Universidad Católica del MauleEscuela de Ingeniería en ConstrucciónAsignatura : Circuitos Eléctricos

Profesor: Francisco Valdebenito A.

CIRCUITOS TRIFASICOS

Y

MAQUINAS ELECTRICAS

SISTEMA ELECTRICO

GENERACIÓN – TRANSMISIÓN - DISTRIBUCIÓN - CONSUMO

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 tensión trifásica

Las bobinas giran simultáneamente dispuesta simétricamente

Cada onda se encuentra 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

P aparente = √ 3 * V * I

P reactiva = √ 3 * V * I * sen φ

MAQUINAS ELECTRICAS ROTATORIAS Y ESTATICAS

GENERADORMOTOR

TRANSFORMADOR

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

PRINCIPIO – CONVERSION Y TRANSFORMACION DE LA ENERGÍA

MOTOR

CONVERSION -TRANSFORMACION

GENERADOR

Máquina cuya función es cambiar algunas características de

la energía eléctrica

TRANSFORMADOR

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

GENERADORES DE C.C.

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.

MÁQUINAS ELECTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA

Normalmente las máquinas son reversibles. Esto significa que si se les aplica energía mecánica haciéndole girar a sus ejes, ellos la convierten en eléctrica, comportándose como dinamos, si producen corriente continua

La producción de f.e.m. se basa en el principio de inducción electromagnética: E = B x L x V

Son máquinas que transforman la energía mecánica que recibe por un eje en energia eléctrica, que suministran por su bornes en forma de C.C.La producción de f.e.m. se basa en el principio de inducción electromagnética: E = B x L x V

PARTES PRINCIPALES DE UN MOTOR C.C.

ROTOR

(Circuito de armadura o inducido)

Constituye la parte móvil del motor, proporciona el par (Torque) para mover la carga

Esta formado por: Eje – Núcleo y Devanado – Colector - TapasESTATOR

Constituye la parte fija del motor, y proporciona el flujo magnético a usar por el bobinado del rotorpara efectuar el movimiento

Esta formado por: Armazón – imán permanente escobillas - porta escobillas

Carcasa

Imán permanente

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

IDENTIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE C.C.

Según como se conecten los arrollamiento de excitación de los motores de c.c., se puede modificar la forma de funcionamiento, por lo que dependiendo de la conexión elegida, los motores reciben nombres especiales, siendo los mas usados los siguientes:

1. Excitación independiente

3. Excitación serie

4. Excitación paralelo , derivación, Shunt

5. Excitación compuesta (compound)

PAR (TORQUE) EN UN MOTOR     

Se basa en que si una corriente eléctrica atraviesa un cable conductor dentro de un campo magnético la fuerza magnética produce un par (torque) el cual provoca el giro del motor

La relación entre el par y la velocidad de un motor, está relacionado con el tipo de excitación de la máquina; La forma de como se puede excitar un motor le otorga las características propias en cuanto a su velocidad y su par

Motor con excitación Serie

Es un motor que tiene el devanado de campo conectado en serie con el devanado de la armadura

Su característica principal es que desarrollan un gran par de arranque, pero su velocidad varia considerablemente cuándo se operan a plena carga y en vacío, por lo que debe operarse siempre con carga conectada.

Su uso más común con mayor potencia lo hacen apropiado para la tracción eléctrica: Trenes, tranvías, trolebuses, grúas, y donde sea necesario un altos par con bajas velocidades.

Motor con excitación paralelo, derivación, Shunt

Es un motor donde el devanado de campo es conectado en paralelo con el devanado de la armadura.

Su gran característica es que ofrece una buena regulación de velocidad. El devanado de campo puede ser de excitación independiente o conectarse a la misma fuente de voltaje que excita a la armadura

Utilizado en máquinas y herramientas por su estabilidad

Motor con excitación compuesta

Es un motor que tiene conectada la bobina de campo en serie y el devanado de campo shunt con excitación.

