Máquinas Eléctricas PÁGINA 1
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¿Qué es el par?¿Qué papel cumple el par en el movimiento rotacional de las máquinas?
El par sobre un objeto se define como el producto de la fuerza aplicada al objeto por la distancia mínima entre la línea de acción de la fuerza y el eje de rotación del objeto. Cuando un objeto rota, su velocidad permanece constante a menos que se ejerza un par sobre él. Cuanto mayor sea el par aplicado, más rápidamente cambiará su velocidad angular. •
¿Cuál es la ley de Ampere?
Un conductor que porta una corriente produce un campo magnético a su alrededor. Ley básica que gobierna la producción de un campo magnético por una corriente: ECUACION •
¿Qué es intensidad de campo magnético?¿Qué es densidad de flujo magnético? ¿Cómo se relacionan las anteriores?
´ La intensidad de campo magnético H es una medida del ¨es ¨esfue fuerzo rzo¨ de una corriente por establecer un campo magnético. La densidad de flujo magnético B indica el número de líneas de campo que atraviesan una superficie determinada. B=μ·H •
¿Cómo ayudan los conceptos de circuito magnético equivalente para el diseño de los núcleos de los transformadores transformadores y las máquinas?
El modelo de circuito magnético del comportamiento magnético se utiliza en el diseño de máquinas y transformadores eléctricos para simplificar el proceso de diseño. Es posible definir un circuito magnético cuyo comportamiento sea gobernado por ecuaciones análogas a aquellas establecidas para un circuito eléctrico. •
¿Qué es la reluctancia?
La reluctancia de un circuito magnético es el homólogo de la resistencia del circuito eléctr eléctrico ico y se mide mide en amperi amperiosos-vue vuelta lta por wéber. wéber. En un circui circuito to magnét magnético ico,, las reluctancias obedecen las mismas reglas que las resistencias en un circuito eléctrico.
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¿Qué es un material ferromagnético? ¿Por qué es tan alta la permeabilidad de un material ferromagnético? ferromagnético?
Reciben esta denominación aquellas sustancias que tienen imanaciones grandes aun en presencia de campos magnéticos muy débiles. Son materiales cuya permeabilidad magnética es muy alta. Esta facilidad de imanación de estas sustancias procede de las fuerzas mecánico-cuánticas, que tienden a alinear paralelamente entre sí a los espines atómic atómicos os próxim próximos, os, aun en ausen ausencia cia de un campo campo magné magnétic ticoo aplica aplicado. do. La citad citadaa alineación no se produce en todo el volumen del material, sino que se encuentra por zona zonas, s, deno denomi mina nada dass domi domini nios os magn magnét étic icos os.. Cuan Cuando do una una mues muestr traa de mate materi rial al ferromagnético se coloca dentro de un campo magnético, los dominios tienden a aline alinears arse, e, de tal forma forma que sus campo camposs magné magnétic ticos os se suman suman al campo campo extern externo, o, resultando un campo total más fuerte. f uerte. •
¿Cómo varía la permeabilidad relativa de un material ferromagnético con la fuerza magnetomotriz?
La fuer fuerza za magn magnet etom omot otriz riz depe depend ndee de la corri corrien ente te apli aplica cada da,, por por lo que que para para comprobar el comportamiento de la permeabilidad relativa aplicaremos una corriente directa al núcleo, comenzando en cero amperios e incrementándola poco a poco hasta la máxi máxima ma corri corrien ente te posi posibl ble. e. Al comi comien enzo zo,, un pequ pequeñ eñoo incr increm emen ento to en la fuer fuerza za magnetomotriz produce un gran incremento en el flujo resultante. Después de cierto punto, aunque se incremente mucho la fuerza electromotriz, los incrementos en el flujo serán cada vez más pequeños. Finalmente el incremento de la fuerza magnetomotriz casi no produce cambio alguno en el flujo; este estado se conoce como “saturación”, el núcleo está saturado. Ya que la intensidad de campo es directamente proporcional a la fuer fuerza za magn magnet etom omot otri rizz y que que la dens densid idad ad de fluj flujoo magn magnét étic icoo es dire direct ctam amen ente te proporcional al flujo, la pendiente de la curva B/H es la permeabilidad. •
¿Qué es histéresis?
La cantidad de flujo presente en el núcleo depende no sólo de la cantidad de corriente aplicada a los devanados del núcleo, sino también de la historia previa del flujo presente en el núcleo. Esta dependencia de la historia previa del flujo y el seguir una trayectoria diferente en la curva, se denomina histéresis. (VER CURVA pag 27 CHAPMAN). La histéresis se produce porque cuando el campo magnético exterior se suprime, los dominios magnéticos del material que compone el núcleo no se ubican de nuevo al azar, sino que permanecen alineados. Esto se debe a que los átomos requieren energía para recuperar su anterior posición. La energía para el alineamiento original fue provista por el campo magnético exterior. Este hecho de requerir energía origina cierto tipo de pérdidas de energía en todas las máquinas y transformadores. Las pérdidas por histéresis en el núcleo del hierro corresponden a la energía requerida para reorientar los dominios durante cada ciclo de corriente alterna aplicada al núcleo
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¿Qué es un material ferromagnético? ¿Por qué es tan alta la permeabilidad de un material ferromagnético? ferromagnético?
Reciben esta denominación aquellas sustancias que tienen imanaciones grandes aun en presencia de campos magnéticos muy débiles. Son materiales cuya permeabilidad magnética es muy alta. Esta facilidad de imanación de estas sustancias procede de las fuerzas mecánico-cuánticas, que tienden a alinear paralelamente entre sí a los espines atómic atómicos os próxim próximos, os, aun en ausen ausencia cia de un campo campo magné magnétic ticoo aplica aplicado. do. La citad citadaa alineación no se produce en todo el volumen del material, sino que se encuentra por zona zonas, s, deno denomi mina nada dass domi domini nios os magn magnét étic icos os.. Cuan Cuando do una una mues muestr traa de mate materi rial al ferromagnético se coloca dentro de un campo magnético, los dominios tienden a aline alinears arse, e, de tal forma forma que sus campo camposs magné magnétic ticos os se suman suman al campo campo extern externo, o, resultando un campo total más fuerte. f uerte. •
¿Cómo varía la permeabilidad relativa de un material ferromagnético con la fuerza magnetomotriz?
La fuer fuerza za magn magnet etom omot otriz riz depe depend ndee de la corri corrien ente te apli aplica cada da,, por por lo que que para para comprobar el comportamiento de la permeabilidad relativa aplicaremos una corriente directa al núcleo, comenzando en cero amperios e incrementándola poco a poco hasta la máxi máxima ma corri corrien ente te posi posibl ble. e. Al comi comien enzo zo,, un pequ pequeñ eñoo incr increm emen ento to en la fuer fuerza za magnetomotriz produce un gran incremento en el flujo resultante. Después de cierto punto, aunque se incremente mucho la fuerza electromotriz, los incrementos en el flujo serán cada vez más pequeños. Finalmente el incremento de la fuerza magnetomotriz casi no produce cambio alguno en el flujo; este estado se conoce como “saturación”, el núcleo está saturado. Ya que la intensidad de campo es directamente proporcional a la fuer fuerza za magn magnet etom omot otri rizz y que que la dens densid idad ad de fluj flujoo magn magnét étic icoo es dire direct ctam amen ente te proporcional al flujo, la pendiente de la curva B/H es la permeabilidad. •
¿Qué es histéresis?
La cantidad de flujo presente en el núcleo depende no sólo de la cantidad de corriente aplicada a los devanados del núcleo, sino también de la historia previa del flujo presente en el núcleo. Esta dependencia de la historia previa del flujo y el seguir una trayectoria diferente en la curva, se denomina histéresis. (VER CURVA pag 27 CHAPMAN). La histéresis se produce porque cuando el campo magnético exterior se suprime, los dominios magnéticos del material que compone el núcleo no se ubican de nuevo al azar, sino que permanecen alineados. Esto se debe a que los átomos requieren energía para recuperar su anterior posición. La energía para el alineamiento original fue provista por el campo magnético exterior. Este hecho de requerir energía origina cierto tipo de pérdidas de energía en todas las máquinas y transformadores. Las pérdidas por histéresis en el núcleo del hierro corresponden a la energía requerida para reorientar los dominios durante cada ciclo de corriente alterna aplicada al núcleo
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¿Qué son las pérdidas por corrientes parásitas? ¿Qué se puede hacer para minimizar las pérdidas por corrientes parásitas en un núcleo?
Un flujo variable en el tiempo induce voltaje dentro de un núcleo ferromagnético de la misma forma que lo haría en un alambre conductor enrollado alrededor del mismo núcleo. Estas corrientes parásitas disipan energía puesto que fluyen en un medio resistivo (el hierro del núcleo), la energía disipada se convierte en calor en el núcleo. La cantidad de energía perdida debida a las corrientes parásitas es proporcional a la distancia de los caminos recorridos dentro del núcleo. Por esta razón, se acostumbra cortar el núcleo ferromagnético que va a estar sujeto al flujo alterno en pequeñas tiras o láminas, y construirlo con ellas. Para limitar al mínimo los recorridos de las corrientes parásitas, se utilizan resinas aislantes entre las diferentes láminas. Debido a que las capa capass aisl aislan ante tess son son extr extrem emad adam amen ente te delg delgad adas as,, su efec efecto to sobr sobree las las prop propie ieda dade dess magnéticas del núcleo es muy pequeño. •
¿Por qué todos los núcleos expuestos a la acción de campos magnéticos alternos son laminados?
Para minimizar las pérdidas por corrientes parásitas en el núcleo, ya que la cantidad de energía perdida debida a las corrientes parásitas es proporcional a la distancia de los caminos recorridos dentro del núcleo. •
¿Cuál es la ley de Faraday?
Si un flujo atraviesa una espira de alambre conductor, se inducirá en ésta un voltaje directamente proporcional a la tasa de cambio o variación del flujo con respecto al tiempo: Ecuación Pag 30 CHAPMAN El signo menos de la ecuación es una expresión de la ley de Lenz, la cual establece que la dirección del voltaje inducido en la bobina es tal que si los extremos de ésta estuvieran en cortocircuito, se produciría en ella una corriente que generaría un flujo opuesto al cambio del flujo inicial. Puesto que el voltaje inducido se opone al cambio que lo causa, se incluye un signo menos en la ecuación. •
¿Qué condiciones se requieren para que un campo magnético produzca una fuerza sobre un alambre conductor?
Se requiere que la dirección dirección del vector vector densida densidadd de flujo magnético magnético y la dirección dirección del flujo de corriente no sean iguales ni paralelas: F=i·l·B·senθ. •
¿Qué condiciones se requieren para que un campo magnético produzca voltaje en un alambre conductor?
Se requiere que la orientación del vector velocidad del desplazamiento sea distinta de la dirección del vector densidad de flujo, no sean paralelos: e ind=(v × B)·l.
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Señale que tipos de pérdidas se producen en los materiales ferromagnéticos empleados en la construcción de las máquinas eléctricas. Explique cual es el origen de estas pérdidas, así como de los parámetros de los que dependen. Comente también la forma en que estas pérdidas tratan de ser reducidas en la construcción construcción de las máquinas.
