Universidad Tecnológica de Panamá Facultad de Ingeniería Eléctrica Ingeniería Electromecánica Conversión de Energía
Dr. Edilberto Hall M.
Preparado por: Muriel Sánchez Laguna (8-867-1335)
TABLA DE CONTENIDO TABLA DE CONTENIDO ....................................................................................................... 2 INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 3 REVISIÓN REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA................................................................................................... BIBLIOGRÁFICA................................................................................................... 5 CONVERSIÓN CONVERSIÓN DE ENREGÍA ................................ ................................................................. 5 A-1.
El Transformador de potencia y Sistemas auxiliares ............................................. 5
1.
Descripción de las partes de un transformador de potencia ............................. 5
2.
Tipos de protecciones de un transformador de potencia ................................ 11
3.
Descripción de los tipos de sistemas de enfriamiento enf riamiento para transformadores transformadores de
potencia potencia ................................................................................................................... 14 4.
Transform Transformador adores es de instrument instrumentos os ................................................................. 18
5.
Descripción de los sistemas de puesta a tierra para los transformadores de
potencia potencia ................................................................................................................... 21 6.
Descripción de los diferentes tipos de pararrayos (Surgue (Surgue Arresters) ............. .......... ... 23
A-2.
El Motor de Inducción Monofásico y Motores Especiales ................................... 25
1.
Motor Motor monofásico monofásico de inducción inducción ..................................................................... ..................................................................... 25
2.
Motor Motor de reluctanci reluctanciaa ...................................................................................... 34
3.
Motor Motor de histéresis histéresis ........................................................................................ 35
4.
Motor de movimiento paso a paso (Stepper Motor)....................................... 37
5.
Motor Motor CD sin escobillas escobillas (Brushless (Brushless DC Motor) Motor) ................................................ 39
6.
Motor Motor universal universal .............................................................................................. 43
7.
Motor Motor lineal ................................................................................................... 47
Conclusión Conclusión ....................................................................................................................... 50 Bibliogra Bibliografía fía ....................................................................................................................... 52
TABLA DE CONTENIDO TABLA DE CONTENIDO ....................................................................................................... 2 INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 3 REVISIÓN REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA................................................................................................... BIBLIOGRÁFICA................................................................................................... 5 CONVERSIÓN CONVERSIÓN DE ENREGÍA ................................ ................................................................. 5 A-1.
El Transformador de potencia y Sistemas auxiliares ............................................. 5
1.
Descripción de las partes de un transformador de potencia ............................. 5
2.
Tipos de protecciones de un transformador de potencia ................................ 11
3.
Descripción de los tipos de sistemas de enfriamiento enf riamiento para transformadores transformadores de
potencia potencia ................................................................................................................... 14 4.
Transform Transformador adores es de instrument instrumentos os ................................................................. 18
5.
Descripción de los sistemas de puesta a tierra para los transformadores de
potencia potencia ................................................................................................................... 21 6.
Descripción de los diferentes tipos de pararrayos (Surgue (Surgue Arresters) ............. .......... ... 23
A-2.
El Motor de Inducción Monofásico y Motores Especiales ................................... 25
1.
Motor Motor monofásico monofásico de inducción inducción ..................................................................... ..................................................................... 25
2.
Motor Motor de reluctanci reluctanciaa ...................................................................................... 34
3.
Motor Motor de histéresis histéresis ........................................................................................ 35
4.
Motor de movimiento paso a paso (Stepper Motor)....................................... 37
5.
Motor Motor CD sin escobillas escobillas (Brushless (Brushless DC Motor) Motor) ................................................ 39
6.
Motor Motor universal universal .............................................................................................. 43
7.
Motor Motor lineal ................................................................................................... 47
Conclusión Conclusión ....................................................................................................................... 50 Bibliogra Bibliografía fía ....................................................................................................................... 52
INTRODUCCIÓN En la presente revisión bibliográfica se ha recopilado basta información buscando abarcar el tema principal de forma lógica y ordenada. Un compendio de los temas descritos es el siguiente: Los componentes más esenciales que conforman un sistema de potencia, son los transformadores de potencia. Estos debido a sus principios de funcionamiento permiten transmitir potencia, a lo largo de grandes distancia disminuyendo las pérdidas ocasionadas por efecto Joule en las líneas de transmisión, debido a que permiten elevar y reducir los voltajes. Para que estos realicen su trabajo es importante que las partes que los conforman realicen correctamente su trabajo, como lo son los sistemas de enfriamiento, los sistemas de protección, de medición y de protección; de manera que se asegure al máximo posible su correcto funcionamiento. Los motores monofásicos de inducción no tienen un par de arranque propio. Para solucionar este problema existen tres técnicas que se usan comúnmente para arrancar estos motores, las cuales se clasifican de acuerdo con el método utilizado para producir el par de arranque. En este trabajo se examinaran las tres técnicas más comunes, las cuales son técnicas no muy caras y que satisfacen los requerimientos necesarios para una aplicación dada. Estas técnicas de arranque son: devanado de fase de partida, devanado tipo capacitor y polos de estator sombreados, las cuales se describirán ilustrando algunas de sus aplicaciones, usos particulares, su principio de operación y su diseño. Otros tipos de motores que se mencionaran son los motores de reluctancia e histéresis los cuales se ocupan de ciertas aplicaciones especiales. La diferencia es que estos motores difieren de los anteriormente descritos en la construcción de su rotor, pero su diseño en el estator es el mismo. Estos motores al igual que los de inducción se pueden construir con estatores trifásicos y monofásicos. De igual manera que los motores de inducción, éstos motores son descritos enfocándonos en sus aplicaciones principio de operación y su diseño.
Algunas características del motor paso a paso son las siguientes: es un dispositivo electromecánico que convierte los impulsos eléctricos en movimientos mecánicos discretos; el eje o husillo de un motor paso a paso gira en incrementos de los pasos discretos cuando impulsos eléctricos de comando se aplican a él en la secuencia apropiada y la rotación de los motores tiene varias relaciones directas con los pulsos de entrada. Los motores sin escobillas de corriente continua (BLDC) son uno de los tipos de motor ganando popularidad rápidamente. Como su nombre indica, los motores BLDC no utilizan cepillo, sino que son conmutados electrónicamente. Los motores BLDC tienen muchas ventajas sobre los motores cepillados de corriente continua y motores de inducción. Por otro lado, el motor monofásico universal es un tipo de motor eléctrico que puede funcionar tanto con corriente continua como con corriente alterna. Por último se presentan los motores lineales que tienen un estator desenrollado y el rotor, y en lugar de producir un par de torsión, este motor produce produ ce una fuerza lineal a lo largo de su longitud. longitud.
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA CONVERSIÓN DE ENREGÍA A-1. El Transformador de potencia y Sistemas auxiliares
1. Descripción de las partes de un transformador transform ador de potencia Los Transformadores de Potencia, durante su ensamblaje se conforman de distintas parte que cumplen funciones específicas de manera que se garantice su buen funcionamiento y mayor eficiencia posible. A continuación se describen las partes principales que conforman un Transformador de Potencia: 1.1 El Tanque
Es la parte metálica del transformador que contiene el núcleo y es responsable de transmitir el calor generado por las partes activas, a sus alrededores. La forma y tamaño del tanque depende principalmente de la potencia que tenga que manejar el transformador. Por ejemplo, los transformadores con capacidades relativamente pequeñas, como aquellos utilizados utilizados para la distribución de energía, posee posee tanques de forma cilíndrica que transmiten de manera directa el calor a los alrededores. Para transformadores transformadores que manejen potencias por arriba de los 15 kVA, se requieren radiadores con un área total de transferencia de calor que va v a de acuerdo con su potencia nominal. El espesor con el que se construyen las placas que conforman el tanque, depende de la potencia del transformador. Tenemos así espesores mínimos:
Para potencias menores a 15 kVA: Tapa 1.90 mm, Cuerpo 1.90 mm, Fondo: 1.90 mm.
Para potencias mayores a 15 kVA y menores a 225 Kva: Tapa y Cuerpo: 2.65 mm, Fondo: 3.15 mm.
Para potencias mayores a 300 kVA: Tapa, Cuerpo y Fondo: 3.15 mm.
Debido a que los transformadores de potencia generalmente están expuestos a las inclemencias del ambiente, la corrosión puede llegar a ser un problema con el que se debe lidiar y para esto se utilizan chapas de acero con recubrimientos anticorrosivos según las condiciones ambientales
1.2 El Tanque conservador de
Líquido Aislante
Este consiste en un tanque ubicado en la parte superior del tanque o carcaza principal y su función es la de recibir el aceite del tanque cuando el mismo se expande por los efectos de calentamiento por pérdidas internas. En transformadores que manejan más de 2000 kVA, los tanques se diseñan e instalan para que permanezcan completamente llenos, en cambio para transformadores de menor potencia, el nivel de líquido llega hasta unos 15 cm de su nivel o borde completo. No todos los transformadores poseen estos tanques, a aquellos que no poseen tanque de expansión se les denomina transformadores sellados.
