Motor de corriente corriente continua... continua....... ........ ........ ........ ........ ........ ........... .............. .............. ............... ..............0 ......0
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Máquinas Máquinas asncrona asncronass o de inducción.. inducción...... ........ ........ ............ ............... .............. ............... ...........13 ...13
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Motor Motores es de c.a. de colector colector.. Motores Motores uni5ersa uni5ersales.. les..... ....... ........ ....... ....... ........ ........1 ....11 1
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Principios generales de las máquinas eléctricas 1.Introducción Las máquinas eléctricas son el resultado de una aplicación inteligente de los principios del electromagnetismo 6 en particular de la le6 de inducción de +arada6. Las máquinas eléctricas se caracteri7an por tener circuitos eléctricos 6 magnéticos entrela7ados. $urante todo el proceso 8istórico de su desarrollo desempe9aron un papel rector: que determina;a el mo5imiento de toda la ingeniera eléctrica: merced a su aplicación en los campos de la generación: transporte: distri;ución 6 utili7ación de la energa eléctrica. Las máquinas eléctricas reali7an una con5ersión de energa de una /orma a otra: una de las cuales: al menos: es eléctrica. En ;ase a este punto de 5ista: estrictamente energético: es posi;le clasi
1. GENERADR= que trans/orma la energa mecánica en eléctrica. La acción se desarrolla por el mo5imiento de una ;o;ina en un campo magnético: resultando una /.e.m. inducida que al aplicarla a un circuito e>terno produce una corriente que interacciona con el campo 6 desarrolla una /uer7a mecánica que se opone al mo5imiento. En consecuencia: el generador necesita una energa mecánica de entrada para producir la energa eléctrica correspondiente. !. "#R$ que trans/orma la energa eléctrica en mecánica. La acción se desarrolla introduciendo una corriente en la máquina por medio de una /uente e>terna: que interacciona con el campo produciendo un mo5imiento de la máquina? aparece entonces una /.e.m. inducida que se opone a la corriente 6 que por ello se denomina /uer7a contraelectromotri7. En consecuencia: el motor necesita una energa eléctrica de entrada para producir la energa mecánica correspondiente. %. #RAN&'R"ADR$ que trans/orma una energa eléctrica de entrada @de c.a.A con determinadas magnitudes de tensión 6 corriente en otra energa eléctrica de salida @de c.a.A con magnitudes di/erentes. Los generadores 6 motores tienen un acceso mecánico 6 por ello son máquinas dotadas de mo5imiento: que normalmente es de rotación? por el contrario: los trans/ormadores son máquinas eléctricas que tienen Bnicamente accesos eléctricos 6 son máquinas estáticas.#ada máquina en particular cumple el principio de reciprocidad electromagnética: lo cual quiere decir que son re5ersi;les: pudiendo /uncionar como generador o como motor @en la práctica: e>iste en realidad alguna di/erencia en su construcción: que caracteri7a uno u otro modo de /uncionamientoA. El estudio de las máquinas eléctricas 8a e>perimentado grandes cam;ios en su e>posición a lo largo de la 8istoria. El análisis tradicional consista en estudiar independientemente cada una de las máquinas por separado: destacando las di/erencias entre ellas desde el punto de 5ista de /uncionamiento: dise9o: construcción: etc.? actualmente: 6 a partir de los 2
estudios de ParC @1DA Fron @1*A: se 8an e>puesto teoras generali7adas 6 unitos 6a clásicos en esta materia de;idos a G8iteHGoodson @2A: %dCins @1A: ones @12A: -i;;s @A: etc.: donde se destaca;an más las analogas que las di/erencias: permitiendo tam;ién un análisis transitorio de estas máquinas: a ;ase de ecuaciones de circuito del tipo matricial e incluso tensorial? este en/oque tiene un gran atracti5o en cursos de doctorado pero resulta pocoJ/sico para aquellos ingenieros cu6a /ormación requiere un conocimiento práctico de las máquinas en cuanto a sus aplicaciones tecnológicas se reposición del teorema de +erraris 6 su importancia en la producción de campos magnéticos giratorios. e e>pone el teorema de Le;lanc: en el que se identi
!.E(E"EN#& )*&IC& DE (A& "*+,INA& E(-C#RICA& En términos generales: se puede decir que una máquina eléctrica rotati5a se compone de dos partes: como se indica esquemáticamente en la +igura 2.1.
