Maquinas rotatorias

7. Mquinas Elctricas Rotativas7.1 Introduccin. Generalidades7.2 Motores de induccin7.3 Otros tipos de motores

7.3.1 Mquina Sncrona7.3.2 Motores de corriente continua7.3.3 Motores monofsicos

7.4 Seleccin de un Motor7.4.1 Grado de proteccin de un motor y formas

constructivas7.4.2 Tipos de servicio

Motor de Induccin o Asncrono

Motor Sncrono Motor de Corriente Continua

MotorMonofsico

Sistema Elctrico

Sistema Mecnico

Mquina

Elctrica

Generador: Pelctrica PmecnicaMotor: Pelctrica Pmecnica

Mquinas elctricas Estticas: Transformadores

Rotativas: Motores

Generadores

Sistema Elctrico - A

(Tensin 1)Transformador

Sistema Elctrico - B

(Tensin 2)

7.1 Introduccin: Generalidades

Una mquina elctrica rotativa es una mquina reversible

Motor Generador

Transformacin

Energa elctrica-Energa elctrica

Transformacin

Energa elctrica-Energa mecnica

Principio de funcionamiento como GENERADOR.Campo magntico externo de valor constante que es visto por una espira (bobina)

como variable al estar sta en movimiento. Se induce, por tanto, una fuerza electromotriz o potencial en los extremos de la bobina

N S

Imanes Permanentes

Escobillas

Fuerza Electromotriz inducida en la espira

por el campo

Fuerza externa que hace girar a la

espira

Espira Campo

Magntico

+


Si se hace circular una intensidad por una bobina inmersa en un campo magntico, sta sufre un par motor que tiende a alinear ambos campos magnticos, el propio

de la bobina y el externo.

@Mans Fernndez

N S

Imanes Permanentes

Corriente que se hace circular por la espira

Espira Campo

Magntico

Escobillas

FUERZA QUE TIENDE A HACER

GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR

Principio de funcionamiento como MOTOR.


Estructura bsica de una mquina elctrica rotativa.

Rotor: Pieza cilndrica montada sobre el eje mvil.

Esttor: Pieza cilndrica hueca que envuelve al rotor y est separada de ste por el entrehierro.

De forma general se puede afirmar que:# Tanto el esttor como el rotor alojan bobinas (circuitos elctricos). # Existen dos circuitos elctricos concatenados por un circuito magntico.

EJE

(Acoplamiento mecnico)


Rotor

Estator

Flujo Magntico

Clasificacin de las mquinas elctricas rotativas. Mquinas sncronas: Alternador

- Intensidad continua inyectada en las bobinas del rotor.

- Corriente alterna en las bobinas del esttor.

Mquinas de induccin: Motor

- Corrientes alternas en las bobinas del esttor y/o del rotor.

- Intensidades en el rotor inducidas por el esttor (Motor).

Mquinas de corriente continua: Ambos

- Alimentadas en continua.

Las mquinas elctricas rotativas de corriente alterna:

Pueden ser monofsicas o trifsicas (sncronas y de induccin)


Distintas mquinas en funcin del mtodo empleado para generar el campo magntico:

mmP = cos3 = LLe IVP

(1) (2) (3) (4)

Potencia elctrica generada (trifsica)

Potencia mecnica aplicada

(W) Vatios EnPegundoradianes/s en giro de Velocidad

metro)x (Newton Nm enmotor Par

m

(1) Prdidas mecnicas (rozamiento y ventilacin)

(2) Prdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores)

(3) Prdidas en el hierro (histresis y corrientes parsitas)

(4) Prdidas en el cobre del esttor (calentamiento de conductores)

Balance Energtico Mquina elctrica GENERADOR.

eee Q jPS +=


(1) Prdidas mecnicas (rozamiento y ventilacin)

(2) Prdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores)

(3) Prdidas en el hierro (histresis y corrientes parsitas)

(4) Prdidas en el cobre del esttor (calentamiento de conductores)

(4) (3) (2) (1)

mmP =

Potencia mecnica realizada

cos3 = LLe IVP

Potencia elctrica consumida (trifsica)

(W) Vatios EnPegundoradianes/s en giro de Velocidad

metro)x (Newton Nm enmotor Par

m

eee Q jPS +=

Balance Energtico Mquina elctrica MOTOR.


7.2 Mquinas de induccin

7.2.1. Aspectos constructivos.7.2.2. Principio de funcionamiento del motor de

induccin trifsico. Fundamentos Tericos Deslizamiento

7.2.3. Circuito equivalente.7.2.4. Balance de potencias en el motor. 7.2.5. Caracterstica par deslizamiento.

7.2.0 Introduccin.

TIPOS DE MQUINAS ELCTRICAS

MQUINAS ELCTRICASDE CORRIENTE

ALTERNA

GIRATORIAS

ASNCRONAASNCRONA SNCRONA

ALTERNADORMOTOR

MOTORGENERADOR

ESTTICAS

MQUINAS ELCTRICASDE CORRIENTE CONTINUA

GENERADORMOTOR

TRANSFORMADOR

7.2.1 Aspectos constructivos. Seccin.

Corte axial

Corte en 3D

7.2.1 Aspectos constructivos. Rotor de jaula.

Paquetemagnticoestatrico

Cabezas de bobina

Ranuras delesttor Ranuras del

rtor

Eje Anillo de cortocircuito

Paquetemagntico

rotrico

Su simplicidad y gran robustez son las ventajas ms destacadas.

