máquinas eléctricas - Universidade de Vigo
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PROGRAMA DOCENTE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 5º DE ELECTROTECNIA Profesor : Bernardino Novo Ramos Código da materia Nome da materia Tipo materia (libre elección, optativa, obrigatoria, troncal) Alumnos novos Alumnos totais Créditos aula/grupo (A) Créditos laboratorio/grupo (L) Créditos prácticas/grupo (P) Número grupos Aula Número grupos Laboratorio Número grupos Prácticas Anual /Cuatrimestral Departamento Área de coñecemento 3041005240 Maquinas eléctricas Obrigatoria 21 3 0 1 1 0 Anual Enxeñería Eléctrica Enxeñería Eléctrica PROFESORADO DA MATERIA Nome profesor/a Código Créditos (indicando A, L ou P) Lugar e Horario Tutorías Bernardino Novo Ramos 0766 21A + 3L Despacho 245. Luns e xoves de 10 h a 12 h. CONTENIDOS: TEMARIO TEÓRICO RESUMIDO: PRIMERA PARTE: INTRODUCCIÓN A LA MÁQUINA ELÉCTRICA [5 semanas] I.1.- Concepto de máquina eléctrica. ................................................................................. 2 horas I.2.- Tipos de máquinas ..................................................................................................... 5 horas I.3.- Balance de potencia en una máquina eléctrica ........................................................... 3 horas I.4.- Rendimiento. Calentamientos. Protección. ................................................................ 5 horas I.5.- Circuito eléctrico y conversión de energía ............................................................. . 10 horas SEGUNDA PARTE: TRANSFORMADORES [7 semanas] T.1.- Introducción .............................................................................................................. 5 horas T.2.- Transformador monofásico de potencia .................................................................. 10 horas T.3.- Transformadores trifásicos...................................................................................... . 8 horas T.4.- Autotransformadores. ............................................................................................ 1.5 horas T.5.- Regulación de tensiones ......................................................................................... 1.5 horas T.6.- Transformadores especiales. ..................................................................................... 3 horas T.7.- Transformadores de medida y protección ................................................................. 6 horas TERCERA PARTE: MÁQUINA ASÍNCRONA MA.1.MA.2.MA.3.MA.4.MA.5.MA.6.MA.7.MA.8.- Conceptos generales ............................................................................................ 2 horas Diagrama eléctrico equivalente y balance de potencias. .................................... 10 horas El funcionamiento del motor asíncrono ............................................................... 3 horas Arranque de motores asíncronos. ......................................................................... 4 horas Variación de velocidad ........................................................................................ 5 horas Control vectorial de las máquinas asíncronas ...................................................... 6 horas Motores monofásicos .......................................................................................... 3 horas Motores de ejecución especial ............................................................................. 2 horas CUARTA PARTE: MÁQUINA SÍNCRONA MS.1.MS.2.MS.3.MS.4.MS.5.MS.6.MS.7.MS.8.MS.9.- [7 semanas] [6 semanas] Conceptos básicos. ............................................................................................... 2 horas Funcionamiento en vacío y en carga .................................................................... 2 horas Análisis vectorial. ................................................................................................. 4 horas Regulación en alternadores ................................................................................... 2 horas El generador síncrono en funcionamiento. .......................................................... 3 horas Funcionamiento en paralelo de las máquinas síncronas ....................................... 5 horas Análisis del cortocircuito. Transitorio. ................................................................. 3 horas El motor síncrono. ................................................................................................ 2 horas Motores “síncronos” de ejecución especial .......................................................... 7 horas QUINTA PARTE: MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA MCC.1.MCC.2.MCC.3.MCC.4.MCC.5.MCC.6.MCC.7.MCC.8.MCC.9.MCC 10 [4 semanas] Constitución y principio de funcionamiento...................................................... 1 horas Devanados de inducido...................................................................................... 2 horas F.e.m. y par ........................................................................................................ 2 horas Reacción de inducido ........................................................................................ 1 horas Conmutación ..................................................................................................... 2 horas Generadores de c.c ............................................................................................ 1 horas Motores de c.c. .................................................................................................. 3 horas Arranque y frenado ............................................................................................ 3 horas Control manual y electrónico de la velocidad. .................................................. 3 horas Motores de corriente continua especiales .......................................................... 2 horas TEMARIO DE PRÁCTICAS : Práctica I.1: Introducción al laboratorio: Circuitos de mando y control Práctica inicial donde se introduce al alumno en el conocimiento de las partes principales de los circuitos de control de motores. Pulsadores, relés, contactores, interruptores, etc. son algunos de los dispositivos que se utilizarán en esta práctica. Práctica T.1: Determinación de los parámetros del circuito equivalente de un transformador monofásico. Se pretende determinar los parámetros del circuito equivalente del transformador: Rcc, Xcc, Rfe y Xm, para lo cual el alumno ha de realizar los ensayos de vacío y cortocircuito. Práctica T.2: Comportamiento del transformador monofásico en carga. Se conectará el transformador a cargas de diversa magnitud y factor de potencia de forma que el alumno visualice la regulación en bornes del transformador. La práctica exige la utilización de las fórmulas aprendidas en la teoría para validar los resultados. Práctica T.3: Transformador trifásico. Circuito equivalente. Se pretende determinar los parámetros del circuito equivalente del transformador: Rcc, Xcc, Rfe y Xm, para lo cual el alumno ha de realizar los ensayos de vacío y cortocircuito. Puesto que el ensayo es sobre transformadores trifásicos, se realizarán los ensayos para distintas conexiones en los devanados primarios y secundarios y se validarán los resultados. Práctica T.4: Comportamiento del transformador trifásico en carga. Se conectará el transformador trifásico a cargas de diversa magnitud y factor de potencia de forma que el alumno visualice la regulación en bornes del transformador. La práctica exige la utilización de las fórmulas aprendidas en la teoría para validar los resultados. Práctica T.5: Índices horarios. Se exigirá al alumno la consecución de determinados índices horarios mediante la conexión adecuada de las bobinas del transformador. Se validaran los resultados con un osciloscopio. Sobre una determinada conexión se analizará el comportamiento del