Principios electromecanicos tema i

Autor: Dr. William Rojas
República Bolivariana de Venezuela
Decanato de Investigación y Postgrado
Cátedra: Principios Electromecánicos
Maracaibo,
PRINCIPIOS ELECTROMECÁNICOS
TEMA I

Electromecánico (ca).
1. Electr. Dicho de un dispositivo o de un aparato mecánico:
Accionado o controlado por medio de corrientes eléctricas.
2. Electr. Técnica de las máquinas y dispositivos mecánicos que
funcionan eléctricamente.
DRAE:
Combinan los principios básicos de los
métodos o procedimientos mecánicos con
el conocimiento de circuitos eléctricos y
electrónicos.
Es decir, integran o combinan los
elementos, creando un resultado que
aprovecha y maximiza las cualidades de
cada uno de los mecanismos
involucrados.

Un accionamiento eléctrico persigue conseguir una determinada
respuesta de un sistema mecánico

• Fuente de alimentación: en general, la red eléctrica de corriente
alterna o un generador.
• Convertidor electrónico de potencia: Puede ser una combinación de
distintos tipos de convertidores: AC - DC, AC - AC, DC - AC, DC - DC.
El convertidor podría ser reversible en potencia o no reversible.
• Sistema de control: puede ser analógico, digital o una combinación de
ambos. A menudo se emplean micro controladores o procesadores
digitales de señales (DSP) de gran velocidad y capacidad de cálculo.
Partes principales de un accionamiento eléctrico:

• Motor eléctrico: de AC o de DC. La tendencia es usar motores de AC.
• Sistema de transmisión (caja de engranajes) y carga mecánica: Puede ser
pasivo (el par es siempre en sentido contrario a la velocidad de giro) o
activo (el par tiene un sentido único, independientemente del sentido de
giro), característico de los aparatos de elevación.
• Sensores: transformadores de intensidad o de tensión, sondas de efecto
Hall, tacómetros o encoders. La tendencia es eliminar los sensores
mecánicos y sustituirlos por observadores, disminuyendo las fallas y
necesidades de mantenimiento.

La máquinas eléctricas más empleadas son las de corriente alterna y
corriente continua. Entre las máquinas de corriente alterna se encuentran:
inducción, sincrónicas de imán permanente, entre otras.
El puente convertidor electrónico se define en función de dos aspectos
fundamentales: el sistema de alimentación: continua o alterna que
determina su entrada y la maquina eléctrica a emplear que determina la
salida (continua o alterna).
El esquema de control de los equipos electromecánicos, debe
garantizar un proceso de conversión de energía eléctrica a mecánica
eficiente, teniendo en cuenta la calidad de la energía suministrada al
motor y a la red de alimentación

.- Sistema mecánico:
• Control rápido, continuo y a distancia del sistema.
• Ajuste de variables (caudal, presión, entre otras)
.- Características dinámica:
1. Tiempos cortos en arranque, paro e inversión.
2. Tiempos cortos en cambios de velocidad.
3. Control de aceleración.
• Requerimientos de precisión:
1. Mantener la velocidad constante.
2. Parar en una posición determinada.
3. Suministrar par a bajas velocidades

• Sistema eléctrico de alimentación y motor
1. Menor sobre intensidad de arranque.
2. Posibilidad de ahorro de energía.
3. Control del factor de potencia.
4. Control de la inyección de armónicos.
5. Menores esfuerzos mecánicos en el motor.
6. Menor calentamiento

Para alcanzar estas características, es necesario tener presente que
estos equipos eléctricos presentan una naturaleza multidisciplinaria donde
intervienen varias áreas del conocimiento.
Principales características de los equipos electromecánicos:

• Procesos industriales: mezcladotas, bombas, ventiladores, compresores.
• Maquinaria: cabrestantes, prensas, afiladores, molinos.
• Acondicionamiento de calor y frío industrial: bombas, sopladores,
compresores.
• Industria del acero y del papel: elevación, grúas, rodillos.
• Transporte: ascensores, vehículos, trenes, metros.