Dos tipos de pérdidas: Pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes parásitas. o
o
Las pérdidas por histéresis se deben a que una vez que se han orientados los átomos de los dominios del material ferromagnético al aplicarse un campo magnético externo, estos se mantienen alineados cuando cesa el campo externo, y precisan de un aporte de energía externo para que pierdan la alineación. Las pérdidas por histéresis en el núcleo del hierro corresponden a la energía requerida para reorientar los dominios durante cada ciclo de corriente alterna aplicada al núcleo. Las pérdidas por histéresis dependen del ciclo de histéresis y se demuestra que el área encerrada comprendida en la curva de histeresis formada al aplicar corriente alterna es directamente proporcional al a energía perdida en un ciclo dado de corriente alterna. Se utilizan chapas magnéticas que tengan un bajo ciclo de histéresis para disminuir las pérdidas. Perdidas por corrientes parásitas: Un flujo variable en el tiempo induce voltaje dentro de un núcleo ferromagnético de la misma forma que lo haría en un alambre conductor enrollado alrededor del mismo núcleo. Estas corrientes parásitas disipan energía puesto que fluyen en un medio resistivo (el hierro del núcleo), la energía disipada se convierte en calor en el núcleo. La cantidad de energía perdida debida a las corrientes parásitas es proporcional a la distancia de los caminos recorridos dentro del núcleo. Por esta razón, se acostumbra cortar el núcleo ferromagnético que va a estar sujeto al flujo alterno en pequeñas tiras o láminas, y cons constru truir irlo lo con con ella ellas. s. Para Para limi limita tarr al míni mínimo mo los los reco recorri rrido doss de las las corrie corriente ntess parás parásita itas, s, se utiliz utilizan an resina resinass aislan aislantes tes entre entre las difere diferente ntess láminas. Debido a que las capas aislantes son extremadamente delgadas, su efecto sobre las propiedades magnéticas del núcleo es muy pequeño. Chapas Chapas magnét magnética icass de pequeñ pequeñoo espeso espesorr y baja baja conduc conductiv tivida idadd (alta (alta resistividad) y se caracterizan por contener silicio en una proporción de 4 o 5%.
PÁGINA 3 – TRANSFORMADORES •
Defina brevemente el transformador:
Máquina eléctrica estática, constituida por dos arrollamientos, primario y secundario, que transforma una energía eléctrica de entrada (de c.a.) con determinadas magnitudes de tensión y corriente en otra energía eléctrica de salida (de c.a.) con magnitudes diferentes. •
¿Por qué han sido importantes los transformadores, para el desarrollo, en la utilización de la energía eléctrica?
Porque han hecho posible la realización práctica y económica del transporte de la energía eléctrica a grandes distancias, ya que la transmisión de la energia electrica desde las centrales hasta los centros de consumo es tanto más económica cuanto más alta es la tensión de las líneas, pues con ello se hace menor la corriente y en consecuencia se reduce la sección de los conductores. Los transformadores permiten la elevación de la tensión de los alternadores para reducir estas pérdidas y, a su vez, permiten la reducción, el camino inverso, en los centros destinados al consumo. •
¿Cómo se llama el arrollamiento de mayor tensión?
Devanado de alta tensión. •
¿Cómo se llama el arrollamiento de menor tensión?
Devanado de baja tensión. •
¿A qué rendimiento aproximado pueden llegar los grandes transformadores?
A un 99,7%. •
Enumere las partes principales de un transformador:
Núcleo, devanado, sistemas de refrigeración y aisladores pasantes de salida. •
¿Cuáles son los elementos de un circuito magnético o núcleo?
El circuito magnético está compuesto por las columnas, que son las partes donde se montan los devanados, y las culatas, que son las partes que realizan la unión entre las columnas. •
¿Cómo se llaman los espacios entre las columnas y las culatas?
Ventanas del núcleo.
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¿Cómo se clasifican los transformadores según la posición relativa entre el núcleo y el devanado?
Se clasifican en acorazados , en los que los devanados están en su mayor parte abrazados o acorazados por el núcleo magnético, y de columnas, en los que son los devanados los que rodean casi por completo el núcleo magnético. •
¿Cómo pueden ser los devanados según la disposición relativa entre los arrollamientos de AT y BT?
Según la disposición relativa entre los arrollamientos de AT y BT, los devanados pueden ser concéntricos, en el que los bobinados tienen forma de cilindros coaxiales, o alternados, en el que los arrollamientos se subdividen en secciones o “galletas”, de tal forma que las partes de los devanados de AT y BT se suceden alternativamente a lo largo de la columna. •
¿Cómo pueden ser los transformadores atendiendo a su sistema de refrigeración? Transformadores en seco,
para pequeñas potencias en los que la superficie externa de la máquina es suficiente para lograr la evacuación de calor necesaria, y transformadores en baño de aceite , para potencias elevadas. •
¿Qué es la placa de características del transformador?
La placa de características de un transformador es una cartulina metálica serigrafiada que incluye los datos de potencia asignada, tensiones asignadas, frecuencia e impedancia equivalente en tanto por ciento, o caída de tensión relativa de cortocircuito. Si el transformador tiene tomas variadoras de tensión, se incluyen asimismo las tensiones de las diferentes derivaciones. También se indica el esquema de conexiones internas, la especificación del tipo de transformador, clase de refrigeración, nombre del fabricante, serie, código, y en algunos casos referencias sobre las instrucciones de funcionamiento. •
¿Qué son las tensiones nominales del transformador?
Son aquellas para las cuales se ha proyectado el transformador y serán los valores base empleados en los ensayos y en la utilización del transformador. •
¿A que se refiere la potencia nominal del transformador?
A la potencia aparente y se aplica tanto al devanado primario como al secundario. Para transformadores trifásicos: S = √3 · V 1nom · I1nom.= √3 · V2nom · I2nom •
¿A qué se refieren los términos nominal y plena carga?
Nominal y a plena carga son sinónimos, y se refieren a las características de trabajo del transformador para las que ha sido diseñado.
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¿Qué es la relación de transformación del transformador?
Es el cociente entre la tensión primaria aplicada al transformador y la tensión secundaria en vacío. Este cociente es el que incluye el fabricante en la placa de características de la máquina. •
¿Qué significa que el transformador funcione en vacío?
Un transformador trabaja en vacío cuando el secundario está en circuito abierto. •
¿Qué significa que el transformador funcione con carga?
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¿Qué es la corriente de vacío o de excitación I o?
La corriente que circula por el devanado primario. •
Defina brevemente qué es el circuito equivalente de un transformador
El desarrollo del circuito equivalente se inicia reduciendo ambos devanados al mismo número de espiras. Generalmente se reduce el secundario al primario, lo que quiere decir que se sustituye el transformador original por otro que tiene el mismo primario con N1 espiras y un nuevo secundario con un número de espiras N`2 igual a N1. El transformador real, cuyos devanados están acoplados magnéticamente, por un circuito cuyos elementos están acoplados sólo eléctricamente. •
Defina brevemente el ensayo de vacío del transformador
Consiste en aplicar al primario del transformador la tensión asignada, estando el secundario en circuito abierto. Al mismo tiempo debe medirse la potencia absorbida P 0, la corriente de vacío I 0 y la tensión secundaria. •
Defina brevemente el ensayo en cortocircuito del transformador
Consisten en cortocircuitar el devanado secundario y se aplica al primario una tensión que se va elevando gradualmente desde cero hasta que circula la corriente asignada de plena carga por los devanados. •
¿Qué podemos obtener del ensayo en vacío del transformador ?
Permite determinar las pérdidas en el hierro del transformador y también de los parámetros de la rama paralelo del circuito equivalente del mismo. •
¿Qué podemos obtener del ensayo en cortocircuito del transformador?
Permite determinar los parámetros de la rama serie del circuito equivalente del transformador, R cc y Xcc.
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Dibuje el esquema equivalente del transformador
DIBUJO •
¿Qué es la caída de tensión del transformador?
Se defina como la diferencia entre la tensión secundaria de vacío y la tensión del secundario cuando se le conecta una carga, mientras alimentamos el primario con la tensión nominal. •
Defina la caída de tensión relativa del transformador
Caída de tensión relativa o regulación a la caída de tensión interna, respecto a la tensión secundaria en vacío (asignada), expresada en tanto por ciento, ε c. •
¿Qué es el efecto Ferranti?
Atendiendo al triángulo de Kapp, por la ecuación de Kapp obtenemos: V1n – V´2 = C R cc I´2n cos φ2 ± C Xcc I´2n sen φ2 Si el f.d.p. de la carga es capacitivo, el segundo término de la expresión sería negativo. El efecto Ferranti tiene lugar cuando al ser capacitivo el f.d.p. de la carga y el segundo término supera al primero, dando lugar a caídas de tensión negativas, lo que indica que aparecen tensiones en carga superiores a las de vacío, V´ 2 > V1n , o de otra forma, V2 > V20. •
¿Cuándo es el rendimiento máximo en un transformador ?
El rendimiento es máximo para una determinada carga para la cual coinciden las pérdidas fijas y variables, cuando P 0 = C2opt · Pcc. •
Defina el índice de carga del transformador
Se denomina índice de carga C al cociente entre la corriente secundaria del transformador y la nominal correspondiente: C = I2/I2n = I´2/I´2n ≈ I1/I1n •
Defina el índice de carga óptimo
Es el índice de carga para el cual se obtiene un rendimiento máximo del transformador: Copt = √(P0/ Pcc) •
¿Qué formas se usan, frecuentemente, para la realizar las conexiones de los arrollamientos trifásicos?
En estrella (con o sin neutro), en triángulo y en zig-zag.. •
Defina el proceso para determinar el índice horario.
El proceso a seguir para determinar el índice horario es el siguiente: 1.Se representan las f.e.m.s. simples del devanado primario, de tal forma que el terminal A se sitúa en la parte superior del diagrama (coincidiendo con el número 12 de un reloj imaginario que se colocará superpuesto al esquema vectorial). 2.Se representan las f.e.m.s. simples secundarias, y para ello debe ternese en cuenta que los devanados primario y secundario situados en la misma columna producen f.e.m.s. en fase (para los bornes análogos). 3.Se superponen ambos diagramas. El ángulo horario es el que forman dos vectores, uno que pasa por el punto A y el centro del diagrama y el otro el que pasa por a y ese mismo centro. De aquí se deduce el índice horario. •
¿Para qué se acoplan los transformadores en paralelo?
Porque con frecuencia es necesario elevar la potencia de los transformadores de alimentación cuando aumenta la demanda en un sistema eléctrico. Antes que retirar una unidad antigua y sustituirla por otra nueva y de mayor potencia, es más económico disponer de un transformador adicional conectado en paralelo con el ya existente y cubrir así la demanda. Por otro lado, el consumo de un sistema eléctrico puede variar fuertemente de unas épocas a otras del año; si se proyecta la instalación con un único transformador, éste deberá tener la potencia suficiente para poder suministrar la carga solicitada en los momentos de mayor demanda, y en esta situación en las épocas de menor consumo el transformador trabajará con poca carga, por lo que su rendimiento será bajo. Por ello es conveniente colocar dos o tres transformadores más pequeños en paralelo de tal forma que en los períodos de menor demanda funcione solamente uno de ellos y en épocas de mayor consumo se incorporan nuevas unidades en paralelo. •
¿Qué condiciones han de cumplir para poder realizar un perfecto servicio en paralelo?
Para poder realizar un perfecto servicio en paralelo se han de cumplir las condiciones siguientes: 1. Los transformadores deben pertenecer al mismo grupo de conexiones (mismo ángulo horario). 2. Los transformadores deben tener las mismas tensiones primarias y secundarias (lo que indica la misma relación de transformación entre tensiones compuestas). 3. Los transformadores deben tener idénticas tensiones relativas de cortocircuito (εcc).
Las dos primeras condiciones son necesarias incluso en el funcionamiento en vacío, y de esta forma se evitan corrientes de circulación entre ambos transformadores en ausencia de carga, debido a la no coincidencia de las fases o a la desigualdad de sus f.e.m.s. secundarias. La tercera condición es necesaria además para el correcto funcionamiento en carga, de forma que esta última se distribuya entre los transformadores proporcionalmente a sus potencias asignadas aparentes. En la práctica se admiten unas desviaciones máximas del 10% y se suele exigir que la relación de potencias nominales de los transformadores conectados en paralelo no supera la relación 3:1. •
¿Qué es un autotransformador?