a6 una parte istente en el mismo el que constitu6e el medio de acoplamiento entre los sistemas eléctrico 6 mecánico. Normalmente tanto en el estátor como en el rotor e>isten de5anados 8ec8os con conductores de co;re por los que circulan corrientes suministradas o cedidas a un circuito e>terior que constitu6e el sistema eléctrico. 'no de los de5anados tiene por misión crear un uKo en el entre8ierro 6 por ello se denomina inductor: 6 tam;ién e>citación o campo. El otro de5anado reci;e el uKo del primero 6 se inducen en él corrientes que se cierran por el circuito e>terior 6 se denomina inducido. Lo mismo puede situarse el inductor en el estátor 6 el inducido en el rotor o 5ice5ersa? lo que realmente cuenta es el mo5imiento relati5o entre am;os de5anados 6 teóricamente puede elegirse cualquiera de am;as soluciones: aunque en la práctica su situación la determinan las condiciones tecnológicas de /acilidad de construcción: aislamiento: re/rigeración: etc. $esde el punto de 5ista de la construcción: el estátor tiene su parte e>terior recu;ierta por la carcasa o culata: estando constituida por un cilindro 8ueco al que se unen los pies 6 los dispositi5os de igi;le en el lugar de tra;aKo @contra o;Ketos sólidos: pol5o: agua: antideagrantes: etc.A En los lados de la carcasa 5an colocadas las tapas que cerrarán el
motor 6 que tienen un 8ueco central en su interior para aloKar los coKinetes del rotor.
El estátor 6 el rotor se constru6en con material /erromagnético: de tal /orma que para e5itar pérdidas en el 8ierro suelen reali7arse con c8apas magnéticas de acero al silicio: con5enientemente ranuradas para aloKar en su interior los de5anados correspondientes. En la +igura 2.* se muestran di5ersas /ormas de c8apas magnéticas empleadas en la construcción de máquinas eléctricas? se o;ser5a que las que conisten tam;ién unos aguKeros en las c8apas distri;uidos en su superceptuando el caso de las ranuras cerradas: que se emplean casi e>clusi5amente en la construcción del de5anado del rotor de los motores de inducción @asncronosA enKaula de ardilla: las ranuras suelen presentar una sección del tipo rectangular? las a;iertas se utili7an en las grandes máquinas: donde el de5anado se prepara con sus ;o;inas totalmente aca;adas en una ;o;inadora o tomo de ;aKa 5elocidad: de tal /orma que permite la colocación de la ;o;ina entera en la ranura: cerrando ésta por medio de un cal7o aislante? las ranuras semicerradas se emplean en las máquinas peque9as: donde el de5anado se coloca: 8aciendo desli7ar los 8ilos conductores de la ;o;ina: uno por uno por la garganta de entrada.
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$esde el punto de 5ista de la conpansiones o cuernos polares @+ig. 2.4cA? en estos polos se sitBa siempre el de5anado inductor: recorrido normalmente por c.c. 6 creando un campo magnético que puede asimilarse al que produce un imán permanente.
La disposición indicada en la +igura 2.4; es la empleada en las máquinas sncronas 6 la de la +igura 2.4c se utili7a en las máquinas de c.c. Todos los esquemas de la +igura 2.4 presentan un circuito magnético que /orma dos polos? se dice entonces que la máquina es ;ipolar. La máquina mostrada en la +igura 2.a es tam;ién ;ipolar: pero e>isten máquinas con un nBmero superior de polos: denominadas multipolares: donde los polos N 6 se suceden de una /orma alternati5a? por eKemplo: en la +igura 2.; se muestra una máquina tetrapolar.
La lnea media entre un polo 6 el siguiente se denomina lnea neutra: 6 la distancia entre dos polos consecuti5os se denomina paso polar. En una máquina ;ipolar: por eKemplo la de la +igura 2.a: se produce un ciclo completo magnético en una 5uelta completa del rotor? sin em;argo: para una máquina multipolar con p pares de polos: en una re5olución completa del rotor se recorren p ciclos magnéticos completos? por eK.: para la máquina representada en la +igura 2.;: se tiene p R 2 @es decir: polosA: 6 una D
re5olución del rotor corresponde a dos ciclos magnéticos. #omo quiera que una re5olución del rotor corresponde a un ángulo geométrico de.*3S: 6 un ciclo magnético corresponde a un recorrido de *3S magnéticos: se conclu6e que para una máquina de p pares de polos un ángulo geométrico @ corresponde a un ángulo magnético UVdado por la siguiente igualdad=
La e>presión anterior es mu6 importante en el estudio de las máquinas eléctricas 6a que permite relacionar los ángulos geométricos medidos por un o;ser5ador con los grados magnéticos que e/ecti5amente 5é la máquina. Por eKemplo: para la máquina ;ipolar @p R 1A de la +igura 2.a: el ángulo geométrico entre los polos N es de 13S que corresponde a medio ciclo magnético: es decir a 13S magnéticos: sin em;argo para la máquina tetrapolar @p R 2A de la +igura 2.;: el ángulo geométrico entre dos polos N consecuti5os es de 03S: que corresponde a medio ciclo magnético: es decir: a 13S magnéticos. En lo sucesi5o: si no e>iste una indicación especial: e>presaremos los ángulos sólo en grados magnéticos: tam;ién llamados grados eléctricos: 6a que las /.e.m.s. inducidas en las ;o;inas dependen de la 5ariación entre posiciones magnéticas.
