máquinas electricas

MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Jorge Luis Jaramillo
Fundamentos de la Electricidad
PIET EET UTPL septiembre 2011

Créditos

Esta presentación fue preparada estrictamente como material de apoyo a la jornada presencial
del curso de Fundamentos de la Electricidad, del programa de Ingeniería en Electrónica y
Telecomunicaciones que se imparte en el Universidad Técnica Particular de Loja.

La secuencia de contenidos corresponde al plan docente de la asignatura, y, para la elaboración
se han utilizado aportes propios del docente, y, una serie de materiales y recursos disponibles
gratuitamente en la web.

Contenidos

•Transformadores
•Máquinas rotatorias
• Discusión y análisis

Contenido

•Transformadores

Transformadores
El primer sistema de distribución de energía
eléctrica fue diseñado por Edison en 1880. Se
diseñó en DC y de bajo voltaje, lo que originó un
alto porcentaje de pérdidas de energía.

La siguiente generación de sistemas de
distribución (que aún utilizamos) fue
introducida por Tesla, y, se basa en el uso de AC
cuyo voltaje se “eleva” o “reduce” a un nivel
conveniente a través de transformadores.

Un transformador es un dispositivo que
convierte un sistema de voltaje AC en otro
sistema AC de igual frecuencia.

El transformador tuvo su origen en los trabajos
de Faraday (1831), y, Yablochkov (1876).

Algo de historia

Transformadores
La invención del transformador puede atribuirse a Faraday, quien en 1831 lo utilizó para la
demostración de la inducción electromagnética.

En 1876, el ingeniero ruso Yablochkov, inventó un sistema de iluminación basado en “anillos de
inducción”, registrados como transformador.

En 1882, en Londres, Gaulard y Gibbs, fueron los primeros en exhibir lo que llamaron “generador
secundario”, idea vendida a la empresa Westinghouse. En Turín, en 1884, ellos presentaron esta
idea, acoplada en un sistema de iluminación.

En 1885, William Stanley, ingeniero de la Westinghouse, construyó el primer transformador
comercial luego de la compra de la patentes de Gaulard y Gibbs. La armadura se construyó de
placas de acero intercaladas, en forma de E. Este diseño se empezó a comercializar en 1886.

En 1885, lo ingenieros húnagaros Zipernowsky, Bláthy, y, Déri, crearon el eficiente diseño de
armadura cerrada "ZBD“, basados en los diseños de Gaulard y Gibbs. Esta patente permitió el uso
de los verdaderos primeros transformadores.

En 1889. el ingeniero ruso Dolivo-Dobrovolsky, desarrolló el primer trasnformador trifásico.

En 1891, Nikola Tesla inventó el “anillo de Tesla”, transformador de resonancia para alto voltaje de
alta frecuencia.

Algo de historia

Transformadores: Tipos y construcción

.

Un transformador esta constituido por varios “enrollados” de alambre alrededor de una
armadura magnética común.

Los enrollados no suelen estar conectados eléctricamente entre sí, pero si tienen un
referencia magnética común.

Consideraciones preliminares


.

Los transformadores tienen dos terminales. Uno de ellos, denominado primario, se
conecta a la fuente AC. En el otro, llamado secundario, se conectan las cargas.

Consideraciones preliminares

Tipos y construcción

Core form Shell form

Tipos de transformadores


Laminated steel cores
Toroidal steel cores

Tipo de laminado


Los transformadores de fuerza son utlizados en redes AC de alta tensión, y
entre otros, puede ser:

Unit transformer, es la unidad conectada en la salida de un generador y
utlizado como paso para levantar el voltaje desde el nivel de generación al
nivel de transmisión.

Substation transformer, es la unidad utilizada en una subestación para
adecuar el nivel de transmisión al nivel de distribución.

Distribution transformer, es la unidad que lleva el voltaje de distribución al
nivel más bajo.