El autotransformador es un transformador especial formado por un devanado continuo, que se utiliza a la vez como primario y secundario, por lo que las tensiones de alimentación y salida no van aisladas entre sí. A diferencia del transformador de dos devanados, un autotransformador transfiere energía entre los dos circuitos, en parte por acoplamiento magnético y en parte por conexión eléctrica directa •
Ventajas e inconvenientes de los autotransformadores.
El autotransformador emplea solamente N1 espiras, a diferencia del transformador que necesita N1 espiras en el primario y N2 espiras en el secundario. El peso en cobre en cada uno de los casos es proporcional al número de espiras y a la corriente que las recorre, lo que indica un ahorro en material para el autotransformador frente al transformador. La reducción en el número de espiras total permite también emplear circuitos magnéticos con menos ventanas, lo que supone un menor peso en hierro. El autotransformador tiene en consecuencia menos pérdidas en el cobre y en el hierro, lo que mejora el rendimiento y la caída de tensión frente al transformador. El autotransformador presenta dos inconvenientes fundamentales: por una parte, debido a su menor resistencia y reactancia (al existir menos espiras), resulta un bajo valor de la caída ε cc, lo que supone en caso de una falta de cortocircuito corrientes mas elevadas; por otra parte, si la relación de transformación es muy elevada, tiene el inconveniente de presentar un borne común a los arrollamientos de AT y BT. Debido a estos graves inconvenientes, se suele limitar el uso de los autotransformadores a los casos en los que no exista mucha diferencia entre las tensiones V 1 y V2. En cualquier caso, se está obligado conectar a tierra el borne común de ambos devanados. •
¿Por qué es necesario un control de la tensión en las redes de energía eléctrica?
Para ajustar o regular la tensión de alimentación o de suministro a los usuarios dentro de los límites legales prescritos, para controlar el flujo de potencia activa y reactiva en la red, para ajuste de la tensión, de acuerdo con los correspondientes cambios en la carga. ¿Cómo se llaman las diversas derivaciones para regular la tensión de un transformador? •
Tomas.
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¿Cómo es más económico conmutar, en alta o en baja?
En alta. •
Enumere las dos modalidades de conmutación.
Son dos, conmutación con transformador sin tensión y conmutación con transformador en carga. •
Enumere las diferentes clases de transformadores de medida .
Transformadores de tensión y transformadores de corriente. •
¿Para qué sirven los transformadores de medida?
Para separar las altas tensiones a medir de los aparatos de medida por el riesgo que esto conlleva para el personal. Los transformadores de medida adaptan al mismo tiempo las magnitudes de la red a la de los instrumentos. Para la conexión de los amperímetros y bobinas amperimétricas de los instrumentos, ¿qué tipo de transformadores de medida de emplean? •
Transformadores de corriente. •
¿Cómo se conectan a la red los transformadores de intensidad?
Se conectan en serie. •
¿Cómo se conectan a la red lo transformadores de tensión?
Se conectan en paralelo. •
¿Cómo funcionan los transformadores de tensión?
Debido a la alta impedancia de la carga conectada, el transformador de tensión funciona casi en vacío. El transformador de tensión debe proporcionar una tensión secundaria proporcional a la tensión primaria. •
¿Cómo se definen los transformadores de tensión?
Se definen según su carga asignada en VA, denominada también potencia de precisión, que es la máxima carga que puede conectarse a su secundario (teniendo en cuenta también la potencia disipada en los hilos de conexión), para que el error de la medida esté comprendido dentro de los márgenes indicados por el constructor. •
¿Qué es error de relación o de tensión en el transformador de tensión?
Indica la desviación porcentual de la tensión realmente existente en el secundario, V2, con respecto a la que debería existir si el transformador fuera ideal, V 1/K v, es decir: V − V / K ⋅100 ε = 2
v
1
v
V 1
K v
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¿Qué es error de fase o de ángulo en el transformador de tensión?
Es la diferencia de fase existente entre los vectores V 1 y V 2, y se mide en minutos. Este error tiene importancia cuando se trata de medir la energía. •
¿Qué son las clases de precisión en el transformador de tensión?
0,1; 0,2; 0,5; 1; 3, indican el valor máximo de ε v permitido cuando el transformador se carga con su potencia asignada y un f.d.p. de 0,8 inductivo. ¿Qué es el error de intensidad o de relación en el transformador de corriente? •
Indica la desviación porcentual de la corriente realmente existente en el secundario, I2, con respecto a la que debería existir si el transformador fuera ideal, I1/Ki, es decir: ε
i
=
I2 − I1 I 1
/
Kv ⋅
100
K v
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¿Qué es el error de fase en el transformador de corriente?
Es la diferencia de fase existente entre los vectores I 1 e I2 y se expresa en minutos. •
¿Qué son las clases de precisión en el transformador de corriente?
Indican el valor máximo de ε i permitido cuando el transformador se carga con su potencia asignada y un f.d.p. de 0,8 inductivo. •
¿Qué es acción de transformador?
Cambiar potencia eléctrica alterna de un nivel de voltaje a potencia eléctrica alterna a otro nivel de voltaje mediante la acción de un campo magnético. ¿Qué
ventaja ofrece el empleo de transformadores en la transmisión de energía eléctrica a larga distancia? •
Economiza la transmisión de energía a grandes distancias, ya que se disminuye la sección de los conductores de línea al reducir las corrientes por medio de una elevación de las tensiones por medio del transformador.
¿Cuál es la diferencia entre la bobina primaria y la secundaria de un transformador? •
La diferencia estriba en que la bobina primaria está conectada a una fuente de energía eléctrica alterna y la secundaria suministra energía eléctrica a las cargas. •
¿Qué es un transformador reductor, a diferencia de uno elevador ?
Un transformador cuyo devanado primario tiene como característica una tensión nominal mayor que el secundario. ¿En qué forma están conectadas entre sí la bobina primaria y al bobina secundaria de un transformador? •
Están físicamente enrolladas una sobre la otra; la bobina de menor voltaje está situada en la parte interna (más cerca del núcleo). •
¿Qué significa flujo de dispersión?
Porción del flujo que atraviesa una de las bobinas del transformador, pero no la otra (No todo el flujo producido en la bobina primaria atraviesa la bobina secundaria pues algunas de las líneas de flujo abandonan el núcleo de hierro y pasan a través del aire). •
¿Qué significa flujo mutuo?
Es la porción de flujo que permanece en el núcleo y liga ambos devanados. •
¿Cómo se induce voltaje en las bobinas de transformador?
Se explica por la Ley de Faraday. Por la ley de Ampére, si se aplica corriente a un conductor se genera un campo magnético en el devanado primario. Este campo magnético a su vez, por la ley de Faraday, induce voltaje en el secundario, ya que un flujo magnético que atraviesa una bobina induce un voltaje en la misma, proporcional a la variación de flujo con respecto al tiempo. •
¿Qué es la corriente de magnetización en un transformador?
Es la corriente requerida para producir el flujo en el núcleo del transformador. ¿Varía con la carga el nivel de flujo magnético senoidal o permanece en el mismo nivel en un transformador? ¿Por qué? •
No varía, ya que la corriente fluye igualmente por el circuito primario aun cuando el circuito secundario está abierto. •
¿Qué significa relación de transformación?
Es el cociente entre la tensión primaria aplicada al transformador y la tensión secundaria en vacío. Este cociente es el que incluye el fabricante en la placa de características de la máquina. ¿Cuáles son dos características que distinguen a un transformador real de un transformador ideal? •
El núcleo posee histéresis o corrientes parásitas y que la resistencia de los devanados es distinta de cero, así como que el flujo disperso en el núcleo es distinto de cero. ¿Por qué la densidad máxima de flujo magnético no debe estar muy alejada de la porción lineal de la curva B-H del material de los laminados del transformador? •
¿El concepto relación de vueltas de un transformador es igual al concepto de relación de voltajes a través de un transformador? Explique la respuesta. •
Si, pero solamente para el caso de que un transformador ideal. Para el transformador real, la relación entre el voltaje primario causador por el flujo mutuo, y el voltaje secundario causado por el flujo mutuo, es igual a la relación de vueltas del transformador (si no se tiene en cuenta el flujo disperso, pasaríamos al mismo caso del transformador ideal). •
¿Por qué la curva de magnetización impone un límite superior al voltaje aplicado a un núcleo de transformador?
Porque una vez que el pico del flujo alcanza el punto de saturación en el núcleo, un pequeño incremento en el flujo pico requiere un incremento muy grande en la corriente de magnetización. ¿Qué componentes conforman la corriente de excitación de un transformador? ¿Cómo se simulan en el circuito equivalente del transformador? •
La corriente de magnetización i m, requerida para producir el flujo en el núcleo del transformador, y la corriente de pérdidas en el núcleo i h+e, requerida por el fenómeno de histéresis y por las corrientes parásitas. La corriente de magnetización i m es proporcional (en su región no saturada) al voltaje aplicado al núcleo y atrasa el voltaje aplicado en 90º, por tanto puede modelarse como un reactancia X M conectada a través de la fuente de voltaje primario. La corriente de pérdidas en el núcleo i h+e es proporcional al voltaje aplicado al núcleo que está en fase
con el voltaje aplicado, tal que puede ser modelado por una resistencia R c conectada a través de la fuente de voltaje primario. ¿Qué es el flujo disperso en un transformador? ¿Por qué puede simularse como un inductor en el circuito equivalente del transformador? •
Son los flujos que escapan del núcleo y pasan únicamente a través de uno de los devanados del transformador. Porque esta fuga de flujos produce una autoinductancia en las bobinas primarias y secundarias. Haga una lista y describa los tipos de pérdidas que se presenta en un transformador. •
Pérdidas en el cobre: Son pérdidas por calentamiento resistivo en los devanados primario y secundario del transformador. Son proporcionales al cuadrado de la corriente en los devanados. Pérdidas por corrientes parásitas: pérdidas por calentamiento resistivo en el núcleo del transformador. Son proporcionales al cuadrado del voltaje aplicado al transformador. Pérdidas por histéresis: están relacionadas con los reordenamientos de los dominios magnéticos en el núcleo durante cada semiciclo. Son una función compleja no lineal del voltaje aplicado al transformador. Flujo disperso: Son los flujos que escapan del núcleo y pasan únicamente a través de uno de los devanados del transformador. Esta fuga produce una autoinductancia en las bobinas primaria y secundaria.
¿Por qué el factor de potencia de la carga afecta la regulación de voltaje del transformador? •
Porque para un transformador que opera a un factor de potencia en atraso, la regulación de voltaje es mayor que cero, mientras que para un factor de potencia en adelanto, el voltaje secundario puede ser mayor que el voltaje primario de referencia. Si esto último ocurre, el transformador tendrá una regulación de voltaje negativa (efecto ferranti). •
¿En qué consisten las tomas de derivación en los transformadores? ¿Por qué se utilizan?
Las tomas de un transformador permiten que éste se pueda ajustar para acomodarse a las variaciones de los voltajes de las localidades. Permiten pequeños cambios en la relación de vueltas del transformador después de haber salido de fábrica. Sin embargo, estas tomas normalmente no se pueden cambiar mientras el transformador está suministrando potencia, sino cuando se encuentre sin carga. ¿Cuáles son los problemas transformadores Y-Y? •
asociados a
la conexión
trifásica
de
1. Si las cargas del circuito del transformador están desbalanceadas, los voltajes de las fases del transformador pueden llegar a desbalancearse severamente. 2. Los voltajes de terceras armónicas pueden ser grandes. •
¿Puede un transformador de 60 Hz ser operado en un sistema de 50 Hz? ¿Qué acciones se deben llevar a cabo para que sea viable esta operación?