Anillos rozantes

Anillos rozantes

L. Serrano: Fundamentos de L. Serrano: Fundamentos de mmquinas elquinas elctricas rotativasctricas rotativas

L. Serrano: Fundamentos de L. Serrano: Fundamentos de mmquinas elquinas elctricas rotativasctricas rotativas

Escobillas

El circuito rotrico se cortocircuita exteriormente a travs de unas escobillas (grafito) que frotan sobre los anillos rozantes. El inconveniente es su elevado mantenimiento.

7.2.1 Aspectos constructivos. Rotor bobinado.

Anillos rozantes y escobillas

{

CircuitoElctrico

Arrollamientotrifsico

Bobinas preformadas odevanado preformado

Bobinas de hilo esmaltadoo devanado aleatorio

EsttorCircuitoelctrico

estatrico

RotorCircuitoelctricorotrico

Arrollamiento(polifsico)

en cortocircuito

Jaula de ardilla

Bobinado oAnillos rozantes

Bobinas de cobreAnillos rozantes

Aluminio fundidoBarras soldadas

CircuitoMagntico

Paquetes MagnticosChapa magntica de acero al silicioapiladas y elctricamente aisladas

unas de otras

Entrehierro

EsttorPaquete magntico

Cilndrico hueco

Ranurasen la superficie

interna

RotorPaquete magntico

cilndrico


externa

Estructuramecnica

Esttor: Parte fijaRotor: Parte giratoria

Cilindro que puede girar sobre su eje (rotor)en el interior de otro cilindro hueco fijo (esttor)

7.2.1 Aspectos constructivos. Desglose.

Caja de terminales- bornes ( bobinas del esttor )

7.2.1 Aspectos constructivos: Caja de bornes (esttor).

V1 W1

W2 U2 V2

U1

U2

V1

V2

W1

W2

U1

U2

V1

V2

W1

W2

Pletina decobre

Devanados del motor

U1 V1 W1

W2 U2 V2

Caja de conexiones

Conexin en estrella

Conexin en tringulo

U1

Bobinas del motor (esttor){

7.2.1 Aspectos Constructivos: Placa de caractersticas

Motor Conexin Trifsica

Velocidad Nominal

Potencia Nominal

Tensin Nominal Intensidad

Nominal

Factor de Potencia

Frecuencia Nominal

7.2.2 Principio de funcionamiento. Introduccin.

Energa

elctrica

Energa

elctrica

EL TRANSFORMADOR.

Convertidor

electro-mecnico

Motor

Generador

LA MQUINA DE INDUCCIN.

ParVelocidad

Energa

elctrica

C

AB

Si se aplica un sistema trifsico de intensidades en 3 bobinas desfasadas entre s 120:

)120cos(2)(

)120cos(2)(

)cos(2)(

)120cos(2)(

)120cos(2)(

)cos(2)(

'

'

'

'

'

'

+==

=

+==

=

tBtB

tBtB

tBtB

tIti

tIti

tIti

cc

bb

aa

cc

bb

aa

Generacin de campos magnticos giratorios. Teorema de Ferraris

Se inducen flujos magnticos en cada bobina, perpendiculares al plano de la bobina respectiva y variables en el tiempo al igual

que la intensidad que los producen.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos tericos.

El campo magntico resultante es constante en el tiempo y gira en el espacio a velocidad .

Cambiando las intensidades de dos devanados entre scambia el sentido de giro

El esttor de un motor de induccin est formado por tres devanados desplazados en el espacio 120.

En la figura se representa slo una espira de cada uno de los devanados

( aa, bb, cc )


b

a

a

b

c

c

EstatorEstator

Origen dengulos

RotorRotor

Los tres devanados estn alimentados mediante un sistema trifsico

equilibrado de tensiones. Por tanto, las corrientes que circulan por las espiras son sinusoidales y estn desfasadas

120 entre si)120cos(2)(

)120cos(2)(

)cos(2)(

'

'

'

+==

=

tIti

tIti

tIti

cc

bb

aa

Aparece un campo magntico giratorio. Teorema de Ferraris. 7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos tericos.

)s/rad(T

p2

1

=1 = Velocidad de giro del campo esttorico.

(2/p) = Distancia entre dos polos esttoricos consecutivos del mismo nombre y de la misma fase.T = Tiempo que se tarda en recorrer la distancia idem anterior. Viene impuesto por la frecuencia de la red de alimentacin.

p = Pares de polos.

El devanado rotorico est inmerso en un campo magntico giratorio.

Aparece un par motor en el rotor.

- El campo magntico giratorio ( B ) induce fems en el devanado del rotor.

- stas a su vez provocan la circulacin de corrientes ( i ) en el devanado del rotor.

F = Fuerza que se produce en los conductores del rotor. Su sentido es el de seguir al campo magntico giratorio del esttor.

)BxL(iF =

i = Corriente que circula por los conductores del rotor.B = Campo magntico giratorio creado por las bobinas del esttor.


L

i

Magnitud direccin y sentido de la fuerza que se produce en los conductores del rotor.

Estator Inductor Rotor Inducido

Si, por ejemplo, aumentamos el nmero de polos magnticos en el rotor, se puede conseguir que las bobinas del esttor vean un fujo giratorio de velocidad superior a la de giro del rotor.

meP =2

Si P es el nmero de polos:

Frecuencia elctrica

Velocidad de giro

Para conseguir 50 Hz se requiere una velocidad de giro de: 3000 rpm si tiene dos polos (un par de polos) 1500 rpm si tiene cuatro polos (dos pares de polos) 1000 rpm si tiene seis polos 750 rpm si tiene ocho polos 600 rpm si tiene diez polos

Relacin entre frecuencia elctrica y velocidad de giro.


