7. Máquinas Eléctricas Rotativas 7.1 Introducción. Generalidades 7.2 Motores de inducción 7.3 Otros tipos de motores 7.3.1 Máquina Síncrona 7.3.2 Motores de corriente continua 7.3.3 Motores monofásicos 7.4 Selección de un Motor 7.4.1 Grado de protección de un motor y formas constructivas 7.4.2 Tipos de servicio Motor de Inducción o Asíncrono Motor Síncrono Motor de Corriente Continua Motor Monofásico 7.1 Introducción: Generalidades Máquinas eléctricas • Estáticas: Transformadores • Motores • Rotativas: Sistema Eléctrico - A Transformador (Tensión 1) Sistema Eléctrico • Generadores Sistema Eléctrico - B (Tensión 2) Máquina Eléctrica Sistema Mecánico Generador: Peléctrica Pmecánica Motor: Peléctrica Pmecánica Transformación Energía eléctrica-Energía eléctrica Transformación Energía eléctrica-Energía mecánica Una máquina eléctrica rotativa es una máquina reversible Motor Generador 7.1 Introducción: Generalidades → Principio de funcionamiento como GENERADOR. Campo magnético externo de valor constante que es visto por una espira (bobina) como variable al estar ésta en movimiento. Se induce, por tanto, una fuerza electromotriz o potencial en los extremos de la bobina Fuerza externa que hace girar a la espira Espira Campo Magnético N S Escobillas + Imanes Permanentes Fuerza Electromotriz inducida en la espira por el campo 7.1 Introducción: Generalidades → Principio de funcionamiento como MOTOR. Si se hace circular una intensidad por una bobina inmersa en un campo magnético, ésta sufre un par motor que tiende a alinear ambos campos magnéticos, el propio de la bobina y el externo. Espira N Campo Magnético Imanes Permanentes S @Manés Fernández Escobillas FUERZA QUE TIENDE A HACER GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR Corriente que se hace circular por la espira 7.1 Introducción: Generalidades → Estructura básica de una máquina eléctrica rotativa. Rotor: Pieza cilíndrica montada sobre el eje móvil. Estátor: Pieza cilíndrica hueca que envuelve al rotor y está separada de éste por el entrehierro. De forma general se puede afirmar que: # Tanto el estátor como el rotor alojan bobinas (circuitos eléctricos). # Existen dos circuitos eléctricos concatenados por un circuito magnético. EJE Flujo Magnético (Acoplamiento mecánico) Rotor Estator 7.1 Introducción: Generalidades ► Distintas máquinas en función del método empleado para generar el campo magnético: → Clasificación de las máquinas eléctricas rotativas. • Máquinas síncronas: Alternador - Intensidad continua inyectada en las bobinas del rotor. - Corriente alterna en las bobinas del estátor. • Máquinas de inducción: Motor - Corrientes alternas en las bobinas del estátor y/o del rotor. - Intensidades en el rotor inducidas por el estátor (Motor). • Máquinas de corriente continua: Ambos - Alimentadas en continua. ► Las máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna: Pueden ser monofásicas o trifásicas (síncronas y de inducción) 7.1 Introducción: Generalidades Balance Energético→ Máquina eléctrica GENERADOR. Se = Pe + j · Q e Pm = τ ⋅ ω m Pe = 3 ⋅ VL ⋅ I L ⋅ cos ϕ Potencia mecánica aplicada Potencia eléctrica generada (trifásica) Par motor en Nm (Newton x metro) τ ω m Velocidad de giro en radianes/segundo P En Vatios (W) (1) (2) (3) (4) (1) Pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación) (2) Pérdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores) (3) Pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes parásitas) (4) Pérdidas en el cobre del estátor (calentamiento de conductores) 7.1 Introducción: Generalidades Balance Energético→ Máquina eléctrica MOTOR. Se = Pe + j · Q e Pm = τ ⋅ ω m Pe = 3 ⋅ VL ⋅ I L ⋅ cos ϕ Potencia mecánica realizada Potencia eléctrica consumida (trifásica) Par motor en Nm (Newton x metro) τ ω m Velocidad de giro en radianes/segundo P (4) (3) (2) En Vatios (W) (1) (1) Pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación) (2) Pérdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores) (3) Pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes parásitas) (4) Pérdidas en el cobre del estátor (calentamiento de conductores) 7.2 Máquinas de inducción 7.2.1. Aspectos constructivos. 