Algunos transformadores de fuerza


Entre el voltaje del primario y el secundario se cumple que:

En dónde a, es el coeficiente de amplificación del transformador (turn ratio)

Transformador ideal

Contenido

•Máquinas eléctricas rotatorias

Máquinas eléctricas rotatorias

Clasificación


Principio de funcionamiento


Principio de funcionamiento: fuerza electromotriz


Colector de delgas Colector de anillos



Principio de funcionamiento: motor DC


Principio de funcionamiento: motor AC


Principio de funcionamiento: generador AC

Las máquinas eléctricas son convertidores electromecánicos capaces de transformar
energía desde un sistema eléctrico a un sistema mecánico o viceversa.

Flujo de energía como MOTOR

Sistema Maquina Sistema
Eléctrico Eléctrica Mecánico

Flujo de energía como GENERADOR

Conservación de la energía electromecánica


Conservación de la energía electromecánica


• Los generadores sincrónicos (síncronos) o alternadores son utlizados para
convertir energía mecánica (derivada del vapor, del gas, o de turbinas hidráulicas)
en energía eléctrica AC.

• Los generadores sincrónicos son la fuente principal de energía eléctrica
actualmente.

• Los motores sincrónicos se construyen para aplicaciones industriales que exigen
gran potencia y velocidad constante.

Máquinas sincrónicas


• Un generador sincrónico tiene dos partes activas:

• Un rotor , excitado por DC.
• Un estator con devanado trifásico, en el que una fuerza electromotriz
AC es generada.

• La manera en que las partes activas de una máquina sincrónica se enfrían,
determina su tamaño y su estructura.



Los generadores sincrónicos son de dos tipos:

• De polos salientes (salient-pole synchronous machine)

• De rotor cilíndrico o redondo (cylindrical or round-rotor
synchronous machine)



En aquellas turbinas hidráulicas que giran a baja velocidad (entre 50 y 300 rpm), se
requiere de un gran número de polos en el rotor.

d-axis

N Non-uniform
air-gap
D  10 m

q-axis S S

Turbine
N
Hydro (water)

Hidrogenerador de polos salientes



Hidrogenerador de polos salientes



Turbine D1m

L  10 m
Steam d-axis
Stator winding

Estas máquinas son de alta N
Uniform air-gap
velocidad: 3600 rpm para 2 polos,
y, 1800 rpm para 4 polos. Stato
r
Los conductores se enfrían con
q-axis Rotor winding
hidrógeno o con agua.
Generan sobre los 2000 MVA Rotor

S
Turbogenerador de rotor cilíndrico



Turbogenerador de rotor cilíndrico



• El rotor del generador es accionado por un motor primario

• Una corriente continua que fluye en el devanado del rotor, produce un
campo magnético que rota dentro de la máquina

• El campo magnético rotatorio induce una tensión trifásica en el estator
del generador

Puesta en marcha



La frecuencia eléctrica del sistema de voltaje producido, está bloqueada o
sincronizada con la velocidad mecánica de rotación del generador síncrono, a
través de la expresión:

P nm
fe 
120

En dónde,
fe , es la frecuencia eléctrica, Hz
P , es el número de polos del generador
nm , es la velocidad del rotor, rpm

Frecuencia del voltaje generado


El voltaje generado esta dado por la expresión:

E  Kc  fe
En dónde,
Ф, es el flujo en la máquina (función de If)
fe , es la frecuencia eléctrica
Kc, , es una constante constructiva de la máquina sincrónica

La relación entre el voltaje generado y la corriente de excitación If, se conoce como
característica de saturación del generador:

E

Voltaje generado

If

Regulación del voltaje
Una forma práctica de comparar el comportamiento de la tensión generada por dos
máquinas sincrónicas, es a través de la comparación del factor denominado
regulación de voltaje (VR).

El VR de un generador síncrono para una determinada carga, factor de potencia, y,
velocidad nominal, se define como:

Enl  V fl
VR  100%
V fl
En dónde,
Vfl , es la tensión a la salida del generador a full carga
Enl, (equivalente a Ef) es la tensión en los bornes sin carga (tensión interna), a
velocidad nominal, cuando se quita la carga sin necesidad de cambiar el campo
actual.

En los generadores con factor de potencia rezagados, el VR es altamente positivo.
Para factores de potencia medios, VR es positivo, y, para factores de potencia altos, el
VR es negativo.