Igual nmero de polos en rotor y estator

Motor de induccin

Estator

Rtor

Devanado trifsico simtrico (a 120)alimentado con sistema trifsico

equilibrado de tensiones (desfase de 120)

Espiras en cortocircuito

Sistematrifsico

equilibrado

Devanado trifsicosimtrico (a 120)

Campo giratorio 1 = 2f/p

Ley de FaradayInteraccin v-B

FEM inducida por elcampo giratorio en los conductores del rotor

Espiras en cortocircuitosometidas a tensin.

Circulacin de corrientepor las espiras del rotor

Ley de Bioty Savart

Interaccin i-BFuerza sobre lasespiras del rotor

Par sobreel rotor

El rotorgira

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulacin.

El rotor del motor de induccin, siempre que funciona accionando una carga, gira a velocidad r inferior (pero prxima) a la de

sincronismo (1). Debido a que el rotor gira a una velocidad inferior (diferente) a la de sincronismo, su velocidad se denomina asncrona y al motor se le

nombra como asncrono.

Cuando funciona en vaco, el nico par motor que debe desarrollar es el necesario para compensar las prdidas (muy pequeo), por lo

que gira a una velocidad muy prxima a la de sincronismo.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento.La velocidad 1 a la que gira el campo magntico creado por el

esttor se denomina velocidad de sincronismo. Su valor constituye ellmite al que pude girar el rotor cuando la mquina funciona como motor, ya que, en caso contrario, al no existir movimiento relativo entre los conductores del rotor y el campo, no se inducira F.E.M.

(interaccin v-B) en el devanado rotrico y, por tanto, tampoco habra par motor (interaccin i-B).

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento.

Supuesto el rotor girando a una velocidad estable r en el mismo sentido de giro ( 1) del campo creado por el esttor.

El rotor, respecto al esttor, se mueve a una velocidad de deslizamiento.

Velocidad de deslizamiento: des = 1 - r

Esa diferencia se denomina DESLIZAMIENTO ( s s%) cuando se expresa como una fraccin de la velocidad sincrnica ( 1 ):

s1

r1

= 100 %s1

r1

=

Velocidad sncrona (rad/s)

Velocidad del rotor (rad/s)

( p u )

{ {( ) s y s1 1des1r ==

( rad/s )

Velocidad relativa.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento. Intervalo de valores del deslizamiento ( rgimen motor ).

n

nns1

r1 = 100 n

nn%s1

r1 =

Deslizamiento :

Los motores de induccin siempre funcionan con valores de deslizamiento muy bajos: s % < 5 %

Los motores de induccin siempre funcionan con valores de deslizamiento muy bajos: s % < 5 %

100 %s1

r1

= s1

r1

= ( p u )

Rotor parado :

( p u )

nr = 0 s = 1 s% = 100%

Rotor en vaco :

nr n1 s 0 s% 0%Rotor en carga :

0 < nr < n1 1 > s > 0

El circuito equivalente de una mquina de induccin es parecido al del transformador, con la diferencia de que el devanado estatrico

es el primario y el rotorico es el secundario.

El circuito equivalente de una mquina de induccin es parecido al del transformador, con la diferencia de que el devanado estatrico

es el primario y el rotorico es el secundario.

Adems, el devanado secundario (rotorico) est cortocircuitado.Adems, el devanado secundario (rotorico) est cortocircuitado.

En la mquina real el valor de la resistencia del rotor NO depende de la velocidad de deslizamiento.

En la mquina real el valor de la resistencia del rotor NO depende de la velocidad de deslizamiento.

7.2.3 Circuito equivalente.

Analticamente se deduce un CIRCUITO EQUIVALENTE con parmetros A ROTOR PARADO, en el que la RESISTENCIA que

representa la del ROTOR es funcin del DESLIZAMIENTO.

Analticamente se deduce un CIRCUITO EQUIVALENTE con parmetros A ROTOR PARADO, en el que la RESISTENCIA que

representa la del ROTOR es funcin del DESLIZAMIENTO.

Los valores necesarios para obtener analticamente los parmetros del circuito equivalente se obtienen de dos ensayos de laboratorio:

Ensayo de vaco y ensayo de rotor bloqueado.

Los valores necesarios para obtener analticamente los parmetros del circuito equivalente se obtienen de dos ensayos de laboratorio:

Ensayo de vaco y ensayo de rotor bloqueado.

Tensinde fase

(Estator)

Resistencia cobre rotor

Reactancia dispersinrotor

Resistencia potenciamecnicaentregada

Resistencia cobre estator

Reactancia dispersin

estator

Reactanciamagnetizante

Resistenciaprdidas hierro

Corrientede vaco

Xs Rs

U1

I1

XR IR

X Rfe

IfeI

I0RR

S

S'RR1

7.2.3 Circuito equivalente referido a rotor paradoEl circuito equivalente se plantea por fase y con conexin en estrella.

Los elementos del circuito con una estn referidos al estator:rt = Ne / Nr

Prdidas estator

Prdidas rotorPotencia

elctrica de entrada

P1

Pcu1 pfe1 Pfe2=0 Pcu2

Pa

Potencia de entre hierro

Pmi

Pm

Potencia til

Pu

7.2.4 Balance de potencias

Potencia mecnica

interna

Prdidas mecnicas

Pm Prdidas mecnicas (rozamiento y ventilacin)

Pcu2 Prdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores)

PFe Prdidas en el hierro (histresis y corrientes parsitas)

Pcu1 Prdidas en el cobre del esttor (calentamiento de conductores)

Potencia mecnica realizada

Potencia elctrica consumida (trifsica)

Balance Energtico Mquina elctrica MOTOR.