• Industria textil: telares, etc.
• Industria del alimento: transporte, ventilación, empaquetado, etc.
• Industria del petróleo, gas y minería
• Residencial: bombas, congeladores, lava platos, lavadoras, etc.
• Industria manufacturera.

ELEMENTOS BÁSICOS
Sistema:
Conjunto de elementos ordenados para cumplir un fin específico y cuyas
interacciones con el mundo exterior se reducen a intercambios de
información, energía y/o materia
Proceso:
Es la parte del sistema que directamente produce características o
propiedades de los materiales involucrados

ELEMENTOS BÁSICOS
Elementos básicos:
Son los que constituyen un sistema físico y su número determinado
según su grado de complejidad del sistema.
Además, son comunes a una serie de disciplinas, tales como:
.- Electricidad
.- Mecánica
.- Electrónica
.- Instrumentación y Control.
GT CP
M
FT PTTTTTPT
ASC
0000
Fuel
Cont

La figura muestra un sistema de posicionamiento lineal. El apuntador se
encuentra conectado a un delgado cordón que se extiende sobre una polea
fija, alrededor de una polea móvil, sobre otra polea fija y se sujeta al objeto
que será posicionado. El objeto descansa sobre un soporte
Sistema de posicionamiento
mecánico utilizando un soporte
y un piñón.

INTRODUCCIÓN
Estos principios son aplicados a
las máquinas eléctricas que son
unos dispositivos empleados en la
conversión de la energía mecánica a
energía eléctrica, energía eléctrica a
energía mecánica y en la
transformación de la energía
eléctrica con un nivel de voltaje a
una energía eléctrica con otro nivel
de voltaje, mediante la acción de un
campo magnético.
CONCEPTOS GENERALES DE MAQUINAS ELÉCTRICAS
1.2.- MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Campo magnético
Los campos magnéticos son el mecanismo fundamental para convertir la
energía de C. A. en energía de C. C., o viceversa, en motores, generadores y
transformadores.
Principios básicos de utilización del campo magnético en estos equipos:
• Un conductor que porta corriente, produce un campo magnético a su
alrededor.
• Un campo magnético variable con el tiempo induce un voltaje en una
bobina de alambre si pasa a través de ésta (Funcionamiento del
transformador)
• Un conductor que porta corriente en presencia de un campo magnético,
experimenta una fuerza inducida sobre él (Funcionamiento del motor).
• Un conductor eléctrico que se mueva en presencia de un campo
magnético tendrá un voltaje inducido en él. ( Funcionamiento del Generador).

Campo magnético
Siempre que existe un flujo magnético en un cuerpo o componente, se
debe a la presencia de una intensidad de campo magnético H, dada por:
H = U/l
Donde:
H = intensidad de campo magnético [A/m]
U = fuerza magnetomotriz que actúa en el componente [A] (o ampere
vuelta)
l = longitud del componente [m]

Campo magnético
La densidad de flujo magnético resultante está dada por
B = φ/A
Donde
B = densidad de flujo [T]
φ = flujo en el componente [Wb]
A = sección transversal del componente [m²]
Existe una relación definida entre la densidad de flujo (B) y la intensidad
de campo magnético (H) de cualquier material.

 A la corriente eléctrica que se genera se le llama: “corriente inducida”.
 Al circuito donde aparece la corriente se le denomina circuito inducido, y
al dispositivo que produce (induce) la corriente se denomina inductor
Campo magnético
• Faraday establece que:
1. Si el flujo que vincula un lazo (o vuelta) varía como una función de
tiempo, se induce un voltaje entre sus terminales.
2. El valor del voltaje inducido es proporcional a la velocidad de cambio
del flujo.