1.3 El
Núcleo de Acero
El núcleo de los transformadores de potencia, consiste básicamente en un laminado de acero al silicio de granos orientados. El laminado se compone de chapas de acero superpuestas. Son fabricadas de acuerdo a normas y estándares internacionales. Durante su proceso de producción, las placas son laminadas en frío para posteriormente someterlas a un tratamiento térmico que es el que permite la orientación de los granos magnéticos. Las placas de acero se fabrican dentro ciertos límites máximos permitidos para pérdidas magnéticas que pueden variar entre 1.28 W/kg y una densidad de flujo de 1.5, hasta 1.83 W/kg y una densidad de 1.7 T, para la frecuencia de 60 Hz. A los transformadores de grandes potencia, se les aplica un baño de resina epóxica que ayuda a reducir los daños que se pueden producir a la capa que aísla las placas, para evitar las pérdidas debido a las corrientes de Foucault.
El tamaño del núcleo, depende del número de espiras de las bobinas ya que si son utilizadas bobinas con pocas espiras el núcleo debe ser de grandes dimensiones. Lo contrario ocurre si son empleadas bobinas con muchas espiras, el núcleo debe ser de menor tamaño.
1.4 El
Secador de Aire
Debido a que la carga que manejan los transformadores varía durante las horas del día, el líquido aislante se expande cuando se caliente, expulsando el aire que queda atrapado en la cámara de compensación o en el tanque conservador de aceite. De manera contraria, cuando el líquido se enfría permite la entrada de aire en el tanque. Debido a este efecto, podemos decir que el transformador respira. En los transformadores sellados, debido a que hay un espacio entre la superficie del líquido y la tapa del tanque, cuando el aceite se expande debido al calentamiento, la capa de gas se comprime ejerciendo grandes esfuerzos sobre el tanque.
Debido a que hay ambientes donde el uso del secador de aire no es recomendable, en su lugar se emplea un recipiente que contiene silica-gel el cual es un producto químico con una gran capacidad de absorción de humedad; debido a que la humedad en el interior de un transformador afecta las características dieléctricas del líquido aislante, lo que puede derivar en la perdida completa del equipo por efectos del calentamiento excesivo.
1.5 Los Devanados
Los devanados lo conforman las bobinas primarias, secundarias y en varios casos terciarias. Están hechas de cobre electrolítico, aislados con esmalte y recubiertos con cintas de algodón o algún otro material especial. Los devanados sometidos a altas tensiones, normalmente se construyen a manera de discos o en forma de una sola bobina. El devanado de discos, permite a las empresas eléctricas que al dañarse una de las
bobinas, solo sea necesario reparar la sección afectada lo que significa menores costos de mantenimiento. El área de conducción de los conductores de las bobinas, depende de la densidad de corriente que fluirá según el diseño del transformador. Mientras mayor potencia maneje un transformador, este requerirá una menor densidad de corriente al ser comparada con la de los transformadores de menor potencia. Esto sucede debido a que es necesario reducir las pérdidas por efecto Joule y también a que mientras más grande sea el transformador más habrá mayores dificultades para mantenerlo refrigerado. A continuación se presentan algunos valores de referencia utilizados por fabricantes según las densidades de corriente a diferentes potencias:
De 10 a 15 kVA: 3.2 A/mm 2
De 30 a 45 kVA: 2.9 A/mm 2
De 75 a 112.5 kVA: 2.8 A/mm 2
De 150 a 500 kVA: 2.6 A/mm 2
De 1 000 a 2 500 kVA: 2.0 A/mm 2
Cuando las secciones requieran áreas mayores a las de los 10 mm 2 se utilizan barras de cobre rectangulares o cuadradas para permitir un flujo seguro de corriente.
1.6 Indicador de Nivel de Aceite
Los indicadores de nivel de aceite, tienen la finalidad el nivel de los líquidos y permiten tener un control de protección sobre el funcionamiento de los transformadores de potencia. Generalmente consisten en indicadores de niveles máximos y mínimos permisibles y son parte importante cuando se sospecha de casos de fugas de l íquido.
1.7 El
Dispositivo para Toma de Muestra de Aceite
Para conocer el estado del aceite de los transformadores, estos disponen de boquillas que permiten la obtención de muestras de líquido. Estas tomas están localizadas
generalmente en la parte inferior del tanque, que es donde generalmente se concentra el volumen de aceite contaminado.
1.8 El Cambiador de Derivaciones
Generalmente todos los transformadores, están dotados de una o varias derivaciones en sus devanados de alto voltaje. Tiene la función de elevar o reducir la tensión en el secundario del transformador. Modificar las tomas de los transformadores, no corrige la falta de regulación en un sistema y debe ser manejado de forma cuidadosa para que no se induzcan voltajes elevados e intolerables en los secundarios. Debido a que el sistema de cambio de derivaciones es una pieza móvil, puede llegar a ser un punto que puede tender a tener fallas, aunque se acostumbra que el nivel de voltaje de los devanados se ajuste y se utiliza de esa manera por largo tiempo. Los cambiadores de derivación suelen identificarse según su nivel de carga: con carga o sin carga. Los cambiadores con carga, sólo son utilizados en transformadores de alta potencia como los de las redes de transmisión, mientras que los cambiadores sin carga son empleados generalmente en transformadores de bajas potencias como los empleados para distribución residencial e industrial.
1.9 El Termómetro
Debido a que los transformadores que manejan grandes potencias pueden llegar a experimentar altas temperaturas durante su funcionamiento, estos disponen de un termómetro que generalmente está ubicado en su parte superior. De esta forma también se puede tener información sobre la potencia que está manejando el transformador. Debido al alto costo de fabricación de estos sistemas, los termómetros también forman parte de sistemas auxiliares automatizados que permiten el accionamiento de señales de advertencia o conmutación de interruptores cuando la temperatura registrada supera niveles seguros.
1.10
La Base para Arrastres y la Base con Ruedas Bidireccionales
Los transformadores de distribución poseen bases con lados doblados que evitan el contacto entre el fondo del tanque y el suelo. También poseen trabes transversales que permiten su arrastre sin dañar la base o fondo del tanque principal. Debido al gran tamaño que pueden llegar a tener los transformadores que manejan altas potencia, por arriba de los 1 000 kVA, a estos equipos se les equipa con ruedas orientables de acero que permiten una mejor maniobrabilidad durante su ubicación y transporte.
1.11
La Válvula de Alivio de Presión
Debido a que en el interior del tanque de un transformador se pueden generar presiones inseguras, es necesario que estos cuenten con dispositivos que permitan liberar la presión cuando rebase niveles seguros. Para esto se emplean relevadores de presión que actúan durante la ocurrencia de una variación instantánea de presión interna; de igual forma se emplean válvulas de alivio de presión que actúan cuando la presión interna alcanza o rebasa un límite prestablecido para su funcionamiento. Estas últimas se instalan para que funcionen de manera automática en transformadores inmersos en líquido aislante con el objetivo de protegerlo contra peligros de ruptura o fallas internas debido a altas presiones. Cuando actúan, deben ser rápidas para que cuando finalice el proceso de liberación de presión y se cierren de manera automática no permitan el ingreso de cualquier agente o sustancia al interior del transformador.
1.12
La Placa de Características
Todos los transformadores deben tener una placa donde se identifique las características eléctricas y funcionales del equipo. Esta placa comúnmente tiene una forma rectangular con los datos impresos de manera legible y resistente a la corrosión y deformaciones. Esta placa puede contener datos como: Fabricante, Tensión Primaria, Tensión Secundaria, Derivaciones Primaria, Líquido Aislante, Peso Total, Potencia, Fases, Polaridad, Corriente Primaria, Corriente Secundaria, Número de serie según el fabricante, Frecuencia de Operación, Impedancia, Conexión Primaria, Conexión Secundaria, Año de fabricación, etc.
2. Tipos de protecciones de un transformador de potencia Las protecciones que se le deben dar a un transformador, deben ser para mitigar fallas internas y contra sobrecalentamientos provocados por sobrecargas o inclemencias climatológicas. La mayoría de los tipos de protección por relevadores consisten en un elemento de detección con contactos. Los más comunes son: a. Protección para una sobre corriente (Figura 2.a)
Este tipo de protección es empleada como sistema de respaldo a los de protección diferencial.