P1

Pcu1 PFe Pcu2 Pm

Pu


Pc Pa Pmi

Par til: el par que es capaz de desarrollar el motor en el eje

Pu = Pmi Prdidas mecnicasPu = Pmi Prdidas mecnicas

Se denomina PAR INTERNO al par total desarrollado internamente por la mquina asncrona.

PmiMi r

=

PuMu r

=

El rendimiento de un motor informa del aprovechamiento de la potencia elctrica absorbida por el motor para producir potencia mecnica

Pu

P1=


1 Deslizamiento S

Par

Par deArranque

Par mximo

Par Nominal

0

Velocidad desincronismo

Motor GeneradorFreno

s > 1s > 1s > 1 0 < s < 10 < s < 10 < s < 1 s < 0s < 0s < 0

221 = ,TT

nom

arr 221 = ,TT

nom

arr

7281 ,,TT

nom

max = 7281 ,,TT

nom

max =

7.2.5 Caracterstica Par-Deslizamiento

Punto de funcionamiento

Curva caracterstica de

la carga

La CARACTERSTICA MECNICA de los motores de induccin es prcticamente LINEAL entre vaco y plena carga.

La CARACTERSTICA MECNICA de los motores de induccin es prcticamente LINEAL entre vaco y plena carga.

El PAR MXIMO suele ser de 2 a 3 veces el nominal.El PAR MXIMO suele ser de 2 a 3 veces el nominal.

El PAR DE ARRANQUE tiene que ser SUPERIOR al NOMINAL para permitir que el motor se ponga en marcha y acelerar la carga .

El PAR DE ARRANQUE tiene que ser SUPERIOR al NOMINAL para permitir que el motor se ponga en marcha y acelerar la carga .

Para un determinado deslizamiento el PAR vara con el CUADRADO de la TENSIN.

Para un determinado deslizamiento el PAR vara con el CUADRADO de la TENSIN.

7.2.5 Caracterstica Par-Deslizamiento

7.3 Otros tipos de Motores

7.3.1 Motor Sncrono Introduccin Principio de funcionamiento Caractersticas constructivas Circuito equivalente Funcionamiento en vaco Funcionamiento en carga

7.3.1.1 Introduccin.



ALTERNA

GIRATORIAS

SNCRONASNCRONAASNCRONA

ALTERNADORMOTOR

MOTORGENERADOR

ESTTICAS


GENERADORMOTOR

TRANSFORMADOR

La ms utilizada en la generacin de energa elctrica. Es necesario mantener la velocidad rotrica constante. La

frecuencia es proporcional a la velocidad de giro. Potencias mximas del orden de 2000 MVA.

EL ALTERNADOR.

Energa Mecnicaen el eje

Energa Elctrica

Sistema III AC

Energa ElctricaDC MQUINA

SNCRONA (ALTERNADOR)


)2

cos(sen)(

coscos)(

==

===

ttt

te

tABt

MAXMAX

MAX

fN

fNfN

NEE

MAX

MAXMAX

MAXMAXRMS

y, a alProporcion

22

222

==

===

Se hace girar un campo magntico constante (imn o bobina alimentada en continua en el rotor) en el interior de una bobina fija alojada en el esttor

Fuerza electromotriz inducida en los extremos de la bobina:

La frecuencia de la tensin inducida es la de giro de la bobina

Principio de funcionamiento del GENERADOR sncrono.

7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos tericos.

)120cos(2)(

)120cos(2)(

)cos(2)(

+==

=

tEte

tEte

tEte

RMSc

RMSb

RMSa

Se consigue un sistema trifsico de tensiones disponiendo tres bobinas en el esttordesfasadas 120 entre s. Las tensiones inducidas estarn desfasadas de forma

simtrica.

El flujo magntico constante se consigue mediante una bobina solidaria al rotor en la que se

inyecta corriente continua

Principio de funcionamiento del GENERADOR sncrono.

7.3.1.2 Principio de Funcionamiento.

Rotor InductorEstator Inducido

GeneradorEstator

Rtor

Devanado trifsico simtrico (a 120)

Devanado rotrico alimentado con corriente continua

Rotor alimentado con cc genera campo B cte

Rotor girando a N rpmmediante mquina motriz

Interaccin v-BFEM inducida por el

campo giratorio en el estator

Campo B girando misma velocidad

del rotor

Tensin trifsica a f=pN/60

7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulacin.

Ley de Faraday

Motor

Estator

RtorDevanado rotrico alimentado con

corriente continua

Rotor alimentado con cc genera campo B cte

Se lleva el rotor al sincronismo mediantemquina motriz externa

Campo B del estatorarrastra a campo B

del rotor

Campos B de estatory rotor girando

misma velocidad

El rotor gira

7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulacin.

Devanado trifsico simtrico (a 120)alimentado con sistema trifsico

equilibrado de tensiones (desfase de 120)

Motor sncrono tiene par de arranque nulo

Estator alimentado con tensin trifsica

Estator genera campoB giratorio

Enganche magntico

p=1 3000 rpmp=2 1500 rpmp=3 1000 rpmp=4 750 rpm

n = Velocidad rotrica (rpm). f = Frecuencia de la onda de tensin. p = Nmero de pares de polos.p

fn = 60

Velocidad de giro del rotor (circuito inductor).

P = 1 P = 2 P = 3

Ejemplo: Obtencin de tensin a 50Hz en funcin del N de polos.

7.3.1.2 Principio de Funcionamiento.

La mquina sncrona utiliza un ESTTOR constituido por un devanado trifsico simtrico

(distribuido a 120) idntico a la mquina asncrona de induccin

El ROTOR est formado por un devanado alimentado desde el exterior a travs

de escobillas y anillos rozantes con corriente continua

El rotor puede ser liso o de polos salientes

Industrialmente es el generador utilizado en la mayora de las centrales elctricas: turboalternadores y grandes alternadores hidrulicos.

