores son trifásicos, sus devanados también lo serán. Para diseñar un devanado, hay que tener en cuenta algunos factores importantes como son el número de polos y el número de ranuras del estator. En la periferia se encuentra una determinada cantidad de ranuras longitudinales en las que se alojarán los conductores inducidos.( figura 7.2)
Fig. 7.2. bobinado de un Generador
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Curvas características
Las propiedades de los generadores se analizan con la ayuda de las características que establecen la dependencia entre las magnitudes principales que determinan el funcionamiento de la máquina. Cada uno de los principales tipos de excitación: independiente, serie, derivación y compuesto, impone a la máquina características de funcionamiento distintas, que determinan la clase de servicio al que se adapta cada una de ellas. Estas características quedan perfectamente reflejadas por medio de gráficos, destacando las siguientes:
l. Característica de vacío E= f ( ), que representa la relación entre la f.e.m. generada por la dinamo y la corriente de excitación, cuando la máquina funciona en vacío; es decir, el inducido no alimenta ninguna carga.
2. Característica en carga V =f ( ), que representa la relación entre la tensión terminal y la corriente de excitación para una intensidad de carga 1 constante. En particular, cuando 1 es igual a cero se obtiene la curva de vacío.
3. Característica externa V= f (I), que representa la tensión en bornes en función de la corriente de carga, para una intensidad de excitación constante.
4. Característica de regulación =f (l), que representa la relación entre la corriente de excitación y la corriente de carga, para una tensión en bornes constante.
Características de un generador con excitación independiente En este tipo de generador, la corriente inductora se obtiene de una fuente de c.c. externa a la máquina. Es el tipo de excitación más antiguo y hoy ·se emplea únicamente en casos muy especiales. El esquema básico de conexiones es el que se indica en la Figura 7.3, donde se ha dispuesto de un reóstato en serie con el inductor para regular la corriente de excitación. Para determinar la curva de vacío se hace girar el rotor a velocidad constante, manteniendo desconectada la carga. La corriente de excitación se va aumentando gradualmente desde cero hasta el valor máximo permitido, anotando simultáneamente la f.e.m. generada E, que se mide con ayuda de un voltímetro.
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Fig.7.3 esquema y curva Características de un generador con excitación independiente
Características de un generador derivación El esquema de conexiones de este generador es el mostrado en la Figura 7.4 ; en este caso el devanado inductor está conectado en paralelo con el inducido, y se regula la excitación por medio de un reóstato conectado en serie con el inductor.
Fig.7.4 esquema y curva Características de un generador derivación
Características de un generador serie En este tipo de generador el inductor y el inducido van en serie. Cuando la máquina está en vacío, al ser = 1 = = 0, se obtiene una f.e.m. muy pequeña que se debe al magnetismo remanente. (figura 7.5)
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Fig.7.4 esquema y curva Características de un generador serie
Características de un generador con excitación compuesta En la Figura 7.5 se representa el esquema de circuito de este tipo de generador, que puede hacerse con corta o larga derivación. Generalmente las f.m.m.s. de los devanados serie y derivación suelen ser del mismo signo, es decir, aditivas, pero puede realizarse una conexión sustractiva o diferencial.
Fig.7.5 esquema y curva Características de un generador con excitación compuesta
La característica exterior de este generador, en caso aditivo, se obtiene como suma de las características derivación y serie, pudiendo dar curvas prácticamente planas, lo que indica la constancia de la tensión terminal con la corriente de carga. Si se incrementa el número de espiras en serie, la tensión terminal puede aumentar con la carga, lo que da lugar a la característica hiper compuesta. En caso contrario, la tensión puede reducirse con la carga como
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI en el generador derivación, dando lugar a la característica hipo compuesta. La conexión diferencial presenta una caída de tensión elevada con el aumento de la carga, lo que hace útil su aplicación en generadores para soldadura en corriente continua. En la Figura 6.29b se muestran las características externas para excitaciones aditivas: híper compuesta e hipo compuesta y de tipo diferencial.
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EJERCICIOS I.
Un motor tipo derivación de 500v consume 4 A en vacío. La resistencia del inducido, incluidas las escobillas, es de 0.2 ohm y la corriente de excitación es de 1 A. Calcular la potencia de salida y el rendimiento cuando la corriente de entrada es de: a) 20 A, b) 100ª
SOLUCION: a) El motor en vacío consume una potencia
Perdidas en el inducido en vacío
Perdidas en el inductor
Se observa que en vacío prácticamente se pueden despreciar las pérdidas en el inducido y en consecuencia se puede poner:
Cuando la máquina absorbe una corriente de 20 A, la intensidad del inducido vale:
La f.e.m. generada es:
La potencia electromagnética es:
la potencia mecánica de salida
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Como la potencia eléctrica de entrada es:
el rendimiento del motor en este régimen será:
b) De forma similar, cuando la corriente absorbida es de 100 A, resulta:
La potencia electromagnética es:
la potencia mecánica de salida
Como la potencia eléctrica de entrada es:
el rendimiento del motor en este régimen será:
II.
Un generador de c.c de 6 polos, con un arrollamiento imbricado de 720 conductores, suministra una corriente de 600 A. la densidad de flujo en el entrehierro de los polos auxiliares es de 0.372 Wb/m2 y el entrehierro correspondiente es de 6 mm. Despreciando la reluctancia del hierro y la dispersión de flujo magnético, calcular el número (por polo) de espiras necesarias en los polos auxiliares.
SOLUCION:
Puesto que en un arrollamiento imbricado se cumple que 2p = 2c. En consecuencia, el número de espiras necesario será:
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI * BIBLIOGRAFIA
Fraile Mora, J. “MAQUINAS ELÉCTRICAS”. Editorial McGrawHill. 2003.
Sanjurjo Navarro, R. “MAQUINAS ELECTRICAS”. Editorial Mc-Graw-Hill. Madrid. 1989.
Ras Oliva, E. “TRANSFORMADORES DE POTENCIA, DE MEDIDA Y DE PROTECCION”. Editorial Marcombo. Barcelona. 1978.
Departamento de Ingeniería Eléctrica. “VirMALec. Guía didáctica en CD sobre Máquinas Eléctricas”. Versión 2004/2005.