El devanado serie provee al motor un buen par de arranque mientras el devanado en derivación le permite una muy buena regulación de velocidad. Su uso es en maquinas herramientas y controlUSOS DE MOTORES DE

CORRIENTES CONTINUA

Cuando se

requiere precisión en la

velocidad:

1. Montacargas

2. Ascensores 3.

Locomoción 4. Juguetes

Ejemplo de aplicación “TRACCIÓN ELECTRICA” Motor Serie

USOS DE MOTORES DE CORRIENTES CONTINUA

Cuando se requiere precisión en la velocidad:

1. Montacargas 2. Ascensores 3. Locomoción 4.

Juguetes

Ecuaciones que rigen este tipo de motor

Donde:

ω = Velocidad angular del motorV = Voltaje de redRa = Resistencia circuito de inducidoRs = Resistencia circuito de excitaciónIa = Corriente de armadura (inducido)Kv = Constante de tensiónB = Constante de fricción viscosaE = f.c.e.m.

Rex = Resistencia circuito de excitaciónMd = TorqueIe = Corriente de excitación Ii = Corriente de inducido

MAQUINA DE CORRIENTE ALTERNA

GENERADOR DE C.A. (Alternador)

Un generador es una máquina eléctrica rotativa que transforma energía mecánica en energía eléctrica. Lo consigue gracias a la interacción de los dos elementos principales que lo componen: la parte móvil llamada rotor, y la parte estática que se denomina estator.

Cuando un generador eléctrico está en funcionamiento, una de las dos partes genera un flujo magnético (actúa como inductor) para que el otro lo transforme en electricidad (actúa como inducido).

PRINCIPIO DEL GENERADOR

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 móvil 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 normalRotor 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

MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Motor Síncrono

Cuando se conecta el devanado trifásico del estator a una red trifásica , la corriente circulara por las bobinas del estator dando origen a una onda de f.e.m. giratoria y dará como resultado un campo giratorio de igual velocidad

Motor Síncrono: la velocidad del campo magnético del estator es igual a la velocidad de giro del rotor

Pueden ser:

a) Tipo imán permanente para pequeñas potencias y

b) Tipo rotor bobinado para grandes potencias, usado en accionamientos que requieren velocidades constantes

S = 0 (deslizamiento)

Motor Asíncrono

Flujo magnético

Campo Rotatorio

Fuerza

Motor Jaula de Ardilla

En este tipo de motor la velocidad del motor es diferente a la velocidad del campo magnético, lo que se denomina velocidad por perdida por deslizamiento o velocidad de sincronismo.

La velocidad del motor se puede expresas como nmotor = nsinc -

ndesliz (rev/min)

Donde:

ndesliz : velocidad perdida por el deslizamiento

nsinc : Velocidad máxima teórica

El voltaje inducido en el bobinado depende de la velocidad relativa del motor con relación a los campos magnéticos

Motor Universal

Es un motor c.c. con excitación serie que puede ser alimentado con c.a., ya que las alternancias de la corriente se producen al mismo tiempo (en fase) en el inductor y en el inducido

En corriente alterna, por tener mayor par de arranque respecto a los motores de inducción y por su elevada velocidad de rotación, lo que permite reducir su tamaño y su precio.

Se emplea en máquinas herramientas portátiles de todo tipo, como ser electrodomésticos pequeños.

En corriente continua es un motor serie normal

En corriente alterna se comporta como motor de c.c. ya que cada vez que se invierte el sentido de la corriente, lo hace tanto el inductor como en el inducido con lo que el par motor conserva su sentido

ELECCIÓN DE UN MOTOR.

Al elegir un motor se tendrán en cuenta todos las características principales del motor:

Potencia nominalVelocidad.Par.Rendimiento.Tensión nominalDeslizamiento.Factor de potencia.Índice de protección. IP.Temperatura de funcionamiento.Consideraciones:

Los motores que trabajan por debajo de su potencia nominal suponen pérdidas energéticas.