Varios generadores pueden alimentar una carga más grande, que la que se
alimentaría de una sola máquina. Varios generadores funcionando en conjunto,
incrementan la confiabilidad del sistema.

Varios generadores actúan simultáneamente conectados en paralelo. Para que dos
generadores trabajen en paralelo, deben estar sincronizados.

Un generador se dice sincronizado, si cumple todas las condiciones siguientes:

• Deben de ser iguales los voltajes de línea rms.
• Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase.
• Los ángulos de fase de los dos fases deben de ser iguales.
• La frecuencia del generador nuevo, llamado generador en aproximación, debe ser un
poco mayor que la frecuencia del sistema en operación.

Sincronización



a

b Load
Generator 1

c

Switch

a/

b/
Generator 2

c/

Sincronización



• Un motor síncrono, físicamente es la misma máquina que un generador, salvo que
la dirección del flujo de potencia se invierte.

• Los motores síncronos se utilizan para convertir energía eléctrica en mecánica.

• Los motores síncronos habituales se fabrican para la industria pesada, en potencias
de entre 150 KW (200HP) y 15 MW (20000HP), y, tienen velocidades de giro de
entre 150 a 1800 rpm.

• Los motores síncronos se utilizan generalmente en tamaños grandes, porque en
tamaños pequeños son más costosos en comparación con las máquinas de
inducción.

• El factor de potencia de la máquina sincrónica se puede controlar muy fácilmente
mediante el control de la corriente de campo.

Motores sincrónicos



Se alimenta el rotor de un motor síncrono con DC, de tal manera que se produzca un
campo magnético en estado estacionario BR.

Se aplica una tensión trifásica al estator del motor, lo que produce un flujo de corriente
trifásica en las bobinas. Esta corriente origina en el devanado del estator, un campo
magnético uniforme rotacional de magnitud Bs.

Por lo tanto, en el motor están presentes dos campos magnéticos, y, el campo del rotor
tenderá a alinearse con el campo del estator, así como dos imanes tienden a alinearse si se
colocan uno junto al otro.

Puesto que el campo magnético del estator está girando, el campo magnético del rotor (y el
propio rotor) va a empezar a girar.

Cuanto mayor sea el ángulo entre los dos campos magnéticos (hasta cierto límite), mayor
será el torque en el rotor de la máquina.

Principio de operación



Esquema de un motor asincrónico

Máquinas asincrónicas


Como ocurre en los motores DC, en los motores AC la corriente circula por la espira, y,
genera un par en el bobinado. Dado que la corriente es alterna, el motor girará
suavemente a la frecuencia de la forma senoidal.

El más común de los motores AC es el motor de inducción, en el que la corriente eléctrica
es inducida en los bobinados del rotor, antes que alimentada directamente.

Alrededor del 65% de la energía eléctrica en EEUU es consumida por motores eléctricos.
En la industria, alrededor del 75% de energía eléctrica es consumida por motores, de los
cuales el 90% de ellos son de inducción.


Estos motores asincrónicos no precisan de
un campo magnético en el rotor,
alimentado con CD como en el motor CD
o el motor síncrono.

Una fuente de CA (trifásica o monofásica)
alimenta al estator.

El estator está constituido por un núcleo,
en cuyo interior existen p pares de
arrollamientos colocados simétricamente
en un ángulo de 120º. Estos son sometidos
a AC, y, los polos del estator se trasladan
continuamente creando un campo
giratorio.



Campo
magnético
rotatorio de un
sistema bifásico




Campo
magnético
rotatorio de un
sistema trifásico




La densidad de flujo distribuida senoidalmente, generada por las corrientes del estator,
realizan un barrido en los conductores del rotor, y, generan una tensión inducida en ellos.
El resultado es un conjunto de corrientes distribuidas sinusoidalmente en las barras
cortocircuitadas del rotor.

Esto induce una corriente muy elevada en las barras del rotor, que apenas ofrecen
resistencia, pues están cortocircuitadas por los anillos finales.
El rotor desarrolla entonces sus propios polos magnéticos, que se ven (por turnos)
arrastrados por el campo magnético giratorio del estator.