Como motor se usa principalmente cuando la potencia demandada esmuy elevada >1 MW

7.3.1.3 Caractersticas constructivas.

Velocidades de giro bajasVelocidades de giro bajas

rotor polos salientes

Velocidades de giro elevadas.Turboalternadores

Velocidades de giro elevadas.Turboalternadores

Estructura de la mquina sncrona. Esttor y rotor.

NNN

S

S

Sentido de lascorrientes por

el rotor

N

S

Lneas de campoesttor

rotor polos lisos

7.3.1.3 Caractersticas constructivas.

El Flujo magntico (excitacin) es creado por un electroimn situado en la parte giratoria de la mquina (rotor).

Rotor de polos salientes: bobina del electroimn rodeando a las expansiones polares del rotor.

Rotor de polos lisos: bobina del electroimn situada en ranuras practicadas longitudinalmente en el rotor.

P = 1 P = 2 P = 1 P = 2

Rotor7.3.1.3 Caractersticas constructivas.

7.3.1.4 Circuito equivalente.

La F.E.M. (E) es proporcional a la corriente de excitacin (Ie) del rotor. En funcionamiento como generador representa a la tensin que se

induce en el estator.

La F.E.M. (E) es proporcional a la corriente de excitacin (Ie) del rotor. En funcionamiento como generador representa a la tensin que se

induce en el estator.

Xs = Reactancia sncrona = reactancia dispersin estator + reaccin de inducidoXs = Reactancia sncrona = reactancia dispersin estator + reaccin de inducido

j Xs RsA

B

E

I

+V = ( U / 3 )

Inducido-estator

Rs = Resistencia de los conductores de las bobinas del esttorRs = Resistencia de los conductores de las bobinas del esttor

Inductor-rotor

Ie

Ve+

Impedancia sncrona.

C

i

r

c

u

i

t

o

e

q

u

i

v

a

l

e

n

t

e

p

o

r

f

a

s

e

C

i

r

c

u

i

t

o

e

q

u

i

v

a

l

e

n

t

e

p

o

r

f

a

s

e

7.3.1.5 Funcionamiento en vaco.

Velocidad de giro

Flujo

Cuando el generador trabaja en vaco no hay cada de tensin: La tensin de salida (V) coincide con la FEM (E).

Cuando el generador trabaja en vaco no hay cada de tensin: La tensin de salida (V) coincide con la FEM (E).

nKE =

= f(Ie)

Caracterstica de vaco o de magnetizacin.

V

Ie A

T

e

n

s

i

n

e

n

v

a

c

o

V

Intensidad de excitacin

7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Reaccin de inducido.

Cuando el alternador trabaja en vaco el nico flujo existente es el producido por la corriente continua de excitacin del rotor.

El flujo total de la mquina se ver disminuido o aumentado dependiendo que la carga sea

inductiva o capacitiva.

Cuando suministra corriente a una carga, dicha corriente produce un campo magntico giratorio al circular por los devanados del esttor.

Este campo produce un par opuesto al de giro de la mquina, que es necesario contrarrestar mediante la aportacin exterior de potencia mecnica.

A este efecto creado por el campo del esttor se le

conoce con el nombre de reaccin de inducido.

UU

U

I

I

I

RI

RI

RI

jXs

jXs

jXs

E

E

E

Carga resistiva

Carga Inductiva

Carga capacitiva

U

U

U

I

I

I

RI

RI

RI

jXs

jXs

jXs

E

E

E

Carga resistiva

Carga Inductiva

Carga capacitiva

Para una misma tensin de salida el generador puede ceder o absorber potencia reactiva dependiendo de que la carga sea

inductiva o capacitiva

Para conseguirlo basta modificar el valor de la E (modificando el campo de excitacin)

Carga

j Xs Rs

E

I

+V

Inducido-estator

0V)X jR( IE ss =+I U 3I V 3S ==

7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Reaccin de inducido.

7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Rgimen aislado.

El generador alimenta a una carga de forma independiente

Funcionamiento aislado

La tensin de alimentacin puede variar

El factor de potencia de la carga es fijo

Aumento en la excitacin

Aumento en la tensin de

salida

Aumento en potencia mecnica

Aumento en la velocidad de

giroAumento en la

frecuencia

7.3.1.6 Funcionamiento en cargaFuncionamiento en una red de potencia infinita

El generador est conectado a otra red en la que actan otros generadores: su

potencia es muy pequea respecto de la total de la red

CONEXIN A RED DE POTENCIA

INFINITA

La tensin de alimentacin

EST FIJADA POR LA RED

La frecuencia EST FIJADA POR LA RED

Aumento en la excitacin

Aumento en la POTENCIA REACTIVA

ENTREGADA

Aumento en potencia mecnica

Aumento de la POTENCIA

ACTIVA ENTREGADA

7.3.2 Mquina de Corriente Continua Aspectos constructivos Principio de funcionamiento F.E.M. inducida Par electromagntico Sistemas de excitacin Reaccin de inducido Conmutacin Funcionamiento generador Funcionamiento motor

7.3 Otros tipos de Motores




ALTERNA

GIRATORIAS

ASNCRONA

ALTERNADORMOTOR

MOTORGENERADOR

ESTTICAS



GENERADORMOTOR

TRANSFORMADOR

SNCRONA

7.3.2.1 Aspectos Constructivos

CircuitoMagntico

Esttor: macizo o de chapamagntica (total-parcialmente)

