Universidad Católica del Maule Escuela de Ingeniería en Construcción Asignatura : Circuitos Eléctricos

Profesor: Francisco Valdebenito A.

CIRCUITOS TRIFASICOS

Y

MAQUINAS ELECTRICAS

Circuitos Trifásicos

Para aprovechar las características de la corriente alterna, en las centrales eléctricas se utilizan generadores que poseen tres espiras o bobinas A estas bobinas se les llama fases del generador y a la fuerza electromotriz alterna que originan estos generadores se les llama trifásica Las bobinas giran simultáneamente dispuesta simétricamente Cada onda se encentra desfasada en 120°, que corresponde a la disposición geométrica de las bobinas en el generador

Conexión de Circuitos Trifásicos

La tensión generada se extrae separadamente de cada una de ella, esto significa que se necesitan dos conductores para cada bobina, es decir, al conducir separadamente las tres f.e.m. seria necesario el empleo de seis conductores (en tres circuitos monofásicos), lo que significaría mayor costo y equipos en transporte de energía y antieconómico. Este inconveniente se subsana conectando los tres enrollamiento mediante dos tipos de conexión: a) Sistema conectado en triangulo (Circuito trifásico en triangulo)

b) Sistema conectado en estrella (Circuito trifásico en estrella)

Conexión en triangulo

Voltaje de línea es igual al voltaje de fase

VL = VF

Conexión en estrella

IL = √3 * IF

VL = √3 * VF

IL = IF

Corriente de línea es igual a corriente de fase

Potencia en Circuitos trifásicos

Potencia en un sistema trifásico perfecto

Para circuitos conectados en estrella o triangulo

Cos φ = P / √ 3 * V * I

P aparente = √ 3 * V * I

P reactiva = √ 3 * V * I * sen φ

MAQUINAS ELECTRICAS

GENERADOR MOTOR

TRANSFORMADOR

PRINCIPIO El fundamento teórico en que se basa el funcionamiento de las máquinas electromecánica se encuentra en los tres principios de la inducción electromagnética: 1. Una corriente eléctrica que circula por un conductor arrollado a un núcleo metálico de hierro o acero

(efecto imán) 2. Las corrientes eléctricas ejercen entre sí fuerzas a distancias

3. Cuando un conductor se mueve dentro de un campo magnético, se induce en él una corriente eléctrica

Este principio de la Ley de Inducción fue formulado por Michael Faraday en 1881, quien construyo el primer generador basado en este fenómeno

CONVERSIÓN Y CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Máquinas Eléctricas: Es el conjunto de mecanismo, capaces de generar, aprovechas o transformar la energía eléctrica

Otro tipo de máquina cuya función es cambiar algunas características de la energía eléctrica, como ser la tensión, la intensidad de corriente o la potencia, Esta maquina se denomina Transformador

CLASIFICACIÓN GENERAL DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

MOTOR

MÁQUINAS ELECTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA ROTATIVA

El generador y el motor de corriente continua están idénticamente constituido, por el principio de conservación de la energía electromecánica 1. Inductor (Estator) 2. Inducido (Rotor) 3. Escobilla 4. Culata o carcasa 5. Entre Hierro 6. Cojinetes

COMPONENTES

Inductor (Estator): Produce y conduce el flujo magnético y es la parte fija de la maquina tiene las siguientes elementos a) Pieza Polar: Sujeta la culata b) Núcleo: forma parte del circuito magnético con los polos, el entre hierro, inducido y la culata y es donde están los devanados inductores c) Devanado Inductor: Conjunto de espiras, produce el flujo magnético d) Expansión Polar: Parte ancha de la pieza polar Inducido (Rotor): Es la parte que gira y tiene las siguientes elementos a) Núcleo del Inducido: Es un cilindro de chaspas magnéticas dispone de ranuras donde se alojan los conductores de cobre del devanado b) Devanado Inducido: Conectado al circuito exterior a través del colector y es donde se produce la conversión de energía inducido y la culata y es donde están los devanados inductores c) Colector: Laminas de cobre denominadas delgas, sobre ellas se desliza las escobillas Escobillas: Son de carbón o grafito, están alojadas en un porta escobillas se deslizan sobre las delgas del colector y por un conductor se unen a los bornes del inducido Culata : Es la envoltura de la máquina, esta hecha de material ferro magnético, conduce el flujo creado por el devanado y se une a ella los polos Entre Hierro: Espacio existente entre la parte fija y la parte móvil de la máquina, con esto se evita el rozamiento entre ellos Cojinetes: Sirve de apoyo al eje del rotor

