Secretaría de Educación Pública TECNOLÓGICO NACIONAL DE MEXICO Instituto Tecnológico de Veracruz
“Trabajo de investigación” Principio de funcionamiento y ventajas y desventajas Del generador síncrono, motor síncrono, generador CD y motor CD
presenta: Arquimedes Sagastume Quiñones E13020413
Para la asignatura de: Maquinas sincrónicas y de CD 6Y3
_________________________ Ing. Leodegario Vásquez González
H. Veracruz, Ver.
Junio 2017
!"#$%& 1. Principio de funcionamiento de generador síncrono ........................... ................................... ........1 Número de polos ........... ........................ ......................... ......................... ......................... ......................... .......................... ......................... ..................... ......... 2 Características principales del estator .................. ............................... ......................... ......................... ......................... ................. ..... 2 Características principales del rotor ......................... ...................................... ......................... ......................... ......................... .............. 2
Ventajas y desventajas del generador síncrono ................................ ............................................. .............4 2. Principio de funcionamiento del motor síncrono .......................... ........................................ ................5 Construcción......................... ..................................... ......................... ......................... ......................... ......................... ......................... ......................... ............... ... 7
Ventajas y desventajas del motor síncrono .......................... ........................................ ........................... .............8 3. Principio de funcionamiento del generador de CD.......................... ....................................... .............9 Ventajas y desventajas del generador de CD ..................... ................................... ........................... .............10 4. Principio de funcionamiento del motor de CD ............... ............................. ............................ ................11 Motor serie ......................... ...................................... ......................... ......................... .......................... ......................... ......................... ......................... ............... ... 12 Motor en paralelo (Motor en derivación (shunt) ) ........................ ..................................... ......................... ................. ..... 12 Motor compuesto........... ........................ ......................... ......................... ......................... ......................... .......................... ......................... ................... ....... 13
Ventajas y desventajas del motor de CD........................... ......................................... ............................ ................13 Resumen........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................14 Conclusión ............................ .......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ......................... ...........16 Bibliografía ............................ .......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ......................... ...........17
!"#$%& #& ($)*+,Figura 1 a) Un rotor de seis polos salientes de una máquina síncrona. ...........3 Figura 2 Rotor de polos no salientes de una máquina síncrona. ......................3 Figura 3 Diagrama que muestra los componentes principales de un excitador sin escobillas para un motor síncrono..........................................................7 Figura 4 Un generador de cd elemental es simplemente un generador ca equipado con un rectificador mecánico llamado conmutador. ..................9 Figura 5 a. Diagrama de conexión de un motor en serie. ..............................12 Figura 6 Diagrama esquemático de un motor en derivación, incluyendo el reóstato de campo (Rt) ..................................................................................12 Figura 7 a. Diagrama de conexión de un motor de cd compuesto ...............13
Introducción Se entiende por máquina eléctrica al conjunto de mecanis- mos capaces de generar, aprovechar o transformar la energía eléctrica.
Si la máquina convierte energía mecánica en energ ía eléctrica se llama generador, mientras que si convierte energía eléctrica en energía mecánica se denomina
motor. Esta re lación
se conoce como
principio de conservación de la energía
electromecánica.
La constitución de toda máquina eléctrica rotativa (tanto de c.c. como de c.a.) es muy similar. Si sacrificamos un excesivo rigor científico por brevedad y sencillez, describiremos a continuación las partes más relevantes de toda máquina eléctrica rotativa, lo cual nos permitirá conocer tanto sus limitaciones como sus aplicaciones más adecuadas.
Toda máquina eléctrica rotativa consta de los siguientes elementos básicos.
• Inductor. • Inducido. • Escobillas. • Culata o carcasa. • Entrehierro. • Cojinetes.
1. Principio de funcionamiento de generador síncrono En un generador síncrono se produce un campo magnético en el rotor ya sea mediante el diseño de éste como un imán permanente o mediante la aplicación de una corriente de cd a su devanado para crear un electroimán. En seguida, el rotor del generador gira mediante un motor primario, y produce un campo magnético giratorio dentro de la máquina. Este campo magnético giratorio induce un conjunto de voltajes trifásicos dentro de los devanados del estator del generador.
Dos términos que por lo general se utilizan para describir los devanados de una máquina son devanados de campo y devanados del inducido. En general, el primer término se aplica a los devanados que producen el campo magnético principal en la máquina, mientras que el segundo se aplica a los devanados donde se induce el voltaje principal. En las máquinas síncronas, los devanados de campo están en el rotor, por lo que los términos devanados del rotor y devanados de campo se utilizan indistintamente. De manera similar, los términos devanados del estator y devanados del inducido se utilizan de manera indistinta.