Rtor: chapa magntica de acero alsilicio apiladas y elctricamente

aisladas unas de otras

Entrehierro

Paq. Mag. EsttorCilndrico hueco

con piezas radiales

RtorPaquete magntico

cilndrico

Polos(inductores)

salientes


externa

Estructuramecnica

Esttor: Parte fijaRtor: Parte giratoria

Cilindro que puede girar sobre su eje (rtor)en el interior de otro cilindro hueco fijo (esttor)

CircuitoElctrico

EsttorInductorCreacin

del campo B

RtorInducido

Asiento de lasFF.E.MM. inducidas

Espiras de hilo o pletina de cobre

arrolladas sobre lospolos inductores

Espiras de hilo o pletina de cobre

conectadas entre siy a las delgas

Alimentacin concorriente continua

Colector de delgas y escobillasRectificador mecnico

que convierte las FF.E.MM.alternas inducidas en las

espiras en C.C. en las escobillas

1. Yugo o culata2. Ncleo del polo inductor3. Expansin polar4. Ncleo del polo auxiliar o de

conmutacin5. Extremo del polo auxiliar o

de conmutacin6. Paquete magntico del rtor7. Arrollamiento del inducido8. Arrollamiento inductor o de

excitacin9. Devanado de conmutacin10.Colector de delgas11. - 12. Escobillas

11

22 33

44

66

7755

88

991010

1111

1212

M. F. M. F. CabanasCabanas: : TTcnicas para el cnicas para el

mantenimiento y mantenimiento y diagndiagnstico de stico de

mmquinas elquinas elctricas ctricas rotativasrotativas


FotografFotografa realizada en los talleres de ABB a realizada en los talleres de ABB ServiceService GijGijnn

Motor de C.C. de 6 MW fabricado por ABB

Motor de C.C. paraaplicaciones

de robtica

Pequeos motores de C.C.de imn permanente


7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Motor

@Mans Fernndez

N S

Imanes Permanentes

Corriente que se hace circular por la espira

Espira Campo

Magntico

Escobillas

FUERZA QUE TIENDE A HACER

GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR

Si se hace circular una intensidad por una bobina inmersa en un campo magntico, sta sufre un par motor que tiende a alinear ambos campos

magnticos, el propio de la bobina y el externo.

7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador

N NS S

Escobillas Anillosrozantes

OsciloscopioInstrumento de medida

La F.E.M. que se induce en la espira es alternativa (variable con el tiempo).La FEM que se obtiene a la salida de la mquina (escobillas) es la misma que se induce en la espira (alternativa y variable en el tiempo), debido a la conexin

entre los extremos de la espira y las escobillas, a travs de los anillos.

M. F. M. F. CabanasCabanas: : TTcnicas para el cnicas para el

mantenimiento y mantenimiento y diagndiagnstico de stico de

mmquinas elquinas elctricas ctricas rotativasrotativas

Fuerza externa quehace girar la espira

Imanes o electroimanes alimentados con C.C.para la creacin del campo magntico

Con la mquina girando a una cierta velocidad V, la F.E.M. que se induce en la espira es alterna: cambia de signo cada vez que se pasa por debajo de cada polo.

El colector es un dispositivo que rectifica la F.E.M. para obtener una tensin continua (unidireccional) y positiva (sin cambios de polaridad)

0 2

2BlV

-2BlV

E N S

Polos inductoresde la mquina

0 2

2BlV

E N S

0 2

2BlV

E N S

Colector elemental (2 delgas)0 2

2BlV

E N S

0 2

2BlV

E N S

Colector real (muchas delgas)

VlBE = 27.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador

0+- + +- +

12

1

2

21

Sentido de rotacinde la espira

Colector de dosdelgas

Instante Inicial Conmutacin Inversin de la polaridad

M. F. M. F. CabanasCabanas: : TTcnicas cnicas

para el para el mantenimimantenimi

ento y ento y diagndiagnstico stico

de de mmquinas quinas elelctricas ctricas rotativasrotativas

Escobillas

Colector

Colector real

M. F. M. F. CabanasCabanas: :

TTcnicas para cnicas para el el

mantenimientmantenimiento y o y

diagndiagnstico stico de mde mquinas quinas

elelctricas ctricas rotativasrotativas

7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador

El campo magntico de la mquina de CC puede obtenerse de dos formas, mediante:

Imanes permanentes Electroimanes, bobinas alimentadas con CC (caso habitual):

Segn la fuente de alimentacin de las bobinas se tienen dos tipos de excitacin:

Excitacin independiente (o separada): la corriente que alimenta al devanado inductor procede de una fuente, independiente, externa.

Autoexcitacin: la corriente de excitacin procede de la propia mquina. Segn la forma de obtener esta corriente existen tres tipos diferentes de MM. de C.C.:

Excitacin serie: devanado inductor en serie con el inducido

Excitacin derivacin: devanado inductor conectado directamente a las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido.

Excitacin compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra en derivacin.