CLASIFICACIÓN ELECTRICA -MECANICA 1. Circuito Magnético : Carcasa Pieza Polar Nucleo de Inducido 2. Circuito Eléctrico Rotatorio : Arrollamiento de Inducido Conmutador o colector 3. Aparato Colector : Escobillas y Porta Escobillas 4. Circuito Eléctrico fijo de Excitación : Arrollamiento de campo

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Generadores de C.C. Los dos principios fundamentales en los que se basa cualquier maquina que transforma la energía mecánica en energía eléctrica, son: 1. Cuando un conductor que se encuentra situado en el interior de un campo magnético se mueve

de tal forma que corta líneas de flujo magnético, se genera en el una fuerza electromotriz (fem)

2. Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor situado dentro de un campo magnético se produce una fuerza mecánica que tiende a mover al conductor en dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético

La f.e.m. que se genera en una maquina de C.C., tiene la forma de onda sinusoidal, de la forma conocida:

E = Eo sen ωt Para obtener una corriente continua, se sustituyen los anillos por dos semicilindros que giren al

unisonó con la espira, como se señala en la figura.

CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADOES DE C.C. Se basa principalmente en el tipo de fuente que provee la corriente de excitación para el flujo de los polos 1. De Excitación Independiente: El voltaje de excitación proviene de una fuente externa (batería, Fuente de C.C.)

2. Auto excitados : La fuente para el campo magnético de los polos la proporciona el propio generador, a través del enrollamiento de excitación y la armadura

Así se tiene los siguientes tipos: a) Generador Serie

c) Compound

b) Generador Shunt

MOTORES DE CORRIENTES CONTINUA Veamos la siguientes figura

Ya se señalo que motores y generadores son idénticos en cuanto a estructuras, por lo que es

igualmente valida la descripción que se realizó con las distintas partes del generador Si un conductor situado dentro de un campo magnético, se le hace circular una corriente por el

conductor , se crea alrededor de él un campo magnético. Es decir, hay dos campos, 1) que crea el conductor por la corriente y el campo principal donde esta.

En una maquina de C.C., el conductor cerrado de un inducido que esta dentro de un campo

magnético de polos y que circula corriente, aparecen esfuerzos en tal sentido en el conductor que por el hecho de estar sostenido de un eje tiende a hacerlo girar. A la fuerza que actúa en cada conductor por su distancia al eje del inducido, es lo que se llama PAR o TORQUE

La velocidad con que gira el motor y el torque que puede entregar en su eje, son las

características mas importante que define a un motor y su aplicación en la industria estará determinado por estos factores

PARAMETROS DE UNA MAQUINA DE C.C. Ecuación de la Velocidad: Donde: n = Velocidad de giro del motor en rev/min Eb= Tensión en bornes del motor ø = Flujo de polos Ri * Ii = Caída de tensión en el inducido Par Electromagnético: Donde : K = Constante de cada máquina ø = Flujo de polos Ii = Corriente en el inducido Rendimiento: Donde: N = menor que 1 Fuerza Electromotriz : Eg = Eb – Ri * Ii

La Potencia en el eje del motor es en HP y 1 HP= 746 Watt Ps = Pa - Pp = Potencia Suministrada (entrada)= Potencia absorbida (Salida) – Potencia de Perdida

USOS DE MOTORES DE CORRIENTES CONTINUA

Cuando se requiere precisión en la velocidad: 1. Montacargas 2. Ascensores 3. Locomoción 4. Juguetes

MOTOR DEL TIPO UNIVERSAL

El motor universal es un tipo de motor que puede ser alimentado con corriente alterna o con corriente continua, es indistinto. Sus características principales no varían significativamente, sean alimentados de una forma u otra. Por regla general, se utilizan con corriente alterna.