El campo magnético giratorio origina un flujo que induce corrientes en el rotor que
interactúan con el campo magnético del estator. En cada conductor se produce una
fuerza F=ilB , que da lugar al par del motor.




Velocidad y deslizamiento


La velocidad del flujo en el estator, o velocidad de sincronismo, se determina como:

60  f f
ns   120 rpm
pp p




El rotor intenta seguir en su movimiento al campo magnético del estator girando
a velocidad nr (n).

La velocidad de giro nr (n) sólo se aproxima a ns, cuando el motor está en vacío,
sin carga en el eje.

A medida que se carga el motor, este disminuye su velocidad girando a nr (n) <
ns.



Se conoce como deslizamiento a la diferencia
s n entre la velocidad de sincronismo y la velocidad
ns
de giro.
0

n  ns  n  s  
s max s   
ns s ns s

 n  ns  n  f (Tload )
1
Tst Tmax Torque
La velocidad del motor para máxima carga, se
determina como:

Velocidad y deslizamiento f
n  ns  (1  s)  120   (1  s) (rpm)
p



De acuerdo a la forma de construcción del rotor, los
motores asincrónicos se clasifican en:

• Motor asincrónico tipo jaula de ardilla

• Motor asincrónico de rotor bobinado

Clasificación


Construcción del motor asincrónico tipo jaula de ardilla


Construcción del motor asincrónico de rotor bobinado


Núcleo estator Bobinado en las
ranuras

Núcleo rotor Jaula de ardilla
en ranuras rotor

Entrehierro

VISTA AXIAL DE UN MOTOR DE
INDUCCIÓN

Funcionamiento como generador

Si rotor gira a una velocidad superior a la velocidad del campo magnético giratorio del
estator, el rotor inducirá una gran corriente en el estator.

Cuanto más rápido gire el rotor, mayor será la potencia transferida al estator en forma de
fuerza electromagnética.

www.windpower.org



Máquinas DC

N

F I

Brush F
V
Armature Rotor
windings 

F

S

http://e-www.motorola.com/collateral/MOTORTUT.html
Máquinas DC

Los distintos modos de conectar los arrollamientos de excitación de los motores de
corriente continua constituyen la base para poder modificar ampliamente las formas de
funcionamiento de estos motores. Según sea la conexión elegida, los motores reciben
nombres especiales.
A continuación se exponen los sistemas de excitación más utilizados en la práctica:
• excitación por imanes permanentes.
• excitación independiente.
• auto excitación.
• excitación serie.
• excitación paralelo.
Tipos de excitación
• excitación compuesta.

Máquinas DC

Excitación independiente
Va
Td I a E

If

W
Zona de Par constante Zona de Potencia constante

Reg. Por tensión Regulación por reducción de
campo
V ex = R ex  I ex
E = K v    I ex
V a = R a  I a + E = R a  I a + K v    I ex
M d = K t  I ex  I a = B   + M L

Máquinas DC


Se puede modificar la velocidad actuando sobre la alimentación de los devanados del
motor.

Una opción consiste en modificar el flujo de excitación que crea el inductor, es decir, Vf, así,
cambiará la velocidad y el par. Como los cambios de la velocidad y el par tienen tendencia
contraria, la potencia, puede permanecer constante. (Regulación de campo o de potencia
constante).

Otra opción consiste en mantener el flujo de excitación que crea el inductor y variar la
tensión del inducido Va, en este caso se modificara la velocidad ya que la corriente de
armadura Ia permanece prácticamente constante. El par permanecerá constante al no variar
la corriente de armadura pero la potencia proporcionada variara como consecuencia del
cambio en la velocidad. (Regulación del inducido o de par constante).

Control de velocidad

Máquinas DC

Frecuencia Cuadrante de
Circuito Tipo
de rizado funcionamiento

Media onda 3fs

semiconvertidor 6fs

Convertidor
Totalmente 6fs
controlado

Convertidor
6fs
dual

Variadores monofásicos/ trifásicos CA/CC

Troceador Configuración Cuadrante funcionamiento

Tipo A

Tipo B

Troceadores o choppers CC/CC

Troceador Configuración Cuadrante funcionamiento

Tipo C

Tipo D

Tipo E

Troceadores o choppers CC/CC

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