Un motor sobredimensionado puede deberse a la elección del fabricante de la máquina al necesitar un par de arranque importante, pero después funcionan por encima de  su carga nominal.

No reemplazar motores que trabajen por encima del 60 % de su carga nominal.

Factores que dañan los motores

• Los sobrecalentamiento en un motor pueden ser provocados por diferentes causas:

Frecuentes arranques y paradas del motor.

Largos tiempos de sobrecarga

Imposibilidad del motor para refrigerarse.

• Observaciones previas al usar un motor:

La instalación es nueva o existente

Cuál es la condición de la red eléctrica

Cuál es la carga que el motor va a accionar

Cuáles son las condiciones medioambientales

Cuál es el tiempo de recuperación de la inversión

Qué tipo de normas debe cumplir el motor

Cómo va a ser hecho el arranque del motor

Cuales son las características de potencia y la velocidad

requeridas del motor

Considerando los tipos de motores eléctricos estudiados, excluyendo

los motores universales que son para baja potencia, en el sistema

industrial se llegan a la conclusión que el motor que cumple la mayor

características de uso es el

“Motor Jaula de Ardilla (asíncrono)”

Los motivos son los siguientes:

a) Bajo costob) Bajo mantenimientoc) Fácil de adquirird) Alto grado de proteccióne) Pocos componentesf) Robustog) Puede instalarse en ambiente especialh) Muy buena variación de velocidad

Secuencia de fase

Se señaló que las tensiones de fase balanceadas o en equilibrio son de igual magnitud y están desfasadas entre si por 120°

Al estar las tensiones trifásicas desfasadas en 120° entre ellas, existen dos combinaciones posibles.

PARAMETROS IMPORTANTES EN MOTORES

Importancia de la secuencia de fases

1. Para conectar un motor trifásico para que gire en sentido correcto

2. Par arreglar los motores dañados que requieren rebobinado

3. Respectando la secuencia en los enchufes, los equipos funcionaran igual independientes donde se conecten

FRECUENCIA, VELOCIDAD Y NÚMEROS DE POLOS

El numero de ciclos o periodos producidos por un conductor o arrollamiento que gira entre un par de polos es uno.

Si la máquina posee “p” pares de polos se abstendrá por cada vuelta del alternador “p” ciclos o periodos.

Si se designa por “n” el numero de revoluciones de la máquina en cada minuto (r.p.m.), la frecuencia en ciclos por segundo será

Se divide por 60 para que la frecuencia resulte en ciclos por segundos

Para alcanzar una determinada frecuencia, dado el numero de polos de la máquinaes necesario aplicar una velocidad también determinada y debe ser los más constante posible, debido a que en c.a. la frecuencia interviene sobre varios factores

ARRANQUE DE MOTORES

Los sistema de partida de los motores de c.a. , en los arranques debe tener presente:

a) Tiempo de arranqueb) Control de la aceleraciónc) Corriente absorbidad) Caída de tensión permitidae) Limitaciones de calentamiento de los bobinados

Tipo de sistema de arranque

f) Arranque directo (el valor de la corriente es 4 a 8 veces la normial)

g) Arranque con resistencia en serie con el estator (se reduce el voltaje de alimentación)

h) Arranque con reactancia en serie con el estator (opera similar a la resistencia en serie)

i) Arranque con transformadores o autotransformadores (se reduce el voltaje de alimentación)

j) Arranque estrella – triangulo (se reduce el voltaje en 1/√ y en

la fase la corriente en 1/√)

 

INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO

La inversión de un motor de c.a. se logra invirtiendo dos fases de las tres que lo alimentan y ello se realiza por medio de elementos de control denominado contactores, a través de un estudio complejo que se denomina estudio de control de motores

EFICIENCIA O RENDIMIENTO DE UN MOTOR

Toda máquina consume más potencia de la que entrega, por lo que es importante que consideremos el término de eficiencia. La potencia que el motor consume y no convierte en potencia de salida son pérdidas. La eficiencia o rendimiento es una medida de qué tanto desperdicia una máquina.