Por definición, y de acuerdo con el sistema SI de unidades, cuando el flujo
dentro de un lazo varía a razón de 1 weber por segundo, se induce un voltaje
de 1 V entre sus terminales. Por ello, si el flujo varía dentro de una bobina de
N vueltas, el voltaje inducido está dado por:
E = N(Dφ/Dt)
Donde:
E = voltaje inducido [V]
N = número de vueltas en la bobina
DF = cambio de flujo dentro de la bobina [Wb]
Dt = intervalo de tiempo durante el cual cambia el flujo [s]
Campo magnético
+

El campo magnético genera corriente eléctrica
Electromagnetismo

Electromagnetismo

Ejemplo:
Una bobina de 2000 vueltas o espiras encierra un flujo de 5 mWb
producido por un imán permanente de acuerdo a la Fig. El imán es extraído
de repente y el flujo en el interior de la bobina cae uniformemente a 2 mWb
en 1/10 de segundo. ¿Cuál es el voltaje inducido?
Solución:
El cambio de flujo es:
DF = (5 mWb - 2 mWb) = 3 mWb
Electromagnetismo
Voltaje inducido por un imán en movimiento

Como este cambio ocurre uniformemente en 1/10 de segundo (Dt), el
voltaje inducido es
E = N(Dφ/Dt) =
Electromagnetismo
El voltaje inducido se reduce a cero en cuanto el flujo deja de cambiar
= 60 V

Las máquinas eléctricas tienen por
finalidad transformar la energía
mecánica en energía eléctrica y
viceversa.
Cuando la conversión es de
energía mecánica en energía
eléctrica se dice que la máquina está
funcionando como generador y en el
caso contrario opera como motor

ESQUEMA DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Máquinas Eléctricas:
Una máquina estándar es un aparato eléctrico que depende de la
inducción electromagnética para su funcionamiento y que tiene uno o más
componentes para efectuar el movimiento de rotación.
En particular, los tipos de máquinas cubiertos son los que generalmente se
hace referencia como motores y generadores
Normas NEMA, 1,2

Elementos donde recibe
la energía del exterior bajo
forma dada
Máquina
EléctricaENTRADA
Elementos en donde la
energía se entrega bajo una
forma distinta salvo el caso
de los transformadores
SALIDA

• Electromagnético.
Toda máquina eléctrica está dotado de un conjunto magnético y dos
circuitos eléctricos, uno de los circuitos, es el de excitación, que al ser
recorrido por una corriente eléctrica produce amperios vueltas
necesarios para crear el flujo que se establece en el conjunto magnético
de la máquina.
CONSTITUCIÓN GENERAL DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA.

 Mecánico.
• Se clasifican en rotativas y estáticas.
• Máquinas rotativas: Están provista de piezas giratorias como la
dínamo, los alternadores, motores, entre otros. Tiene una parte fija
llamada estator y otra móvil llamada rotor, entre ambas partes hay un
espacio de aire llamado entrehierro.
• Máquinas estáticas: No disponen de partes móviles como el
transformador.
CONSTITUCIÓN GENERAL DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA.

Clasificación de las Máquinas eléctricas
Generador: Su función es la de transformar la energía mecánica en
eléctrica.
Motor: Su función es la de transformar la energía eléctrica en mecánica.
Transformador: Su función es la de tratar las magnitudes de tensión y
corriente de la energía eléctrica
Chapman (2000)

La potencia que desarrolla una máquina eléctrica es la energía por
unidad de tiempo. (Potencia = Trabajo / tiempo)
Si se trata de un motor, la potencia dependerá de los mecanismos
acoplados al eje del motor y que serán accionados por él.
Si se trata de un generador, dependerá del circuito al que alimenta.
Con esto, las máquinas eléctricas pueden funcionar con diferentes
valores de potencia útil. De todos estos valores, el que caracteriza la
máquina se denomina potencia nominal.
Potencia y energía de una máquina eléctrica

Todas las máquinas rotativas se calientan. Debido, a que parte de la
energía se transforma en calor.
Estas pérdidas se dan en diferentes partes de la máquina
Pérdidas mecánicas:
• Debido al rozamiento (máquinas rotativas "giran"). Se dan en las partes
móviles: cojinetes, escobillas (debido a su rozamiento con el colector), etc.
POTENCIA NOMINAL = POTENCIA A PLENA CARGA
POTENCIA NULA = TRABAJA EN VACIO