Este tipo de motor se puede encontrar tanto para una máquina de afeitar, Lustra aspiradora, maquinas de línea blanca, como para una locomotora, esto da una idea del margen de potencia en que pueden llegar a ser construidos.

MAQUINA DE CORRIENTE ALTERNA GENERADOR DE C.A. (Alternador) Su fundamento es parecido al de los generadores de C.C., aunque existen algunas diferencia en su construcción, reciben el nombre de generadores síncronos (relación velocidad de giro y frecuencia del voltaje generado) La diferencia es que el alternador no precisa de colector, por lo que no es necesario que el inducido (rotor) sea el que gire N = 60 * f / P donde: N = Velocidad de giro en rpm P = Número de pares de polos f = Frecuencia (ciclos por segundo)

MAQUINA DE CORRIENTE ALTERNA

MOTORES DE C.A. Tiene gran uso en la industria, en su mayoría se utiliza el motor asíncrono alimentado por corriente alterna trifásico, y tiene múltiples aplicaciones, debido a su robustez y fácil mantenimiento. En este caso la velocidad del campo magnético generado por el estator supera a la velocidad de giro del rotor Esta constituido por un estator que es la parte fija del motor y el rotor que es la parte movil del motor. Los motores mas usados son: Rotor de Jaula de Ardilla (rotor en corto circuito): Par de arranque pequeño y la corriente de arranque es muy superior a la corriente de trabajo normal Rotor Bobinado (rotor de anillos): El par de arranque puede alcanzar 2,5 veces el par nominal Motor Síncrono: la velocidad del campo magnético del estator es igual a la velocidad de giro del rotor

TRANSFORMADORES Es una máquina estática encargada de transformar una potencia en otra, a la misma frecuencia pero a distinto voltaje y corriente Los motores y los transformadores reciben potencia eléctrica, pero el motor entrega potencia mecanica y el transformadores entrega potencia eléctrica Los transformadores y generadores entregan potencia eléctrica, pero el generador recibe potencia mecánica y el transformador eléctrica En la forma mas elemental, es la máquina eléctrica mas económica y simple, ya que necesita solo de dos arrollamientos, donde el que recibe energía eléctrica desde un generador o una fuente de C.A., se le da el nombre de PRIMARIO, el otro arrollamiento entrega energía eléctrica y se denomina SECUNDARIO

Clases de Transformadores

Componentes Núcleo Elemento encargado de acoplar magnéticamente los arrollamientos de las bobinas primaria y secundario del transformador Está construido superponiendo numerosas chapas de aleación acero-silicio, para reducir perdidas por histéresis y aumentar la resistividad del acero Debe darse la forma de refrigerar el transformador y para eso se dsipone de canales en la estructura para que circule el aceite de refrigeración Devanados Es donde se genera el flujo magnético y se realiza con hilo de cobre aislado respecto del nucleo con materiales como algodón, papel, barniz, etc. Estos devanados o arrollamiento se suelen realizar de diferentes formas, como: a) Cada uno de los arrollamiento se monta en una columna b) Los dos arrollamiento se efectúan sobre la misma columna

Relaciones El campo magnético del transformador se cierra a través del núcleo Por su parte, el conductor que forma el arrollamiento secundario y que se encuentra bajo la acción del campo magnético del primario, inducirá en el una f.e.m. que depende principalmente de su numero de vueltas. Mientras mayor sea el numero de vueltas del arrollamiento situado dentro del campo magnético creado por el primario, mayor será la f.e.m. inducida en el secundario. Entre primario y secundario existe la siguiente relación, denominada relación de transformación: Vp / Vs = Np / Ns donde: Vp = Voltaje primario ; Vs = Voltaje secundario ; Np = Vueltas del primario y Ns = Vueltas del secundario La f.e.m. inducida en el secundario de un transformador es proporcional a tres factores: Frecuencia El rendimiento y la potencia de un transformador: Nº de vueltas Flujo Y en el primario