Un generador síncrono de campo estacionario tiene la misma apariencia externa que un generador de cd. Los polos salientes crean el campo de cd, el cual es cortado por una armadura rotatoria. La armadura posee un devanado trifásico cuyas terminales están conectadas a tres anillos colectores montados en el eje. Un juego de escobillas que se deslizan sobre los anillos colectores permite conectar la armadura a una carga trifásica ex- terna. La armadura es impulsada por un motor de gasolina, o alguna otra fuente de potencia motriz. Conforme gira, se induce un voltaje trifásico, cuyo valor de- pende de la velocidad de rotación y de la corriente di- recta de excitación en los polos estacionarios. La frecuencia del voltaje depende de la velocidad y del número de polos en el campo.
Un generador síncrono de campo rotatorio tiene una armadura estacionaria llamada estator. El devanado trifásico del estator está conectado directamente a la
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carga, sin pasar por grandes y poco confiables anillos colectores y escobillas. Un estator estacionario también facilita el aislamiento de los devanados por- que no están sujetos a fuerzas centrífugas.
Número de polos El número de polos en un generador síncrono depende de la velocidad de rotación y de la frecuencia que deseemos producir.
Características principales del estator Desde un punto de vista eléctrico, el estator de un generador síncrono es idéntico al de un motor de inducción trifásico. Se compone de un núcleo cilíndrico laminado que contiene un conjunto de ranuras que portan un devanado trifásico imbricado. El devanado siempre está conectado en Y y el neutro está conectado a tierra.
Características principales del rotor Los generadores síncronos se construyen con dos tipos de rotores: rotores de polos salientes y rotores cilíndricos lisos. Por lo general, los de polos salientes son impulsados por turbinas hidráulicas de baja velocidad, y los cilíndricos, por turbinas de vapor de alta velocidad.
1. Rotores de polos salientes. Los polos salientes están montados en un gran armazón circular de acero, el cual está fijo en un eje vertical rotatorio. Para garantizar un buen enfriamiento, las bobinas de campo están hechas de barras de cobre desnudo, con las vueltas aisladas entre sí por tiras de mica. Las bobinas están conectadas en serie, con polos adyacentes de polaridades opuestas.
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Figura 1 a) Un rotor de seis polos salientes de una máquina síncrona. b) Fotografía del rotor de una máquina síncrona con ocho polos
salientes que muestra los devanados de los polos del rotor individuales.
2. Rotores cilíndricos (rotor de polos no salientes) . El rotor de un generador de turbina es un cilindro largo y sólido de acero que contiene una serie de ranuras longitudinales fresadas en la masa cilíndrica. Se utilizan bobinas de campo concéntricas, firmemente insertadas en las ranuras y retenidas por anillos extremos de alta resistencia, para crear los polos N y S.
Figura 2 Rotor de polos no salientes de una máquina síncrona.
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Ventajas y desventajas del generador síncrono Ventajas
Desventajas
Mayor gama de velocidad de giro
Mantenimiento constante (anillos rozantes)
Conjunto rotor muy compacto
Las variaciones bruscas de carga pueden hacer perder el sincronismo
Un solo elemento regulador de tensión
No pueden arrancar por sí mismos y luego han de llevarse a la velocidad de sincronismo.
Menor espacio y peso Trabaja en ambos sentidos de giro Vida útil superior
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2. Principio de funcionamiento del motor síncrono Los embobinados del estator y del rotor son idénticos a los que se encuentran en un motor de inducción trifásico. Idéntico a los motores de inducción, la corriente que fluye a través del estator, genera un flujo de campo magnético rotatorio que circula alrededor del entrehierro.
Para entender el principio de operación de un motor síncrono, debemos examinar que ocurre si conectamos el embobinado de la armadura a una fuente de alimentación trifásica balanceada, así como el embobinado del rotor a una fuente de corriente directa.
Lo que podemos observar es que la corriente que fluye a través del rotor generará un campo magnético con sus correspondientes polo norte y sur, de una forma estática; en cambio, las bobinas conectadas a la fuente de CA generaran un campo magnético rotatorio a una velocidad de sincronismo (relacionada con la frecuencia de la fuente, así como el número de pares de polos del motor).
