7. Máquinas Eléctricas Rotativas 7.1 Introducción. Generalidades 7.2 Motores de inducción 7.3 Otros tipos de motores 7.3.1 Máquina Síncrona 7.3.2 Motores de corriente continua 7.3.3 Motores monofásicos
7.4 Selección de un Motor 7.4.1 Grado de protección de un motor y formas constructivas 7.4.2 Tipos de servicio
Motor de Inducción o Asíncrono
Motor Síncrono
Motor de Corriente Continua
Motor Monofásico
7.1 Introducción: Generalidades Máquinas eléctricas
• Estáticas:
Transformadores • Motores
• Rotativas:
Sistema Eléctrico - A
Transformador
(Tensión 1)
Sistema Eléctrico
• Generadores
Sistema Eléctrico - B
(Tensión 2)
Máquina Eléctrica
Sistema Mecánico
Generador:
Peléctrica
Pmecánica
Motor:
Peléctrica
Pmecánica
Transformación
Energía eléctrica-Energía eléctrica
Transformación
Energía eléctrica-Energía mecánica
Una máquina eléctrica rotativa es una máquina reversible Motor
Generador
7.1 Introducción: Generalidades → Principio de funcionamiento como GENERADOR.
Campo magnético externo de valor constante que es visto por una espira (bobina) como variable al estar ésta en movimiento. Se induce, por tanto, una fuerza electromotriz o potencial en los extremos de la bobina Fuerza externa que hace girar a la espira
Espira
Campo Magnético
N
S
Escobillas
+
Fuerza Electromotriz inducida en la espira por el campo
Imanes Permanentes
7.1 Introducción: Generalidades → Principio de funcionamiento como MOTOR.
Si se hace circular una intensidad por una bobina inmersa en un campo magnético, ésta sufre un par motor que tiende a alinear ambos campos magnéticos, el propio de la bobina y el externo. Campo Imanes Espira Magnético Permanentes
N
S
@Manés Fernández
Escobillas
FUERZA QUE TIENDE A HACER GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR Corriente que se hace circular por la espira
7.1 Introducción: Generalidades → Estructura básica de una máquina eléctrica rotativa.
Rotor : Pieza cilíndrica montada sobre el eje móvil. Estátor : Pieza cilíndrica hueca que envuelve al rotor y está separada de éste por el entrehierro. De forma general se puede afirmar que: # Tanto el estátor como el rotor alojan bobinas (circuitos eléctricos). # Existen dos circuitos eléctricos concatenados por un circuito magnético. EJE
Flujo Magnético
(Acoplamiento mecánico)
Rotor
Estator
7.1 Introducción: Generalidades ►
Distintas máquinas en función del método empleado para generar el campo magnético:
→ Clasificación de las máquinas eléctricas rotativas. • Máquinas síncronas: Alternador
- Intensidad continua inyectada en las bobinas del rotor. - Corriente alterna en las bobinas del estátor. • Máquinas de inducción: Motor
- Corrientes alternas en las bobinas del estátor y/o del rotor. - Intensidades en el rotor inducidas por el estátor (Motor). • Máquinas de corriente continua: Ambos
- Alimentadas en continua. ►
Las máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna:
Pueden ser monofásicas o trifásicas (síncronas y de inducción)
7.1 Introducción: Generalidades Balance Energético→ Máquina eléctrica GENERADOR. Se P m
=τ
⋅ ωm
P e =
Potencia mecánica aplicada Par motor en Nm (Newton x metro) τ ω m Velocidad de giro en radianes/segundo P En Vatios (W)
=
Pe + j · Q e 3 ⋅ V L ⋅ I L ⋅ cos ϕ
Potencia eléctrica generada (trifásica)
(1) (2) (3)
(4)
(1) Pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación) (2) Pérdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores) (3) Pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes parásitas) (4) Pérdidas en el cobre del estátor (calentamiento de conductores)
7.1 Introducción: Generalidades Balance Energético→ Máquina eléctrica MOTOR. Se
=
P e =
Pe + j · Q e
P m
3 ⋅ V L ⋅ I L ⋅ cos ϕ
=τ
⋅ ωm
Potencia mecánica Potencia eléctrica consumida (trifásica)
realizada
τ
Par motor en Nm (Newton x metro)
ω m Velocidad de giro en radianes/segundo P En Vatios (W)
(4)
(3) (2) (1)
(1) Pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación) (2) Pérdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores) (3) Pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes parásitas) (4) Pérdidas en el cobre del estátor (calentamiento de conductores)
7.2 Máquinas de inducción 7.2.1. Aspectos constructivos. 7.2.2. Principio de funcionamiento del motor de inducción trifásico. • Fundamentos Teóricos • Deslizamiento
7.2.3. Circuito equivalente. 7.2.4. Balance de potencias en el motor. 7.2.5. Característica par deslizamiento.
7.2.0 Introducción. MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA
TI POS DE M ÁQUI NAS EL ÉCTRI CAS
GENERADOR MOTOR
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA GIRATORIAS ASÍNCRONA ASÍNCRONA
ESTÁTICAS SÍNCRONA
MOTOR
ALTERNADOR
GENERADOR
MOTOR
TRANSFORMADOR
7.2.1 Aspectos constructivos. Sección.
Corte axial
Corte en 3D
7.2.1 Aspectos constructivos. Rotor de jaula. ● Su simplicidad y gran robustez son las ventajas más destacadas.
Paquete magnético estatórico Cabezas de bobina Paquete magnético rotórico
Ranuras del estátor
Ranuras del rótor
Eje
Anillo de cortocircuito
7.2.1 Aspectos constructivos. Rotor bobinado. L. Serrano: Fundamentos de máquinas eléctricas rotativas
Anillos rozantes
● El circuito rotórico se cortocircuita
exteriormente a través de unas escobillas (grafito) que frotan sobre los anillos rozantes. ● El inconveniente es su elevado mantenimiento.