%.C(A&I'ICACIN GENERA( DE (A& "*+,INA& E(-C#RICA& Los di/erentes tipos de máquinas se pueden clasiistencia de órganos mó5iles: el tipo de corriente aplicada al inductor 6 la /orma de las cone>iones e>ternas.
#rans/ormador %.1 e denomina trans/ormador a un dispositi5o eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna: manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo: en el caso de un trans/ormador ideal @esto es: sin pérdidasA: es igual a la que se o;tiene a la salida. Las máquinas reales presentan un peque9o porcentaKe de pérdidas: dependiendo de su dise9o 6 tama9o: entre otros /actores. El trans/ormador es un dispositi5o que con5ierte la energa eléctrica alterna de un cierto ni5el de tensión: en energa alterna de otro ni5el de tensión: ;asándose en el /enómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos ;o;inas de material conductor: de5anadas so;re un nBcleo cerrado de material /erromagnético: pero aisladas entre s eléctricamente. La Bnica cone>ión entre las ;o;inas la constitu6e el uKo magnético comBn que se esta;lece en el nBcleo. El nBcleo: generalmente: es /a;ricado ;ien sea de 8ierro o de láminas apiladas de acero eléctrico: aleación apropiada para optimi7ar el uKo magnético. Las ;o;inas o de5anados se denominan primario 6 secundario segBn correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión: respecti5amente. Tam;ién e>isten trans/ormadores con más de5anados? en este caso: puede e>istir un de5anado WterciarioW: de menor tensión que el secundario. %.1.1 'uncionamiento Este elemento eléctrico se ;asa en el /enómeno de la inducción electromagnética: 6a que si aplicamos una /uer7a electromotri7 alterna en el de5anado primario: de;ido a la 5ariación de la 0
intensidad 6 sentido de la corriente alterna: se produce la inducción de un uKo magnético 5aria;le en el nBcleo de 8ierro. Este uKo originará por inducción electromagnética: la aparición de una /uer7a electromotri7 en el de5anado secundario. La tensión en el de5anado secundario dependerá directamente del nBmero de espiras que tengan los de5anados 6 de la tensión del de5anado primario.
"áquina s0ncrona %.! 'na máquina sncrona es una máquina eléctrica rotati5a de corriente alterna que con5ierte energa eléctrica en energa mecánica: siendo en este caso utili7ada como motor sncrono: o ;ien con5ierte energa mecánica en energa eléctrica: siendo en este caso utili7ada como generador sncrono: o sin carga como compensador sincrono. Las máquinas sncronas se utili7an en ma6or medida como generadores de corriente alterna que como motores de corriente alterna: 6a que no presentan par de arranque 6 8a6 que emplear di/erentes métodos de arranque 6 aceleración 8asta la 5elocidad de sincronismo. Tam;ién se utili7an para controlar la potencia reacti5a de la red por su capacidad para: manteniendo la potencia acti5a desarrollada constante: 5ariar la potencia reacti5a que a;sor;e o cede a la red.
%.!.1 Principio de /uncionamiento Como generador$ 'na tur;ina acciona el rotor de la máquina sincrónica a la 5e7 que se alimenta el de5anado rotórico @de5anado de campoA con corriente continua. El entre8ierro 5aria;le @máquinas de polos salientesA o la distri;ución del de5anado de campo @máquinas de rotor lisoA contri;u6en a crear un campo más o menos senoidal en el entre8ierro: que 8ace aparecer en los ;ornes del de5anado estatórico @de5anado inducidoA una tensión senoidal. %l conectar al de5anado inducido una carga tri/ásica equili;rada aparece un sistema tri/ásico de corrientes 6 una /uer7a magnetomotri7 senoidal.
Como motor$ En este caso se lle5a la máquina sncrona a la 5elocidad de sincronismo: pues la máquina sncrona no tiene par de arranque: 6 se alimentan el de5anado rotórico @de5anado de campoA con corriente continua 6 el de5anado estatórico @de5anado inducidoA con corriente alterna. La interacción entre los campos creados por am;as corrientes mantiene el giro del rotor a la 5elocidad de sincronismo.