Estos
solamente
como
relés
son
empleados
protecciones
principales
cuando los costos de la instalación de un sistema de protección diferencial no son justificables. Tipos de protección de sobre corriente aplicable a transformadores de potencia:
b.1 Sobre corriente de Fase Instantánea No es totalmente recomendable debido a disparos indeseados debido a corrientes de energización o niveles de voltaje. Cuando es empleada, su ajuste debe ser superior a la máxima corriente subtransitoria asimétrica para una falla en el lado de bajo voltaje del transformador.
b.2 Protección de Falla a Tierra El valor de arranque para los relés de este tipo de sistema, se recomienda esté en un valor cercano a al 40% de la corriente nominal del transformador. Para determinar los ajustes óptimos, se realizan simulaciones de fallas monofásicas y altos valores de impedancia en diversos puntos del sistema, registrando los valores para las corrientes residuales.
b.3 Protección de Sobrecorriente para el Devanado Terciario Cuando se presentan condiciones de fallas externas a tierra pueden llegar a circular altas corrientes por los devanados terciarios, debido a que generalmente no se les ofrece protección por parte de los relés de sobrecorriente de los devanados principales. Por lo tanto se dispone de un rele de sobrecorriente para este devanado.
b.4 Protección del Transformador de Puesta a Tierra
Este equipo es un transformador ideado con el fin de proporcionar un punto neutro frente a los efectos de puesta a tierra. Este puede ser una unidad de dos devanados con el secundario conectado en delta y el primario en estrella, o un autotransformador trifásico de un solo devanado con devanados en estrella interconectada.
b. Protección diferencial (Figura 2.b)
Es llevada a cabo principalmente por un relés diferencial de corriente, y es el tipo de protección más empleada para transformadores con potencias nominales superiores a los 10 MVA, debido a que es capaz de detectar fallas internar y externas. Tipos de protección diferencial aplicable a transformadores de potencia: c.1 Protección Diferencial utilizando relés de Sobre corriente temporizados: Son poco empleados para la protección debido a que son susceptibles a tener fallas debido a las altas corrientes de magnetización cuando los transformadores son energizados y por errores de saturación.
c.2 Protección diferencial usando relés diferenciales porcentuales: Presenta una restricción de evitar disparos no deseados debido a fallas externas por la disparidad de transformadores de corriente, lo que permite incrementar la velocidad de respuesta ante fallas para corrientes de falla de baja intensidad.
c.3 Protección diferencial usando relés diferenciales porcentuales con restricción de armónicos: Es capaz de evitar disparos indeseados debido a las altas corrientes de arranque.
c. Protecciones mecánicas c.1 Relé de Presión Súbita o Válvula de Sobrepresión Operan antes cambios en lapsos muy cortos de tiempo en la presión del aceite, lo que puede ser indicador de fallas internas en el transformador. Este tipo de relé es recomendado para transformadores con capacidades superiores a los 5 MVA y no opera por cambios debido al funcionamiento normal del transformador.
c.2 Relé Buchholz Es muy empleada en transformadores sumergidos en aceite y sirve para detectar fallas internas, cortocircuitos, bajos niveles de aceite y arcos eléctricos .
c.3 Detectores de Nivel de Aceite Es activado cuando los niveles de aceite no son los requeridos para el funcionamiento óptimo del transformador, disparando el disyuntor del transformador.
c.4 Detectores de Temperatura Consisten en termómetros que son instalados para detectar altas temperaturas por sobrecargas o daños con el sistema de refrigeración
c.5 Relé de Imagen Térmica Evita excesos de temperatura debido a fallas en el sistema de refrigeración, altas temperaturas ambientales u otras causas; permitiendo el disparo de alarmas y el disparo o control del sistema de enfriamiento del trasformador.
3. Descripción de los tipos de sistemas de enfriamiento para transformadores de potencia Debido a las altas potencias que se manejan, los transformadores necesitan de estar provistos de sistemas de refrigeración que permitan disipar el calor excesivo para poder así garantizar una vida útil más larga. Los transformadores, generalmente son enfriados por aire o aceite y cualquier método de enfriamiento debe ser lo suficientemente capaz de mantener una temperatura de operación segura para evitar regiones donde haya concentración de calor.
El enfriamiento por aire, se logra brindando una ventilación. Cuando se dé el caso donde no haya suficiente flujo de aire, es necesario añadir ventiladores y radiadores que permitan aumentar la transferencia de calor.
La ANSI/IEEE estándar C57.12.00 define un código de 4 letras para describir los atributos de refrigeración de un transformador de potencia.
La primera letra del código indica el medio de enfriamiento interno en contacto con los devanados: O: Aceite Mineral o sintético líquido aislante con un punto de inflamación de 300 °C. K: Aislante Líquido con un punto de inflamación superior a los 300 °C. L: Líquido aislante sin punto de inflamación.
La segunda letra designa el mecanismo de circulación por medi o de refrigeración interna: N: Convección natural de flujo a través de los equipos de refrigeración y devanados. F: Circulación forzada a través de los equipos de refrigeración y flujo de convección natural en los devanados. D: Circulación forzada a través de equipos de refrigeración.
La tercera letra designa el medio de enfriamiento externo: A: Aire W: Agua
La cuarta letra designa el mecanismo de circulación para el medio de enfriamiento externo: N: Convección Natural F: Circulación Forzada por ventiladores o bombas, según sea el caso del fluido utilizado.
3.1 Tipos de Sistemas de Enfriamiento El rendimiento de un transformador, se puede mejorar de manera directa con un sistema de enfriamiento correcto, de manera que se evite su calentamiento excesivo y envejecimiento acelerado.
De los sistemas que se van a presentar, el sistema más fiable para la refrigeración de un transformador es el ONAN que a su vez produce la menor cantidad de ruido posible.
El sistema OFAF es mucho más eficiente pero es a su vez el más ruidoso y menos confiable debido a la posibilidad del malfuncionamiento en los abanicos.
3.1.1
OFAF ( Forced Oil Air Blast Cooled)
En este caso el enfriamiento se lleva a cabo de dos maneras, por la circulación de aceite con la ayuda de una bomba, y se agregan abanicos a los radiadores para proveer chorros de aire para la circulación del aire.
3.1.2
OFAN (Forced Oil Natural Air Cooled)
En este sistema, una bomba es instalada en el circuito de aceite para ayudar en la circulación del aceite.
3.1.3
OFWF (Forced Oil Water Cooled)
En este sistema, se instala una bomba en el circuito del aceite para forzar al aceite a circular a través de un intercambiador de calor en el que circula agua.
3.1.4
ONAN (Oil Inmersed Natural Cooled)
En este tipo de sistema, el núcleo y los devanados se encuentran inmersos en aceite, el transformador es enfriado por la circulación natural del aceite. Adicionalmente, la
refrigeración puede complementarse con radiadores de manera que se incremente la superficie para permitir una mejor transferencia de calor hacia el exterior. 3.1.5
ONAF (Oil Inmersed Air Blast)
En este sistema, el aire se hace circular y el transformador es enfriado con la ayuda de abanicos. Los abanicos permiten tener transformadores de menor tamaño debido a que no se requiere un área específica para la disipación del calor, lo que a su vez puede significar una reducción en los costos de fabricación.
3.1.6
ONWN (Oil Inmersed Water Cooled)
En este sistema, el transformador es enfriado por la circulación de agua en el interior de un serpentín. Este método es factible siempre y cuando haya una fuente con una cantidad sustancial de agua disponible, caso que no siempre se presenta. Este tipo de sistema de enfriamiento se ha convertido en el menos común en los años recientes y ha sido reemplazado por el OFWF que se detalla más adelante.
3.2 Métodos de Refrigeración Refrigerantes Líquidos Los refrigerantes utilizados deben tener una baja viscosidad para que puedan circular fácilmente en el sistema de enfriamiento. Estos líquidos durante su producción son procesador para que estén libres de ácidos, sustancias alcalinas y azufre. Para el caso de transformadores enfriados por aceite, antes de ser utilizado se debe verificar la rigidez dieléctrica antes de su puesta en servicio. Sistemas Refrigerados por agua Los sistemas enfriados con agua, la misma circula a través de serpentines a lo largo de las regiones donde se necesita extraer el calor, deben ser probados periódicamente para asegurar que funcionan correctamente y hay escapes de fluidos. Estos escapes pueden ser comprobados con un aumento en la presión dentro del sistema de refrigeración. La fuente
de agua debe ser la apropiada y se debe asegurar que se tiene el caudal y presión correcta para su circulación. Transformadores de Tipo Seco Para los transformadores de tipo seco, el área en donde el transformador será instalado debe tener una adecuada la cual debe ser revisada antes de la instalación. Los radiadores de los transformadores deben mantenerse libre de obstáculos que impidan la disipación del calor. Aire Forzado El transformador mantiene la temperatura en niveles aceptables, por la circulación de air e forzado por abanicos. Los motores de los ventiladores deben ser revisador periódicamente para asegurar que estén bien lubricados y que funcionen correctamente.
4. Transformadores de instrumentos a. Transformadores de potencia (PT´S) Un transformador de Potencial o de Tensión, es un equipo desarrollado para alimentar dispositivos de medición y protección donde los niveles de voltaje son reducidos a niveles de tensión segura pero proporcional a los valores medidos. El primario es conectado en paralelo al circuito a monitorear y el secundario es conectado en paralelo a los dispositivos de medición y/o protección que se requiere alimentar. Además de reducir los niveles de voltaje, también aíslan los equipos de protección y medición de fallas que puedan ocurrir en los circuitos de alta tensión.
Los transformadores de tensión usualmente utilizados son:
Transformadores de Tensión Inductivos
Transformadores de Tensión Capacitivos.
Transformadores de Tensión Inductivos Los transformadores de Tensión Inductivos, consisten en un arrollamiento primario y uno secundario sobre un núcleo magnético común. La tensión primaria está determinada por la tensión de la red a monitorear, ya sean voltajes entre líneas o voltajes entre línea y neutro. El tamaño físico de estos equipos está determinado principalmente por las tensiones de los sistemas y el tipo de aislamiento utilizado, debido a que deben ser capaces de soportar grandes sobretensiones.
Los Transformadores de Inductivos convencionales presentan problemas en sus aislamientos en los devanados primarios para tensiones superiores a los 132 kV, lo que generalmente es mitigado repartiendo la tensión de entrada primaria en varias etapas donde hay varios transformadores conectados en serie. El potencial de los núcleos y los devanados de acoplamiento se fija a valores predeterminados de forma que se conectan a puntos específicos en el lado primario y así el aislamiento sólo debe soportar la tensión aplicada en cada devanado; debido a eso el manejo del aislamiento para las altas tensiones, se desarrollaron los Transformadores de Tensión Capacitivos.