7.3.2.3 Sistemas de excitacin

Ri

LexUex E Ui

InducidoInductor

Resistencia del inducido

Tensin excitacin

FEM Inducida

Rex

Resistencia del inductor

Motor de excitacin independiente

Ri

LexUexE Ui

Inducido Inductor


Rex

Motor de excitacinderivacin

Ri LexRex

E Ui

Inducido

InductorResistencia del

inducido

Motor de excitacin

serie


Ri Lex1

E Ui

Inducido

Inductor 1Resistenciadel inducido

Inductor 2

Rex1Rex2

Lex2

Motor de excitacin compuesta larga

Ri

E Ui

Inducido

Inductor 1

Resistencia delinducido Inductor 2

Lex2Rex2Rex1

Lex1 Motor de excitacin compuesta corta


7.3.2.4 Reaccin de inducido

2BlV

-2BlV

E N SFEM con reaccinde inducido

0 2

Al circular corriente por el inducido se va a crear

un campo que distorsiona el campo creado por los polos

inductores de la mquina

Esta distorsin del campo recibe el nombre de reaccin de inducido

Efectos producidos por la reaccin de

inducido

Desplazamiento de la plano o lnea neutra (plano en el que se anula el campo

Disminucin del valor global del campo de la mquina

Desplazamiento de la lnea neutra

7.3.2.5 Conmutacin

MulukutlaMulukutla S. S. SarmaSarma: : ElectricElectricmachinesmachines

Reduccin de par y aumento de velocidad

Desplazamiento de la plano o lnea neutra

POLOS DE CONMUTACIN

Los polos auxiliares de conmutacin compensan localmente la reaccin de inducido y mejoran la conmutacin

Disminucin del valor global del

campo de la mquina

Problemas durante la conmutacin

7.3.2.6 Funcionamiento generador

Generador de excitacin independiente

Ri

LexUex E Ui

InducidoInductor

FEMInducida

IexRexSe hace girar el inducido y se alimenta

el inductor. La tensin de excitacin controla la FEM (E) y, por tanto, la

tensin de salida Ui

La tensin de salida crece proporcionalmente con la velocidad de

giro n

La relacin entre la corriente de excitacin y la FEM inducida no es lineal: existe saturacin

= nKE = nKE

IKTTOTAL = IKTTOTAL =I = Corriente de inducido

iii IREU = iii IREU =

7.3.2.7 Funcionamiento motor

Ri

LexUex E Ui

InducidoInductor


Tensin excitacin

FEM Inducida

Rex

Resistencia del inductor

Motor de exc. independiente

ii R

'KKT

KUn = 2 i

i R'KK

TKUn = 2Ecuacin del motor

derivacin e independiente

iii IREU = iii IREU =

Se alimentan el inducido y el inductor con cc. La circulacin de intensidad por el inducido (rotor) dentro de un campo

magntico constante provoca un par de fuerzas que hace girar al rotor.

La velocidad alcanzada depender de las tensiones de excitacin e inducido, los parmetros de la mquina y del par

accionado.

Caracterstica dura

nnn

TTT

Pendiente 2 8%Pendiente 2 8%

Aumento de RiAumento de RiCurva par-velocidad de los

motores de excitacin independiente y derivacin

7.5 Motores monofsicos

Introduccin Principio de funcionamiento:

Motor de fase partida Motor de espira de sombra

Los motores monofsicos de induccin se utilizan, principalmente, en los electrodomsticos y mquinas herramienta.

Los motores monofsicos de induccin se utilizan, principalmente, en los electrodomsticos y mquinas herramienta.

Su diseo es muy parecido al de los trifasicos. Su diseo es muy parecido al de los trifasicos.

El rtor es en jaula de ardilla.

El rtor es en jaula de ardilla.

El devanado principal

El devanado principal

El devanado estatrico estformado por dos conjuntos

de bobinas

El devanado estatrico estformado por dos conjuntos

de bobinas

El auxiliar, despalzado90, y alojado en las ranuras del paquete

magntico estatrico.

El auxiliar, despalzado90, y alojado en las ranuras del paquete

magntico estatrico.

7.5.1 Introduccin

Devanadoauxiliar

Devanadoprincipal

Motor Monofsico

Estator

Rtor

Devanado principalalimentado con tensin monofsica

Espiras en cortocircuito

Tensin alterna monofsica

Campo variable de direccin fija

Corrientes y FEM inducida en el rotor

Ley de Bioty Savart

Interaccin i-BFuerza sobre las

espiras del rotor que se cancelan

El rotorNO gira

7.5.2 Principio de funcionamiento

Ley de Faraday

Necesita impulso exterior para

empezar a girar cerca del

sincronismo

7.5.2 Principio de funcionamientoPar de arranque

Rotacin

Devanadoauxiliar

Devanadoprincipal

FuenteC.A.

Para producir par en el arranque es necesario crear un campo magntico rotativo. Esto puede lograrse mediante el devanado auxiliar.

Para producir par en el arranque es necesario crear un campo magntico rotativo. Esto puede lograrse mediante el devanado auxiliar.

Al alimentar ambos devanados, desplazados y desfasados 90, se

generan flujos ortogonales.

Al alimentar ambos devanados, desplazados y desfasados 90, se

generan flujos ortogonales.

Campo magntico rotativoCampo magntico rotativo

Devanado auxiliar se desconecta al alcanzar el 75% de la velocidad de sincronismo mediante interruptor

centrfugo

Devanado auxiliar se desconecta al alcanzar el 75% de la velocidad de sincronismo mediante interruptor

centrfugo

Par de arranquePar de arranque

7.5.2 Principio de funcionamientoMotor de fase partida

Interruptor centrfugo

Devanado auxiliarHilo fino

Devanado principalHilo grueso

Interruptor centrfugo

Devanado auxiliarHilo fino

Devanado principalHilo grueso

Condensador

Devanado principal con muchas espiras gruesas.Devanado principal con

muchas espiras gruesas. Muy inductivaMuy inductiva

Mejora: Condensador en serie con el circuito auxiliar. Acerca el desfase entre las intensidades a la condicin ideal de cuadratura: mximo valor de par de arranque.

Mejora: Condensador en serie con el circuito auxiliar. Acerca el desfase entre las intensidades a la condicin ideal de cuadratura: mximo valor de par de arranque.