La eficiencia o rendimiento se calcula según la siguiente relación

Donde

Ps = Es la potencia de salida, en este caso potencia en el eje. En HPPe = Es la potencia de entrada, en este caso potencia eléctrica

FACTOR DE SERVICIO DE UN MOTOR

Es la indicación de sobrecarga continua que un motor puede tolerar sin dañarse

Como ejemplo: Un motor de 4 HP con un factor de servicio de 1,25 significa que puede producir 4 x 1,25 = 5 HP antes de que se sobrecaliente FACTOR DE POTENCIA DE

UN MOTOREs el factor de potencia a la carga nominal, donde es la corriente del motor que esta en fase con el voltaje que le alimenta.

La potencia eléctrica obedece a la siguiente relación

P = √3 * V * I * Cos φ

Donde: P: Potencia en W V: Voltaje o tensión en voltios I: corriente en amperios Cos φ: Factor de potencia

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 mecánica 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

EL TRANSFORMADOR IDEAL:

Un transformador ideal es aquel que tiene las siguientes características:

-Todo el flujo magnético creado por la bobina primaria es transferido a la bobina secundaria, es decir no hay pérdidas de flujo magnético en el núcleo. -Las bobinas primaria y secundaria tienen resistencia cero, por lo tanto no consumen potencia y no hay pérdidas de energía en las bobinas.

- En la siguiente figura se muestra el transformador ideal:

R1 R2X1 X2

V1 V2 ZL

I1 I2EL TRANSFORMADOR REAL

� 1=√ (�1 )2+ ( � 1 )2  � 2=√ (�2 )2+ (� 2 ) 2 

� 1′= � 1∗� 1 �� 2′= � 2∗� 2 

� 1=� 1−� 1′��� ������ 1=�1+� 1′ 

� 2=� 2+� 2′ �� 2= � 2∗�� 

AUTOTRANSFORMADORES

El autotransformador es una máquina eléctrica, con características similares a la de un transformador, el cual podemos ver como es por fuera y conocer su forma de circuito:

Importancia de los autotransformadores  Son utilizados para interconectar circuitos que funcionan a tensiones diferentes por una relación cercana a 2:1 por ejemplo, 400 kv / 230 kv ó 138 kv / 66 kv

En general se utilizan también para conectar aparatos electrodomésticos y cargas menores en cualquiera de las dos alimentaciones más comunes a nivel mundial (110 V a 220 V)

EJERCICIOS

1. Un motor serie de c.c. con ri = 0,2 �, Rex = 0, 3 �, conectado a la red monofásica, absorbe una potencia de 2.2 kW, con rendimiento del 85 % a 1.000 rpm

Determinar:

a) La fuerza contra electromotriz (fem)b) Potencia de Perdida

c) Par útil

2. Un motor de corriente alterna monofásico tiene una potencia de 5 HP, un rendimiento del 70 % y un cos φ de 0,8

Determinar:

a) La corriente que absorbeb) las perdidas

c) Par motor cuando gira a 1200 rpm

3. Calcular el deslizamiento de un motor asíncrono de 8 polos, cuya velocidad de giro es de 715 rpm y que esta conectado a la red de 50 Hz

EJERCICIOS

4. Un transformador monofásico de 100 KVA, 3000 V/220 V, tiene 100 espiras en el devanado secundario, considerando que es ideal, se pide:

a) Corriente primariab) Corriente secundaria

c) Número de espiras en enrollado primario

5. Un motor de inducción trifásico de 50 HP, factor de potencia de 0,8; Rendimiento de 85 % y conectado en estrella:

Determinar

a) La corriente de faseb) La potencia activa, reactiva y aparente