Anillos rozantes Escobillas
Anillos rozantes y escobillas
L. Serrano: Fundamentos de máquinas eléctricas rotativas
7.2.1 Aspectos constructivos. Desglose. Estructura mecánica
Circuito Eléctrico
Cilindro que puede girar sobre su eje (rotor) en el interior de otro cilindro hueco fijo (estátor) Estátor Circuito eléctrico estatórico Rotor Circuito eléctrico rotórico
Bobinas preformadas o devanado preformado Bobinas de hilo esmaltado o devanado aleatorio
Arrollamiento trifásico
Arrollamiento (polifásico) en cortocircuito
Jaula de ardilla Bobinado o Anillos rozantes
Paquetes Magnéticos Chapa magnética de acero al silicio Circuito apiladas y eléctricamente aisladas Magnético unas de otras Entrehierro
Estátor: Parte fija Rotor: Parte giratoria
Aluminio fundido Barras soldadas Bobinas de cobre Anillos rozantes
Estátor Paquete magnético Cilíndrico hueco
Ranuras en la superficie interna
Rotor Paquete magnético cilíndrico
Ranuras en la superficie externa
7.2.1 Aspectos constructivos: Caja de bornes (estátor). U1
V1
W1 U1
V1
W2 U2 U2 U1
V2 V1
W1
W2
Conexión en estrella Pletina de cobre
V1
W2 U2 V2
V2
W2
U1
U2
W1
Caja de conexiones
W1
V2
Conexión en triángulo
Devanados Bobinas deldel motor (estátor)
Caja de terminales- bornes ( bobinas del estátor )
7.2.1 Aspectos Constructivos: Placa de características Motor Conexión Trifásica
Tensión Nominal Potencia Nominal Velocidad Nominal
Intensidad Nominal Factor de Potencia Frecuencia Nominal
7.2.2 Principio de funcionamiento. Introducción. → EL TRANSFORMADOR.
Energía
Energía
eléctrica
eléctrica
→ LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN.
A B C
Convertidor
Energía
electro-mecánico
eléctrica
•
Motor Par Velocidad
• Generador
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. → Generación de campos magnéticos giratorios. Teorema de Ferraris
Si se aplica un sistema trifásico de intensidades en 3 bobinas desfasadas entre sí 120°: iaa ' (t ) =
2 ⋅ I ⋅ cos(ωt )
ibb ' (t ) =
2 ⋅ I ⋅ cos(ωt 120°)
icc ' (t ) =
2 ⋅ I ⋅ cos(ωt + 120°)
−
Baa ' (t ) =
2 ⋅ B ⋅ cos(ωt )
Bbb ' (t ) =
2 ⋅ B ⋅ cos(ωt 120°)
Bcc ' (t ) =
2 ⋅ B ⋅ cos(ωt + 120°)
Se inducen flujos magnéticos en cada bobina, perpendiculares al plano de la bobina respectiva y variables en el tiempo al igual que la intensidad que los producen.
−
El campo magnético resultante es constante en el tiempo y gira en el espacio a velocidad ω. Cambiando las intensidades de dos devanados entre sí cambia el sentido de giro
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. a’
El estátor de un motor de inducción está formado por tres devanados desplazados en el espacio 120º. En la figura se representa sólo una espira de cada uno de los devanados
Estator
c
b
Rotor
Origen de ángulos
( aa’, bb’, cc’ )
c’ b’
a
iaa ' (t ) =
2 ⋅ I ⋅ cos(ωt )
ibb ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt 120°) −
icc ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt + 120°)
Los tres devanados están alimentados mediante un sistema trifásico equilibrado de tensiones. Por tanto, las corrientes que circulan por las espiras son sinusoidales y están desfasadas 120º entre si
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. • Aparece un campo magnético giratorio. Teorema de Ferraris.
Ω1 =
⎛2 · π ⎞ p ⎟ ⎝
T
(rad / s)
Ω1 = Velocidad de giro del campo estátorico.
p = Pares de polos. (2·π/p) = Distancia
entre dos polos estátoricos 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 alimentación.
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. • El devanado rotorico está inmerso en un campo magnético giratorio.
- El campo magnético giratorio ( B ) induce fems en el devanado del rotor. - Éstas a su vez provocan la circulación de corrientes ( i ) en el devanado del rotor. Estator Æ Inductor
i Rotor Æ Inducido
• Aparece un par motor en el rotor.
F = i · (LxB)
Magnitud dirección y sentido de la fuerza que se produce en los conductores del rotor.
F = Fuerza que se produce en los conductores del rotor. Su sentido
es el de seguir al campo magnético giratorio del estátor.
i = Corriente que circula por los conductores del rotor. B = Campo magnético giratorio creado por las bobinas del estátor.
L
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. → Relación entre frecuencia eléctrica y velocidad de giro.