transformador ante el corrimiento de fases y la alimentación con secuencia inversa Práctica T.6: Comportamiento de los grupos de conexión ante cargas desequilibradas. Se conectará el transformador a cargas monofásicas fase-fase y fase-neutro y se verá el comportamiento de los distintos esquemas de conexión: estrella-estrella, estrella-triángulo y estrella-zigzag. Práctica MA.1: Determinación de los parámetros del circuito equivalente de una máquina asíncrona. Se determinar los parámetros Rcc, Xcc, Rfe y Xm correspondientes al modelo de una máquina asíncrona, para lo cual el alumno ha de realizar los ensayos de vacío y de rotor parado. Puesto que el ensayo se realiza sobre máquinas trifásicas se efectuarán los ensayos para distintas conexiones en los devanados del estator (estrella o triángulo). Práctica MA.2: Estudio comparativo de los diversos métodos de arranque de la máquina asíncrona. Con ayuda de contactores, resistencias, autotransformadores, etc. se realizarán arranques de la máquina asíncrona y se compararan resultados. También se utilizarán arrancadores suaves y variadores v/f. Práctica MA.3: Estudio comparativo de los diversos métodos de frenado de la máquina asíncrona. Se realizarán frenados a contramarcha, con corriente continua en el estator y mediante variación del número de pares de polos para así poder analizar los distintos comportamientos del motor en todos los casos. Práctica MA.4: Consecución de las características de funcionamiento de la máquina asíncrona. Variando el par resistente de la máquina asíncrona desde 0 al par nominal se determinarán las curvas características del funcionamiento del motor asíncrono. Por ejemplo: I línea = f (P eje); cos (fi) = f (P eje); rendimiento = f (P eje), etc... Práctica MA.5: Los variadores de tensión. En función del variador existente en el laboratorio, e instruyendo anteriormente al alumno sobre sus posibilidades, se le exigirá que realice una programación adecuada del mismo para conseguir un funcionamiento determinado. El alumno habrá de consultar el libro de instrucciones del variador hasta encontrar y realizar las operaciones necesarias para la correcta realización de la práctica Práctica MA.6: Generación asíncrona. Se realizará una generación asíncrona utilizando como par motor el cedido por un motor asíncrono controlado por un variador de frecuencia por encima de la frecuencia síncrona. Se analizarán los valores obtenidos de las potencias activas y reactivas. Práctica MS.1: Curva de vacío de la máquina síncrona Se pretende determinar la característica de vacío en la que el alumno diferenciará el funcionamiento en zona lineal y en saturación. La máquina síncrona se mantendrá a la velocidad síncrona con ayuda de un motor asíncrono y un variador de velocidad Práctica MS.2: Cálculo de la reactancia síncrona saturada y no saturada. De la característica de vacío y del resultado de la realización del ensayo de cortocircuito, el alumno está en disposición de determinar gráficamente la reactancia síncrona no saturada y los distintos valores de la misma para cada situación de saturación. Práctica MS.3: Cálculo de las reactancias de eje directo y en cuadratura. Se pretende determinar el valor de las reactancias de eje directo y transversal en el caso de máquinas síncronas de rotor de polos. Se realizará el ensayo de deslizamiento y con ayuda de osciloscopios se calcularán las reactancias Práctica MS.4: Sincronización. En esta práctica el alumno realizará la sincronización de un generador con la red utilizando los métodos de lámparas encendidas y apagadas, luces giratorias y osciloscopio. Práctica MS.5: Funcionamiento de un generador síncrono sobre una red de potencia infinita. Con el generador acoplado a la red se variarán la potencia en el eje y la intensidad de excitación de forma que el alumno pueda comprobar el distinto comportamiento de intensidades y potencias ante estas variaciones. Práctica MS.6: Determinación de las curvas en V de Mordey para el motor síncrono. Una vez sincronizado el motor se le cargará con distintos pares resistentes y para cada uno de ellos, se realizarán ensayos para distintas intensidades de excitación comprobando el comportamiento del motor sobre la red en cada caso. Práctica MS.7: El motor síncrono como compensador de reactiva. Una vez sincronizado el motor se le cargará con distintos pares resistentes y variando la intensidad de excitación se comprobará la posibilidad de compensar distintas cantidades de potencia reactiva. Práctica CC.1: Estudio comparativo de los diversos métodos de arranque de la máquina de corriente continua Con ayuda de contactores, resistencias, autotransformadores, etc. se realizarán arranques del motor de corriente continua y se compararan resultados. Se utilizarán arrancadores directos, con resistencias, a tensión reducida, etc... Práctica CC.2: Estudio comparativo de los diversos métodos de variación de velocidad de un motor de corriente continua. Con ayuda de contactores, resistencias, autotransformadores, etc. se variará la velocidad de la máquina ya sea actuando sobre la corriente del rotor o sobre el campo del estator. Se analizarán los distintos comportamientos de las maquinas de excitación serie y derivación. Práctica CC.3: Estudio comparativo de los diversos métodos de frenado de la máquina de corriente continua. Con ayuda de contactores, resistencias, autotransformadores, etc. se realizarán frenados dinámicos y regenerativos para maquinas serie y derivación. El alumno ha de ser consciente de la necesidad de invertir conexiones en el caso que fuese necesario. También se realizarán inversiones de sentido de giro. Práctica CC.4: Determinación de las curvas de funcionamiento del motor derivación. Variando el par resistente de la máquina de corriente continua desde 0 al par nominal se determinarán las curvas características del funcionamiento del motor de excitación derivación. Práctica CC.5: Determinación de las curvas de funcionamiento del motor serie. Variando el par resistente de la máquina de corriente continua desde el par nominal hasta pares pequeños resistentes se calcularán las curvas características del funcionamiento del motor serie. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: CORTES CHERTA, M. CURSO MODERNO DE MAQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS .(5 tomos) . Editores Técnicos Asociados, 1970 RAS OLIVA, Enrique TRANSFORMADORES DE POTENCIA, DE MEDIA Y DE PROTECCIÓN . Ed. Marcombo, 1975. MÉTODO DOCENTE: La docencia de teoría y problemas se llevará a cabo principalmente en el aula utilizando la pizarra y transparencias. Ocasionalmente se harán clases multimedia que familiaricen al alumno con el uso de programas comerciales, catálogos de productos, fotografías y/o páginas web. Para esto se utilizará un proyector de ordenador o se trasladará a los alumnos a alguna de las aulas informáticas del centro. La docencia de laboratorio tendrá lugar en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas Clásicas utilizando el material disponible (motores, controles , ordenadores, etc.....) SISTEMA DE VALIDACIÓN: Número de probas parciais: El curso se subdividirá en tres parciales con sus correspondientes exámenes. Cada uno de ellos constará de dos partes: teoría y problemas y la nota final será una media ponderada en función de la importancia relativa de las partes en cada parcial. La nota final será la suma de las notas totales de los parciales dividida entre 3. El primer parcial abarcara los temas: Introducción a las máquinas eléctricas y Transformadores El segundo parcial abarcara los temas: Máquinas Asíncronas El tercer parcial abarcará los temas : Máquinas Síncronas y máquinas de Corriente Continua Tipo de Avaliacións: Avaliación da docencia de Aulas: Será necesario aprobar los parciales o el examen final Realización adecuada de trabajos propuestos Avaliación da docencia de Laboratorios: Las prácticas serán obligatorias y se validarán en el instante de su realización OUTROS DATOS DE INTERÉS: Programa desarrollado PRIMERA PARTE: INTRODUCCIÓN A LA MÁQUINA ELÉCTRICA. I.1.