El voltaje y la frecuenta están relacionados de manera recíproca, si se debe mantener constante el flujo máximo: φ max
=
V max
ω ⋅ N p
Si un transformador de 60 Hz se debe operar a 50 Hz, el voltaje que se le aplique debe reducirse también en un sexto o el flujo máximo en el núcleo será demasiado alto. Si el voltaje de un transformador se reduce por alguna razón (por ejemplo la aquí descrita), el valor de potencia nominal del transformador debe reducirse en igual cantidad. Si no se hace esta corrección, la corriente en los devanados del transformador excederá la corriente máxima permisible causando sobrecalentamiento. •
Un transformador de distribución está dimensionado para 18 kVA, 20.000/480 V y 60 Hz. ¿Puede este transformador suministrar en forma segura una carga de 15 kVA a 415 V y 50 Hz? Explique la respuesta.
Si puede trabajar de manera segura, ya que tanto el la potencia nominal como el voltaje han sido reducidos en la misma proporción para trabajar a 50 Hz, por lo que la corriente en los devanados del transformador no excederá la corriente máxima permisible. ¿Por qué se escucha un zumbido al estar cerca de un gran transformador de potencia? •
MÁQUINAS ASÍNCRONAS •
¿Cómo induce voltajes un campo magnético de intensidad uniforme pero giratorio en el rotor de un motor de inducción?
Aparece una FEM inducida por el campo giratorio en las espiras del rotor. •
¿Cómo producen un campo magnético de rotor los voltajes que se inducen en el rotor?
El estator de un motor asíncrono está formado por 3 devanados separados en el espacio 120º. Los 3 devanados están alimentados mediante un sistema trifásico de tensiones. Por tanto, las corrientes que circulan por las espiras son senoidales y están desfasadas 120º. Se produce una onda rotativa de f.m.m. distribuida senoidalmente por la periferia del entrehierro, que produce un flujo giratorio. •
¿Qué es deslizamiento en un motor de inducción?
Se le llama deslizamiento al cociente porcentual de la velocidad de deslizamiento por velocidad de sincronismo. Si es s=0 se mueve a velocidad de sincronismo y si es s=1 el motor está parado. •
¿Por qué debe estar presente cierto deslizamiento para la acción de motor?
Porque sino el rotor no giraría, ya que I’ 2 sería nula y no existiría ningún par electromagnético en el eje. •
¿Por qué el hecho de poner a trabajar un motor de inducción sin carga
permite determinar las pérdidas por rotación?
El motor gira a una velocidad cercana a la del campo giratorio. Lo que indica que la resistencia de carga tiene un valor muy alto pero sin ser infinito. Como no ejerce ningún par de carga en el eje, la potencia disipada en esta resistencia representa la pérdida de rozamiento y ventilación del motor. •
¿Cuál es la utilidad de la prueba de rotor bloqueado?
Permite obtener los parámetros de la rama serie del motor.
•
¿Por qué es deseable conocer la resistencia de los devanados del estator?
Para aplicarlo en el cálculo de los pares. •
¿Por qué está relacionada con el deslizamiento la corriente de rotor de un motor de inducción?
Porque el deslizamiento está ligado a la velocidad del rotor a medida que aumente la velocidad se acerca a la de sincronismo, haciendo tender el deslizamiento a 0. Por tanto la I’2 sería prácticamente nula. •
¿Cuál es la diferencia entre par bruto desarrollado y par neto de salida?
El par neto de salida es el par bruto menos la potencia de pérdidas en el cobre del estator, en el hierro, en el cobre del rotor y las pérdidas rotacionales. •
¿Por qué se llama par de desenganche al par máximo?
El ángulo de carga representa el límite de estabilidad de la máquina. Si se supera este ángulo el rotor se dice que se desengancha, ya que deja de poder seguir el campo giratorio del estator, y se para. •
¿Cómo se puede conseguir que el par máximo sea el par de arranque en un motor de inducción de rotor devanado?
Disminuyendo la velocidad. ¿Qué parte de la potencia que un motor es capaz de desarrollar se usa normalmente como la potencia nominal? •
La potencia útil, es decir, la potencia resultante eliminando las pérdidas. ¿Cuál es la utilidad de las diversas clases NEMA de motores dentro de la misma potencia nominal? •
Su utilidad erradica en que cada clase tienen una serie de particularidades. Por ejemplo, se diferencian en el par de arranque, rendimientos, par máximo, deslizamientos de funcionamiento… Si se requiere que un motor desarrolle un par de arranque de un poco más del doble de su par de operación normal, ¿qué clase NEMA son aplicables? •
Es aplicable el motor C (doble jaula) el cual su par de arranque es el doble del nominal. •
¿Qué es un rotor de doble jaula de ardilla?
Esta configuración representa una de las variedades del motor asíncrono en cortocircuito que utiliza el fenómeno de desplazamiento de la corriente en el devanado del rotor para mejorar las propiedades del arranque del motor. Está diseñado de forma
que combina la barra de pequeña sección (alta resistencia, baja reactancia de dispersión) y de ranura profunda (resistencia baja, elevada reactancia de dispersión). ¿Cuáles son los beneficios que ofrece una construcción de rotor de doble jaula? •
Mejorar las propiedades del arranque del motor. La reactancia de dispersión aumenta con la profundidad igual que el flujo de dispersión. El flujo de dispersión se concentra hacia el interior. ¿Qué equipo adicional se requiere para aprovechar plenamente el rango en cuanto a par de un motor de rotor devanado? •
Un arrancador estático. ¿Por qué se ve afectada tan seriamente la eficiencia de operación de un motor de rotor devanado cuando se deja resistencia externa en el circuito del rotor? •
Si la resistencia retórica es elevada, el par de arranque del motor también lo es, y, a su vez, el par máximo del motor aparece con deslizamiento elevado. Si el deslizamiento es elevado, la potencia mecánica interna es baja, por tanto, el rendimiento del motor también es bajo. •
Mencione tres medios generales para controlar la velocidad de los motores de inducción.
Se puede variar la velocidad mediante inserción de resistencias retóricas en motores de rotor bobinado, por reducción de la tensión y por variación de la frecuencia. •
¿Qué es un motor de inducción de dos devanados y dos velocidades?
Motor en conexión Dahlander. •
¿Qué es un motor de inducción de polos consecuentes y dos velocidades?
Motor trifásico. •
¿Qué es lo que limita el control de velocidad por cambio de voltaje?
Tiene un bajo rango de variación porque se reduce el par del motor. •
¿Qué información proporciona la prueba de motores sin carga?
Nos proporciona los parámetros de la rama paralelo así como la potencia rotacional. •
¿Qué información proporciona la prueba con rotor bloqueado?
Nos da los parámetros de la rama serie así como la potencia absorbida. Un motor asíncrono trifásico de 6 polos alimentados a 50 Hz trabaja con un deslizamiento del 3%. Indicar cual es su velocidad de giro y cuál es la frecuencia de las corrientes rotóricas. •
Ns
=
60 ⋅ f
P
=
60 ⋅ 50 3
s
= 1500rpm
=
Ns
− N m
N s
⇒
Nm
=
1455rpm
f2
=
s ⋅ f1
= 1,5 Hz
El catálogo de un fabricante de motores asíncronos indica que las pérdidas en el hierro de un determinado motor disponible en su planta son de 80 W. Con el fin de comprobarlo, vd. alimenta el motor a la tensión y frecuencia nominales indicadas por el fabricante sin accionar ninguna carga, encontrándose con que la potencia absorbida de la red en tales condiciones es de 98 W. Justifique las posibles causas para la obtención de este resultado. •
El resultado obtenido es mayor, porque en la prueba efectuada de vacío, la potencia absorbida por la red incluye también a las pérdidas debido al rozamiento y a la ventilación, además de las pérdidas citadas en el hierro. Explique utilizando un esquema eléctrico de los devanados de la máquina qué magnitud de reducción presenta el par de arranque de un motor cuando se arranca variando la conexión de sus devanados de estrella a triángulo . •
Pag. 4 de apuntes Salva. Iarr −estrella
=
I arr −triangulo 3
⇒ Tarr −triangulo =
3 ⋅ T arr −estrella
¿Qué son deslizamiento y velocidad de deslizamiento en un motor de inducción? ¿Cómo desarrolla el par un motor de inducción? •
Se llama deslizamiento a la diferencia de velocidad entre la velocidad síncrona y la velocidad del rotor. Velocidad de deslizamiento es la diferencia entre la velocidad de sincronismo y la velocidad del rotor. El motor de inducción desarrolla el par por medio de las fuerzas magnetomotrices que son producto del campo magnético desarrollado en el rotor por las tensiones inducidas por el estator. ¿Por
qué es imposible que un motor de inducción opere a velocidad sincrónica? •
Porque si opera a esta velocidad el deslizamiento se haría 0, I’ 2 sería nula y no existiría ningún par electromagnético en el eje.
¿Por qué el control de velocidad por variación del voltaje en los terminales está limitado en el rango de operación? •
Debido a que el par está relacionado con el cuadrado de la tensión. •
¿Cómo trabaja un circuito resistivo de arranque en un motor de inducción?
Para el arranque de la máquina se introducen resistencias entre los anillos rozantes que se van eliminando conforme aumenta la velocidad de giro. Sólo vale para los motores de rotor bobinado y anillos rozantes. •
¿Qué información se deduce de la prueba de rotor bloqueado?
Nos da los parámetros de la rama serie así como la potencia absorbida. •
¿Qué información se deduce de una prueba de vacío?
Nos da los parámetros de la rama paralelo así como la potencia rotacional. •
¿En qué aplicaciones se utilizan típicamente los generadores de inducción ?
Los generadores asíncronos se utilizan en sistemas de generación donde la fuente primaria es muy variable: energía eólica e hidráulica. •
¿Cómo puede utilizarse un motor de inducción de rotor devanado como variador de frecuencia?
Si se alimenta el estator de una máquina eléctrica por medio de una red de c.a. de frecuencia f y se mueve el rotor por un medio mecánico exterior a velocidad n, se obtiene una frecuencia en el rotor f
2
=
f ±
n⋅p 60
.
¿Cómo afectan los diferentes modelos de voltaje-frecuencia de los controladores las características de par-velocidad de un motor de inducción? •
El par va disminuyendo linealmente con la velocidad. La característica mecánica de los motores de inducción es prácticamente lineal entre vacío y plena carga. •
Se fabrican dos motores de inducción de 480 V 100hp. Uno de ellos es diseñado para operar a 50 Hz y el otro a 60 Hz; en lo demás son similares. ¿Cuál de estas dos máquinas es más grande?
En las mismas condiciones a mayor frecuencia mayor número de pares de polos y por tanto más grande la destinada a operar a 60 Hz.
Un motor de inducción gira en condiciones nominales. Si se incrementa la carga al eje, ¿cómo cambian las siguientes magnitudes? A) Velocidad •
mecánica, B) Deslizamiento, C) Voltaje inducido en el rotor, D) Corriente del rotor, E) Frecuencia del rotor, F) Pérdidas en el cobre del rotor, G) Velocidad sincrónica.