Si, por ejemplo, aumentamos el número de polos magnéticos en el rotor, se puede conseguir que las bobinas del estátor “vean” un fujo giratorio de velocidad superior a la de giro del rotor. Si P es el número de polos:
ω = e
Frecuencia eléctrica
P
2
⋅ ωm
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 Igual número de polos • 750 rpm si tiene ocho polos en rotor y estator • 600 rpm si tiene diez polos
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulación. Motor de inducción
Devanado trifásico simétrico (a 120º) alimentado con sistema trifásico equilibrado de tensiones (desfase de 120°)
Estator Rótor
Sistema trifásico equilibrado Espiras en cor tocircuito sometidas a tensión. Circulación de corriente por las espiras del rotor
Ley de Biot y Savart
Espiras en cortocircuito
Devanado trifásico simétrico (a 120º)
Campo giratorio Ω1 = 2πf/p
Interacción v-B FEM inducida por el campo giratorio en los conductores del rotor Interacción i-B Fuerza sobre las espiras del rotor
Par sobre el rotor
Ley de Faraday
El rotor gira
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento. La velocidad Ω1 a la que gira el campo magnético creado por el estátor se denomina velocidad de sincronismo. Su valor constituye el límite al que pude girar el rotor cuando la máquina funciona como motor, ya que, en caso contrario, al no existir movimiento relativo entre los conductores del rotor y el campo, no se induciría F.E.M. (interacción v-B) en el devanado rotórico y, por tanto, tampoco habría par motor (interacción i-B). El rotor del motor de inducción, siempre que funciona accionando una carga, gira a velocidad Ωr inferior (pero próxima) a la de sincronismo (Ω1). Debido a que el rotor gira a una velocidad inferior (diferente) a la de sincronismo, su velocidad se denomina asíncrona y al motor se le nombra como asíncrono. Cuando funciona en vacío, el único par motor que debe desarrollar es el necesario para compensar las pérdidas (muy pequeño), por lo que gira a una velocidad muy próxima a la de sincronismo.
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento. → Velocidad relativa.
Supuesto el rotor girando a una velocidad estable Ωr en el mismo sentido de giro ( Ω1) del campo creado por el estátor . respecto al estátor, se mueve a una velocidad de deslizamiento. • El rotor, respecto Velocidad síncrona (rad/s) ( rad/s )
Velocidad de deslizamiento: Ωdes = Ω1 - Ωr
Velocidad del rotor (rad/s) • Esa diferencia se denomina DESLIZAMIENTO ( s ó
s%) cuando se expresa como una fracción de la velocidad sincrónica ( Ω1 ):
s=
Ω1 Ω r −
Ω1
(pu)
s% =
{
Ω r
Ω1 Ω r · 100 −
=
Ω1 ·
(1 − s )
y
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento. Ω1 Ω des
=
Ω1 · s
7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento. → Intervalo de valores del deslizamiento ( régimen motor ).
Deslizamiento :
s= s=
Ω1 Ω r −
Ω1
n1 − n r n1
Ω1 Ω r · 100 −
(pu)
s% =
(pu)
s% = n1 n r · 100 n1
Ω1 −
Rotor parado :
nr = 0
s=1
ó
s% = 100%
s 0
ó
s% 0%
Rotor en vacío :
nr n1 ≈
≈
≈
Rotor en carga :
0 < n r < n1
1>s>0
Los motores motores de de inducción inducción siempre siempre funcionan funcionan con con valores valores de de Los deslizamiento muy muy bajos: bajos: % << 55 % % deslizamiento ss %
7.2.3 Circuito equivalente. El El circuito circuito equivalente equivalente de de una una máquina máquina de de inducción inducción es es parecido parecido al al del co del transformador, transformador, con conn la con la diferencia diferencia de de que que el el devanado devanado estatórico es el el primario primario yy el el rotorico rotorico es es el el secundario. ario. Además, Además, el el devanado devanado secundario secundario (rotorico) (rotorico) está está cortocircuitado. cortocircuitado. cortocircuitado. En depend e En la la máquina real el el valor valor de de la la resistencia resistencia del del rotor rotor NO NO depende depende de de la la velocidad velocidad de de deslizamiento. deslizamiento. Analíticamente Analíticamente se se deduce deduce un un CIRCUITO CIRCUITO EQUIVALENTE EQUIVALENTE con parámetros parámetros A A ROTOR ROTOR PARADO, PARADO, en en el el que que la la RESISTENCIA RESISTENCIA qu que representa ROTO representa la la del del ROTOR ROTOR ROTOR R es es función función del del DESLIZAMIENTO. Los parámetros Los valores valores necesarios necesarios para para obtener obtener analíticamente analíticamente los p analíticamente del del circuito circuito equivalente circuito equivalente equiv alente se obtienen obtienen de obtienen de dos de dos ensayos ensayos de ensayos de l aboratorio: de Ensayo Ensayo de de vacío vacío yy ensayo ensayo de de rotor rotor bloqueado. bloqueado.