- CONCEPTO DE MÁQUINA ELÉCTRICA. - Concepto de máquina eléctrica. - Principios de la transformación electromagnética. - Principios de la conversión electromecánica. - Reglas directas sobre los sentidos que intervienen en la conversión. - Expresión fundamental de la f.e.m. - Fuerza sobre un conductor recorrido por una corriente continua y situado en un campo magnético. COMENTARIO: Este tema es el primer tema de la asignatura y en él se introducirán los principios fundamentales de la transformación electromagnética. Se centrará la materia explicando como conseguir energía mecánica a partir de la energía eléctrica: transformación electro-mecánica (Biot-Savart) así como lo opuesto: transformación electromagnética ( Faraday, Lenz ). Además se definirán las magnitudes magnéticas básicas que se utilizarán el resto del curso y también las características típicas de los distintos materiales magnéticos: flujo, intensidad de campo, densidad de flujo, permeabilidades, etc. El alumno ya trae conocimientote magnetismo de la asignatura “Campos y Ondas” del tercer curso de la carrera, pero es conveniente introducir un pequeño recordatorio donde además se particulariza el uso del electromagnetismo para el caso del estudio de las máquinas. I.2.- TIPOS DE MÁQUINAS - Evolución del circuito magnético de la máquina elemental. - Detalles constructivos. Partes principales - Principio de reversibilidad. - Tipos de máquinas: - Máquinas síncronas. - Máquinas de corriente continua. - Máquinas de inducción: Máquinas asíncronas. - Máquinas de colector. COMENTARIO: Una vez conocidas las ecuaciones básicas de las conversiones electro-magnética y mecánica, se presentará la aplicación de ellas al movimiento rotacional introduciendo conceptos relacionados como: conductor, espira, bobina y devanado, rotor y estator, etc. También se distinguirá entre bobinas (conductores) creadoras de campo eléctrico (inductor) y bobinas (conductores) soporte de campo eléctrico (inducido). Todos los fenómenos electromagnéticos y electromecánicos se relacionarán con el principio de reversibilidad. En función de qué tipo de corriente (alterna o continua) recorra los devanados de la máquina (inductor o inducido) y su lugar en la misma (rotor o estator) se hará una primera clasificación general de los principales tipos de máquinas existente donde se adelantarán los principios básicos de su funcionamiento. I.3.-BALANCE DE POTENCIA EN LA MÁQUINA ELÉCTRICA - Balance de potencia en una máquina eléctrica. Pérdidas - Pérdidas en el hierro - Pérdidas por histéresis. - Pérdidas por corrientes de Foucault. - Pérdidas por efecto Joule. - Pérdidas por caída de tensión en las escobillas. - Pérdidas mecánicas - Pérdidas adicionales. COMENTARIO: Si bien la configuración de las distintas máquinas modifica su forma de funcionamiento el estudio de las pérdidas es general para todas ellas. En el estudio de pérdidas se tratan principalmente las pérdidas en el hierro y en el cobre. En el estudio de las pérdidas en el hierro se diferenciarán las producidas por el ciclo de histéresis de las producidas por las corrientes de Foucault. Se introduce el concepto de “chapa magnética” y se estudian también las llamadas “pérdidas adicionales que incluyen los aumentos de pérdidas en el hierro por reacción de inducido y armónicos de campo y los aumentos de pérdidas en el cobre por el efecto pelicular. Debido a éste se presenta la “transposición” de los conductores en las ranuras. Todas las pérdidas serán cuantificables mediante ecuaciones. También se estudiarán las pérdidas por rozamientos, en la ventilación, etc. I.4.- RENDIMIENTO. CALENTAMIENTOS. PROTECCIÓN - Rendimiento. - Variación del rendimiento con la carga. - Rendimiento máximo. - Calentamiento y enfriamiento de las máquinas eléctricas rotativas. - Clases de servicios en las máquinas eléctricas. - Aislamientos de máquinas eléctricas. (IC) - Grados de protección mecánica en las máquinas eléctricas. (IP) .-Formas de montaje. (IM) - Identificación de las características de una máquina eléctrica. (IEC—NEMA); COMENTARIO: Conocidas las características de las posibles pérdidas en la máquina eléctrica se introduce en este tema el concepto de rendimiento, su fórmula y las dependencias con las magnitudes de la máquina. El alumno aprenderá la fórmula básica del rendimiento de una máquina eléctrica y a diferenciar entre pérdidas fijas y variables dependiendo de la máquina en estudio. Como todas las pérdidas producen calor se presentan las curvas y ecuaciones de calentamiento y enfriamiento de las máquinas y relacionado con esto, las clases de servicio y los tipos de aislamiento. Posteriormente se explica el significado de los distintos IPs e IMs de la máquina, de forma que el alumno ya está en disposición de identificar las características propias de una máquina en función de los datos proporcionados por su placa característica. Ésta se estudia en profundidad y se comparan placas IEC-NEMA para identificar similitudes. I.5.- CIRCUITO ELÉCTRICO Y CONVERSIÓN DE ENERGÍA. - Circuito eléctrico - Bobina elemental y paso de bobina - Devanados monofásicos y polifásicos - Devanados simples y de doble capa - Bobinas bipolares y monopolares. - Fuerzas magnetomotrices - Campo creado por un devanado monofásico concentrado de paso diametral. - Factores de distribución y de acortamiento de paso. - Factor de inclinación de ranuras. - Amplitud de la onda de f.m.m. - Producción de campos giratorios mediante devanados polifásicos - Teorema de Leblanc. Aplicación a la máquina trifásica - Campos giratorios por armónicos de f.m.m. - Fuerzas electromotrices - F.e.m. inducida. - Factores de distribución y de paso. - Factor de inclinación de ranuras. - Forma de la onda de tensión. - Reducción de armónicos. COMENTARIO: Dentro de la introducción a las máquinas eléctricas, y después de presentar al alumno aspectos constructivos generales, y enseñarle como identificar distintos tipos de máquina, y sus particularidades, este tema mostrará al alumno la forma de generar campo magnético y fuerza electromotriz. Es de vital importancia que esta parte de la asignatura se comprenda de forma clara y precisa pues se va a utilizar a la hora de la explicación de cada máquina en particular. Se presentarán conceptos constructivos como: pasos de bobina, bobinas de paso diametral, acortado o alargado, relación entre ángulo geométrico y ángulo eléctrico, devanados simple y doble capa, etc. Posteriormente se ven las diferencias entre devanados ondulados e imbricados y entre devanados de alterna y de continua. Sin profundizar excesivamente en el tema (puesto que todavía tendrán una asignatura de “Cálculo y construcción de máquinas” en 6º curso) el alumno ha de entender el “¿cómo?” y el “¿porqué?” de la distribución de los conductores dentro de la máquina eléctrica. Una vez el alumno entienda la constitución física de los devanados se le enseña la forma y valor de la fuerza magnetomotriz creada por un devanado complejo partiendo del estudio de una bobina simple de paso diametral e introduciendo los conceptos de devanados distribuidos, de paso acortado y de ranuras inclinadas, con sus correspondientes formulaciones hasta poder definir el factor de devanado. Cuando se sabe calcular el campo creado por una determinada disposición constructiva de un devanado, se presenta el caso particular de las máquinas trifásicas: teorema de Leblanc y campos giratorios. El estudio se presenta para el campo fundamental y los distintos armónicos El mismo proceso, pero desde el punto de vista de la bobina soportando variación de campo, se utiliza en la explicación de la f.e.m. inducida en los distintos tipos de devanados. Se introducen conceptos como el factor de forma y el coeficiente de Kapp y se distingue entre f.e.m. creada por pulsación del campo y f.e.m. creada por rotación del campo. SEGUNDA PARTE: TRANSFORMADORES T.1.