Como se podemos ver en esta imagen la fuerza de atracción entre los polos del estator y el rotor, produciendo un torque en dirección de las manecillas del reloj. Entonces tenemos que en las bobinas del estator tenemos un campo alternante, y en las del rotor un campo fijo.
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Estos dos campos tratan de alinearse, y entonces el polo del rotor trata de seguir al polo del estator, sin embargo, el rotor no se puede mover de forma instantánea debido a su inercia mecánica, por lo que requiere de un tiempo para moverse. Mientras esto sucede el polo del estator cambiará rápidamente su polaridad y volverse un polo sur; entonces la fuerza de atracción será reemplazada por una fuerza de repulsión provocando un torque en el sentido contrario.
Debido a esta acción de cambio en el sentido de giro del motor (que se efectúa en un tiempo menor al que requiere el eje para superar su inercia mecánica) a una frecuencia del doble de la frecuencia de la fuente de alimentación, el motor no podrá comenzar a moverse, y sólo se quedará en una posición vibrando, sin poder ser utilizado.
Si por el contario, el rotor estuviera girando a una velocidad cercana a la velocidad de sincronismo gracias a algún agente externo, como un motor auxiliar, montado en el mismo eje que el motor síncrono, los polos del rotor sí podrían quedar “enganchados” a los polos del estator, y entonces, si se desconecta el motor auxiliar, el motor síncrono podría continuar girando a la velocidad de sincronismo.
De esto podemos decir que el motor síncrono no puede comenzar a girar por sí mismo (es decir, no tiene un par inicial), por lo que algún mecanismo se le debe agregar al motor (ya sea interna, o externamente) para ayudarlo a arrancar.
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Construcción La construcción de los motores síncronos es idéntica a la de los generadores de c.a de polos salientes. El estator se compone de un núcleo magnético ranurado, el cual porta un devanado imbricado trifásico. Por ello, el devanado también es idéntico al de un motor de inducción trifásico.
El rotor tiene un grupo de polos salientes que son excitados por una corriente directa Las bobinas de excitación están conectadas en serie a dos anillos colectores y la corriente es alimentada al devanado por un excitador externo. Las ranuras también están hechas a lo largo de la circunferencia de los polos salientes. Portan un devanado de jaula de ardilla similar al de un motor de inducción trifásico. Este devanado amortiguador se utiliza para arrancar el motor.
Los motores síncronos modernos con frecuencia utilizan excitación sin escobillas, similar a la utilizada en generadores síncronos.
Figura 3 Diagrama que muestra los componentes principales de un excitador sin escobillas para un motor síncrono.
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Ventajas y desventajas del motor síncrono Ventajas
Desventajas
Alta eficiencia
Mantenimiento constante (anillos rozantes)
Corrección del factor de potencia
Las variaciones bruscas de carga pueden hacer perder el sincronismo
Características de arranque especiales
Es preferible que se arranquen a vacío
Velocidad constante bajo variaciones
Tienen una sola velocidad, que es la de
de carga
sincronismo.
Bajo costo de mantenimiento
No pueden arrancar por sí mismos y luego han de llevarse a la velocidad de sincronismo.
Vida útil superior
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3. Principio de funcionamiento del generador de CD La maquina de C.C puede funcionar tanto en régimen de generador como en régimen motor. Para comprender el principio de generación de la F.e.m. en las espiras del rotor, se va a considerar el inducido en forma de anillo. En este devanado, al girar el rotor, se induce una f.e.m. en los conductores dispuestos en la cara exterior del núcleo al ser cortados por el flujo del estator. En los conductores interiores no aparece ninguna f.e.m., ya que no les atraviesa el flujo de los polos, al estar sus líneas de fuerza limitadas al circuito de baja reluctancia del anillo.
Figura 4 Un generador de cd elemental es simplemente un generador ca equipado con un rectificador mecánico llamado conmutador.
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Ventajas y desventajas del generador de CD Ventajas
Desventajas
Realiza de forma automática y correcta
El colector, al estar seccionado y girar
la inversión de corriente en sus
el rotor, se producen constantemente
conductores, cualquiera que sea su
aperturas del circuito eléctrico.
velocidad La velocidad de la máquina es
La utilización de las máquinas de C.C.
directamente proporcional a la tensión
como generadores es prácticamente
continua de alimentación.
nula ya que la tensión continua se obtiene por rectificación directa de la red de alterna
Hoy en día el inductor de bastantes
Esta conmutación constante del
motores de C.C. se realiza a base de
colector lo desaconseja en industrias
imanes permanente. Esto se traduce en
como refinerías, petroquímicas,
mayor fiabilidad, bajo costo, menor
minería, y en general en situaciones de
volumen, mayor ligereza y mayor
atmosfera explosiva
rendimiento.