A mayor carga, la velocidad mecánica, el deslizamiento, el voltaje inducido en el rotor, la corriente del rotor y la frecuencia del rotor aumentan; la velocidad sincrónica permanece invariable. En un motor de inducción: ¿Qué es el arranque estrella-triángulo? Explique en qué consiste el frenado en contracorriente. Explique en qué consiste el método de variación de la velocidad mediante variación de la frecuencia de alimentación, y comente cómo se implementa en la práctica. •
El arranque estrella-triángulo consiste en conectar los devanados del motor en estrella para arrancar al máquina conmutando a conexión en triángulo una vez que la máquina ha elevado su velocidad. El motor conectado en e estrella consume menos corriente y entrega menos par (1/3 Itriangulo). De este modo, se limita la corriente de arranque. Frenado a contracorriente consiste en invertir el sentido de giro. Se puede conseguir variar la velocidad mediante variadores de frecuencia, se consigue mediante convertidores de frecuencia rotativos o por medio de SRC. •
En un motor de inducción: Cite tres formas en que podemos conseguir la variación de su velocidad. Explique en qué consiste el frenado dinámico. Explique cómo cambia la forma de la corriente de arranque con el nivel de carga.
Se puede variar la velocidad mediante inserción de resistencias rotóricas en motores de rotor bobinado, por reducción de la tensión de alimentación y por variación de la frecuencia (por medio de convertidores de frecuencia rotativos o por SRC). El frenado dinámico consiste en dos acciones sobre el funcionamiento del motor: eliminación de la alimentación en alterna e inyección de corriente continua por el estator. La inyección de CC provoca la aparición de un campo eje fijo que genera un par de frenado. La duración del arranque, es decir, el tiempo en que tarda en alcanzar la corriente nominal aumenta. •
En un motor de inducción: ¿De qué forma se puede cambiar el sentido de giro? ¿A qué llamamos potencia electromagnética? ¿Qué métodos puedo aplicar para conseguir un frenado eléctrico? (Coméntelos brevemente).
Se puede invertir el giro intercambiando dos fases del sistema trifásico de tensiones. La potencia electromagnética es la que llega al rotor a través del entrehierro, también llamada potencia de entrehierro. Los tipos de frenado son el frenado regenerativo o por recuperación de energía (el frenado se consigue al convertirse el motor en generador), frenado por contracorriente o contramarcha (consisten en invertir el sentido de giro) y frenado dinámico (consiste en
dos acciones sobre el funcionamiento del motor: eliminación de la alimentación en alterna e inyección de CC por el estator. Una máquina de inducción de 6 pares de polos se encuentra conectada a una red de 60 Hz. Sabiendo que en el actual estado de carga trabaja con un deslizamiento del 30%, determinar su velocidad de giro en revoluciones por minuto. •
Ns s
=
=
60 ⋅ f
P Ns − N N s
=
60 ⋅ 60 6
⇒
N
=
=
600rpm
Ns ( 1 − s )
=
600 ⋅ 0,7 = 582 rpm
•
Explique por qué en ocasiones no se pueden conectar los motores asíncronos directamente a la red. Cite los distintos métodos de arranque existente, comente brevemente cuales son las principales ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos.
Sólo es válido para motores de pequeña potencia, ya que el proceso de arranque va acompañado de un consumo de un consumo elevado de corriente. Arranque directo de la red: sólo válido en motores pequeños o en las centrales eléctricas. Arranque mediante inserción de resistencias en el rotor: sólo válido en motores de rotor bobinado y anillos rozantes. Arranque estrella-triángulo: el método más barato y el más utilizado, precisa que el devanado del motor pueda conectarse tanto en estrella como en triángulo. Arranque con autotransformador: reducción de la tensión durante el arranque mediante autotrafo, de tal forma que la tensión aplicada en el arranque sea sólo una fracción de la asignada. Este método sólo es posible en los casos en que el par resistente ofrecido por la carga no sea muy elevado (por ejemplo, si la tensión aplicada es el 70% de la asignada la corriente en la red es del 49% de la que se obtendría con arranque directo). •
¿Cómo se define la velocidad de sincronismo de una máquina de c.a.? ¿Qué es un motor asincrónico?
La velocidad de sincronismo es la velocidad a la que gira el campo giratorio producido en el estator; es proporcional a al frecuencia e inversamente proporcional al número de polos. El motor asincrónico es una máquina rotativa de inducción, constituida por un estator, donde se introduce una corriente alterna, y un rotor, el cual gira debido a que se le inducen corrientes a través del estator, a una frecuencia distinta del campo magnético. ¿Cómo se obtiene un campo magnético rotatorio en un motor de inducción trifásico? •
Si por el arrollamiento polifásico del estator del motor circula una corriente de pulsación ω y si hay un número de pares de polos P, se origina un campo giratorio que hace girar a los pares de polos.
Al aplicar un estator un conjunto trifásico de voltajes, fluye un conjunto trifásico de corrientes estatóricas que producen un campo magnético B s que rota en dirección contraria a las manecillas del reloj. La velocidad de rotación del campo magnético está dada por n
s
=
60f e
P
Enumere las condiciones que se deben satisfacer con el fin de que el campo magnético envolvente de un motor de inducción trifásico sea de amplitud constante y de velocidad periférica constante. •
Se resume en el teorema de Ferraris, se puede introducir un campo magnético giratorio, a partir de tres devanados fijos desfasados 120º eléctricos en el espacio, por lo que se introducen corrientes desfasadas 120º en el tiempo. Con esto se consigue un campo magnético de amplitud constante (circular) y que es giratorio, además de una velocidad periférica constante.
Explique los aspectos en los cuales el motor de inducción trifásico es similar al transformador estático . •
Es similar en lo que se refiere a su circuito eléctrico equivalente, ambos tienen una rama en serie y otra en paralelo. Para el cálculo de los componentes se realiza dos tipos de ensayos. •
¿Por qué nunca puede alcanzar exactamente la velocidad de sincronismo el rotor de un motor de inducción trifásico dependiente de una excitación única?
Porque en ese caso no habría ningún deslizamiento relativo de las espiras del motor en relación a los polos ficticios del estator, ninguna f.e.m., ninguna corriente, ninguna fuerza electromagnética y, por lo tanto, ningún par motor. •
Explique el deslizamiento en un motor de inducción.
Se llama deslizamiento a la diferencia de velocidad entre la velocidad de sincronismo del campo del estator y la velocidad del rotor. •
¿Qué es la frecuencia de deslizamiento?
La frecuencia a la cual gira el rotor; esta frecuencia se calcula multiplicando la frecuencia introducida de la corriente alterna por el estator por el deslizamiento. •
¿En qué se asemeja la corriente de magnetización del motor de inducción con la del transformador? ¿Cuál es la mayor? Explíquelo.
La corriente de magnetización o corriente de vacío es semejante al transformador ya que es la corriente de la rama paralelo, sin embargo en el motor asíncrono la corriente es mayor y no es despreciable como ocurría en el transformador.
¿Cómo
se representa la carga mecánica aplicada al motor de inducción trifásico en un circuito equivalente del motor ? •
Se representa mediante una resistencia variable, el cual su valor está en función del deslizamiento. Muestre cómo se representa la potencia transferida por el entrehierro del motor de inducción trifásico. Explique los términos. ¿Qué porción de esta potencia es utilizable? •
La potencia que atraviesa el entrehierro de la máquina es la potencia eléctrica absorbida menos las pérdidas en los conductores tanto en el estator como en el rotor y las pérdidas en el hierro la cual suelen considerarse centradas en el estator ya que en el rotor la f es muy baja.
Describa en detalle la manera como un motor de inducción trifásico responde a la demanda de incremento en la potencia suministrada a la carga . •
Aumento el par de carga –> Reducción de la velocidad de giro -> Mayor FEM -> -> Mayor corriente en el rotor -> Estabilidad -> Mayor par motor. Trace el circuito equivalente completo del motor de inducción trifásico y explique el significado de cada parámetro y variables eléctricas que aparecen en el circuito. •
PAG 10 SALVA ¿Cómo están constituidas las pérdidas por rotación en el motor de inducción? ¿Cómo se reponen estas pérdidas? •
Las pérdidas mecánicas se constituyen de las producidas por el rozamiento de los cojinetes, fricción de las escobillas y ventilación de la máquina. Estas pérdidas se convierten en calor por efecto Joule, el cual es absorbido en parte por la estructura de la máquina, elevando la temperatura. Mediante un diagrama de flujo de potencia indique el flujo de la potencia en un motor de inducción trifásico, desde la fuente eléctrica hasta la carga mecánica en la flecha del motor. •
Trace la curva Par – Velocidad del motor de inducción y explique cómo la ecuación del par básico puede utilizarse para explicar la forma que dicha curva adopta. •
Se usa una fórmula empírica aproximada. Ver curva página 5 SALVA.
Enumere los factores que determinan el par de arranque del motor de inducción trifásico. ¿Cómo resulta en general la comparación de ese par con el valor nominal? •
Ambas resistencias, las reactancias de cortocircuito, la fem del estator y velocidad de sincronismo. El par de arranque es como 2 o 3 veces mayor que el nominal. Describa la información que se obtiene en la prueba del rotor bloqueado del motor de inducción. •
Nos proporciona los parámetros de la rama serie así como la potencia absorbida. Explique el procedimiento empleado para determinar la reactancia de magnetización de un motor de inducción trifásico. •
Se obtiene realizando el ensayo de rotor bloqueado, en el que se toma solamente la rama en paralelo. El motor clase D tiene el mayor par de arranque, mayor capacidad de aceleración, regulación de velocidad más pobre y baja eficiencia. ¿Por qué a altos deslizamientos, la eficiencia de un motor de inducción es tan mala? •
Porque a altos deslizamientos la corriente en el rotor es mayor y, por tanto, aumentan las pérdidas. Un motor de inducción de rotor devanado está funcionando con voltaje y frecuencia nominales con sus anillos deslizantes en cortocircuito y con una carga de poco más o menos el 25% de su valor nominal. Si se agrega una resistencia externa al circuito del rotor de tal manera que la resistencia total del rotor se duplica, explique qué sucede con cada una de las siguientes variables: a) deslizamiento, b) velocidad del motor, c) voltaje inducido en el rotor, d) corriente en el rotor, e) torque inducido, f) potencia de salida, g) eficiencia total. •
El deslizamiento, voltaje inducido en el rotor, corriente en el rotor, torque inducido aumenta. La potencia de salida y la eficiencia disminuye. Se fabrican dos motores de inducción de 480V, 100HP. Uno de ellos se diseña para operar a 50 Hz y el otro se diseña para operar a 60 Hz; en lo demás son similares. ¿Cuál de las dos máquinas es más grandes? •
A mayor frecuencia, mayor número de polos, y, por tanto, el destinado a 60 Hz será más grande. Un motor de inducción está funcionando en condiciones normales. Si se le incrementa la carga en el eje, ¿cómo varían las siguientes cantidades: a) velocidad mecánica, b) deslizamiento, c) voltaje inducido en el rotor, d) corriente del rotor, e) frecuencia en el rotor, f) velocidad sincrónica? •
La velocidad mecánica disminuye. El deslizamiento, voltaje inducido en el rotor, corriente del rotor y frecuencia en el rotor aumenta. La velocidad sincrónica permanece invariable. ¿Qué impide que un motor monofásico de inducción sea de arranque automático a menos que cuente con un circuito de arranque especial? •
La ausencia de par inicial de arranque, ya que los pares de rotación originados por la acción recíproca de las intensidades de las dos mitades del arrollamiento del rotor con el campo inductor del estator son opuestas entre sí, y en consecuencia, el par resultante que actúa sobre el rotor en reposo es nulo. •
Describa la base de la teoría de los dos campos giratorios.