Los Transformadores de Tensión para protección¸ se interconectan a conmutadores de protección. Debido generalmente las situaciones donde se requiera la activación de dispositivos se necesita también tener una idea del estado del sistema, por lo que las normas exigen que si un transformador de protección también cumple funcionen de medición, debe cumplir con la clase de precisión de un transformador de medición.
Los Transformadores de Tensión para medición, deben ser lo más exactos posibles durante su funcionamiento. La norma IEC, establece la clase de precisión que deben mantener estos equipos Esta exactitud se mide por su clase o precisión, ambas dan una idea del error introducido por el transformador durante la medición.
Transformadores de Tensión Capacitivos Conformados por un divisor de tensión capacitivo que consiste en varios capacitores conectados en serie para obtener un nivel de tensión intermedia que luego es aplicada a un transformador. Este transformador puede tener 1 o más secundarios. A pesar de que puede ser utilizado tal y como uno de tipo inductivo, presenta factores puede conllevar a afectaciones en la precisión de las mediciones debido a variaciones en la frecuencia, temperatura y también debido a que su respuesta en un régimen transitorio no es tan rápido si se le compara con uno inductivo. Puede operar de manera simultánea como transformadores y como capacitores de acoplamiento de ondas portadoras de alta frecuencia.
b. Transformadores de corriente (CT´S) Equipos en los que circula una corriente proporcional en el devanado secundario, proporcional a la del devanado primario. Permiten transformar el nivel de corriente y aislar los dispositivos de protección y medición que están conectados al sistema de alta tensión.
El lado primario del transformador que generalmente está conformado por pocas espiras, se conecta en serie con el circuito al que se desea medir la intensidad de la corriente, mientras que el secundario se conecta en serie con los devanados de corriente de los aparatos de medición. Los transformadores empleados para mediciones en interiores son más económicos y pueden exponerse a tensiones de hasta 36 kV, mientras que aquellos que están expuestos a inclemencias climatológicas, son fabricados con aislamiento de porcelana, aceite o resinas especiales. Para los que están conectados a altas tensiones, se utilizan aislamientos similares a los empleados en los transformadores de tensión. La tensión del aislamiento de estos equipos, debe ser al menos igual a la tensión más alta del sistema al que se encuentre conectado.
5. Descripción de los sistemas de puesta a tierra para los transformadores de potencia Cuando nos referimos a un sistema de puesta a tierra o “grounding”, nos referimos al uso
de metodologías que tienen en común el uso de la tierra física; estos se pueden diferenciar en dos tipos de principales según sus funcionalidades: la Puesta a tierra de protección y la Puesta a tierra del sistema. Esto
se hace con el fin de brindar seguridad tanto a personas
como equipos importantes, para evitar peligrosas tensiones debido a acoplamientos capacitivos, reducir las corrientes de falla a tierra, reducir las sobretensiones, simplificar la localización de las fallas, evitar la ferroresonancia entre otras situaciones. Para la puesta a tierra de los transformadores, se usan los puntos neutros de los mismos con conexiones Y-d, autotransformadores y transformadores Y-y con terciario de compensación en delta. No es común utilizar transformadores en Y-y a menos que se dé el caso de la puesta a tierra de resistencia de alto valor o resonantes. La puesta a tierra se puede clasificar según la naturaleza del circuito que conecta el neutral del sistema a tierra, así: 5.1 Neutro Aislado
Estos sistemas operan sin tener una conexión intencional del neutro a tierra, ya que en realidad utilizan las capacidades de los elementos del sistema. Presenta la ventaja de no necesitar una inversión en el equipo para la puesta a tierra pero si en los sistemas de protección y permite operar el sistema sin afectar la continuidad del suministro. Lamentablemente, su utilización representa mayores costos en los aislamientos de equipos a tierra y mayores posibilidades de sobretensiones transitorias por fallas de arco, resonancia, ferroresonancia, etc, por esto es utilizado en sistemas de distribución de media tensión.
5.2 Neutro Rígido a tierra
Es el único sistema que provee una conexión directa desde el neutro hasta la tierra física. Permite detectar y localizar con facilidad fallas a tierra y limita las sobretensiones por fallas a tierra, maniobras o rayos.
Entre sus desventajas se encuentran que se requiere una protección de acción rápida para limitar los efectos térmicos y mecánicos sobre los equipos, debido a que las fallas ocurren de forma más energética. Este tipo de sistema es utilizado en sistemas de Alta Tensión y Media-Alta Tensión debido a los costos de los aislamientos.
5.3 Puesta a tierra con resistencia
El sistema opera a través de la conexión del neutro a tierra con una resistencia. Según el valor de la resistencia, se clasifican en: 5.3.1 Puesta a tierra con alta resistencia : Donde la corriente de falla a tierra es muy
reducida pero superior a la corriente capacitiva total del sistema. Permite reducir los daños debido a efectos térmicos y electrodinámicos, y permite reducir las sobretensiones debido a maniobras o rayos. 5.3.2 Puesta a tierra con baja resistencia : Donde la corriente de falla es más elevada pero
menor si se le compara con el sistema de neutro rígido.
5.4 Puesta a tierra con reactancia
Este sistema opera con la conexión del neutro a tierra mediante una reactancia de valor fijo. Permite reducir las sobretensiones transitorias aunque la reducción de las corrientes de falla no es tan alta cuando se le compara con la puesta a tierra con resistencia. Es empleado fundamentalmente para la puesta a tierra de generadores y transformadores de subestación.
5.5 Puesta a tierra resonante (Bobina Petersen)
Opera con una conexión a tierra a través de una reactancia de valor variable, llamada también bobina Petersen. El coeficiente de inducción de la bobina es ajustado para que sea capaz de resonar con la capacidad a tierra del sistema, de manera que las corrientes de falla se reduzcan a valores pequeños.
Durante una falla a tierra, no implica un disparo instantáneo por lo que permite la continuidad del suministro. Este sistema es un tanto complejo y es muy empleado en redes de media tensión.
6. Descripción de los diferentes tipos de pararrayos (Surgue Arresters)
Para la protección de los sistemas eléctricos en situaciones de ondas pico de sobretensión, es necesario instalar equipos que reduzcan estos niveles de sobretensión a valores que sean manejables y no desestabilicen el sistema. A estos equipos se les conoce como Pararrayos, y son empleados para proteger los diferentes equipos de una subestación eléctrica o un transformador como en los casos de tipo poste. Las sobretensiones por descargas atmosféricas, se originan por cargas inducidas en las líneas debido a descargas electrostáticas causadas por la fricción entre las partículas de agua y hielo en las nubes, provocadas por vientos ascendentes. La sobretensión es el resultado de la variación de una tensión en un lapso de tiempo bastante corto, de forma que posee un valor pico o de cresta mayor a la tensión máxima del sistema. Los pararrayos derivan las ondas transitorias de sobretensión a tierra protegiendo los equipos de subestaciones como los transformadores. Los pararrayos son conectados en línea y tierra, consistiendo básicamente en elementos resistores con gaps o explosores. Los elementos resistores ofrecen una resistencia no lineal de forma que para voltajes de frecuencia normal en el sistema, la resistencia es alta y para descargar corrientes la resistencia es baja. En condiciones normales de operación el apartarrayos no conduce, cuando una onda se desplaza por las líneas pasa por el apartarrayos y baja a tierra debido a la baja resistencia, de forma que luego de unos pocos microsegundos la onda desaparece y el voltaje en las líneas vuelve a su normalidad. Se utilizan básicamente dos tipos de diseño:
6.1 Apartarrayos convencionales con Gap (Autovalvulares)
Tienen uno o más elementos o gaps en serie con elementos resistivos, contenidos en porcelana. Al conjunto completo se les llena con un gas inerte, como el Nitrógeno. Normalmente es instalado un contador de descargas entre la terminal de tierra del apartarrayos y la tierra de la instalación. Cuando los apartarrayos quedan sometidos a tensiones superiores a su valor nominal puede tener fallas. En regiones propensas a constantes descargas, se recomienda el uso de apartarrayos en corriente de descarga de 10 000 A, debido a que poseen un mayor volumen de absorción energético debido a mayores volúmenes de material de características no lineales. La tensión residual es una de las características más importantes ya que se refiere a la tensión a la que estará sometida cualquier equipo bajo su protección si se encuentra conectada entre sus terminales. La tensión máxima de ruptura para ondas de maniobra, es el valor más alto de tensión transitoria que puede ocurrir en el sistema antes de que se presente una descarga en el apartarrayos. 6.2 Apartarrayos de óxido metálico (ZnO)
Fueron desarrollados desde los finales de la década de los 70 y poseen elementos que consisten principalmente en óxido de zinc que no requieren gaps en serie. Cuando una sobretensión ocasiona la conducción en el apartarrayos, la corriente que circula en sus terminales determina el comportamiento del apartarrayos de óxido metálico, hasta que el valor de la corriente a la frecuencia normal del sistema cae a cero. Existen dos capacidades o valores nominales de corriente para este tipo de apartarrayos: la capacidad de aguante o resistencia, y la capacidad de aguante de corriente de larga duración, la que es importante en términos de capacidad durante la descarga de energía en condiciones de falla. Es importante que exista un margen de protección entre la tensión de aguante a los rayos y maniobras de equipo, y el nivel de protección de los apartarrayos. Los valores recomendados a fin de que se obtenga la coordinación de aislamiento es de 1.20 para impulsos atmosféricos o rayos y de 1.15 para ondas de impulso ocasionadas por maniobra de interruptores.