7.2.3 Circuito equivalente referido a rotor parado El circuito equivalente se plantea por fase y con conexión en estrella. Los elementos del circuito con una ’ están referidos al estator: r t = Ne / Nr Corriente de vacío
Resistencia cobre estator
Reactancia dispersión estator
Xs I1
Rs
Reactancia dispersión rotor
XR ’
I0 Iμ
Xμ
U1 Reactancia magnetizante
RR ’
Ife
Tensión
de fase (Estator )
IR ’
Resistencia cobre rotor
Rfe
⎡1 S ⎤ R R '⋅⎢ ⎢ ⎣ S ⎥ −
Resistencia pérdidas hierro
Resistencia potencia mecánica entregada
7.2.4 Balance de potencias Potencia eléctrica de entrada
Pérdidas estator Pcu1 pfe1
Pérdidas rotor P fe2 =0 P cu2
P1
Pa Potencia de entre hierro
Pérdidas mecánicas Pm
Pmi
Pu
Potencia Potencia mecánica útil interna
7.2.4 Balance de potencias Balance Energético→ Máquina eléctrica MOTOR. Pc
Pa
Pmi
P1
Pu
Potencia eléctrica consumida (trifásica)
Potencia mecánica realizada
Pcu1
PFe
Pcu2
Pm
Pm Pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación) Pcu2 Pérdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores) PFe Pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes parásitas) Pcu1 Pérdidas en el cobre del estátor (calentamiento de conductores)
7.2.4 Balance de potencias El rendimiento de un motor informa del aprovechamiento de la potencia eléctrica absorbida por el motor para producir potencia mecánica η =
Pu P1
Se denomina PAR INTERNO al par total desarrollado internamente por la máquina asíncrona. Mi =
Pmi
Ωr
Pu – Pérdidas Pu == Pmi Pmi – Pérdidas mecánicas mecánicas Mu =
Pu Ωr
Par útil: el par que es capaz de desarrollar el motor en el eje
7.2.5 Característica Par-Deslizamiento Par s > 1
00 << ss << 11
ss << 00
Motor
Freno
Generador Par máximo Par Nominal Punto de funcionamiento
Par de Arranque
Velocidad de sincronismo
1 Curva característica de la carga
0
Deslizamiento S Taarrrr Tnnoo a a x x n no o
1 ,2 1 ,8
7.2.5 Característica Par-Deslizamiento La CARACTERÍSTICA MECÁNICA de los motores de inducción es plena carga. carga. prácticamente LINEAL entre vacío y plena El PAR MÁXIMO suele ser de 2 a 33 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 .. Para un determinado deslizamiento el PAR varía con el CUADRADO de la TENSIÓN.
7.3 Otros tipos de Motores 7.3.1 Motor Síncrono • Introducción • Principio de funcionamiento • Características constructivas • Circuito equivalente • Funcionamiento en vacío • Funcionamiento en carga
7.3.1.1 Introducción. MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA
TI POS DE M ÁQUI NAS EL ÉCTRI CAS
GENERADOR MOTOR
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA GIRATORIAS
ASÍNCRONA
ESTÁTICAS SÍNCRONA SÍNCRONA
MOTOR
ALTERNADOR
GENERADOR
MOTOR
TRANSFORMADOR
7.3.1.1 Introducción. ► EL
ALTERNADOR.
Energía Eléctrica
DC Energía Mecánica
en el eje
MÁQUINA SÍNCRONA (ALTERNADOR)
Energía Eléctrica Sistema III AC
¾ La más utilizada en la generación de energía eléctrica. ¾ Es necesario mantener la velocidad rotórica constante. La frecuencia es proporcional a la velocidad de giro. ¾ Potencias máximas del orden de 2000 MVA.
7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. → Principio de funcionamiento del GENERADOR síncrono.
Se hace girar un campo magnético constante (imán o bobina alimentada en continua en el rotor) en el interior de una bobina fija alojada en el estátor Φ (t ) = B ⋅ A ⋅ cos θ e(t ) = −
∂Φ ∂t
=
=
Φ MAX ⋅ cos ωt
Φ MAX ⋅ ω ⋅ sen ωt = Φ MAX ⋅ ω ⋅ cos(ωt −
π
)
2 Fuerza electromotriz inducida en los extremos de la bobina:
E RMS =
E MAX
=
N ⋅ Φ MAX ω ⋅
=
2 2 N ⋅ Φ MAX ⋅ 2π f = = 2 ⋅ π ⋅ N ⋅ f ⋅ Φ MAX 2 Proporcional a N , Φ MAX y f
La frecuencia de la tensión inducida es la de giro de la bobina
7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. → Principio de funcionamiento del GENERADOR síncrono.
Se consigue un sistema trifásico de tensiones disponiendo tres bobinas en el estátor desfasadas 120° entre sí. Las tensiones inducidas estarán desfasadas de forma simétrica.
El flujo magnético constante se consigue mediante una bobina solidaria al rotor en la que se inyecta corriente continua
ea (t ) =
2 ⋅ E
⋅ cos(ωt )
eb (t ) =
2 ⋅ E
⋅ cos(ωt − 120°)
ec (t ) =
2 ⋅ E
⋅ cos(ωt + 120°)
RMS
RMS
RMS
Rotor Æ Inductor Estator Æ Inducido
7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulación. Estator
Devanado trifásico simétrico (a 120º)
Rótor
Devanado rotórico alimentado con corriente continua
Generador
Rotor alimentado con cc genera campo B cte
Tensión trifásica a f=pN/60
Rotor girando a N rpm mediante máquina motriz Interacción v-B FEM inducida por el campo giratorio en el estator
Campo B girando misma velocidad del rotor
Ley de Faraday
7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulación. Estator
Devanado trifásico simétrico (a 120º) alimentado con sistema trifásico equilibrado de tensiones (desfase de 120°)
Rótor
Devanado rotórico alimentado con corriente continua
Motor
Rotor alimentado con cc genera campo B cte
Se lleva el rotor al sincronismo mediante máquina motriz externa
Estator alimentado con tensión trifásica
Estator genera campo B giratorio
El rotor gira
Campo B del estator arrastra a campo B del rotor
Motor síncrono tiene par de arranque nulo
Campos B de estator y rotor girando misma velocidad
Enganche magnético
7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. → Velocidad de giro del rotor (circuito inductor).
n=
60 ⋅ f p
• n = Velocidad rotórica (rpm). • f = Frecuencia de la onda de tensión. • p = Número de pares de polos.