- INTRODUCCIÓN - Conceptos generales sobre transformadores. - Relaciones fundamentales del transformador. - Objeto del transformador. - Tipos y clasificación de los transformadores. - Refrigeración de los transformadores. - Protección de los transformadores (relés Bucholz, DGPT, etc.) - Potencia nominal de un transformador. Placa característica COMENTARIO: En la introducción a la segunda parte de la asignatura se presenta una definición general del transformador, sus ecuaciones básicas y su importancia en el sistema eléctrico. Además, se detallan una serie de clasificaciones en función de los distintos tipos de transformadores existentes en el mercado (secos, baño de aceite, llenado integral, herméticos, encapsulados, etc...). También se realiza un estudio detallado de las diversas características constructivas de los transformadores donde el alumno se familiarizará con el núcleo magnético y los distintos tipos de devanados (espiral, folio, etc...) Se estudiará también la forma de caracterizar la refrigeración y los mecanismos más típicos de protección interna de esta máquina. A continuación se definirá el concepto de potencia nominal y se enseñará al alumno a entender el significado de los datos escritos en una placa característica típica de los transformadores. T.2.- TRANSFORMADOR MONOFÁSICO DE POTENCIA - Principio de funcionamiento del transformador monofásico. - Transformador ideal. - Constitución del transformador monofásico. - Transformador monofásico ideal en vacío. - Transformador ideal con pérdidas en el hierro. - Transformador en vacío con resistencia R1 y pérdidas en el hierro. - Transformador real en vacío. - Ensayo en vacío. - Diagrama vectorial del transformador en carga. - Reducción de un arrollamiento a otro. - Circuito equivalente del transformador. - Ensayo del transformador en cortocircuito. - Corriente de cortocircuito. - Corriente de conexión de un transformador. - Pérdidas de potencia. - Rendimiento del transformador. - Caída de tensión en un transformador - Determinación de las caídas de tensión por método analítico. - Determinación de las caídas internas de tensión por el método gráfico (método de Kapp). - Influencia del cos () en la caída interna de tensión. Efecto Ferranti - Trabajo en paralelo de transformadores monofásicos. COMENTARIO: El estudio del transformador monofásico de potencia es de vital importancia para un correcto entendimiento de cualquier tipo de transformador. El proceso educativo parte del estudio de un transformador ideal (sin pérdidas) al que se le van añadiendo elementos reales que hacen variar su comportamiento (resistencias de devanados, reactancias de dispersión, pérdidas en el hierro, etc.). Una vez obtenido un modelo completo, se realizarán los diagramas vectoriales que representan al transformador así como el circuito eléctrico equivalente .En esta introducción al funcionamiento real se analizará en detalle la corriente de vacío. Para el estudio anterior se suponían conocidos ciertos valores (R, X) que mediante la realización de una serie de ensayos se podrán calcular de forma precisa, Estos ensayos, de vacío y cortocircuito, se explicarán de forma clara y se realizarán de forma práctica en el laboratorio. También en el estudio del transformador monofásico se enseña el método de cálculo de la caída interna de tensión (Kapp) y sus dependencias con la magnitud y el ángulo de la carga. Otro apartado de este tema tratará el cálculo de rendimientos del transformador y la definición de las condiciones de rendimiento máximo del mismo. Por último, se estudiarán las condiciones “óptimas” y “adecuadas” de trabajo en paralelo de varios transformadores. No sólo es importante que en paralelo los transformadores tengan la misma relación de transformación, sino que además, es preciso explicar que condiciones han de cumplirse para que transformadores de distintas potencias nominales funciones correctamente en caso de reparto de cargas. T.3.- TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS - Transformadores trifásicos. Justificación. - Bancos trifásicos. - Núcleos trifásicos. - Ventajas del núcleo trifásico sobre el banco trifásico. - Métodos de conexión de los devanados del transformador trifásico. - Conexión en estrella. - Conexión en triángulo. - Conexión en zig-zag. - Transformador trifásico en régimen equilibrado. - Ensayo en vacío. - Ensayo en cortocircuito. - Circuito equivalente. - Desfases en el transformador trifásico. - Forma de nombrar una conexión. - Distintos tipos de conexiones. - Aplicaciones de las distintas conexiones. - Funcionamiento del transformador alimentando cargas desequilibradas. - Trabajo en paralelo de transformadores trifásicos. - Grupos de conexión. - Transposición y corrimiento de fases COMENTARIO: Inmediatamente después del estudio del transformador monofásico, se estudia la transformación trifásica y lo primero que se hará será explicar las distintas formas de realizar dicha transformación (bancos o núcleos trifásicos) con sus ventajas e inconvenientes. El estudio posterior se realizará basado en transformadores de núcleo trifásico, principalmente de 3 columnas. Se enseñará al alumno las distintas formas de conectar los primarios (secundarios) de las tres fases entre sí. En función de la conexión y de los ensayos que se realizarán sobre el transformador (vacío, cortocircuito) el alumno será capaz de realizar un circuito eléctrico equivalente monofásico del transformador trifásico ensayado. Se explicará como reducir los valores de un devanado a otro cuando las conexiones del primario y secundario varían entre estrella y triángulo. En este punto, el alumno se encontrará con el problema de estudiar transformadores con distintas conexiones entre las fases del primario en relación con las del secundario. Se explicarán entonces los tipos de conexión de los transformadores, los desfases e índices horarios, así como todas las ecuaciones que se necesiten para reducir un devanado a otro. Cuando el alumno ya sabe que existen distintos tipos de conexión en los transformadores, se le explicará el porqué de cada conexión y su utilización correcta dentro del sistema eléctrico, para lo cual también se estudiará el comportamiento de las distintas conexiones ante cargas desequilibradas fase-fase o fase-neutro. Por último se volverá a la conexión en paralelo, solo que ahora teniendo en cuenta los posibles desfases de los transformadores. Se introducirá el concepto de grupos de conexión, así como se le explicará al alumno la forma de modificar un determinado índice horario mediante el corrimiento de fases y la alimentación con secuencia inversa. T.4.- AUTOTRANSFORMADORES - Constitución. - Ventajas e inconvenientes de los autotransformadores. - Comparación de un transformador con un autotransformador. - Potencia propia y de paso. Potencia conducida y potencia transmitida. - Aplicaciones de los autotransformadores. - Autotransformadores “buck-boost” COMENTARIO: dentro de este tema se explicará al alumno las características constructivas más reseñables de los autotransformadores así como sus ventajas e inconvenientes con respecto a los transformadores. Se introducirán los conceptos de potencia propia y potencia de paso con sus respectivos desarrollos matemáticos y también se diferenciarán “potencia transmitida” y “potencia conducida”. Para finalizar se presentará al alumno una serie de aplicaciones básicas de los autotransformadores, donde se mencionarán los conocidos como buck-boost. T.5.