Cuando un rayo impacta una línea de transmisión, se propaga una onda de sobretensión en el sistema, de forma que para proteger los equipos de las subestaciones, se debe limitar la tensión de ruptura de los apartarrayos que normalmente debe ser la primera estructura receptora de la subestación o primero estructura de un transformador.
A-2. El Motor de Inducción Monofásico y Motores Especiales 1. Motor monofásico de inducción a. Devanados de fase partida 1.1.1 Aplicaciones y usos
Los motores de fase partida fueron uno de los primeros motores monofásicos usados en la industria, y aún permanece su aplicaciones en forma muy amplia. Algunos de los aparatos en los cuales se usan actualmente estos motores que se pueden mencionar son: ventiladores, bombas, lavadoras, secadoras, máquinas de coser, taladros, aspiradoras, acondicionadores de aire, entre otros; la mayoría de ellos se fabrican en el rango de 1/30 (24.9 W) a 1/2 HP (373 W), estos motores son motores pequeños. 1.1.2 Principio de operación del motor de fase de partida
El motor de fase de partida está constituido por dos devanados el principal y el auxiliar, además lleva incorporado un interruptor centrífugo. Este motor tiene solo una fase de alimentación, debido a esto no posee campo giratorio como en los polifásicos, pero si tienen un campo magnético pulsante, esto impide que se proporcione un torque en el arranque ya que el campo magnético inducido en el rotor está alineado con el campo del estator. Este problema en el arranque se soluciona utilizando un devanado auxiliar que son dimensionados adecuadamente y colocados de tal forma que se crea una fase ficticia, lo que permite la formación de un campo giratorio necesario en la partida. Lo que hace el devanado auxiliar hace es crear un desequilibrio de fase, que es lo que produce el torque y la aceleración necesaria para la rotación inicial. Una vez el rotor llega a tener una velocidad determinada la fase auxiliar se desconecta de la red a través de una
interruptor que normalmente actúa por una fuerza centrífuga, también puede darse el caso que esta es reemplazada por un relé de corriente o una llave externa. El devanado auxiliar es dimensionado solo para el arranque, si no se desconecta se quemará. En la figura 1 se muestra la conexión de estos devanados en un esquema del circuito eléctrico de ese motor y las corrientes en condiciones de arranque. El devanado de arranque o devanado auxiliar tiene menos número de espiras de alambre fino, lo que indica que su resistencia es elevada debido a que su área transversal es pequeña y a su vez su reactancia es reducida. El devanado principal, tiene muchas espiras de alambre mucho más grueso lo que ocasiona que su resistencia sea mucho más Figura 1. a.) Esquema de conexión de un motor de
baja y su reactancia muchos más alta, esto
fase de partida b. condición de las corrientes del
quiere decir que las corrientes no estarán en
motor en condiciones de arranque.
fase debido a su construcción. Por el
devanado principal circula una corriente de mayor magnitud que en el devanado de arranque. Debido al desfase existente entre ambas corrientes y dado el desfase espacial de los devanados, al conectar el motor, se generara un campo magnético bifásico que permitirá el desarrollo de un torque de arranque resultante distinto de cero, que a su vez permitirá que el motor parta del reposo. El motor girara en sentido de aceleración, la cual siempre será el mismo sentido en que gire el campo magnético giratorio producido por ambas corrientes, de tal forma que, este tipo de motor es considerado como no reversible pero sí invertible (requiere desconexión total de la fuente y acciones conectivas). Para poder desconectar el devanado de arranque, después de cumplida su función, se ideo un interruptor de acción mecánica, cuyo estado cambia por la acción de la fuerza centrífuga como el que se muestra en la figura 2 . Al arrancar el motor el interruptor debe abrirse más o menos cuando el desplazamiento haya
Figura 2. Interruptor centrifugo
alcanzado el valor de 75%. El interruptor está cerrado durante el reposo y se abre después de haber alcanzado un 75% de la velocidad nominal por dos
razones; el torque desarrollado por el campo giratorio en el devanado principal es mayor que el torque desarrollado por los dos devanados a un valor del 15% y por lo tanto, los dos devanados nunca deben permanecer conectados al motor al llegar a 85% de su velocidad nominal, al quedar conectado solo el devanado principal, la corriente total que al arrancar el motor es igual a la suma fasorial de las dos corriente, se ve reducida a la corriente circulando únicamente por el devanado principal por lo que las pérdidas se verán reducidas. El interruptor puede ser sustituido ya sea por un interruptor de estado sólido (triac) o por un relevador de contactos magnéticos. Por último hay que señalar que si el interruptor no se abre, el excesivo calor generado por la alta resistencia del devanado auxiliar hará que la temperatura del estator aumente, pudiendo llegar a quemarse sus devanados. Hay que decir que los devanados auxiliar y de arranque están conectados eléctricamente desafeados con un ángulo de 90º como se muestra en la figura 3, esta conexión es la que causa un desfase en la corriente el cual permite la inducción del torque.
1.1.3 Diseño de un motor con devanado de fase de partida
Figura 3. a.) Conexión física de los devanados auxiliar y principal en un motor de inducción de fase de partida b.) fases de la ondas de corriente en el motor de fase de partida. c.) torque inducido vs velocidad resultante
El motor monofásico de fase partida es un motor de inducción que está constituido con dos devanados en el estator:
Un devanado principal
Un devanado auxiliar o de arranque
1.1.3.1 Componentes principales
El motor de fase de partida en general está constituido por un rotor, un estator, escudo o placas térmicas, un interruptor centrífugo, arrollamiento de jaula de ardilla y devanados estatoricos. Como se ve en la figura 4.
Figura 4. Algunos componentes principales de los motores de fase de partida
1.1.3.2 El rotor
Compuesto de tres partes fundamentales: 1. Un núcleo: formado por un paquete de láminas o chapas de hierro de alta calidad magnética 2. El eje: sobre el cual se ajusta a presión el paquete de chapas. 3. jaula de ardilla: es un enrollamiento la cual consiste en una serie de barras de cobre de gran sección, alojadas en ranuras axiales en la periferia del núcleo y unidas por cortocircuitos por medio de dos gruesos aros de cobre, los cuales se sitúan uno a cada extremo del núcleo. 1.1.3.3 Estator
Está compuesto por un núcleo de chapas de acero con ranuras semicerradas de una pesada carcasa de acero, dentro de la cual esta introducido a presión en el núcleo de chapas y de dos devanados de hilo de cobre aislados en las ranuras, los cuales son llamados el devanado principal o de trabajo y devanado auxiliar o de arranque.
1.1.3.4 Escudos o placas térmicas
Este componente está fijado a la carcasa del estator por medio de tornillos o pernos: su misión principal es mantener el eje del rotor un una posición invariable. Cada escudo tiene un orificio central para alojar el cojinete que es el permite el giro del rotor con la mínima fricción, además los cojinetes cumplen la función de sostener el peso del rotor, mantener el rotor centrado dentro del estator y no permitiendo el roce entre ambos. 1.1.3.5 Interruptor centrifugo
Va montado en el interior del motor, su misión es desconectar el devanado de arranque cuando el rotor ha alcanzado una velocidad predeterminada. 1.1.3.6 Arrollamiento de jaula de ardilla
Compuesto de barras de cobre de gran sección, alojadas dentro de las ranuras del paquete de chapas retórico, las barras se encuentran soldadas a gruesos aros de cobre, que la cierran en corto circuito. 1.1.3.7 Devanados estatóricos
Un devanado principal o de trabajo, compuesto de un conductor de cobre grueso aislado, dispuesto generalmente en el fondo de las ranuras estatóricas y un devanado de arranque auxiliar, a base conductor de cobre fino aislado. Los cuales están unidos en paralelo.
b. Devanados tipo capacitor
1.2.1 Aplicaciones y usos
Los motores de fase de partida con capacitor, tienen las mismas aplicaciones que los motores monofásicos de fase de partida los cuales ya mencionamos: máquinas herramientas,
ventiladores,
bombas,
lavadoras,
secadoras, máquinas de coses, taladros, aspiradoras, acondicionadores de aire entre otros.
Figura 5. Motor de arranque con capacitor
Este motor posee un funcionamiento uniforme y la posibilidad de controlar su velocidad, son más comúnmente usados en ventiladores de toma y descarga en máquinas de oficina,
unidades de calefacción o en aires acondicionados. La figura 5 muestra la apariencia de un motor con arranque por capacitor. Existe también el motor monofásico con dos capacitores, este es usado en aplicaciones mucho más exigentes, en las cuales el par de arranque debe de ser mayor, el condensador deberá tener más capacidad para que el par de arranque sea suficiente. Para conseguir esto se puede usar dos capacitores. El primero deber ser un capacitor permanente conectado en serie con uno de de los devanados. Y el segundo debe de ser un capacitor de arranque en paralelo con el permanente en el momento del arranque, para aumentar la capacidad, y luego será desconectado. 1.2.2 Principio de operación
Estos motores monofásicos de corriente alterna tienen una capacidad nominal que va desde fracciones hasta 15 hp. Su principio de operación es casi similar al motor de fase de partida posee los dos devanados tanto el principal como el auxiliar solo que en esta ocasión se conecta un capacitor en serie con el devanado auxiliar y el switch centrífugo. Este capacitor permite tener un mayor par de arranque. La corriente en el devanado de arranque que es liberada por el capacitor se adelanta al voltaje en el devanado de principal o de trabajo, obteniendo de esta manera un desplazamiento angular mayor entre los devanados. Para tener una idea del par que se generara se compara el par producido por un motor de fase de partida con una de fase de partida con capacitor, lo cual nos dará que tiene una par mayor de hasta dos veces más grande. El funcionamiento de un motor con condensador doble se describe a continuación.