→ Ejemplo: Obtención de tensión a 50Hz en función del Nº de polos.
p=1 p=2 p=3 p=4
⇒ 3000 rpm ⇒ 1500 rpm ⇒ 1000 rpm ⇒ 750 rpm
P=1
P=2
P=3
7.3.1.3 Características constructivas. La máquina síncrona utiliza un ESTÁTOR constituido por un devanado trifásico simétrico (distribuido a 120º) idéntico a la máquina asíncrona de inducción El rotor puede ser liso o de polos salientes
El ROTOR está formado por un devanado alimentado desde el exterior a través de escobillas y anillos rozantes con corriente continua
Industrialmente es el generador utilizado en la mayoría de las centrales eléctricas: turboalternadores y grandes alternadores hidráulicos.
Como motor se usa principalmente cuando la potencia demandada es muy elevada >1 MW
7.3.1.3 Características constructivas. → Estructura de la máquina síncrona. Estátor y rotor.
rotor – polos lisos
rotor – polos salientes
Líneas de campo
estátor
Sentido de las corrientes por el rotor
S
N
N N
S
S
Velocidades de giro bajas
Velocidades de giro elevadas. Turboalternadores
7.3.1.3 Características constructivas.
Rotor El Flujo magnético (excitación) es creado por un electroimán situado en la parte giratoria de la máquina (rotor). ►
• Rotor de polos salientes: bobina del electroimán rodeando
a las expansiones polares del rotor. • Rotor de polos lisos: bobina del electroimán situada en ranuras practicadas longitudinalmente en el rotor. P=1
P=2
P=1
P=2
7.3.1.4 Circuito equivalente. ► Impedancia síncrona. I e t n e l a v e i s u a equiv f q e r len o o t ie p u c fas r i C
Inductor-rotor
j X s
Rs
A
+
V = ( U / √3 )
E
Ie
Inducido-estator
+
Ve
−
B
Rs Rs==Resistencia Resistenciade delos losconductores conductoresde delas lasbobinas bobinasdel delestátor estátor Xs Xs==Reactancia Reactanciasíncrona síncrona==reactancia reactanciadispersión dispersiónestator estator++reacción reacciónde deinducido inducido
La LaF.E.M. F.E.M.(E) (E)es esproporcional proporcionalaalalacorriente corrientede deexcitación excitación(I(Iee))del delrotor. rotor. En Enfuncionamiento funcionamientocomo comogenerador generadorrepresenta representaaalalatensión tensiónque quese se induce induceen enelelestator. estator.
7.3.1.5 Funcionamiento en vacío. ► Característica de vacío o de magnetización. V
E = K ⋅ ϕ ⋅ n
V
Flujo
Velocidad de giro
ϕ = f(Ie) Cuando Cuandoelelgenerador generadortrabaja trabajaen envacío vacío no hay caída de tensión: La tensión no hay caída de tensión: La tensión de desalida salida(V) (V)coincide coincidecon conlalaFEM FEM(E). (E).
o í c a v n e n ó i s n e T
Intensidad de excitación Ie A
7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Reacción de inducido. Cuando el alternador trabaja en vacío el único flujo existente es el producido por la corriente continua de excitación del rotor.
Cuando suministra corriente a una carga, dicha corriente produce un campo magnético giratorio al circular por los devanados del estátor. Este campo produce un par opuesto al de giro de la máquina, que es necesario contrarrestar mediante la aportación exterior de potencia mecánica.
El flujo total de la máquina se verá disminuido o aumentado dependiendo que la carga sea inductiva o capacitiva.
A este efecto creado por el campo del estátor se le conoce con el nombre de “reacción de inducido”.