Pérdidas en el cobre:
Debidos al efecto Joule, es decir, parte de la energía eléctrica que
circula por los conductores se transforma en calor por los choques de los
electrones con los iones metálicos de dicho conductor.
Pérdidas en el hierro:
Debido a las pérdidas en el circuito magnético, que está formado por un
núcleo de hierro. Pueden ser de dos tipos: pérdidas por histéresis, que
son debidas a la magnetización cíclica del hierro o pérdidas por corrientes
de Foucault, que se producen por las corrientes inducidas en el hierro.

Flujo de potencia activa en un motor de inducción trifásico.
La potencia instantánea suministrada a un dispositivo es simplemente el
producto del voltaje instantáneo a través de sus terminales multiplicado por
la corriente instantánea que fluye a través de él.
La potencia instantánea siempre se expresa en watts

Potencia activa, reactiva y aparente de un motor
Potencia activa,
reactiva y aparente
Se aplica a circuitos
de corriente alterna
Basados en el electromagnetismo,
como motores y transformadores
Coexisten estas potencia
Triángulo de potencias
El ángulo que forma la potencia
aparente y la activa se denomina coseno
de φ o "factor de potencia" y lo crea la
potencia reactiva.
> potencia reactiva, > será el
ángulo y menos eficiente será
el equipo al que le corresponda

Potencia activa, reactiva y aparente de un motor
La potencia activa representa la potencia útil, es la energía que se
aprovecha cuando ponemos a funcionar un equipo eléctrico y realiza un
trabajo. Es la consumida por todos los aparatos eléctricos que utilizamos
normalmente
La Potencia reactiva es la que consumen los motores, transformadores y
todos los dispositivos o aparatos eléctricos que poseen algún tipo de bobina
o enrollado para crear un campo electromagnético. consumen tanto
potencia activa como potencia reactiva. Su eficiencia de trabajo depende el
factor de potencia.
La potencia aparente o potencia total es la suma de la potencia activa y
aparente.

Triángulo de potencia
La relación S² = P² + Q² se representan mediante el llamado, triángulo de
potencias, es un triángulo rectángulo, en el cual. La potencia activa (P) se
sitúa en el cateto horizontal, la potencia reactiva (Q) en el cateto vertical y la
potencia aparente (S) en la hipotenusa.
Pot. Activa
+JQ
-JQ
Potencia Reactiva
La potencia aparente (S) se obtiene al
extraer la raíz cuadrada de la suma de los
cuadrados de la potencia activa (P) y de la
potencia reactiva (Q)
S = √P² + Q²

Triángulo de potencia
Del triángulo de potencias se obtiene las siguientes razones trigonométricas
Por consiguiente, despejando se tiene:
P= S . Cosφ y Q = S . sen φ
Q=PotenciaReactiva(kVAR)
φ
P = Potencia Activa (kW)

Ejemplo:
Un motor de corriente alterna absorbe 40 Kw. de potencia activa y 30 Kva.
de potencia reactiva. Calcule la potencia aparente suministrada al motor.
= √40² +30²
= 50 KVA
S = √P² + Q²
P Q S
S = 80 70
0 0
106
S=Potencia Aparente (kVA)
80
010
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100
P = Potencia Activa (kW)
Q=Potencia
Reactiva
(kVAR)
Serie1
Serie2

Una carga de 500 w y factor de potencia es de 0,76. Se desea mejorar el
factor de potencia a 0,93. En el banco de condensadores que se utilizará.
Ejemplo:
Datos:
P= 500 w
Cosφ ̄ ¹= 0,76 = 40,53°
Cosφ ̄ ¹= 0,93 = 21,56°
Sen40,53 = Q/S
Cos40,53 = P/S