Primero: Se produce el arranque (punto 0) con ambos condensadores en paralelo (se
suman las capacidades) obteniendo alto par de arranque.
Segundo: Cerca del punto de funcionamiento del motor, se elimina el condensador
de arranque (punto 1)
Tercero: El motor evoluciona hasta el punto 2 solo con el condensador permanente.
De esta forma se consigue alto par de arranque, estabililidad en el par y buen rendimiento. Para eliminar el capacitor se utilizan, en función del tipo de motor de fase partida la cual puede ser implementada de dos maneras.
Interruptores centrífugos: conforme la velocidad se aproxima a la nominal (un 80 %
aprox), abren un contacto desconectando el Arranque.
Relés de intensidad (típicos de compresores de frío): la bobina del relé se conecta en
serie con el devanado principal. Cuando la intensidad se aproxima a la nominal (un 80 % aproximadamente), significa que el motor ya está “lanzado” y el contacto del relé se abre desconectando el arranque. 1.2.3 Diseño de un motor con devanado de tipo capacitor
Como se mencionó su estructura es un tanto similar al motor de fase de partida lo que cambia es que se le agrega un capacitor en serie con el devanado auxiliar como se muestra en la figura 6.
Figura 6. Circuito de un motor con condensador
Un motor de arranque con capacitor tiene la siguiente curva que se muestra en la figura 7 . Esta figura muestra que al utilizar un
devanado auxiliar conectado en serie con un capacitor se logra un mayor torque de arranque en motor.
Figura 7. Torque vs velocidad
c. Polos de estator sombreados 1.3.1 Aplicaciones y usos.
Este tipo de motores es usado en casos más específicos, como el de accionamiento de ventiladores o sopladores, que tienen requerimientos de potencia muy bajos. Su rango de potencia está comprendido en valores que van desde los 0.0007 hp hasta ¼ hp y la mayoría se fabrican en un rango de 1/100 a 1/20 hp. Estos motores en la industria de la construcción tienen un mayor uso, ya que son pequeños motores monofásicos (ventiladores, extractores, etc.) 1.3.2 Principio de operación
Estos motores de corriente alterna, solo tienen un devanado principal y en vez de tener un devanado auxiliar, tiene polos salientes y una parte de cada polo está envuelta por una bobina de sombreo cortocircuitada o un anillo de cobre macizo. Un flujo se induce en los polos debido al devanado principal, cuando este flujo de polo varia induce un voltaje y una corriente en la bobina de sombreo, las cuales se oponen al cambio del flujo original, la cual retarda los cambios de flujo bajo las partes sombreadas de la bobina y produce un ligero desequilibrio en los campos magnéticos rotacionales opositores al estator. Esta rotación neta se dirige desde la cara polar no sombreada hacia la sombreada. 1.3.2.1 Diseño con devanado tipo estator sombreado
Los motores con devanado tipo sombreado son de tamaño pequeño lo cual presenta una gran ventaja ya que son muy simples de construir son confiables y además tienen bajo costo. La estructura de conexión se muestra en la figura 8, mientras que la figura 9 es un gráfico par vs velocidad mediante la cual se concluye que el par es muy bajo.
Figura 8. Conexión de un motor de polos sombreados
2. Motor de reluctancia 2.1 Aplicaciones y usos
Los motores de reluctancia son usados más comúnmente en algunas aplicaciones.
Algunos diseños de la lavadora.
La varilla de control mecanismos de accionamiento de los reactores nucleares.
El Dyson Digital Motor es utilizado en algunos productos producidos por la empresa Dyson.
Los motores de reluctancia síncronos no tienen muchas aplicaciones prácticas para grandes motores. Sin embargo es práctico en motores pequeños. Algunos de estos motores son utilizados en aparatos con eficiencia energética como aspiradoras, motores de ventiladores o bombas. 2.2 Principio y funcionamiento
Un motor de reluctancia es aquel que para operar depende del par de reluctancia. Este par es el par que se induce en un objeto de hierro (como por ejemplo un alfiler) en presencia de un campo magnético externo, el cual provoca que el objeto se alinee con dicho campo magnético. La aparición del par se debe a que el campo magnético externo induce un campo magnético en el objeto de hierro lo que ocasiona Figura 10. Esquema simple de un motor de reluctancia de dos polos
que el par aparezca entre los dos campos, y esto hace que el objeto gire hasta que se alinee con el campo magnético externo. Hay un requisito para que se produzca un par de reluctancia y es que el objeto se debe extender a lo largo de los ejes situado de tal manera que los ángulos que correspondan con los ángulos de polos adyacentes del campo magnético externo. En la figura 10 se muestra el esquema simple de un motor de reluctancia de dos polos. En un motor de reluctancia se demuestra que el par aplicado al rotor del motor es proporcional a sen2d, donde d se conoce como el ángulo eléctrico entre los dos campos magnéticos. Otro hecho imperante en este tipo de motores es que el par máximo de reluctancia aplicado llega a su máximo cuando los campos están situados a 45 grados. El motor de reluctancia que se vio anteriormente en la figura mostrada es un motor síncrono, esto porque el rotor estará unido a los campos magnéticos del estator mientras no se exceda el par máximo del motor. Este motor no tiene par de arranque y no puede encenderse solo. 2.3 Diseño del motor
Para corregir el problema en el arranque es posible construir un motor de reluctancia de autoarranque que opere a velocidad síncrona hasta que llegue a exceder su par de reluctancia, esto se logra modificando el rotor (ver la figura 11) Para lograr construir un motor de reluctancia de autoarranque el rotor tiene que ser de tipo polo saliente para que opere en estado estacionario como un motor de reluctancia y también tienen
Figura 11. Diseño de un rotor de
devanados de tipo jaula o de amortiguamiento para su arranque.
reluctancia de autor arranque
El estator de este motor puede ser monofásico o trifásico.
3. Motor de histéresis 3.1 Principio y funcionamiento
El motor de histéresis es un motor de uso especial que utiliza el fenómeno de histéresis para producir un par mecánico. Uno de los aspectos que hay que señalar es que el rotor del motor de histéresis es un cilindro liso de material magnético sin dientes, protuberancias ni
devanados. Mientras que el estator del motor puede ser de dos tipos: monofásico o trifásico. En el caso que sea monofásico, se debe de usar un capacitor permanente con un devanado auxiliar para suministrar un campo uniforme lo más posible, ya que así se reduce en gran medida las pérdidas del motor. El funcionamiento del motor se ilustra en la figura 12. Una vez se le aplica una corriente trifásica
magnético (o monofásica con un devanado auxiliar) al estator, aparece un campo magnético giratorio dentro de la máquina. Lo que hace el campo magnético giratorio es que magnetiza el metal del rotor e induce polos dentro de él. Figura 12. Construcción de un motor de histéresis
Si el motor opera por debajo de la velocidad síncrona, hay dos fuentes de par dentro de él. Pero la mayoría del par es producido por la histéresis.
Cuando el campo magnético del estator barre alrededor de la superficie del motor, el flujo de éste no lo puede seguir exactamente puesto que el metal del rotor tiene pérdidas grandes debidas a la histéresis. Entre más grande sea esta, más grande será el ángulo que hará que el campo magnético del rotor estará en retrasado con el de el estator. Como existe un desfase entre los campos magnéticos se provoca un par finito en el motor. Se producirá corrientes parasitas en el rotor, las cuales producirán su campo magnético que incrementara aun más el par del rotor. Mientras más grandes sea el movimiento relativo entre los dos campos magnéticos (estator y motor), mayores serán las corrientes parasitas y el par de corriente parasita. Una vez el motor llega a la velocidad síncrona, el flujo del estator deja de barrer a través de rotor y éste actúa como imán permanente. El par inducido en el motor es proporcional al ángulo entre el campo magnético del rotor y el estator, hasta un ángulo máximo que es delimitado por la histéresis en el rotor. 3.2 Diseño de un motor real
Los motores que funcionan por medio de histéresis presentan la curva característica mostrada en la figura. Esta curva describe el par vs velocidad de un motor de histéresis. Esta curva muestra que el par aplicado en un motor de histéresis es aproximadamente
constante a cualquier velocidad distinta de cero y la velocidad síncrona nsinc. Hay que tener en cuenta que en el diseño de estos motores la cantidad de histéresis dentro de un rotor está en función de la densidad de flujo en el estator y del material en que está hecho y el par de corriente parásita es aproximadamente proporcional al deslizamiento del motor. Es por esto que la curva característica tiene esta forma. Si se requiere construir un motor de histéresis muy pequeño se puede lograr con estator de polos sombreados para crear un motor síncrono de baja potencia y de auto arranque mostrado en la figura 12.