- REGULACIÓN DE TENSIONES - Introducción a la regulación de tensión. - Transformadores con tomas. - Características constructivas - Tomas en vacío y en carga - Mecanismos de cambio de tomas: Selector, conmutador, inversor. - Reguladores de inducción. COMENTARIO: El alumno, conocedor de que en el interior del transformador se produce una caída (o elevación) de tensión, recibirá en este tema la información necesaria para entender como se soluciona el problema de las variaciones de tensión. Principalmente se centrará en el estudio de los transformadores con tomas, explicando las diferencias entre la selección, inversión y conmutación de las mismas. Se explicará al alumno la secuencia de conmutación y las distintas posibilidades que aparecen a la hora de definir la parte del transformador donde se hará la regulación. Como añadido, aunque no muy utilizado, se los reguladores de inducción. T.6.- TRANSFORMADORES ESPECIALES - Transformadores con tres devanados. - Conexión Scott. - Conexión V-y incompleta. - Conexión de transformadores en V. - Transformación de sistemas trifásicos en exafásicos y dodecafásicos (two-tier) - Superconductividad en transformadores. .- Transformadores para rectificadores. (Factor K) COMENTARIO: Este tema presenta al alumno otro tipo de transformadores de no tanta difusión, pero que sin embargo son muy interesantes por sus aplicaciones particulares. Se presenta la transformación Scott (trifásica – bifásica), la transformación en V (delta incompleta), transformadores para alimentar rectificadores de 6 y 12 pulsos (trifásica- exafásicadodecafásica), transformadores superconductores (en prototipos) y los parámetros típicos de transformadores que soportan corrientes con alto contenido armónico (factor K), entre otros. T.7.- TRANSFORMADORES DE MEDIDA Y PROTECCIÓN - Objetivos básicos. - Transformadores de aislamiento. - Transformadores de medida. - Transformador de intensidad. - Aspectos constructivos - Precisión y de error de fase. - Carga y potencia nominal en los transformadores de corriente. - Improcedencia del secundario abierto. - Valores característicos. - Transformador de tensión. - Tensión nominal de aislamiento. - Precisión y errores en la transformación. - Ángulo de pérdidas. - Ferrorresonancia - Capacidad de sobrecarga. - Transformador de tensión capacitivo. COMENTARIO: Este tema es uno de los más importantes dentro del estudio de los transformadores. Si bien los transformadores de potencia se encargan de la transformación de los valores de tensión e intensidad que definen la potencia principal, los transformadores de medida y protección son los que han de utilizar para vigilar y garantizar el correcto funcionamiento del sistema frente a distintos problemas que puedan surgir. Una inadecuada elección de los transformadores de medida y protección puede hacer una instalación insegura y hasta peligrosa. En este tema se estudian transformadores de intensidad y de tensión. En cada uno de ellos se diferenciará la medida de la protección y se introducirán conceptos como potencia de precisión, clase de precisión, factor límite de precisión, errores de módulo y fase, etc. de forma que el alumno pueda saber elegir el transformador adecuado a cada instalación. El transformador de intensidad se estudiará de manera especial por sus diferencias características y en los de tensión se analizará el tema de la ferrorresonancia. En ambos casos, se presentarán las diferencias entre transformadores de exterior y de interior y se estudiarán los distintos esquemas posibles de conexión para medida y protección. TERCERA PARTE: MÁQUINA ASÍNCRONA MA.1.- CONCEPTOS BÁSICOS. - Constitución de los motores de inducción y principio de funcionamiento. - Rotores de jaula y de anillos. Ventajas e inconvenientes. - Deslizamiento y frecuencias del rotor. - Comportamiento de la máquina de inducción: Motor, generador, transformador y freno. COMENTARIO: Este tema introductorio acercará al alumno a la constitución y principio de funcionamiento de la máquina de inducción. El alumno será capaz de distinguir los motores de jaula de ardilla de aquellos de rotor bobinado y se le adelantarán una serie de ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos. Se presentará el concepto de deslizamiento y su formulación. Una vez se haya entendido el funcionamiento básico de la máquina asíncrona se le explicará razonadamente al alumno los posibles modos de funcionamiento de las mismas: motor, generador y freno. MA.2.- DIAGRAMA ELÉCTRICO EQUIVALENTE Y BALANCE DE POTENCIAS - Diagrama vectorial en vacío. - F.e.m. y reactancia de dispersión del rotor. - Sustitución del rotor móvil por su equivalente fijo. - Diagrama vectorial y circuito equivalente del motor en carga. - Obtención de parámetros con ensayos. Ensayos de vacío y rotor bloqueado - Balance de potencia en el motor de inducción. - Par interno. - Rendimiento eléctrico. - Circuitos equivalentes aproximados. - Diagrama del círculo COMENTARIO: después de la introducción se facilitarán al alumno las herramientas necesarias para el correcto entendimiento de la máquina asíncrona. Se estudiará el diagrama vectorial de tensiones e intensidades de rotor y estator y se formularán las ecuaciones de funcionamiento en régimen permanente, para lo que se partirá del estudio de las magnitudes del rotor cuando éste está parado y se utilizará este modelo corregido (teniendo en cuenta el efecto del deslizamiento) para el caso de rotor en movimiento. Una vez que el alumno conoce el un circuito equivalente que modela el funcionamiento en régimen permanente de la máquina, se realizará el balance de potencias a partir del cual se obtendrán las expresiones del par interno, potencia mecánica interna, rendimiento, etc. Si bien el circuito equivalente es suficiente para la realización de cualquier cálculo sobre la máquina, se enseñará el significado del diagrama del círculo aplicado a la máquina de inducción. Se considera que el método gráfico el muy ilustrativo e intuitivo, y si bien no se utilizará para la realización de cálculos precisos, sí será útil para observar de forma gráfica la evolución de las principales magnitudes del motor ante la presencia de cambios en sus condiciones de funcionamiento. MA.3.- EL FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÍNCRONO. - Curvas características. - Curva de velocidad. - Curva de intensidad absorbida. - Curva de rendimiento. - Curva de factor de potencia. - Característica par-deslizamiento y límite de estabilidad. - Modificaciones a las curvas con motor asíncrono funcionando bajo control electrónico. - La máquina de inducción como generador. - Generación asíncrona. COMENTARIO: En este tema se presentan las curvas típicas de funcionamiento del motor asíncrono cuando se encuentra alimentado a tensión constante y varía la carga. Se introduce también la situación del motor funcionando bajo control electrónico para que el alumno se de cuenta de las variaciones en las curvas de tensión nominal. Al final se estudia el funcionamiento de la máquina asíncrona como generador debido a la creciente importancia industrial de este tipo de funcionamiento. Entre todas las curvas se tratará de centrar la atención del alumno en la característica pardeslizamiento sobre la cual se detallarán y explicarán las distintas zonas y puntos de funcionamiento. Zonas de funcionamiento estable e inestable, par de arranque, par nominal, par máximo, capacidad de sobrecarga, etc. son conceptos que el alumno ha de conocer y comprender. MA.4.- ARRANQUE DE MOTORES ASÍNCRONOS. - Características del arranque de un motor trifásico. - Métodos clásicos de arranque - Arranque directo. - Arranque por variación de tensión aplicada al estator. - Arranque por resistencia intercalada en el estator. - Arranque por autotransformador. - Arranque estrella-triángulo. - Método de arranque por regulación del circuito del rotor. - Métodos modernos de arranque: - Arranque electrónico: variadores v/f=constante, arrancadores suaves. COMENTARIO: En este tema se presentan las formas clásicas de arranque de los motores asíncronos. Se comentan las ventajas e inconvenientes de cada uno y se hace un estudio comparativo de las dificultades del arranque al existir normas que limitan la intensidad absorbida de la red. Se analiza también la situación más actual del motor bajo arranque electrónico para que el alumno se de cuenta de las variaciones y mejoras que tiene este tipo de arranque sobre los métodos tradicionales. Se tratan los arrancadores suaves y los variadores de tensión v/f y se estudian sus características durante el proceso de arranque. MA.5.