5400
3769,22
5400
1575,00
0, 00,00
500,00
1000,00
1500,00
2000,00
2500,00
3000,00
3500,00
4000,00
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
serie 1 serie 2
W FP1 FP2 VTS
500 0,76 0,93 220
0 0 0 0
Q1
427,58
Cos¯¹
0,7074832
0 40,535802
Cos¯¹
0,3763835
S1 657,89 21,565185
S2 537,63
Q2 197,61
0 W 376,8
Qc 229,97
18237120
C
1,2610E-05 F
12,61 µF

* 100%out
in
P
P
h =
Rendimiento
La relación entre la potencia que desarrolla una máquina eléctrica
(potencia útil) y la potencia que absorbe se denomina rendimiento.
Será siempre menor que 1 porque la potencia útil es menor que la
potencia absorbida.
h = eficiencia [%]
Рsal = potencia de salida [W]
Рent = potencia de entrada [W]

Ejemplo:
Un motor eléctrico de 150 Kw. tiene una eficiencia de 92 % cuando opera a
plena carga. Calcule las pérdidas en la máquina.
Solución:
La capacidad de 150 Kw. siempre se refiere al rendimiento de potencia
mecánica del motor.
La potencia suministrada es:
Pin = Pout/η = 150/0.92 = 163 Kw.
Las pérdidas son:
Pin - Pout = 163 - 150 = 13 Kw.
* 100%out
in
P
P
h =
Rendimiento

La potencia que figura en las placas características son las potencias
nominales
POTECIA
NOMINAL DE UN
GENERADOR
POTECIA
NOMINAL DE UN
MOTOR
POTECIA
NOMINAL DE UN
TRANSFORMADO
R
Se expresa
normalmente en
kVA.
Se expresa
normalmente en
kVA.
Potencia Mecánica
disponible en el eje
de Salida. W ó Kw.

CLASIFICACIÓN
CLASIFICACIÓN POR NIVEL DE POTENCIA
• Micromáquinas.- Cuya potencia varía de décimas de watt hasta
500w. Estas máquinas trabajan tanto en C.A. como en C.C., así como
a altas frecuencias (400-200Hz).
• De pequeña potencia.-.0.5-10 kW. Funcionan tanto en c.a. como en
c.c .y, en frecuencia normal (50-60Hz ó más).
• De potencia media.- 10kW, hasta varios cientos de kW.
• De gran potencia.-Mayor de 100kW. Por lo general las máquinas de
media y gran potencia funcionan a frecuencia industrial.

CLASIFICACIÓN
• CLASIFICACIÓN POR FRECUENCIA DE GIRO
De baja velocidad : con velocidad menor de 300 r.p.m.;
De velocidad media : (300 - 1500 r.p.m.);
De altas velocidades : (1500 - 6000 r.p.m.);
De extra altas velocidades: (mayor de 6000 r.p.m.).

CARACTERÍSTICAS COMUNES DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
• Es necesario definir las características fundamentales de las máquinas
eléctricas:
1.Potencia
2.Tensión
3.Corriente
4.Factor de Potencia
5.Frecuencia
6.Rendimiento
7.El Campo Magnético

Ejemplo, Potencia en Circuito RL Serie.
• Una instalación eléctrica monofásica con cargas inductivas y resistivas,
se encuentra alimentada por 230Vac, con un consumo de 82 Amperios.
Presenta un factor de Potencia de 0.92.
• Calcular:
– La Potencia Aparente,
– La Potencia Real,
– La Potencia Reactiva.

Solución

Ejemplo
Necesitamos utilizar un motor de inducción trifásico de jaula de ardilla de
40 hp, 1760 r/min. y 440 V como generador asíncrono. La corriente nominal
del motor es de 41 A, y el factor de potencia a plena carga es de 84%.
a. Calcule la capacitancia requerida por fase si los capacitores están
conectados en delta.
b. ¿A qué velocidad debe funcionar el motor de gasolina propulsor para
generar una frecuencia de 60 Hz?
Fig. 1