7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Reacción de inducido. I
j X s
Rs
E +
V
E
Carga
Inducido-estator
Xss
aar r ggaa r r eessiissttiivvaa
I
U
RI
E E − I · (R s + j ·X s ) − V = 0
S = 3· V · I =
aar r ggaa IInndduuccttiivvaa
3·U·I
Para una misma tensión 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 excitación)
ss
U
I
RI
E ss aar r ggaa ccaappaacciittiivvaa
7.3.1.6UFuncionamiento en carga. Reacción de inducido. RI
7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Régimen aislado. Funcionamiento aislado
Aumento en la excitación
Aumento en la tensión de salida
Aumento en potencia mecánica
El generador alimenta a una carga de forma independiente
La tensión de alimentación puede variar El factor de potencia de la carga es fijo
Aumento en la velocidad de giro
Aumento en la frecuencia
7.3.1.6 Funcionamiento en carga Funcionamiento en una red de potencia infinita CONEXIÓN A RED DE POTENCIA INFINITA
Aumento en la excitación
Aumento en la POTENCIA REACTIVA ENTREGADA
Aumento en potencia mecánica
Aumento de la POTENCIA ACTIVA ENTREGADA
El generador está conectado a otra red en la que actúan otros generadores: su potencia es muy pequeña respecto de la total de la red
La tensión de alimentación ESTÁ FIJADA POR LA RED La frecuencia ESTÁ FIJADA POR LA RED
7.3 Otros tipos de Motores 7.3.2 Máquina de Corriente Continua • • • • • • • • •
Aspectos constructivos Principio de funcionamiento F.E.M. inducida Par electromagnético Sistemas de excitación Reacción de inducido Conmutación Funcionamiento generador Funcionamiento motor
7.3.2.0 Introducción. MÁQUINAS MÁQUINASELÉCTRICAS ELÉCTRICAS DE DECORRIENTE CORRIENTECONTINUA CONTINUA
TI POS DE M ÁQUI NAS EL ÉCTRI CAS
GENERADOR MOTOR
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA GIRATORIAS
ASÍNCRONA
ESTÁTICAS SÍNCRONA
MOTOR
ALTERNADOR
GENERADOR
MOTOR
TRANSFORMADOR
7.3.2.1 Aspectos Constructivos Estructura mecánica
Circuito Eléctrico
Cilindro que puede girar sobre su eje (rótor) en el interior de otro cilindro hueco fijo (estátor) Estátor Inductor Creación del campo B
Espiras de hilo o pletina de cobre arrolladas sobre los polos inductores
Estátor: Parte fija Rótor: Parte giratoria Alimentación con corriente continua
Colector de delgas y escobillas Rótor Espiras de hilo o Rectificador mecánico que Inducido pletina de cobre convierte las FF.E.MM. Asiento de las conectadas entre si alternas inducidas en las FF.E.MM. inducidas y a las delgas espiras en C.C. en las escobillas
Estátor: macizo o de chapa Paq. Mag. Estátor Polos magnética (total-parcialmente) Cilíndrico hueco (inductores) salientes Circuito Rótor: chapa magnética de acero al con piezas radiales silicio apiladas y eléctricamente Magnético Rótor Paquete Ranuras aisladas unas de otras magnético en la superficie Entrehierro cilíndrico externa
7.3.2.1 Aspectos Constructivos 1. 2. 3. 4.
Yugo o culata Núcleo del polo inductor Expansión polar Núcleo del polo auxiliar o de conmutación 5. Extremo del polo auxiliar o de conmutación 6. Paquete magnético del rótor 7. Arrollamiento del inducido 8. Arrollamiento inductor o de excitación 9. Devanado de conmutación 10.Colector de delgas 11. - 12. Escobillas
1
8 2
9
12
10
3 6 11
5
4 7
M. F. Cabanas: Técnicas para el y diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas
7.3.2.1 Aspectos Constructivos
Pequeños motores de C.C. de imán permanente
Fotografía realizada en los talleres de ABB Service Gijón
Motor de C.C. para aplicaciones de robótica Motor de C.C. de 6 MW fabricado por ABB
7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Motor Espira
N
Campo M agnético
Imanes Permanentes
S @Manés
Escobillas
FUERZA QUE TIENDE A HACER GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR Corriente que se hace circular por la espira
Si se hace circular una intensidad por una bobina inmersa en un campo magnético, ésta sufre un par motor que tiende a alinear ambos campos magnéticos, el propio de la bobina y el externo.
7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador Fuerza externa que hace girar la espira
Imanes o electroimanes alimentados con C.C. para la creación del campo magnético
N
N
S
Escobillas
Anillos rozantes
S
Osciloscopio Instrumento de medida M. F. Cabanas: Técnicas para el mantenimiento y diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas
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 máquina (escobillas) es la misma que se induce en la espira (alternativa y variable en el tiempo), debido a la conexión entre los extremos de la espira y las escobillas, a través de los anillos.
7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador Con la máquina 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 tensión continua (unidireccional) y positiva (sin cambios de polaridad) E
E = 2 ⋅ B ⋅ l ⋅ V
E
N
S
2BlV
Polos inductores de la máquina π
0
2π
-2BlV
E
N
N
22B Bl V l V
22BB V l V l
00
π
22π
Colector elemental (2 delgas)
00
π
22π
Colector real (muchas delgas)
7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador M. F. Cabanas: Técnicas para el mantenimient oy diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas
Colector Escobillas
Sentido de rotación de la espira
Colector real Colector de dos delgas
1 2
1
2
1 2
- + Instante Inicial
0 Conmutación
-
M. F. Cabanas: Técnicas para el mantenimi ento y diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas
Inversión de la polaridad
7.3.2.3 Sistemas de excitación •
El campo magnético de la máquina de CC puede obtenerse de dos formas, mediante: – Imanes permanentes – Electroimanes, bobinas alimentadas con CC (caso habitual):
•
Según la fuente de alimentación de las bobinas se tienen dos tipos de excitación: – Excitación independiente (o separada): la corriente que alimenta al devanado
inductor procede de una fuente, independiente, externa. – Autoexcitación: la corriente de excitación procede de la propia máquina. Según
la forma de obtener esta corriente existen tres tipos diferentes de MM. de C.C.: • Excitación serie: devanado inductor en serie con el inducido • Excitación derivación: devanado inductor conectado directamente a las
escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido. • Excitación compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra en derivación.