- VARIACIÓN DE VELOCIDAD - Formas de conseguir la variación de velocidad de una máquina asíncrona. - Métodos clásicos de variación de velocidad - Regulación por cambio del número de polos. - Regulación por variación de la tensión de línea. - Regulación por inyección de una tensión en el rotor. - Regulación variando la resistencia del rotor. - Regulación por variación v/f. - Frenado e inversión del sentido de giro en los motores de inducción. - Frenado regenerativo. - Frenado por inversión del sentido de giro - Frenado por inyección de corriente continua. COMENTARIO: En este tema se presentan las formas clásicas de variación de velocidad en los motores asíncronos. Habiendo estudiado ya el arranque, el tema de la variación de la velocidad por métodos clásicos es fácilmente comprensible para el alumno. En el tema se comentan las ventajas e inconvenientes de cada uno de los métodos y se hacen estudios comparativos entre ellos. Dentro de los métodos de variación de velocidad electrónicos se incluye el v/f pero no el vectorial, que se tratará en profundidad en el siguiente tema. Se introduce también el estudio de los distintos tipos de frenado y el cambio de sentido de giro, analizando y comparando los posibles métodos de actuación. MA.6.- CONTROL VECTORIAL DE LAS MÁQUINAS ASÍNCRONAS - Teoría fasorial de la máquina eléctrica. - Matriz de inductancias de la máquina asíncrona. Inductancias cíclicas. - Cambios de ejes: “3 fijos a 2 fijos” y “2 fijos a dos giratorios”. - Ecuaciones dinámicas de funcionamiento: tensión y par - Control vectorial. - Introducción - Control. - Lazos de control. - Control con/sin realimentación. - Modulaciones: (PWM, SV- PWM) - Control directo de par (DTC) COMENTARIO: Debido a la amplia implantación de los variadores de velocidad con control vectorial aplicados a la máquina asíncrona, éste tema introduce al alumno en el conocimiento del control vectorial mediante el estudio de la teoría fasorial de la máquina eléctrica seguido de la presentación de los métodos más usuales de control introduciendo conceptos como “sensorless” y “DTC” entre otros. Generalmente, el análisis dinámico de la máquina eléctrica era un tema que, hasta hace pocos años, no se solía tratar por la poca aplicación práctica que tenía para un ingeniero. Hoy en día es necesario conocer al menos las bases de todo el desarrollo del análisis vectorial aplicado a los motores de inducción asíncronos. MA.7.- MOTORES MONOFÁSICOS - Constitución y principio de funcionamiento. - Equivalencia del motor monofásico a dos trifásicos. - Circuito equivalente. - Arranque y características de funcionamiento del motor monofásico. - Aplicaciones del motor monofásico. Tipos. COMENTARIO: En este tema se estudia la constitución y funcionamiento de los motores de inducción monofásicos. Este es un tipo de motor muy habitual en potencias pequeñas, y aunque su funcionamiento es asíncrono presenta la dificultad de crear un campo giratorio partiendo de una red monofásica. El método de análisis consiste en hacer una analogía con el funcionamiento de dos motores trifásicos conectados por el eje y alimentados por sistemas trifásicos de distinta secuencia de fases. A partir de ahí se obtiene el circuito eléctrico equivalente y se estudia la problemática del arranque y los distintos tipos de motores que resuelven el problema. MA.8.- MOTORES DE EJECUCIÓN ESPECIAL - Motor de inducción de doble jaula. - Motor de inducción de ranura profunda. - Motor de inducción de rotor macizo. - Motor de inducción lineal. - Motores de inducción superconductores. COMENTARIO: Dentro de la teoría de los motores trifásicos se tratan algunos tipos tildados de especiales por tener alguna característica atípica que los diferencia de los motores asíncronos clásicos. La explicación de las características del motor de doble jaula y el de ranura profunda permite al alumno conocer la forma de mejorar las características de arranque del motor asíncrono actuando sobre detalles constructivos. Muy interesante para los alumnos es el apartado donde se explica el motor lineal. En él se relacionará la velocidad del motor con el paso polar y se verá la forma de conseguir movimiento lineal situando adecuadamente los conductores en el estator. También se incluye un sub-apartado dedicado a la superconductividad aplicada a la máquina asíncrona debido al auge previsto de este tipo de aplicaciones en un futuro cercano. CUARTA PARTE: MÁQUINA SÍNCRONA MS.1.- CONCEPTOS BÁSICOS - Constitución y clasificación de las máquinas síncronas. - Principio de funcionamiento como generador y como motor. - El sistema inductor y su excitación. - Sistema clásico: excitatriz principal – excitatriz piloto - Sistema de excitación sin escobillas (brushless) - Excitación estática. - Refrigeración de las grandes unidades. - Máquina síncrona homopolar COMENTARIO: Este es un tema que introduce al estudio de la máquina síncrona y donde se enseña desde el principio básico de funcionamiento hasta los sistemas de excitación, pasando por la refrigeración de los devanados, su colocación en las ranuras, las relaciones entre los sistemas motrices y el número de pares de polos, etc.. Se orienta el estudio de la máquina síncrona desde el puntote vista de su funcionamiento como generador. El alumno parte de un conocimiento detallado de la forma constructiva de los devanados y de las características principales de los campos giratorios estudiados con anterioridad. Entender el funcionamiento de un generador síncrono a estas alturas de curso es relativamente sencillo, lo que facilita el progreso de la materia. En este tema introductorio el discente estudiará el criterio utilizado para la elección del número de pares de polos de la máquina, se le presentarán gráficos y fotografías que ayuden a comprender las características constructivas y se le adelantará la existencia de dos tipos de máquinas distintas: las de rotor cilíndrico y las de polos salientes. MS.2.- FUNCIONAMIENTO EN VACÍO Y EN CARGA - Funcionamiento en vacío. Característica de vacío. - Funcionamiento en carga. Reacción de inducido. - Flujos útil y de dispersión. Reactancia de dispersión. - Análisis de la reacción de inducido en máquinas síncronas polifásicas y monofásicas. - Influencia del cos () de la carga. - Influencia de la saturación. COMENTARIO: Se le explicará al alumno la relación existente entre la tensión generada y la corriente de excitación (C. Vacío) y la corriente de carga (reacción de inducido). Para ello se estudiará el funcionamiento del generador en su zona lineal y en el codo de saturación y se explicará el porqué de la diferencia entre la tensión en bornes cuando está suministrando energía a la carga y la tensión en vacío. El alumno estudiará la influencia que tienen las reactancias de dispersión de la máquina y de la resistencia de los devanados en la caída de tensión, y además, deberá comprender la influencia del flujo creado por las corrientes de inducido sobre el flujo de excitación de la máquina. Se diferenciará de forma clara el efecto de las cargas reactivas (inductivas y capacitivas) de las resistivas. MS.3.