La potencia aparente absorbida por la máquina cuando opera como motor
eléctrico es:
S = √3 x EI
= 1,73 x 440 x 41
= 31,2 KVA
La potencia Activa correspondiente absorbida es:
P = S Cosθ
= 31,2 x 0,84
= 26,2 KW
La potencia reactiva correspondiente absorbida es:
Q = √ S² - P²
= √ 31,2² - 26,2²
= 17 kvar
Ejemplo

Cuando la máquina opera como generador asíncrono, el banco de
capacitores debe suministrar por lo menos 17/3 = 5.7 kvar por fase. El
voltaje por fase es de 440 V porque los capacitores están conectados en
delta. Por lo tanto,
La corriente capacitiva por fase es
Ic = Q/E = 5700/440 = 13 A
La reactancia capacitiva por fase es:
Xc = E/I 440/13 = 34 Ω
La capacitancia por fase debe ser por lo menos
C = ½ x pfXc
= 1/(2 x 3.14159 x 60 x 34)
= 78 µF
Ejercicio

Ejercicio, Continuación.
La figura 1 muestra cómo está conectado el sistema de generación. Observe
que si la carga también absorbe potencia reactiva, se debe incrementar el
banco de capacitores para proporcionarla.
b. El motor de gasolina impulsor debe girar ligeramente por encima de la
velocidad síncrona. Por lo general, el deslizamiento deberá ser igual al
deslizamiento a plena carga cuando la máquina opera como motor eléctrico.
Por consiguiente, el motor de gasolina deberá funcionar a una velocidad
aproximada de
deslizamiento = 1800 - 1760
= 40 r/min
Por ello, el motor de gasolina deberá funcionar a una velocidad aproximada de:
n = 1800 + 40 = 1840 r/min

a. Instrumentos utilizados para medir E, I, P y Q en un circuito.
b. El diagrama fasorial se puede deducir de las lecturas del instrumento.
Ejemplo
Un vatímetro y un varímetro están conectados a una línea monofásica de
120 V que alimenta un motor ca. Indican 1800 W y 960 var, respectivamente.
Calcule.
a. Los componentes en fase y en cuadratura Ip e Iq.
b. La corriente de línea I.
c. La potencia aparente suministrada por la fuente.
d. El ángulo de fase entre el voltaje de línea y la corriente de línea.

Solución
De acuerdo a la figura, donde ahora la carga es un motor, tenemos
a. Ip = P/E = 1800/120 = 15 A
Iq = Q/E = 960/120 = 8 A
b. De acuerdo con el diagrama fasorial, tenemos
c. La potencia aparente es
S = EI = 120 x 17 = 2040 VA
d. El ángulo de fase φ entre E e I es
φ = arctan Q/P = arctan 960/1800
= 28.1°

Ejemplo
Se coloca un capacitor de 50 mF a través de las terminales del motor
Calcular
a. La potencia reactiva generada por el capacitor.
b. La potencia activa absorbida por el motor.
c. La potencia reactiva absorbida de la línea.
d. La nueva corriente de línea.

b. El motor continúa absorbiendo la misma potencia activa porque aún
está totalmente cargado. Por consiguiente,
Pm = 390 W
El motor también absorbe la misma potencia reactiva que antes, porque
nada ha ocurrido que cambie su campo magnético. Por consiguiente,
Qm = 456 var
c. El motor absorbe 456 var de la línea, pero el capacitor suministra 271 var
a la misma línea. Por lo tanto, la potencia reactiva neta absorbida de la
línea es:
QL = Qm – Qc
= 456 – 271
= 185 var
Continuación

d. La potencia aparente absorbida de la línea es:
Continuación
SL = √P² L + Q² L
= √ 390² + 185²
= 432 VA
La nueva corriente de línea es
IL= SL/E = 432/120
= 3,6 A

Por lo tanto, la corriente de línea de ca es de 5 a 3.6 A si se coloca el
capacitor en paralelo con el motor.
Esto representa una gran mejora porque la corriente de línea es menor y la
operación del motor no ha cambiado en lo más mínimo.
El nuevo factor de potencia de la línea es:
Continuación

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