7.3.2.3 Sistemas de excitación Resistencia del inducido
R esistencia
del inductor
Resistencia del
Lex
Tensión excitación
Inductor
Ri
Rex
E
inducido
Rex Uex
Motor de excitación derivación
Uex
Ui Lex
Ri
E
Ui
FEM Inducida
Inducido Resistencia del inducido
Inductor
Inductor
Inducido
Motor de excitación independiente
Ri
Motor de
E
excitación serie
Inducido
Rex
Lex Ui
7.3.2.3 Sistemas de excitación Resistencia del inducido
Motor de excitación compuesta larga
Ri
Inductor 1
Rex1
E
Lex1
Rex2
Inductor 2
Lex2 Inducido Resistencia del inducido
Ri E
Inductor 2
Rex2
Rex1
Inductor 1
Lex1 Inducido
Lex2 Ui
Motor de excitación compuesta corta
Ui
7.3.2.4 Reacción de inducido Al circular corriente por el inducido se va a crear un campo que distorsiona el campo creado por los polos inductores de la máquina
E
N
S
2BlV
FEM con reacción de inducido
Desplazamiento de la línea neutra
0
Esta distorsión del campo recibe el nombre de reacción de inducido
π
2π
-2BlV
Efectos producidos por la reacción de inducido
Desplazamiento de la “ plano o línea neutra” (plano en el que se anula el campo Disminución del valor global del campo de la máquina
7.3.2.5 Conmutación Desplazamiento de la “ plano o línea neutra”
Problemas durante la conmutación
POLOS DE CONMUTACIÓN Reducción de par y aumento de velocidad
Disminución del valor global del campo de la máquina
Los polos auxiliares de conmutación compensan localmente la reacción de inducido y mejoran la conmutación
7.3.2.6 Funcionamiento generador Rex Iex Uex
Lex
Ri
E
Ui
FEM Inducida
Inductor
Inducido
Generador de excitación independiente
Se hace girar el inducido y se alimenta el inductor. La tensión de excitación controla la FEM (E) y, por tanto, la tensión de salida Ui La tensión de salida crece proporcionalmente con la velocidad de giro n
E Ui
K n =
E R I
TT TT LL
K ⋅ I = Corriente de inducido
La relación entre la corriente de excitación y la FEM inducida no es lineal: existe saturación
7.3.2.7 Funcionamiento motor Resistencia del inductor
Resistencia del inducido
Rex
Uex
Se alimentan el inducido y el inductor con cc. La circulación de intensidad por el inducido (rotor) dentro de un campo magnético constante provoca un par de fuerzas que hace girar al rotor.
Ri
Lex
E
Ui
FEM Inducida
Tensión excitación
Inductor
La velocidad alcanzada dependerá de las tensiones de excitación e inducido, los parámetros de la máquina y del par accionado.
Inducido
Motor de exc. independiente
Uii
E − R ii ⋅ i i
Ecuación del motor derivación e independiente
n
Uii K ⋅
T K ⋅
R ii
n
eennddiieennttee 22 – – 88
22
Curva par-velocidad de los motores de excitación independiente y derivación
uu eennttoo ddee Rii
T
Característica dura
7.5 Motores monofásicos • Introducción • Principio de funcionamiento: • Motor de fase partida • Motor de espira de sombra
7.5.1 Introducción Los Los motores motores monofásicos monofásicos de de inducción inducción se se utilizan, utilizan, principalmente, principalmente, en en los los electrodomésticos electrodomésticos yy máquinas máquinas herramienta. herramienta. Su Su diseño diseño es es muy muy parecido parecido al al de de los los trifasicos. trifasicos. El El rótor rótor es es en en jaula jaula de de ardilla. ardilla.
El El devanado devanado estatórico estatórico está está formado formado por por dos dos conjuntos conjuntos de de bobinas bobinas
Devanado auxiliar
El El devanado devanado principal Devanado principal
El El auxiliar, despalzado 90º, y alojado en las ranuras del paquete magnético estatórico. estatórico.
7.5.2 Principio de funcionamiento Motor Monofásico Tensión alterna monofásica Interacción i-B Fuerza sobre las espiras del rotor que se cancelan
El rotor NO gira
Estator
Devanado principal alimentado con tensión monofásica
Rótor
Espiras en cortocircuito
Campo variable de dirección fija
Ley de Biot y Savart
Necesita impulso exterior para empezar a girar cerca del sincronismo
Ley de Faraday
Corrientes y FEM inducida en el rotor
7.5.2 Principio de funcionamiento Par de arranque Para producir producir par par en en el el arranque arranque es es necesario necesario crear crear un un campo campo Para magnético rotativo. rotativo. Esto Esto puede lograrse mediante el devanado devanado auxiliar. auxiliar. magnético Al Al alimentar alimentar ambos ambos devanados, devanados, desplazados y desfasados 90º, se generan generan flujos flujos ortogonales. ortogonales.
Devanado auxiliar Rotación
Devanado principal
Campo magnético rotativo Par de arranque auxiliar se se desconecta desconecta al al Devanado auxiliar alcanzar el el 75% 75% de de la la velocidad velocidad de de alcanzar sincronismo mediante interruptor centrífugo
Fuente C. A.
7.5.2 Principio de funcionamiento Motor de fase partida Devanado principal con con muchas muchas espiras espiras gruesas. gruesas.
Muy Muy inductiva inductiva
Devanado auxiliar con pocas espiras delgadas.