- ANÁLISIS VECTORIAL - Diagrama en el espacio de la máquina de rotor cilíndrico con carga equilibrada. - Diagrama vectorial y circuito equivalente de la máquina síncrona de rotor cilíndrico no saturada. - Diagrama vectorial de la máquina saturada. - Diagrama vectorial de la máquina síncrona de polos salientes. Método de las dos reacciones. - Característica de cortocircuito. - Característica reactiva. - Triángulo de Potier. - Parámetros: Xs, Xss, cc COMENTARIO: Explicado el proceso de funcionamiento de la reacción de inducido se presentará al alumno el diagrama vectorial y el circuito equivalente de la máquina síncrona (tanto de rotor cilíndrico como de polos salientes). Se utilizarán para ello conceptos como reactancia síncrona y reactancia de dispersión, y se presentarán los ensayos a realizar sobre la máquina que nos permitirán calcular el valor de estos parámetros. De especial importancia es la determinación del diagrama de Potier y el significado físico de sus catetos por lo que se explicará el método gráfico de cálculo a partir de los ensayos de vacío y cortocircuito. MS.4.- REGULACIÓN EN ALTERNADORES - Concepto de regulación - Métodos de cálculo de la regulación - Método de Behn-Eschenburg - Método de Potier - Método de Blondel. - Xd, Xq.: Ensayo de deslizamiento. COMENTARIO: El objetivo de este tema es que el alumno entienda el concepto y la formulación de la regulación en un generador síncrono, y el de explicarle de forma gráfica y numérica diversos métodos para el cálculo de la misma. Se comienza con un método antiguo (Behn-Escenburg) para el cálculo que, si bien no es aconsejable por su inexactitud inherente, si es gráfico e intuitivo y permite visualizar rápidamente las relaciones entre las distintas magnitudes involucradas en el cálculo de la regulación. Métodos más exactos para máquinas de rotor cilíndrico con saturaciones (Potier), o máquinas de rotor de polos (Blondel), se explicarán con más detalle. Se introducen también en este tema, los conceptos de reactancias de eje directo y eje transversal en las máquinas de polos salientes (Xd, Xq) y se explicarán los métodos de ensayo que permiten su cálculo a la vez que su utilización para la localización espacial de la posición de los ejes directo y transversal. MS.5.- EL GENERADOR SÍNCRONO EN FUNCIONAMIENTO - Ecuaciones de potencias activa y reactiva. - Rotor cilíndrico y rotor de polos salientes - Potencia y par de reluctancia - Curvas de funcionamiento - Característica potencia-ángulo de par. - Característica exterior. - Característica de regulación. Curvas de Mordey - Auto excitación del generador síncrono COMENTARIO: Una vez explicada la constitución y características de la máquina síncrona se estudiará el comportamiento del generador en funcionamiento normal, para lo cual se desarrollan las expresiones para el cálculo de las potencias activa y reactiva de la máquina, orientando el estudio al caso de funcionamiento a tensión constante y abordando la influencia de la corriente de excitación de la máquina. El estudio se hará para los dos tipos principales de máquinas síncronas recalcando las diferencias entre las fórmulas debidas a la existencia de dos circuitos de reluctancias muy distintas en el caso de máquinas de polos salientes. Para completar el estudio se presentarán diversas curvas características de funcionamiento del generador. De especial importancia es la característica de regulación de la máquina, y su particularización para el caso de un generador acoplado a una res de tensión constante movido por una máquina a potencia constante (curvas de Mordey) Para finalizar se trata el tema de la auto excitación de los generadores síncronos. Sus características y las condiciones necesarias para que se produzca. MS.6.- FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE LAS MÁQUINAS SÍNCRONAS - Maniobra de acoplamiento. Sincronización. - Estabilidad estática del funcionamiento en paralelo. - La máquina síncrona acoplada a una red de potencia infinita. - Análisis del funcionamiento como generador y como motor. - Diagrama de potencias. - Reparto de las potencias activa y reactiva entre los alternadores acoplados en paralelo sobre una red de potencia infinita. COMENTARIO: Éste es uno de los temas más importantes del estudio del generador síncrono. Se estudiará la sincronización de una máquina con la red, el porqué el funcionamiento en paralelo de máquinas síncronas es estable y conveniente, y se profundizará en el análisis del comportamiento de un generador cuando está conectado a una red de potencia infinita. En el estudio del generador a frecuencia y tensión constante se analizará la influencia de las variaciones de la intensidad de excitación y la potencia en el eje sobre la energía generada. Con un diagrama simple de tres vectores se calcularán lugares geométricos de diferentes magnitudes ante variaciones de las condiciones de funcionamiento tanto en el caso de funcionar como generador o como motor Del estudio de los diagramas de tensiones se pasará al estudio de los diagramas de potencias, analizando las zonas de funcionamiento posible de los generadores síncronos. Como colofón, se estudiará la influencia de los estatismos de los reguladores de velocidad en el reparto de potencias, aunque este es un tema en el cual se profundizará mucho más en la asignatura “Centrales Eléctricas” de 6º curso. MS.7.- ANÁLISIS DEL CORTOCIRCUITO. TRANSITORIO. - Cortocircuito permanente - Cortocircuito simétrico en régimen permanente - Cortocircuito asimétrico en régimen permanente - Fase - neutro - Dos fases - Dos fases – neutro - Reactancias directa, inversa y homopolar - Cortocircuito brusco en bornes. - En vacío. (Reactancias transitoria y subtransitoria) - En carga. (Tensiones antes de las reactancias). - Modelo fasorial de la máquina síncrona en régimen dinámico. - Matriz de impedancias - Estudio del cortocircuito. COMENTARIO: Una vez estudiado el comportamiento básico del generador síncrono, es el momento de analizar la influencia de estas máquinas en el la red ante la presencia de cortocircuitos. Conociendo las características eléctricas del generador y de la red se podrán calcular las intensidades que aparecerán en caso de falta, y en función de éstas se calcularán las protecciones que asegurarán el sistema. Este tema analiza en detalle los distintos posibles cortocircuitos que aparecen en bornes de la máquina y le añade un estudio más en profundidad de este transitorio utilizando el análisis fasorial. MS.8.- EL MOTOR SÍNCRONO - El problema del arranque en los motores síncronos. - Métodos de arranque del motor síncrono. - Motor asíncrono-sincronizado. - Motor síncrono como compensador de fase. - Características de la máquina síncrona como motor. Curvas en V de Mordey. - Aplicaciones del motor síncrono COMENTARIO: Si bien la utilización de la máquina síncrona clásica como motor no está tan extendida como la de generador, en este tema se le presenta al alumno una información detallada de las principales características de los motores síncronos: el problema del arranque, la compensación de fase, sus curvas de funcionamiento, etc. El estudio del funcionamiento de la máquina como motor se hará de manera comparada al que se ha hecho para el caso de la máquina como generador de forma que el estudiante pueda interrelacionar conceptos. MS.9- MOTORES SÍNCRONOS DE EJECUCIÓN ESPECIAL - Motor de reluctancia. (SRSM) - Motor de histéresis. - Motor de imanes permanentes. BLDC (PMDC); BLSM (PMAC) (PMSM) - Motores paso a paso. Funcionamiento. Tipos. Angulo de paso, resolución. Sistemas de control COMENTARIO: En este tema se introducen una serie de motores cuyo funcionamiento se aleja de cualquier funcionamiento clásico de las típicas máquinas eléctricas. Normalmente precisan de control electrónico y se consideran dentro del apartado de motores síncronos porque de alguna forma, su velocidad se puede ajustar a un valor deseado. Los más utilizados son los motores de reluctancia variable, los BLDC y los paso a paso. Al alumno se le proporcionará la información necesaria para que sea capaz de distinguir entre las distintas tecnologías de construcción de motores y conocer las bases que explican el funcionamiento de este tipo de motores. Se destacan los motores de imanes permanentes y los paso a paso, principalmente debido a su gran utilización en aplicaciones de control. Por esta importancia, al alumno se le enseñará a elegir entre las distintas tecnologías en función de las características eléctricas y mecánica de los distintos motores y de sus mecanismos de control. QUINTA PARTE: MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA. MCC.1.