4. Motor de movimiento paso a paso (Stepper Motor) 4.1 Aplicaciones y usos particulares
Un motor paso a paso puede ser una buena opción cada vez que es requerido el movimiento controlado. Se utilizan como elemento de mando y para obtener control con precisión de maniobra de: ángulo de giro, velocidad, posición y sincronismo. El desplazamiento angular de estos motores generalmente es programado en forma secuencial. Para esto, se usan drivers comandados por lógica digital. Los motores paso a paso han encontrado su lugar en muchas aplicaciones como: impresoras, plotters, disco duro, equipos médicos, fax, automoción, taxímetros, brazo y robots completos, relojes eléctricos, control remoto, manipuladores, bombas impelentes en aplicaciones de electromedicina, tecnología aeroespacial, entre otras. 4.2 Principio de operación
Los motores paso a paso avanzan girando por pequeños pasos, de manera que su mayor capacidad de torque se produce a baja velocidad. Funcionan controlados por un pulso de avance, estos motores tienen varios bobinados que, para producir el avance de ese paso, deben ser alimentados en una adecuada secuencia. Se requiere un circuito de control, que será el responsable de convertir las señales de avance de un paso y sentido de Figura4.1: Rotor imantado moviéndose hasta
giro en la necesaria secuencia de energización de los bobinados. Su principio de operación se basa en las fuerzas de atracción y repulsión ejercidas entre polos magnéticos. Como los polos magnéticos del mismo signo se repelen, si los bobinados del estator 1, se alimentan de tal manera que éste se comporta como un polo norte y el estator 2 como un polo sur, al girar el rotor imantado (imán permanente), se mueve hasta alcanzar la posición de equilibrio magnético, figura 4.1. La variación de la dirección del campo magnético creado en el estator producirá movimiento de seguimiento por parte del rotor de imán permanente, el cual intentará alinearse con el campo magnético inducido por las bobinas que excitan los electroimanes.
4.3 Diseño y gráfica
Para el diseño se debe tomar en cuenta que hay tres motores básicos paso a paso. Ellos son: de reluctancia variable, imanes permanentes e híbrido. El motor de reluctancia variable se compone de un hierro dulce de dientes múltiples, un rotor y un estator herida. Cuando los devanados del estator están energizados con DC los polos de corriente se magnetizan. La rotación se produce cuando los dientes del rotor se sienten atraídos por el
Figura4.2: Sección transversal vista desde
estator energizado polos. Es probable la más fácil de
un punto de vista estructural.
entender desde una punto de vista estructural. Figura 4.2. El motor de imán permanente a menudo se refiere como una "lata" o "Canstock". Es de bajo costo y tipo de motor de baja resolución con ángulos de paso de 7,5 ° a 15 °. (4824pasos / vuelta) PM motores como su nombre lo indica tiene imanes permanentes añadidos a la estructura del motor. El rotor está magnetizado con alternancia norte y el polo sur situado en una línea recta paralela al eje del rotor. Estos polos del rotor magnetizado proporcionan un aumento de la intensidad del flujo magnético. El motor paso a paso híbrido proporciona un mejor rendimiento con respecto a la etapa de
resolución, par y velocidad. Ángulos típicos para la gama de motores paso a paso: 3,6 ° a 0,9 ° (100 a 400 pasos por revolución). El rotor está multi- dentado como el motor VR y contiene un imán concéntrico magnetizado axialmente alrededor de su eje.
4.3.1 Tamaño, ángulo y fuerza
El largo del cuerpo puede variar de un motor a otro dentro de la misma clasificación de tamaño del marco. Como regla general, el par de salida disponible de un motor en un marco de tamaño particular aumentará con el incremento de cuerpo longitud. Los niveles de potencia de ICimpulsado, suelen oscilar entre por debajo de un watt para motores muy pequeños de hasta 10 - 20
Figura4.3: Diferencia entre real y motor común.
vatios para los motores más grandes. Para calificar un motor paso a paso en el nivel de poder de disipación, el motor se eleva 65° C por encima de la temperatura ambiente. Un motor paso a paso ideal tiene un par de torsión senoidal vs característica desplazamiento como se muestra en la figura 4.4.
Figura4.4: Torque versus la posición angular del rotor en un par de retención diferente.
5. Motor CD sin escobillas (Brushless DC Motor) 5.1 Aplicaciones y usos particulares
Los motores BLDC se utilizan en las industrias como:
electrodomésticos,
automóviles, Figura4.5: Motor BLCD con una hélice
aeroespacial, automatización, entre otros. En algunos equipos de oficina encontramos algunos BLDC en el interior de los ordenadores (figura 4.5) y otros equipos periféricos. Igualmente se fabrican infinidad de juguetes que se mueven empleando motores de ese tipo. 5.2 Principio de operación
La retroalimentación es alcanzada con el uso de múltiples sensores. Los sensores más utilizados son sensores de Hall y codificadores ópticos. Para los sensores de efecto Hall
( figura
4.6 ),
Figura4.6: Sección transversal de un motor BLCD (vista del sensor
cada vez que los polos magnéticos del rotor, pasan cerca del sensor de efecto Hall, generan una señal de nivel alto o bajo, que se puede utilizar para determinar la posición del eje. Los motores BLDC son un tipo de motor síncrono, esto significa que el campo magnético generado por el estator y el campo magnético generado por el rotor, giran a la misma frecuencia. No experimentan la "Slip" que se ve normalmente en los motores de inducción. El par se produce debido a la interacción entre el campo magnético generado por el estator, bobinas y los imanes permanentes. Idealmente, el pico del par de torsión se produce cuando estos dos campos están en 90° entre sí y se cae cuando los campos se mueven juntos. Para mantener el motor en funcionamiento, el campo magnético producido por las bobinas deben cambiar de posición, ya que el rotor se mueve para ponerse al día con el campo del estator. La "conmutación de seis pasos" define la secuencia de la activación de los devanados.
5.3 Diseño y gráfica
Como el resto de motores, los motores BLDC también tienen un rotor y un estator. 5.3.1 Estator
El motor BLDC está hecho de acero laminado (figura 4.7 ), apilados para llevar
a
los
bobinados.
Los
devanados en un estator pueden estar dispuestos en dos patrones, es decir, una forma de estrella (Y) o patrón delta (Δ). La principal diferencia entre los dos patrones es que el Patrón Y da un alto par a bajas revoluciones y el patrón delta da un bajo torque a bajas RPM. La mitad de la tensión se aplica a través del devanado que no está impulsado, aumentando así las pérdidas y, a su vez, la eficiencia y el par motor. Debido a la ausencia de dientes en la pila de laminación, los requisitos para el par de reluctancia también bajan, lo que los hace un ajuste ideal para las velocidades bajas también (cuando los imanes permanentes en el rotor y en el estator del diente se alinean uno con el otro a continuación, debido a la interacción entre los dos, un indeseable par desarrolla y produce ondas de velocidad). 5.3.2 Rotor
El rotor de un motor BLDC está hecho de imanes permanentes. Dependiendo de los requisitos de la aplicación, el número de polos en el rotor pueden variar. El
Figura4.7: Estator de acero laminado
rotor está hecho de imán permanente y puede variar de dos a ocho pares de polos. En base a la densidad de campo magnético requerido en el del rotor, se elige el material magnético adecuado. Imanes de ferrita se utilizan tradicionalmente para hacer imanes permanentes. Además, estos imanes de aleación mejoran la relación talla -peso y dan mayor torque para el mismo tamaño de motor con imanes de ferrita.
Figura 4.8: muestra secciones transversales de diferentes arreglos de los imanes en un rotor.
5.3.3 Par / velocidad
El par de torsión permanece constante para un rango de velocidad hasta la velocidad nominal. El motor puede funcionar a la velocidad máxima, que puede ser de hasta 150 % de la corriente nominal, pero el par comienza a caer. Las aplicaciones que tienen arranques y paradas
frecuentes
y
retrocesos
Figura 4.9: Características de Par vs Velocidad
frecuentes de rotación con carga en el motor, exigen más torque que el par nominal. Este requisito viene por un breve período, especialmente cuando el motor comienza a partir de un punto muerto y durante la aceleración. Durante este período, se requiere un par extra para superar la inercia de la carga y el propio rotor. El motor puede entregar un par motor más alto, máximo hasta el pico par, siempre y cuando se sigue la curva de par de velocidad. Ver en figura 4.10.
Figura 4.10: Curva de Par vs Velocidad
6. Motor universal 6.1 Aplicaciones y usos particulares
Se usa para un control de la velocidad y un par alto. El motor universal tiene la característica par-velocidad descendente, de modo que no es adecuado para aplicaciones de velocidad constante. Sin embargo, por ser compacto y dar más par por amperio que cualquier otro motor monofásico, se utiliza en aplicaciones donde se requieren un peso ligero y alto par. Aplicaciones típicas de este motor son las aspiradoras eléctricas, los taladros y las herramientas manuales similares, así como los utensilios de cocina (licuadoras, lavadoras, etc). El uso de estos motores en corriente alterna está muy extendido por el mayor par de arranque respecto al de los motores de inducción y por su elevada velocidad de rotación, lo que permite reducir su tamaño y su precio. Por eso, se emplea en máquinas herramientas portátiles de todo tipo, electrodomésticos pequeños, etc.