Desfase relativo entre ambas intensidades

Desfase relativo entre ambas intensidadesDevanado auxiliar con

pocas espiras delgadas.Devanado auxiliar con

pocas espiras delgadas. Poco inductivaPoco inductiva

Campo giratorioy por tanto

Par de arranque

Campo giratorioy por tanto

Par de arranque

7.5.2 Principio de funcionamientoMotor de espira de sombra

FuenteC.A.

Anillo de cobreDevanado auxiliar

Devanado principal

Rotacin

Los motores monofsicos de espira de sombra son muy utilizados en aparatos de

pequea potencia debido a su simple ejecucin.

Los motores monofsicos de espira de sombra son muy utilizados en aparatos de

pequea potencia debido a su simple ejecucin.

El devanado auxiliar consiste en una nica espira de cobre que rodea una porcin de

cada polo.

El devanado auxiliar consiste en una nica espira de cobre que rodea una porcin de

cada polo.

El flujo principal induce otro campo pulsante en las espiras auxiliares. La accin

combinada de ambos da lugar a un dbil campo giratorio que arranca el motor.

El flujo principal induce otro campo pulsante en las espiras auxiliares. La accin

combinada de ambos da lugar a un dbil campo giratorio que arranca el motor.

7.4 Seleccin de un motor. 7.4.1 Grado de proteccin.7.4.2 Formas constructivas.7.4.3 Tipos de servicio.7.4.4 Seleccin de un motor de Induccin.

El grado de proteccin de la carcasa de un motor frente a la penetracin de slidos y agua se indica mediante la designacin IP seguida de dos dgitos

IP xy IP (International Protection) x (0-6) Proteccin contra contacto

y penetracin de slidos y (0-8) Proteccin contra

penetracin de agua

7.4.1 Grado de Proteccin de un Motor. UNE-20324.

7.4.1 Grado de Proteccin de un Motor. UNE-20324.

1 Cifra

2 Cifra

Las formas constructivas hacen referencia a la disposicin del eje del motor a la superficie de anclaje y se indica mediante la designacin IM seguida de una letra y un nmero

IM xy IM (International Mounting) x (B,V) Eje horizontal o vertical y (nmero de uno o dos dgitos)

7.4.2 Formas Constructivas. IEC 60034-7.

IM B 3

Disposicin y montaje del motor.

7.4.2 Formas Constructivas. IEC 60034-7.

Disposicin y montaje del motor.

7.4.3 Tipos de servicioS1: Servicio continuoServicio con carga constante cuya duracin es suficiente para estabilizar la temperatura de la mquina.Denominacin:Indicacin de la potencia.

S2: Servicio de breve duracinServicio con carga constante pero cuya duracin no es suficiente para estabilizar la temperatura, seguido de una pausa lo suficientemente prolongada para que la temperatura del motor no difiera en ms de 2 K de la del medio refrigerante.Denominacin:Mediante la duracin del servicio y la potencia; por ejemplo, S2: 20 min., 15 kW.

S3: Servicio intermitente sin influencia del proceso de arranqueServicio que se compone de una sucesin de maniobras iguales, formadas por un perodo de carga constante seguido de una pausa, sin que la intensidad de arranque influya apreciablementeen el calentamiento.Denominacin:Mediante el tiempo de conexin, duracin de la maniobra y potencia. Por ejemplo, S3: 15 min/60 min, 20 kW; o por duracin relativa del perodo de conexin tr en tanto por ciento y duracin de la maniobra. Por ejemplo, S3: 25 %, 60 min., 20 kW. La indicacin de la duracin de la maniobra puede suprimirse cuando es de 10 minutos.S4: Servicio intermitente con influencia del proceso de arranqueServicio que se compone de una sucesin de maniobras iguales, que comprenden un tiempo de arranque apreciable, un tiempo con carga constante y una pausa.Denominacin:Mediante la duracin relatva de conexin en tanto por ciento, nmero de arranques por hora y potencia. Por ejemplo, 84: 40 %, 520 arranques, 30 kW. Adicionalmente se indicar el momento de inercia y el par resistente durante el arranque.

7.4.3 Tipos de servicio

7.4.4 Seleccin de un motor de induccin.

Seleccionar carcasa y nivel de proteccin (IP)

Seleccionar potencia en funcin de la potencia necesaria para

arrastra la carga

Seleccionar velocidad (p) en funcin velocidad carga

Seleccionar forma normalizada de montaje (IM) en funcin de

la ubicacin

Seleccionar clase de aislamiento en funcin de la

temperatura esperada y ambiente de trabajo

Seleccionar caracterstica mecnica en funcin de par de

arranque y resistente de la carga

ABB Guide for selecting a motor

z Bombas centrfugasz Compresores centrfugosz Ventiladores y soplantesz Centrifugadoras

TR=K n2

z Prensasz Mquinas herramientas

TR=K n

z Mquinas elevacinz Cintas transportadorasz Machacadoras y trituradorasz Compresores y bombas de pistones

TR=K

z Bobinadorasz Mquinas fabricacin

chapa

TR=K n-1TR=K

TR=K n2

n

TRTR=K n

Tipos de cargas mecnicas. Par resistente.

TR=K n-1


Clasificacin NEMA segn el tipo de rotor

Clase BClase BClase B

Clase AClase AClase A

Clase CClase CClase CClase DClase DClase D

T/T/TnomTnom

SS

1,51,5

22

2,52,5

33z Par de arranque bajoz Par nominal con S 5,5 kW se usan sistemas de arranque para limitar la corriente

MOTOR CLASE AMOTOR CLASE A


http://www.lafert.com/products/pdf/2.1%20s%202004.pdf

Datos de catlogo.


Maquinas rotatorias

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