- CONSTITUCIÓN Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. - Conceptos generales. - Núcleo magnético. - Devanados de inductor e inducido. - Polos inductores y polos de conmutación. - Colector de delgas - Escobillas y Portaescobillas. - Principio de funcionamiento y sistemas de excitación. - Excitación independiente. - Excitación serie. - Excitación derivación. - Excitación compuesta. COMENTARIO: En este primer tema de la máquina de corriente continua se presentan al alumno los aspectos constructivos generales, desde la ejecución del circuito magnético y tipos de polos hasta el colector de delgas y el sistema de escobillas. Una vez explicadas las diferentes partes de la máquina se estudia el principio de funcionamiento y se detallan los distintos sistemas de excitación y sus características. Este tema requerirá la utilización de gráficos y fotografías para que el alumno “vea” la máquina que está empezando a estudiar. MCC.2.- DEVANADOS DE INDUCIDO - Relaciones generales. - Definiciones de los distintos parámetros - Clasificación. - Devanados imbricados simples y múltiples. - Devanados ondulados. - Simetría de los devanados de corriente continua. - Conexiones compensadoras y equipotenciales. - Aplicaciones de los diversos tipos de devanados. COMENTARIO: De especial interés en las máquinas de continua son los devanados de inducido. Sin llegar a la profundidad de estudio de un curso de Cálculo de Máquinas, se le presentan al alumno los distintos parámetros que van a definir las características del devanado: nº de ranuras, pasos de devanado, concepto de ramas en paralelo, etc. Se explicarán de forma sucinta los distintos tipos de devanados y sus aplicaciones. MCC.3.- F.E.M. Y PAR - F.e.m. inducida. - Tensión en bornes de una máquina de c.c. - Fórmula del par. - Potencia interna. COMENTARIO: este tema está orientado a la deducción de las fórmulas de tensiones, potencia y pares de la máquina de corriente continua. MCC.4.- REACCIÓN DE INDUCIDO - Funcionamiento en carga de la máquina de c.c. - Caída de tensión por resistencia. - Reacción magnética transversal de inducido. - Reacción longitudinal del inducido. - Medios para compensar la reacción transversal de inducido COMENTARIO: Este tema se dedica al estudio de la reacción de inducido en la máquina de corriente continua y las formas de reducirla y compensarla. Se estudian tanto la reacción transversal como la longitudinal y se introduce el concepto de devanado de compensación y el de desplazamiento de la línea neutra mediante el corrimiento de las escobillas. MCC.5.- CONMUTACIÓN - Concepto de la conmutación. - Gráfica de la corriente de una delga. - Ecuación general de la conmutación. Condición de Arnould. - Métodos para mejorar la conmutación: - Decalado de escobillas. - Polos de conmutación. - Devanado de compensación. COMENTARIO: El fenómeno de la conmutación se le ha de presentar al alumno de forma clara y amplia, pues ésta es una de las características más importantes de la máquina de corriente continua. Al alumno se le explicará el comportamiento de la corriente en una delga durante la conmutación, la ecuación que detalla el proceso, así como las maneras de mejorar las malas conmutaciones. MCC.6.- GENERADORES DE C.C. - Generadores de excitación independiente. Curvas características. - Generador de excitación derivación. - Principio de auto excitación y punto de equilibrio. - Curvas características. - Funcionamiento del generador de excitación serie. - Generador de excitación compuesta. Características. - Funcionamiento en paralelo de los generadores. COMENTARIO: El tema trata los generadores de corriente continua. Si bien hoy en día el método más utilizado para la consecución de continua es la rectificación, se le presentará al alumno un temario suficiente para que entienda el funcionamiento básico de la generación en continua y las curvas de funcionamiento de los distintos tipos de generadores. MCC.7.- MOTORES DE C.C - Fórmulas fundamentales. - Balance de potencia de los motores de corriente continua. - Estabilidad de un motor eléctrico ante variaciones de la carga - Curvas características de los motores de c.c. - Motores de excitación derivación. - Motores de excitación serie. - Motores de excitación compuesta. - Aplicaciones de los distintos tipos de motores de c.c. COMENTARIO: Aún teniendo en cuenta que el control de la velocidad de motores se aleja cada vez más del uso de los típicos motores de continua, y por lo tanto su rango de aplicación ha decrecido considerablemente en los últimos años, el alumno ha de conocer el funcionamiento de los mismos para poder valorar las ventajas e inconvenientes de su utilización. Se le presentarán las fórmulas fundamentales de funcionamiento, un estudio de pérdidas y las distintas características de funcionamiento en función de su sistema de excitación. MCC.8.- ARRANQUE Y FRENADO - El problema del arranque de los motores de c.c. - Arranque de un motor derivación hasta la velocidad nominal. - La constante de tiempo electromecánica. - Arranque mediante reóstato de arranque. - Frenado de los motores de c.c. - Frenado dinámico. - Frenado regenerativo. - Inversión del sentido de giro. - Arranque electrónico de los motores de corriente continua. COMENTARIO: Al alumno se le explicará las dificultades y características del arranque clásico de este tipo de motores, así como los distintos métodos de frenado de los mismos. Vistos los métodos clásicos, se introducirá al discente en el estudio del arranque electrónico para que pueda comparar sus ventajas e inconvenientes. MCC.9.- CONTROL MANUAL Y AUTOMÁTICO DE LA VELOCIDAD - Regulación de velocidad. Conceptos generales. .- Constantes de velocidad y par. - Regulación por control de la tensión de alimentación. - Regulación por resistencia en serie con el inducido. - Control por variación de la corriente de excitación. - Regulación de la velocidad mediante la variación de la conexión de los motores. - Grupo elevador-reductor. - Regulación de la velocidad de los motores de corriente continua por convertidores de tiristores. COMENTARIO: En la historia de las máquinas de corriente continua, una de las principales ventajas que favorecen la aplicación de las mismas era el control de velocidad del motor, por lo que los métodos de control clásicos han sido, y aún a veces son, muy habituales (tracción trenes). En este tema se explicarán las formas de controlar la velocidad de la máquina y los mecanismos utilizados a tal efecto, desde el control de la tensión de alimentación hasta la inserción de resistencias de regulación de la corriente de excitación. Al final del tema se presentará el control electrónico que es el tipo de control más utilizado actualmente en este tipo de motores. MCC.10.- MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA ESPECIALES - Maquina de campo transversal útil. - Amplificador dinámico de potencia. - Motor con inducido impreso - Motores “Coreless”. - Motor universal. COMENTARIO: En este tema se tratan tipos de máquinas que, aún siendo de corriente continua su funcionamiento o construcción difiere de las máquinas clásicas estudiadas anteriormente. Destacan por el uso que han tenido en un pasado las máquinas de campo transversal útil (entre ellas las amplidinas) y las modernas de potencias fraccionarias con diseños especiales como el de inducido impreso (Servodisc TM) o los motores sin hierro en el inducido (coreless). Se sitúa en esta parte de la asignatura el estudio del motor universal, pues aunque se alimenta de corriente alterna, su construcción y funcionamiento se asemejan mucho al motor de continua.