6.2 Principio de operación
Los motores universales funcionan generalmente en altas velocidades, de 3.500 a 20.000 r.p.m., esto da lugar a un alto cociente de energía-a-peso y de energía-a-tamaño. Un motor universal tiene altas velocidades usando diversas corrientes de una fuente de energía. El funcionamiento cerca de la carga clasificada es similar para todas las fuentes, comenzar el esfuerzo de torsión es alto y la regulación de la velocidad es pobre, la velocidad es muy alta en las cargas que son bajas. Teóricamente, en la carga cero la velocidad llega a ser infinita, así algunos motores universales deben emplear controles de velocidad. Este motor está construido de manera que cuando los devanados inducidos e inductor están unidos en serie y circula una corriente por ellos, se forman dos flujos magnéticos que al reaccionar provocan el giro del rotor, tanto si la tensión aplicada es
Figura 4.11: Torque según fuente de entrada.
continua como alterna. Cuando se alimenta con fuente CD las bobinas del estator como imanes permanentes rotan en la misma dirección. La corriente que pasa por el rotor también revierte la corriente de los electroimanes. Todos los polos del motor cambian de norte a sur o de sur a norte. Es decir, Al invertir la corriente continua del motor en serie, el sentido de rotación permanece constante. Si se aplica corriente alterna a un motor en serie, el flujo de corriente en la armadura y en el campo se invierte simultáneamente, el motor seguirá girando en el mismo sentido.
6.3 Diseño y gráfica
Las partes principales del motor universal con arrollamiento inductor concentrado son:
6.3.1 La carcasa
La carcasa suele ser por lo regular de acero laminado, de aluminio o de fundición con dimensiones adecuadas para mantener firmes las chapas del estator. Los polos suelen estar afianzados a la carcasa con pernos pasantes. Con frecuencia se construye la carcasa de una pieza, con los soportes o pies del motor. 6.3.2 El estator
El estator o inductor, que se representa junto con otras partes componentes, consiste en un paquete de chapas de forma adecuada, fuertemente prensadas y fijadas mediante remaches o pernos. 6.3.3 El inducido
El inducido es similar al de un motor de corriente continua pequeño. Consiste en un paquete de chapas que forma un núcleo compacto con ranuras normales u oblicuas y un colector al cual van conectados los terminales del arrollamiento inducido. Tanto el núcleo de chapas como el colector, van sólidamente asentados sobre el eje. 6.3.4 Los escudos
Los escudos, como en todos los motores, van montados en los lados frontales de la carcasa y asegurados con tornillos. En los escudos van alojados los cojinetes, que pueden ser de resbalamiento o de bolas, en los que descansan los extremos del eje. En muchos motores universales pueden desmontarse sólo un escudo, pues el otro está fundido con la carcasa. Los porta escobillas van por lo regular sujetos al escudo frontal mediante pernos.
Figura 4.12: Principales partes del motor universal.
De la gráfica se puede obtener que:
El torque es inversamente proporcional a la velocidad y directamente proporcional a la corriente. Más corriente fluye a altas velocidades, el torque incrementa a medida que la densidad de flujo magnético también aumenta. Bajas corrientes tienden a causar saturación magnética, deteriorando las características del motor. La velocidad de rotación es determinada por el número de bobinados.
Figura 4.11: Gráfica de las características principales versus
7. Motor lineal 7.1 Aplicaciones y usos particulares
Generalmente son utilizados para realizar estudios de colisiones con hipervelocidad, como armas, o como impulsores de masa de sistemas de propulsión de naves espaciales. Los motores de alta aceleración por lo general poseen diseños tipo motor de inducción lineal AC con un bobinado trifásico activo de un lado del entre hierro de aire y una placa conductora pasiva del otro lado. Algunos ejemplos de sus aplicaciones con pequeños motores lineales son: empaque y almacenaje, montaje automatizado, compresores de pistón y alternadores. Entre sus aplicaciones con grandes máquinas de inducción lineal tenemos: transporte, manejo de materiales, prensas de extrusión, entre muchas otras. 7.2 Principio de operación
Un motor lineal es conceptualmente un motor rotatorio cuyo núcleo de estator ha sido cortado y desenrollado. El estator circular se convierte en un estator lineal, que define un motor de inducción lineal de una sola cara (SLIM). Del mismo modo, si el estator circular se corta en dos secciones y se aplana, el motor se convierte en un motor de inducción lineal de doble cara (Dlim). Cortar y desenrollar el estator conduce a muchas otras configuraciones posibles de motor lineal. Hay varias diferencias importantes entre los motores de inducción lineales y rotativos que tienen que ver con la selección. A diferencia de los motores rotativos, el motor lineal tiene un principio y un fin a su viaje. Un motor lineal es un motor eléctrico que posee su estator y su rotor "distribuidos" de forma tal que en vez de producir un torque (rotación) produce una fuerza lineal en el sentido de su longitud. El modo más común de funcionamiento es como un actuador tipo Lorentz, en el cual la fuerza aplicada es linealmente proporcional a la corriente eléctrica y al campo magnético. Ver figura 4.12.
Figura 4.12: Fuerza (F) se genera cuando la corriente (I) (a lo largo de vector L) y la densidad de flujo (B) interactúan. F = LI x B
7.3 Diseño y gráfica
El diseño de un motor lineal está basado en el desarrollo de varios programas que permiten manejar los cálculos necesarios que se realizan para construir la máquina. Los programas se dividen en tres secciones: simulación del comportamiento de la máquina expuesta a una rampa de velocidad, selección del punto de operación nominal de la máquina y la determinación de las características constructivas de la máquina.
Figura 4.13: Gráficas de velocidad y posición respecto al tiempo.
7.3.1 Diseño según tipo de motor lineal 7.3.1.1 Núcleo de hierro : Bobinados de cobre alrededor de laminaciones “Forcer ” a
través de un único carril de imán. (Ver figura 4.14)
Figura 4.14: Composición del motor
7.3.1.2 Sin hierro : Forcer construido de espiras unidas con epoxi y se mueve entre
dos carriles (norte y sur). También conocido como "Aircore" o motores "Uchannel". (Ver figura 4.15)
Figura 4.15: Vista frontal de un motor lineal sin
7.3.1.3 Slotless : Mezcla de núcleo sin hierro y de hierro: bobinas con hierro dentro
de la carcasa de aluminio sobre un solo carril imán. (Ver figura 4.16 )
Figura 4.16: Vista frontal de un motor lineal
Conclusión Luego de haber realizado una búsqueda intensiva de información relacionada con los temas anteriormente señalados, se adquirieron y reforzaron muchos conocimientos que nos servirán en la vida estudiantil y profesional. Es importante destacar los siguientes aspectos aprendidos sobre los temas ya mencionados: Las características bajo las que se construye un transformador de potencia, son determinadas principalmente por las condiciones bajo las que necesite operar y la cantidad de potencia que necesite manejar. Sus devanados, aislamientos, sistemas de refrigeración y protección, deben ser los adecuados para operar de la forma más eficiente posible y a su vez garantizando la transmisión de energía con la menor cantidad de interrupciones posibles ya sea por trabajos de maniobra o inclemencias climáticas. Sé vio que los motores monofásicos de fase de partida y los motores de arranque por capacitor requieren un devanado extra para poder arrancar los cuales tienen que estar desfasados en 90 grados eléctricos para así poder generar el campo magnético que sirva para el arranque de dichas maquinas. Mientras que los motores de polos sombreados es un motor de inducción que solo tiene el devanado principal. Las distintas aplicaciones de los motores de fase de partida son comunes ya que los dispositivos mencionados están en nuestros hogares. Los motores de reluctancia y de histéresis difieren de los motores de fase en la básicamente en la construcción de su rotor ya que el estator no es muy distinto. En resumen los aspectos más importantes que se deben observar es que los motores monofásicos de inducción no tienen par de arranque, lo cual requiere que se excite para producir su arranque. Una vez estos motores se aceleran, su par de velocidad son casi tan buenas como las de los motores trifásicos de igual tamaño. Hay que estar claro que el par de arranque en los motores de inducción monofásicos depende del ángulo de fase entre la corriente de los dos devanados (devanado principal y devanado auxiliar) y el par máximo se alcanza cuando el ángulo es 90 grados. Los motores con capacitor de arranque tienen un par de arranque más grande que los de inducción de fase de partida. Los motores de polos sombreados tienen par de arranque pequeño y es por ello que se utilizan en aplicaciones pequeñas.
Los motores de reluctancia y los motores de histéresis son de uso especial que pueden operar a velocidad síncrona sin los devanados auxiliares, estos motores aceleran y llegan a su velocidad síncrona por si solos. Los estatores de estos dos motores pueden ser monofásicos y trifásicos. Los motores paso a paso son ideales para la medición y aplicaciones de control. La resolución de paso y el rendimiento de estos motores, se puede mejorar a través una técnica llamada microstepping. La intensificación del rendimiento del motor también puede ser mejorada por la conducción de estos motores a una tensión mayor que lo que están clasificados para. Los motores sin escobilla de corriente continua y motores de inducción tienen mayor velocidad en comparación con las características de par, alta respuesta dinámica, alta eficiencia, larga vida útil, funcionamiento silencioso, los rangos de mayor velocidad, construcción robusta y así sucesivamente. Además, el par entregado al motor tamaño es mayor, por lo que es útil en aplicaciones donde el espacio y el peso son factores críticos. Los motores lineales son diferentes de motores normales, porque los motores regulares son típicamente en un círculo y producir un par de torsión en lugar de una fuerza lineal.
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