"otor de corriente continua %.% El motor de corriente continua @denominado tam;ién motor de corriente directa: motor ## o motor $#A es una máquina que con5ierte la energa eléctrica en mecánica: pro5ocando un mo5imiento rotatorio: gracias a la acción del campo magnético. 'na máquina de corriente continua @generador o motorA se compone principalmente de dos partes. El estator da soporte mecánico al 13
aparato 6 contiene los de5anados principales de la máquina: conocidos tam;ién con el nom;re de polos: que pueden ser de imanes permanentes o de5anados con 8ilo de co;re so;re nBcleo de 8ierro. El rotor es generalmente de /orma cilndrica: tam;ién de5anado 6 con nBcleo: alimentado con corriente directa mediante esco;illas isten motores de #$ sin esco;illas. Es posi;le controlar la 5elocidad 6 el par de estos motores utili7ando técnicas de control de motores #$.
"áquinas as0ncronas o de inducción %. Los motores asncronos o de inducción son un tipo de motor de corriente alterna en el que la corriente eléctrica: en el rotor: necesaria para producir torsión es inducida por inducción electromagnética del campo magnético de la ;o;ina del estator. Por lo tanto un motor de inducción no requiere una commutación mecánica aparte de su misma e>itación o para todo o parte de la energa trans/erida del estator al rotor: como en los uni5ersales: $# 6 motores grandes sncronos. El primer prototipo de motor eléctrico capa7 de /uncionar con corriente alterna /ue desarrollado 6 construido por el ingeniero NiCola Tesla 6 presentado en el %merican Institute o/ Electrical Engineers @en espa9ol: Instituto %mericano de Ingenieros Eléctricos: actualmente IEEEA en 1. El motor asncrono tri/ásico está /ormado por un rotor: que puede ser de dos tipos= aA de Kaula de ardilla? ;A ;o;inado: 6 un estator: en el que se encuentran las ;o;inas inductoras. Estas ;o;inas son tri/ásicas 6 están des/asadas entre s 123X en el espacio. egBn el Teorema de +erraris: cuando por estas ;o;inas circula un sistema de corrientes tri/ásicas equili;radas: cu6o des/ase en el tiempo es tam;ién de 123X: se induce un campo magnético giratorio que en5uel5e al rotor. Este campo magnético 5aria;le 5a a inducir una tensión en el rotor segBn la Le6 de inducción de +arada6= La di/erencia entre el motor a inducción 6 el motor uni5ersal es que en el motor a inducción el de5anado del rotor no está conectado al circuito de e>citación del motor sino que está eléctricamente aislado. Tiene ;arras de conducción en todo su largo: incrustadas en ranuras a distancias uni/ormes alrededor de la peri/eria. Las ;arras están conectadas con anillos @en cortocircuito como dicen los electricistasA a cada e>tremidad del rotor. Están soldadas a las e>tremidades de las ;arras. Este ensam;lado se parece a las peque9as Kaulas rotati5as para eKercitar a mascotas como 8amsters 6 por eso a 5eces se llama 11
WKaula de ardillasW: 6 los motores de inducción se llaman motores de Kaula de ardilla.
Entonces se da el e/ecto Laplace @ó e/ecto motorA= todo conductor por el que circula una corriente eléctrica: inmerso en un campo magnético e>perimenta una /uer7a que lo tiende a poner en mo5imiento. imultáneamente se da el e/ecto +arada6 @ó e/ecto generadorA= en todo conductor que se mue5a en el seno de un campo magnético se induce una tensión. El campo magnético giratorio: a 5elocidad de sincronismo: creado por el ;o;inado del estator: corta los conductores del rotor: por lo que se genera una /uer7a electromotri7 de inducción. La acción mutua del campo giratorio 6 las corrientes e>istentes en los conductores del rotor: originan una /uer7a electrodinámica so;re dic8os conductores del rotor: las cuales 8acen girar el rotor del motor. La di/erencia entre las 5elocidades del rotor 6 el campo magnético se denomina desli7amiento o res;alamiento.
"otores de c.a. de colector. "otores uni3ersales
%.2
on máquinas rotati5as: caracteri7an por ser=
6 de acuerdo con la +igura 2.* se
es decir: consisten en un inductor: situado en el estátor: alimentado generalmente por c.a. mono/ásica. El inducido está en el rotor 6 dispone de colector de delgas con una apariencia /sica análoga a las máquinas de c.c. @+igura 2.*DA. Normalmente los de5anados del estátor 6 rotor 5an en serie: resultando una máquina con caractersticas similares al motor serie de c.c.
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En su 5ersión de peque9a potencia @/racción de #YA son mu6 empleadas en aparatos electrodomésticos= ;atidoras: máquinas de a/eitar: taladros eléctricos de mano: secadores: etc. #on potencias más ele5adas se utili7an en tracción eléctrica a /recuencias que oscilan entre 43 7 6 43J* R 1: 7. Pueden adaptarse tam;ién a un /uncionamiento con c.a. o #.#.: reci;iendo entonces el nom;re de motores uni5ersales