La fmm pulsatoria producida por una bobina recorrida por c.a. puede representarse por dos fmms rotativas que giran en sentidos contrarios a velocidades ω = ± ω . Esto constituye el teorema de Leblanc. p m
¿En qué forma hace posible la creación de una segunda fase artificial que un motor monofásico de inducción desarrolle par de arranque? •
Para que se produzca un par de arranque se necesita que los dos campos giratorios tengan diferentes amplitudes en condiciones estacionarias. Esto requiere que se incorpore un bobinado adicional al motor monofásico denominado devanado auxiliar, que se sitúa 90º eléctricos respecto al otro bobinado. Es decir, preparar una especie de pseudomotor bifásico. ¿Cómo se consigue el desplazamiento de fase requerido en un motor de fase dividida por resistencia? •
El primer devanado tiene gran reactancia y baja resistencia y el segundo justo lo contrario. El ángulo que forman las corrientes es próximo a 30º y como los arrollamientos están desfasados 90º en el espacio resulta un campo giratorio de naturaleza elíptica. ¿Cuál es la función del interruptor centrífugo de arranque en un motor monofásico? •
El interruptor centrífugo se encarga de desconectar el devanado auxiliar. •
¿Qué ocurre cuando el interruptor centrífugo de arranque falla estando cerrado?
El devanado auxiliar no está preparado para un uso continuo ya que no lo soportaría. •
¿Qué ocurre cuando el interruptor centrífugo de arranque falla estando abierto? El motor monofásico no sería capaz de arrancar.
¿Cómo se consigue el desfasamiento de fase requerido en un motor de inducción con arranque por condensador? •
La corriente del devanado principal se retrasa respecto a la tensión debido a su carácter inductivo, mientras que la corriente del devanado auxiliar se adelanta respecto a la tensión por su carácter capacitivo. ¿Qué modificación del circuito permite invertir un motor de inducción de fase dividida por resistencia o de arranque por condensador? •
Que el motor gire en un sentido o en otro depende de en que bobina se conecte en paralelo el condensador. ¿Por qué es menos eficiente un motor monofásico de inducción que un motor trifásico de inducción de potencia comparable? •
Porque la potencia en un motor trifásico se mantiene constante. ¿Cómo se produce un motor de polos sombreados el campo magnético giratorio que se necesita? •
Se dispone de un devanado concentrado alimentado por una red monofásica y un rotor en forma de jaula de ardilla. Alrededor de cada polo y abrazando parte del mismo se coloca una espira de sombra, parte del flujo principal del estator Φ ' atraviesa esta espira, induciendo una fem que a su vez produce una corriente en retraso que da lugar a un flujo Φ que sumado al anterior da como resultado un flujo auxiliar Φ desfasado β grados en el tiempo, respecto al flujo Φ '' que atraviesa la otra parte del polo. Ambos flujos se encuentran desplazados también el espacio con ángulo en consecuencia se produce un campo giratorio de naturaleza elíptica. 1
cc
a
1
•
¿Cómo se puede identificar en forma visual un motor de polos sombreados?
Debido a la pequeña magnitud del par creado, las aplicaciones de este motor son muy limitadas: ventiladores de uso doméstico, equipos de aire acondicionado, tocadiscos, máquinas fotocopiadoras… ¿Por qué un motor de inducción monofásico no puede arrancar por sí mismo sin devanados auxiliares especiales? •
La máquina de inducción monofásica no puede arrancar por sí sola por la ausencia de par inicial. ¿Cómo se desarrolla el par inducido en un motor de inducción monofásico según la teoría del doble campo giratorio? •
Cada campo giratorio dará lugar a una característica par-deslizamiento análoga a los motores trifásicos. El motor monofásico se puede considerar como dos motores trifásicos iguales, cuyos rotores están conectados en un mismo árbol y cuyos estatores
están conectados en serie de tal modo que los campos magnéticos creados por ellos giran en el espacio en sentidos contarios. ¿Cómo provee un devanado auxiliar el par de arranque para los motores de inducción monofásicos? •
Para crear un par de arranque hace falta un campo giratorio único en el momento de arranque, para ello de acuerdo con el teorema de Ferraris consiste en preparar un devanado bifásico, de forma que las corrientes estén desfasadas 90º. ¿Cómo se obtiene el desfase de la corriente en el devanado auxiliar de un motor de inducción de fase partida? •
Se disponen los dos devanados formando un ángulo de 90º entre sí, al estar desfasados en el espacio de esta manera, resulta un campo giratorio elíptico, debido a que los módulos de las intensidades no son iguales, están desfasados 90º. ¿Cómo se logra el desfase de la corriente en el devanado auxiliar de un motor de inducción de arranque por condensador? •
90º.
Debido a la naturaleza del condensador, las corrientes de las bobinas se desfasan
Enuncie dos consideraciones básicas que afectan la relación entre un motor de ca y el suministro de energía que lo maneja. • ¿Cuál es la función de un relé térmico? •
MÁQUINAS SÍNCRONAS ¿Por qué los voltajes deben ser iguales en el punto de unión de puesta en paralelo? •
Porque si los voltajes no son exactamente iguales habrá un flujo de corriente muy grande cuando el interruptor se cierre.
•
Describa el significado de secuencia de fases Secuencia en la cual los voltajes de fase alcanzan su valor máximo.
•
¿Cuál es la diferencia entre estar en fase y estar en secuencia de fases?
Dos tensiones o dos magnitudes están en fase cuando el desfase entre ambas magnitudes es nulo. Dos magnitudes están en secuencia de fases cuando los voltajes de fase alcanzan su valor máximo en la misma secuencia. Describa un tipo potencialmente extremo de daño debido a una secuencia de fases incorrecta. •
Si la secuencia de fases es diferente, aunque un par de voltajes estén en fase, los otros dos pares de voltajes están desfasados 120º. Si se conectaran en la misma forma los generadores no habría problema con la fase a, pero en las fases b y c podrían fluir muy altas corrientes, que averiarían seriamente ambas máquinas. ¿Por qué los alternadores síncronos permanecen en fase después de la puesta en paralelo? •
Porque una vez acoplados en paralelo, ambos alternadores trabajan a la misma frecuencia, y una de las condiciones para realizar la puesta en paralelo era que sus tensiones fueran exactamente iguales y estuvieran en fase. ¿Por qué es necesario que un motor primario tenga una característica de velocidad decreciente? •
giran.
Cuando la potencia tomada de ellos se incrementa, decrece la velocidad a la cual
¿Por qué la sincronización con lámparas oscuras no consigue una sincronización exacta en fase? •
Porque es más exacto comprobarlo con un voltímetro de cero. ¿Por qué la sincronización con lámparas brillantes no consigue una sincronización exacta para tres fases? •
Porque sólo nos permite conocer la secuencia de fases. • ¿Por qué la sincronización por dos lámparas brillantes y una oscura puede alcanzar un sincronismo en fase muy cercano cuando otros métodos de lámparas no pueden lograrlo? La igualdad de fase se cumple cuando es nula la tensión o iluminación de la lámpara 1, que es la que está conectada entre bornes homólogos y que se detecta con más precisión con la ayuda de un voltímetro de cero. •
¿Qué significa síncrono con referencia a un motor síncrono?
Significa que el motor gira a la velocidad de sincronismo de la red a la que está conectado. ¿Qué circunstancias demandan el uso de un motor síncrono cuando no se necesita su velocidad de rotación exacta? •
Cuando se desea regular el factor de potencia. •
Describa algunos medios para arrancar el motor síncrono. 1. Reducir la velocidad del campo magnético del estator a un valor suficientemente bajo para que el rotor pueda acelerar y se enlace con él durante medio ciclo de rotación del campo magnético. 2. Utilizar un motor primario externo para acelerar al motor sincrónico hasta la velocidad de sincronismo, pasar por el proceso de entrada en sincronismo y convertir la máquina al instante en un generador. Entonces, apagando o desconectando el motor primario, la máquina sincrónica se transformará en un motor. 3. Utiliza devanados de amortiguación.
•
¿Por qué un motor síncrono no arranca en forma automática?
Cuando se le aplica potencia a los devanados de un motor que está estacionario, el campo magnético BR es estacionario, mientras que el campo magnético del estator BS comienza a girar dentro del motor a velocidad sincrónica. El par alterna con rapidez en magnitud y dirección, de modo que el par neto de arranque es cero. Lo que ocurre al motor es que vibra con fuerza en cada ciclo eléctrico y al final se sobrecalienta. ¿Qué acción permite a un motor síncrono demandar un factor de potencia adelantado? •
El motor debe girar sobreexcitado. Este modo de operación incrementa el par máximo del motor y reduce la posibilidad de exceder por accidente el par máximo del mismo.
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¿Qué es un condensador síncrono?
Es un motor sincrónico que solían ser vendidos sólo para corregir el factor de potencia. Estas máquinas tenían ejes que no salían del marco del motor. •
¿Para qué sirve una relación de curvas en V de motor síncrono?
Puesto que la potencia real suministrada a la máquina es cero (excepto por las pérdidas), a factor de potencia unitaria, la corriente IA=0. Cuando la corriente de campo
aumenta por encima de ese punto, la corriente de línea (y la potencia reactiva suministrada por el motor) aumenta de manera aproximadamente lineal hasta que se alcanza la saturación. ¿Cuál es el beneficio económico de usar un motor síncrono con factor de potencia adelantado en conjunto con una carga comercial o de la fábrica con factor de potencia atrasado? •
Una carga en adelanto puede suministrar alguna potencia reactiva Q a cargas cercanas en atraso, en lugar de que ésta provenga del generador. Puesto que la potencia reactiva no tiene que viajar por líneas de transmisión de alta resistencia, la corriente de transmisión se reduce y las pérdidas del sistema de potencia son mucho menores. ¿Cuál es la ventaja económica para una planta de energía eléctrica de servicio público de trabajar con un condensador síncrono? •
Puesto que las líneas de transmisión portan menos corriente, pueden ser menores para un flujo dado de potencia nominal. El equipo utilizado para una corriente nominal menor reduce bastante el costo de un sistema de potencia. ¿Cuál es la principal diferencia entre una máquina sincrónica y una máquina de inducción? •
Que la máquina sincrónica rota a la velocidad de sincronismo, mientras que en la máquina de inducción nunca puede alcanzar el rotor la velocidad de giro del campo magnético. ¿Por qué la conmutación de corrientes que fluyen en dos fases cualesquiera invierten la dirección de rotación del campo magnético? •
Página 124 Fraile Mora. ¿Cuál es la relación entre la frecuencia eléctrica y la velocidad del campo magnético para una máquina ac? •
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¿Por qué está confinada la frecuencia de un generador sincronico a la tasa de rotación de su eje? •
Porque al ser máquinas sincronas, el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético. ¿Por qué cae abruptamente el voltaje de un alternador cuando se le aplica una carga con un factor de potencia en retraso? •
Pag 295 Chapman. ¿Por qué se eleva el voltaje de un alternador cuando se le aplica una carga con un factor de potencia en adelanto? •
Pag 295 Chapman. Dibuje los diagramas fasoriales y las relaciones de campo magnético para un generador sincrónico que opera a) con factor de potencia unitario, b) con factor de potencia en atraso, c) con factor de potencia en adelanto •
Pag 285 Chapman. Explique con exactitud cómo pueden determinarse en un generador sincrónico la impedancia sincrónica y la resistencia del inducido. •
La resistencia del inducido puede aproximarse aplicando una tensión dc a los devanados, mientras la máquina está estacionaria, y midiendo el flujo de corriente resultante. Debido a que se utiliza de un voltaje dc, la reactancia de los devanados es cero durante el proceso de medida. ¿Por qué se debe reducir la potencia de un generador de 60 Hz si se va a operar a 50 Hz? ¿En cuánto se debe disminuir? •
Para mantener la velocidad. El problema es que hay un máximo flujo alcanzable en toda máquina y, el máximo E A disponible cambia cuando cambia la velocidad. Debe disminuir a un 83,3% (5/6). ¿Se esperaría que un generador de 400 Hz fuera más grande o más pequeño que un generador de 60 Hz de la misma potencia y voltaje nominales? Explique la respuesta. •
Más pequeño. El voltaje de generación depende del flujo, la velocidad de rotación y la construcción mecánica de la máquina. •
¿Qué condiciones son necesarias para acoplar dos generadores sincrónicos? 1. Los voltajes rms de línea de los dos generadores deben ser iguales. 2. Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fases. 3. Los ángulos de fase de las dos fases a (R) deben ser iguales. 4. La frecuencia del nuevo generador, llamado en aproximación, debe ser ligeramente mayor que la frecuencia del sistema de operación.