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4. Principio de funcionamiento del motor de CD El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente directa o continua sebasa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán permanente cuando, deacuerdo con la Ley de Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de un electroimán que se encuentra montado en un eje. Este electroimán se denomina “rotor” y su eje le permite girar libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente situado dentro de lacarcasa o cuerpo del motor.
Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio, el campoelectromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Silos polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo yun torque magnético o par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience agirar sobre su eje en el mismo sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o en sentidocontrario, de acuerdo encuentre conectada con la forma que se al circuito la pila o la batería.
Hoy en día, este planteamiento general puede ser cuestionado porque la disponibilidad de manejadores eléctricos complejos ha hecho posible utilizar motores de corriente alterna en aplicaciones de velocidad variable. No obstante, aún existen millones de motores de cd en servicio y se están produciendo algunos miles más cada año.
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Motor serie
Figura 5
a. Diagrama de conexión de un motor en serie. b. Diagrama esquemático de un motor en serie
Motor en paralelo (Motor en derivación (shunt) )
Figura 6 Diagrama esquemático de un motor en derivación, incluyendo el reóstato de campo
(Rt)
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Motor compuesto
Figura 7 a. Diagrama de conexión de un motor de cd compuesto
b. Diagrama esquemático del motor .
Ventajas y desventajas del motor de CD Ventajas
Desventajas
Realiza de forma automática y correcta
El colector, al estar seccionado y girar
la inversión de corriente en sus
el rotor, se producen constantemente
conductores, cualquiera que sea su
aperturas del circuito eléctrico.
velocidad La velocidad de la máquina es
La utilización de las máquinas de C.C.
directamente proporcional a la tensión
como generadores es prácticamente
continua de alimentación.
nula ya que la tensión continua se obtiene por rectificación directa de la red de alterna
Hoy en día el inductor de bastantes
Esta conmutación constante del
motores de C.C. se realiza a base de
colector lo desaconseja en industrias
imanes permanente. Esto se traduce en
como refinerías, petroquímicas,
mayor fiabilidad, bajo costo, menor
minería, y en general en situaciones de
volumen, mayor ligereza y mayor
atmosfera explosiva
rendimiento.
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Resumen Los
generadores
síncronos
son
es
un
dispositivo
que
convierte
potencia mecánica de un motor o con la caída de agua en una turbina (son muy utilizados en las hidroeléctricas) en potencia eléctrica de CA con un voltaje y frecuencias
específicos.
La velocidad del
eje
depende
de
la
frecuencia
de alimentación y el número de polos. Controlando la alimentación del rotor, la máquina puede operar absorbiendo o inyectando reactivos a la red. La habilidad de un generador síncrono para producir potencia eléctrica está limitada principalmente por el calentamiento dentro de la máquina.
Los motores síncronos funcionan en sincronismo con el campo rotatorio. Por consiguiente, la velocidad de rotación está asociada con la frecuencia de la fuente. Como la frecuencia es fija, la velocidad del motor permanece constante, independientemente de la carga o voltaje de la línea trifásica. Sin embargo, los motores síncronos se utilizan mucho no sólo porque funcionan a velocidad constante sino porque poseen otras propiedades eléctricas únicas.
Los motores y generadores cd se construyen de la misma manera; así pues, cualquier generador cd puede operar como motor y viceversa. Debido a su construcción similar, las propiedades fundamentales de los generadores y motores son idénticas. Por consiguiente, todo lo que aprendamos acerca de un generador de cd podemos aplicarlo directamente a un motor de cd.
Los motores de corriente directa rara vez se utilizan en aplicaciones industriales ordinarias ya que todos los sistemas eléctricos suministran corriente alterna. Sin embargo, en aplicaciones especiales, como fábricas de acero, minas y trenes eléctricos, en ocasiones es
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conveniente transformar la corriente alterna en corriente directa para utilizar motores de cd. La razón es que las características de par o momento de torsión-velocidad de los motores de cd pueden ser variadas dentro de un amplio intervalo sin perder su alta eficiencia.
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Conclusión Las máquinas eléctricas son de suma importancia en la actualidad, debido a las diferentes aplicaciones industriales a los que son sometidas, por ello es de necesidad primordial, el conocimiento detallado de su principio de funcionamiento y se deben tomar en cuenta todas las partes que conforman a cada maquina para el correcto funcionamiento de los mismos.
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