Poco Poco inductiva inductiva
Mejora: Condensador Condensador en serie serie con el el circuito auxiliar. Mejora: Acerca el desfase entre las intensidades a la condición ideal de cuadratura: máximo valor de par de arranque. Interruptor Interruptor centrífugo centrífugoCondensador
Devanado Devanado auxiliar Hilo Hilo fino
Devanado Hilo principal Devanado Hilo grueso
Desfase relativo relativo Desfase entre ambas ambas entre intensidades intensidades Campo giratorio Campo por tanto tanto yy por Par de de arranque arranque Par
7.5.2 Principio de funcionamiento Motor de espira de sombra
Rotación
Los motores motores monofásicos monofásicos de de espira de Los sombra son muy utilizados en aparatos de pequeña potencia potencia debido debido aa su su simple simple pequeña ejecución. El devanado devanado auxiliar auxiliar consiste consiste en una única única El espira de cobre que rodea una porción de cada polo. polo. El flujo principal induce otro campo pulsante en en las espiras auxiliares. La acción acción pulsante combinada de ambos da lugar a un débil campo giratorio giratorio que que arranca arranca el el motor. motor. campo
Anillo de cobre Devanado auxiliar Devanado principal
Fuente C. A.
7.4 Selección de un motor. 7.4.1 Grado de protección. 7.4.2 Formas constructivas. 7.4.3 Tipos de servicio. 7.4.4 Selección de un motor de Inducción.
7.4.1 Grado de Protección de un Motor. UNE-20324. • El grado de protección de la carcasa de un motor frente
a la penetración de sólidos y agua se indica mediante la designación IP seguida de dos dígitos • IP xy – IP (International Protection) – x (0-6) Protección contra contacto
y penetración de sólidos – y (0-8) Protección contra penetración de agua
7.4.1 Grado de Protección de un Motor. UNE-20324.
1ª Cifra
2ª Cifra
7.4.2 Formas Constructivas. IEC 60034-7. → Disposición y montaje del motor.
• Las formas constructivas hacen referencia a la
disposición del eje del motor a la superficie de anclaje y se indica mediante la designación IM seguida de una letra y un número • IM xy – IM (International Mounting) – x (B,V) Eje horizontal o vertical – y (número de uno o dos dígitos)
IM B 3
7.4.2 Formas Constructivas. IEC 60034-7. → Disposición y montaje del motor.
7.4.3 Tipos de servicio S1: Servicio continuo Servicio con carga constante cuya duración es suficiente para estabilizar la temperatura de la máquina. Denominación:
Indicación de la potencia.
S2: Servicio de breve duración Servicio con carga constante pero cuya duración no es suficiente para estabilizar la temperatura, seguido de una pausa lo suficientemente prolongada para que la temperatura del motor no difiera en más de 2 K de la del medio refrigerante. Denominación:
Mediante la duración del servicio y la potencia; por ejemplo, S2: 20 min., 15 kW.
7.4.3 Tipos de servicio S3: Servicio intermitente sin influencia del proceso de arranque Servicio que se compone de una sucesión de maniobras iguales, formadas por un período de carga constante seguido de una pausa, sin que la intensidad de arranque influya apreciablemente en el calentamiento. Denominación:
Mediante el tiempo de conexión, duración de la maniobra y potencia. Por ejemplo, S3: 15 min/60 min, 20 kW; o por duración relativa del período de conexión tr en tanto por ciento y duración de la maniobra. Por ejemplo, S3: 25 %, 60 min., 20 kW. La indicación de la duración de la maniobra puede suprimirse cuando es de 10 minutos. S4: Servicio intermitente con influencia del proceso de arranque Servicio que se compone de una sucesión de maniobras iguales, que comprenden un tiempo de arranque apreciable, un tiempo con carga constante y una pausa. Denominación:
Mediante la duración relatíva de conexión en tanto por ciento, número de arranques por hora y potencia. Por ejemplo, 84: 40 %, 520 arranques, 30 kW. Adicionalmente se indicará el momento de inercia y el par resistente durante el arranque.
7.4.4 Selección de un motor de inducción.
Seleccionar carcasa y nivel de protección (IP)
Seleccionar forma normalizada de montaje (IM) en función de la ubicación
Seleccionar potencia en función de la potencia necesaria para arrastra la carga
Seleccionar clase de aislamiento en función de la temperatura esperada y ambiente de trabajo
Seleccionar velocidad (p) en función velocidad carga
Seleccionar característica mecánica en función de par de arranque y resistente de la carga
ABB – “ Guide for selecting a motor”
7.4.4 Selección de un motor de inducción. → Tipos de cargas mecánicas. Par resistente.
TR=K· n2 z
z
z
z
Bombas centrífugas Compresores centrífugos Ventiladores y soplantes Centrifugadoras
TR=K· n z
TR=K
Prensas
z
z
z
z
TR
Máquinas elevación Cintas transportadoras Machacadoras y trituradoras Compresores y bombas de pistones
TR =K· n2
TR =K· n TR =K
z
Máquinas fabricación
TR =K· n-1 n
7.4.4 Selección de un motor de inducción. Æ Clasificación NEMA según el tipo de rotor T/Tnom
z
lase lase D
3 lase lase C 2,5 2
MOTOR CLASE A Par de arranque bajo Par nominal con S<5% Corriente arranque elevada 5 – 8 In Rendimiento alto Uso en bombas, ventiladores, máquina herramienta, etc, hasta 5,5 kW Para potencias > 5,5 kW se usan sistemas de arranque para limitar la corriente z
z
lase lase A lase lase B
z
z
1,5
z
S