¿Por qué un generador en aproximación a un sistema de potencia debe ser acoplado a una frecuencia mayor que la del sistema de operación? •
Muchos generadores reales tienen disparadores de potencia inversa conectados a ellos, por tanto es imperativo que sean acoplados con su frecuencia mayor que la del sistema en operación. Si tal generador arranca alguna vez consumiendo potencia, será conectado de la línea automáticamente. ¿Qué es un barraje infinito? ¿Qué restricciones le impone a un generador acoplado con él? •
Un barraje infinito es un sistema de potencia tan grande que su voltaje y frecuencia no varían, independientemente de cuánta potencia real o reactiva se está tomando de él o está suministrando. La frecuencia y el voltaje en los terminales de todas las máquinas deben ser iguales. ¿Cómo puede ajustarse la frecuencia de un gran sistema de potencia sin afectar la distribución de potencia entre los generadores del sistema? •
Aumentando la corriente de campo de un generador sincrónico que opera en paralelo con un barraje infinito. •
¿Cuál es la diferencia entre un motor sincrónico y un generador sincrónico?
Los motores sincrónicos convierten potencia eléctrica en potencia mecánica, mientras que los generadores realizan la operación inversa (potencia mecánica en potencia eléctrica). •
¿En qué consiste la regulación de velocidad en un motor sincrónico?
La velocidad de estado estacionario del motor, tal que la regulación de velocidad de este motor es 0%. ¿Cuándo podría utilizarse un motor sincrónico aunque no se requiera su característica de velocidad constante? •
Cuando se emplea para la corrección del factor de potencia. ¿Qué son devanados de amortiguación? ¿Por qué el par producido por ellos es unidireccional en el arranque, mientras que el par producido por el devanado principal del campo origina un par que alterna su dirección? •
Son barras especiales dispuestas en ranuras labradas en la cara del rotor del motor sincrónico y cortocircuitadas en cada extremo por un gran anillo cortocircuitado. Pag 374 Chapman. •
¿Qué es un condensador sincrónico? ¿Para qué se utiliza? Un motor sincrónico en vacío. Se utiliza para corregir el factor de potencia.
Explique mediante diagramas fasoriales qué ocurre a un motor sincrónico cuando varía su corriente de campo. Del diagrama fasorial derive la curva en V de un motor sincrónico. •
Pag 359 Chapman. Un motor sincrónico está operando a una carga real fija y su corriente de campo aumenta. Si la corriente del inducido cae, ¿estaba el motor operando inicialmente a factor de potencia en atraso o adelanto? •
En atraso. ¿Por qué se debe reducir el voltaje aplicado a un motor sincrónico para operar a frecuencias más bajas que la nominal? •
Si EA se reduce en magnitud, debe reducirse el voltaje aplicado a los terminales del motor para mantener la corriente del estator en niveles seguros. En todo controlador de frecuencia variable o circuito arrancador de frecuencia variable, el voltaje debe variar casi linealmente con la frecuencia aplicada. Explique claramente en qué consiste la maniobra de acoplamiento a la red de un generador síncrono. Cite cuál es la instrumentación necesaria, así como la forma en que se realiza la operación. •
Se realiza el acoplamiento a la red en la cual la tensión y la frecuencia se mantienen constantes. La introducción de un nuevo generador no altera los parámetros básicos anteriores, por representar una potencia muy reducida frente al conjunto total. Se realiza por medio de un sincronoscopio, el más sencillo consiste en 3 lámparas incandescentes (ver pag 429 Fraile Mora). La operación comienza arrancando la máquina por medio del motor primario hasta una velocidad cercana a la de sincronismo. Se introduce entonces la excitación en el inductor del alternador y se va elevando ésta gradualmente hasta que la tensión en bornes del generador y la red son idénticas y las tres lámparas del sincronoscopio se colocan formando los vértices de un triángulo equilatero, aparecerá una rotación en la iluminación de las lámparas, cuyo brillo cambiará con el tiempo. Diga si son ciertas estas dos afirmaciones. Explicar errores si son falsas. A) Un generador síncrono puede sustituir a una batería de condensadores a la hora de realizar la compensación del factor de potencia de una instalación haciéndolo trabajar sobreexcitado. B) Cuando la máquina síncrona alcanza ángulos de carga superiores a 90 grados, su modo de funcionamiento cambia automáticamente de generador a motor gracias al principio de reversibilidad. •
A) Es verdadera. B) Es falsa. Ocurre el cambio para ángulos mayores de 180 grados. Explique cómo se comporta un generador síncrono en funcionamiento aislado y conectado a una red de potencia infinita. Señale con claridad cuales son las diferencias, en especial en lo que se refiere a las variables de control. •
Cuando se conecta un generador sincrónico a un sistema de potencia, con frecuencia es tan grande que nada de lo que haga el operador del generador tendrá mucho efecto. La frecuencia del sistema de potencia infinita no varía. En funcionamiento aislado, cambios en la carga dependiendo del factor de potencia, incrementará o disminuirá el voltaje en los terminales. •
Comente los distintos métodos empleados en el arranque de un motor síncrono. 1. Reducir la velocidad del campo magnético del estator a un valor suficientemente bajo para que el rotor pueda acelerar y se enlace con él durante medio ciclo de rotación del campo magnético. 2. Utilizar un motor primario externo para acelerar al motor sincrónico hasta la velocidad de sincronismo, pasar por el proceso de entrada en sincronismo y convertir la máquina al instante en un generador. Entonces, apagando o desconectando el motor primario, la máquina sincrónica se transformará en un motor. 3. Utiliza devanados de amortiguación.
Explique en que consiste la reacción del inducido en una máquina síncrona. Así mismo comente que efecto tiene el factor de potencia de la carga sobre la reacción del inducido en el caso de un generador síncrono. •
Cuando gira el rotor de un generador, se induce un voltaje EA en las bobinas estatóricas del mismo. Si se conecta una carga a los terminales del generador, fluye una corriente, pero el flujo de corriente trifásica estatórica produce un campo magnético propio en la máquina. Este campo magnético estatórico distorsiona el campo magnético del rotor cambiando el voltaje de fase resultante. Para una corriente de campo y una magnitud de corriente de carga dadas, el voltaje en los terminales es menor para cargas en atraso y mayor para cargas en adelanto.
MÁQUINA DE CONTINUA
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¿Qué función desempeña el colector?
Es el encargado de la conversión mecánica de la c.a. inducida en las bobinas en c.c. de salida. •
¿Qué son los polos de campo en una máquina de cd? Aquellos cuyos devanados producen el flujo magnético principal de la máquina.
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¿Por qué es tan pesada la carcasa exterior de una máquina de cd?
En las máquinas de pequeña potencia se construye de hierro fundido pero en las máquinas de grandes se realiza con plancha de acero curvada sobre un molde cilíndrico. •
¿Qué función cumplen las escobillas? Son las encargadas de la extracción o suministro de corriente al colector.
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¿Por qué se construye laminada la estructura magnética de la armadura? Para reducir las corrientes parásitas en el núcleo.
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¿En qué condiciones se presenta la acción de motor en un generador? En una variación de la dirección del flujo.
Cuando una unidad está operando como generador, ¿en qué dirección se lleva a cabo la acción de motor? •
En la dirección contraria a la que gira como generador. ¿Por qué el voltaje en bornes de un generador difiere del voltaje generado internamente cuando a la unidad se conecta una carga? •
Cuando se incrementa la carga suministrada por el generador, I L (y por tanto IA) aumentan. Como la corriente del inducido aumenta, se incrementa la caída I AR A y cae el voltaje en los terminales del generador. •
¿Qué función desempeña el colector?
El colector es el órgano que recoge las corrientes alternas producidas por el inducido, obteniéndose corriente continua; esto, en el caso de un generador. O, por el contrario, sirve para recoger la corriente de la línea de alimentación para que, por reacción sobre el campo magnético inductor se produzca un movimiento rotatorio, en el caso de un motor. De rectificar la tensión alterna inducida en el devanado de inducido en su movimiento rot6rico y aplicar de tal modo la corriente del mismo que bajo el punto de vista del estator la distribución de corriente sea independiente de la posición variable del rotor. •
¿De qué material se fabrican por lo general las barras o segmentos del colector? De cobre electrolítico, aislados entre sí por separadores de mica.
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¿Por qué es tan pesada la carcasa exterior de una máquina de cd?
Las máquinas dc tienen razones grandes de superficie y volumen y trayectorias cortas para que el calor llegue a las superficies de disipación. •
¿Es posible tener un número impar de polos de campo? ¿Por qué?
No, porque en ese caso no habría un camino de retorno para el flujo. No puede haber polos de un imán por separado, un polo norte implica un polo sur. •
¿Dónde se colocan las bobinas del devanado de la armadura? Las bobinas del inducido se disponen en las ranuras del núcleo.
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¿A qué se conectan los extremos de las bobinas del devanado de la armadura? Sus extremos están conectados a los segmentos de conmutación.
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¿De qué material se fabrican por lo general las barras o segmentos del colector? De cobre aislado por mica.
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¿Qué determina la cantidad y espaciamiento de las escobillas? Depende del tipo de devanado, como del número de polos.
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¿Dónde se localizan las bobinas de campo principal? En el estator.
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¿Cómo se montan las bobinas de campo? Se enrollan sobre los núcleos polares.
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¿Dónde se montan los devanados de conmutación?
En medio de los polos principales, se localiza directamente sobre los conductores que están conmutándose. Se ubican tan cerca de la punta del polo como sea posible. Están conectados en serie con los devanados del rotor. •
¿Cuál es el propósito de los devanados de compensación?
Se emplea para cancelar por completo la reacción del inducido y por tanto eliminar el desplazamiento del plano neutro y el debilitamiento del flujo, pero no evita los de efectos de L di/dt. •
¿Dónde se colocan los devanados de compensación?
Se colocan en ranuras labradas en las caras de los poros paralelos a los conductores del rotor. Están conectados en serie con los devanados del rotor.
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¿Cómo enfrentan los devanados de compensación el efecto de reacción de la armadura?
La fuerza magnetomotriz debida a los devanados de compensación es igual y opuesta a la fuerza magnetomotriz debida al rotor cada punto situado bajo las caras polares. La fuerza magnetomotriz resultante es causada por los polos, de modo que el flujo en la máquina no se modifica, independientemente de la carga. •
¿Por qué las escobillas cubren por lo general más de dos segmentos del colector?
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Haga una descripción de la forma en la que el flujo magnético en el circuito magnético cerrado de una máquina de cd. Pag 516 Chapman.
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¿Qué se entiende por generador excitado en forma externa?
En un generador de excitación separada, el flujo de campo se obtiene de una fuente de potencia separada del generador en sí mismo. •
¿Por qué la curva de magnetización o saturación se flexiona y tiende a aplanarse?
Porque la mayoría de las máquinas operan a densidades de flujo cercanas al punto de saturación. •
¿Qué se entiende por generador autoexcitado?
Es una máquina que se excita así misma tomando la corriente inductora del propio inducido. •
Mencione tres tipos de generadores de CC.
Generador serie, generador shunt o derivación y generador compound o compuesto. •
¿Qué información da la recta de excitación del campo en la curva de magnetización de un generador?
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¿Qué diferencia hay entre las curvas características interna y externa de un generador?
La característica externa representa la tensión en bornes en función de la corriente de carga, para una intensidad de excitación constante, mientras que la característica
interna de un generador representa la relación entre la f.e.m. generada por la dinamo y la corriente de excitación •
Mencione dos causas principales de pérdida interna de voltaje en un generador de cd en condiciones de carga. La reacción del inducido y pérdidas en las escobillas.
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¿Qué se entiende por regulación de un generador?
Es una medida aproximada de la forma de la característica par-velocidad de un motor; una regulación de velocidad positiva significa que la velocidad del motor disminuye con el aumento de carga y una regulación negativa de velocidad indica que la velocidad aumenta cuando aumenta la carga. La magnitud de la regulación de velocidad dice qué tan empinada es la pendiente de la curva par-velocidad. SR
•
=
nnl − n fl ndl
⋅ 100%
¿Cuál es el voltaje de salida de un generador en serie operando en vacío (sin carga)?
Cuando la máquina está en vacío, al ser todas las corrientes igual a cero, se obtiene una f.e.m. muy pequeña que se debe al magnetismo remanente. •
¿Continúa aumentando el voltaje de salida de un generador en serie aun si se le aplica una gran corriente de sobrecarga?
Cuando aumenta la carga, aumenta la corriente de campo y EA se eleva con rapidez. Aunque la caída también aumenta, al principio el aumento en EA es más rápido que la caída IA, en consecuencia, VT aumenta. Al poco rato, la máquina se aproxima a la saturación y EA llega a ser casi constante. En ese punto, la caída resistiva es el efecto predominante, y VT comienza a caer. •
¿Cuáles son las dos conexiones distintas que se aplican al campo en derivación de un generador compuesto? Puede conexionarse con corta o con larga derivación.
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¿Qué se entiende por motor en derivación?
Un motor dc en derivación es aquel cuyo circuito de campo obtiene su potencial directamente de los terminales del inducido del motor. • ¿Cuál es la característica de velocidad dominante en un motor en derivación? La característica par-velocidad de un motor en derivación es una línea recta con pendiente negativa. Es importante tener en cuenta que, para una variación lineal de la
velocidad del motor con respecto al par, los otros términos de esta expresión deben permanecer constantes cuando cambia la carga. Se supone que el voltaje en los terminales, suministrado por la fuente de potencia dc es constante. •
¿Qué es la regulación de velocidad?
Es una medida aproximada de la forma de la característica par-velocidad de un motor; una regulación de velocidad positiva significa que la velocidad del motor disminuye con el aumento de carga y una regulación negativa de velocidad indica que la velocidad aumenta cuando aumenta la carga. La magnitud de la regulación de velocidad dice qué tan empinada es la pendiente de la curva par-velocidad. SR
•
=
nnl − n fl ndl
⋅ 100%
¿Qué es un motor en serie?
Es un motor cuyo devanado de campo relativamente consta de unas pocas vueltas conectadas en serie con el circuito del inducido. En un motor serie, la corriente del inducido, la corriente de campo y la corriente de línea son iguales. •
¿Qué es un motor compuesto? Un motor compuesto es aquel que tiene campo en derivación y campo en serie.
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¿Cómo se invierte el motor de dc?
Si se refiere al sentido de giro, es necesario invertir únicamente la corriente en uno solo de los devanados: inducido o inductor. •
Enumere las categorías principales de pérdidas en una máquina de cd.
Pérdidas eléctricas o pérdidas en el cobre, pérdidas en las escobillas, pérdidas en el núcleo, pérdidas mecánicas y pérdidas misceláneas o dispersas. •
¿Cuáles son algunos de los componentes de las pérdidas por rotación? Hay dos tipos básicos: rozamiento propio y rozamiento con el aire.
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¿Cuáles son algunas de las pérdidas en devanados en una máquina de cd? Las pérdidas en el cobre, P=I 2R.
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¿Por qué se consideran por separado las pérdidas en el campo en derivación?
Porque la resistencia de campo se determina suministrando el voltaje nominal total de campo al circuito de campo y midiendo la corriente de campo resultante. Para determinar la resistencia en el circuito del inducido de una máquina, hay que bloquear el rotor de modo que no pueda girar y hay que aplicar un pequeño voltaje dc a los terminales del inducido. Se ajusta este voltaje hasta que la corriente que fluye en el
inducido sea igual a la corriente nominal del inducido de la máquina. La relación entre el voltaje aplicado y el flujo de corriente resultante del inducido es R A. •
¿Por qué la curvatura de las caras polares de una máquina dc contribuye a uniformar el voltaje de la salida dc de ella?
Porque provee la anchura de entrehierro constante entre el rotor y el estator. Puesto que el flujo magnético debe tomar el camina más corto a través del aire, éste es la perpendicular a la superficie del rotor en todos los puntos situados bajo las superficies polares. Así mismo, puesto que la anchura del entrehierro es uniforme, la reluctancia es igual en cualquier punto situado bajo las caras polares. El que la reluctancia sea uniforme significa que la densidad de flujo magnético es constante en todo punto situado bajo las caras polares. •
Explique el concepto de grados eléctricos. En relación con el ángulo mecánico del eje de la máquina, ¿cómo es el ángulo eléctrico del voltaje en un conductor del rotor?
Se muestra el voltaje de CA comenzando en cero voltios, aumentando en sentido positivo hasta un valor máximo a los 90°, después bajando a cero a los 180°, donde cambia de polaridad, o alterna; volviendo después a aumentar hasta su valor máximo negativo a los 270° y bajando otra vez a cero a los 360°. Desde este punto continúa indefinidamente repitiendo este ciclo. Si una bobina abarca 180 grados eléctricos, los voltajes de los conductores en cada lado de la bobina serán exactamente iguales en magnitud y tendrán direcciones opuestas todo el tiempo. •
¿En qué difieren los devanados imbricados de los devanados ondulados?
Imbricados son los devanados en los que se cruzan y ondulados son un tipo de devanados en los que no se cruzan las partes de la bobina observadas desde el lado del colector. •
¿Qué es reacción del inducido? ¿Cómo afecta la operación de una máquina dc?
Si se conecta una carga a los terminales de la máquina, que anteriormente sus devanados de campo estaban conectados a una fuente de potencia y el rotor giraba gracias a una fuente externa de potencia mecánica, fluirá corriente en sus devanados del inducido. Este flujo de corriente producirá un campo magnético propio que distorsionará el campo magnético original de los polos de la máquina. Esta distorsión del flujo en una máquina, cuando se incrementa la carga, se conoce como reacción del inducido. •
Explique el problema del voltaje L di/dt en los conductores bajo conmutación.
Cuando un segmento de conmutación es cortocircuitado, el flujo de corriente a través de ese segmento del colector se debe invertir. Este efecto se debe a que en una conmutación real, en la inversión de la bobina bajo conmutación se tiene en cuenta la inductancia de la bobina. Aun con muy pequeña inductancia en el lazo, se inducirá un
golpe muy significativo de voltaje inductivo v = L di/dt en el segmento de conmutación cortocircuitado. Este alto voltaje ocasiona chispas en las escobillas de la máquina y causa problemas de formación de arco, similares a los ocasionados por el desplazamiento del plano neutro por la reacción del inducido. •
¿Cómo afecta el desplazamiento de las escobillas el problema de chisporroteo en las máquinas dc?
De alguna forma, el plano neutro se mueve con cada cambio de carga y la dirección del desplazamiento se invierte cuando la máquina pasa de operación de motor a operación de generador. Entonces, alguien tendría que ajustar las escobillas cada vez que cambiara la carga en la máquina. Además, desplazar las escobillas podría haber detenido el chisporroteo de la escobilla pero agravaría el efecto de debilitamiento del flujo de la reacción del inducido en la máquina. •
¿Qué son polos de conmutación? ¿Cómo se utilizan?
Son unos polos auxiliares que están en medio de los polos principales, se localiza directamente sobre los conductores que están conmutándose. Se emplean para mejorar la conmutación (evitar la producción de chispas entre el colector y las escobillas). Se basa en que si el voltaje en los alambres bajo conmutación se redujera a cero, no habría chisporroteo en las escobillas. Para producir flujo útil en el entrehierro del polo de conmutación para contrarrestar el voltaje de reactancia de conmutación. Suministrando un flujo desde los polos de conmutación, puede cancelarse con exactitud el voltaje en las bobinas bajo conmutación. Si la cancelación es exacta, no habrá chisporroteo en la escobilla. •
¿Qué son los devanados de compensación? ¿Cuál es su desventaja más grave?
Son devanados que se emplea para cancelar por completo la reacción del inducido y por tanto eliminar el desplazamiento del plano neutro y el debilitamiento del flujo, pero no evita los de efectos de L di/dt. Su desventaja más grave es que son costosos, puesto que deben maquinarse las caras de los polos. Todo motor que los utilice debe tener interpolos o polos de conmutación ya que los devanados de compensación no cancelan los efectos de L di/dt.
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¿Por qué se utilizan polos laminados en la construcción de las máquinas modernas? Para reducir las corrientes parásitas.
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¿Qué tipos de pérdidas se presentan en una máquina dc?
Pérdidas eléctricas o pérdidas en el cobre, pérdidas en las escobillas, pérdidas en el núcleo, pérdidas mecánicas y pérdidas misceláneas o dispersas.
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¿Cómo puede ser controlada la velocidad de un motor en derivación? Explique en detalle. 1. Ajustando la resistencia de campo R F (y, por tanto, el flujo del campo), PAGINA 564 CHAPMAN. 2. Ajustando el voltaje en los terminales, aplicado al inducido. PAGINA 566 CHAPMAN. 3. Insertando una resistencia en serie con el circuito del inducido.
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¿Cuál es la diferencia práctica entre un motor de excitación separada y uno en derivación?
Si se supone que el voltaje de alimentación al motor es constante, no hay casi diferencia de comportamiento entre estas dos máquinas. La única diferencia radica en la fuente que suministra la potencia al circuito de campo (de excitación separada es una fuente externa, mientras que para en derivación es el propio inducido). •
¿Qué efecto tiene la reacción del inducido sobre la característica par-velocidad de un motor dc en derivación? ¿Pueden ser graves los efectos de la reacción del inducido? ¿Cómo se soluciona este problema?
Si un motor presenta reacción del inducido, el efecto de debilitamiento del flujo reduce el flujo en la máquina a medida que aumenta la carga. La reducción del flujo aumenta la velocidad del motor, a cualquier carga dada, más allá de la velocidad a que podría girar si no se presentara reacción del inducido. Si un motor tiene devanados de compensación, es claro que no se presentarán los problemas de debilitamiento del flujo en la máquina, y éste será constante (pag 553 chapman). •
¿Cuáles son las características de un motor dc compuesto acumulativo?
Hay una componente de flujo que es constante y otra componente que es proporcional a la corriente del inducido (y, por tanto, a su carga). Por consiguiente, el motor compuesto acumulativo tiene un par de arranque mayor que un motor en derivación (cuyo flujo es constante), pero menor par de arranque que un motor serie (cuyo flujo total es proporcional a la corriente del inducido). Tiene par extra de arranque y no se desboca en vacío. •
¿Qué ocurre en un motor dc en derivación, si su circuito de campo se abre mientras está rotando?
Se sabe que el flujo de la máquina cae drásticamente, y EA también disminuye. Esto causa un aumento enorme de la corriente del inducido, y el par inducido resultante será bastante mayor que el par de carga sobre el motor; por tanto, la velocidad del motor comenzará a aumentar y continuará incrementándose. Los resultados producidos por un circuito de campo abierto pueden ser desastrosos. En los circuitos de arranque y protección de un motor dc, es normal incluir un relé de pérdida de campo para desconectar el motor de la línea si se produce la pérdida de la corriente de campo.