7.2.2. Principio de funcionamiento del motor de inducción trifásico. • Fundamentos Teóricos • Deslizamiento 7.2.3. Circuito equivalente. 7.2.4. Balance de potencias en el motor. 7.2.5. Característica par deslizamiento. 7.2.0 Introducción. TIPOS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA GENERADOR MOTOR MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA GIRATORIAS ASÍNCRONA ASÍNCRONA MOTOR GENERADOR ESTÁTICAS SÍNCRONA ALTERNADOR MOTOR TRANSFORMADOR 7.2.1 Aspectos constructivos. Sección. Corte axial Corte en 3D 7.2.1 Aspectos constructivos. Rotor de jaula. ● Su simplicidad y gran robustez son las ventajas más destacadas. Paquete magnético estatórico Cabezas de bobina Paquete magnético rotórico Ranuras del estátor Ranuras del rótor Eje Anillo de cortocircuito 7.2.1 Aspectos constructivos. Rotor bobinado. © L. Serrano: Fundamentos de máquinas elé eléctricas rotativas Anillos rozantes ● El circuito rotórico se cortocircuita exteriormente a través de unas escobillas (grafito) que frotan sobre los anillos rozantes. { ● El inconveniente es su elevado mantenimiento. Anillos rozantes Escobillas Anillos rozantes y escobillas © L. Serrano: Fundamentos de máquinas elé eléctricas rotativas 7.2.1 Aspectos constructivos. Desglose. Estructura mecánica Circuito Eléctrico Cilindro que puede girar sobre su eje (rotor) en el interior de otro cilindro hueco fijo (estátor) Estátor Circuito eléctrico estatórico Rotor Circuito eléctrico rotórico Arrollamiento trifásico Arrollamiento (polifásico) en cortocircuito Estátor: Parte fija Rotor: Parte giratoria Bobinas preformadas o devanado preformado Bobinas de hilo esmaltado o devanado aleatorio Jaula de ardilla Aluminio fundido Barras soldadas Bobinado o Anillos rozantes Bobinas de cobre Anillos rozantes Estátor Ranuras Paquetes Magnéticos Chapa magnética de acero al silicio Paquete magnético en la superficie Cilíndrico hueco interna Circuito apiladas y eléctricamente aisladas Magnético unas de otras Rotor Ranuras Paquete magnético en la superficie Entrehierro cilíndrico externa 7.2.1 Aspectos constructivos: Caja de bornes (estátor). V1 W1 U1 W2 U2 U1 V2 V1 U2 V2 W1 W2 Caja de conexiones Conexión en estrella Pletina de cobre W2 V2 W1 W2 U1 U2 V1 V1 W1 U2 V2 Conexión en triángulo Devanados motor Bobinas deldel motor (estátor) Caja de terminales- bornes ( bobinas del estátor ) { U1 7.2.1 Aspectos Constructivos: Placa de características Motor Conexión Trifásica Tensión Nominal Potencia Nominal Velocidad Nominal Intensidad Nominal Factor de Potencia Frecuencia Nominal 7.2.2 Principio de funcionamiento. Introducción. → EL TRANSFORMADOR. Energía Energía eléctrica eléctrica → LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN. A B C Convertidor Energía electro-mecánico eléctrica • Motor Par Velocidad • Generador 7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. → Generación de campos magnéticos giratorios. Teorema de Ferraris Si se aplica un sistema trifásico de intensidades en 3 bobinas desfasadas entre sí 120°: iaa ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt ) ibb ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt − 120°) icc ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt + 120°) Baa ' (t ) = 2 ⋅ B ⋅ cos(ωt ) Se inducen flujos magnéticos en cada bobina, perpendiculares al plano de la bobina respectiva y variables en el tiempo al igual que la intensidad que los producen. Bbb ' (t ) = 2 ⋅ B ⋅ cos(ωt − 120°) Bcc ' (t ) = 2 ⋅ B ⋅ cos(ωt + 120°) El campo magnético resultante es constante en el tiempo y gira en el espacio a velocidad ω. Cambiando las intensidades de dos devanados entre sí cambia el sentido de giro 7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. a’ Estator c b Rotor Origen de ángulos El estátor de un motor de inducción está formado por tres devanados desplazados en el espacio 120º. En la figura se representa sólo una espira de cada uno de los devanados ( aa’, bb’, cc’ ) c’ b’ a iaa ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt ) ibb ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt − 120°) icc ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt + 120°) Los tres devanados están alimentados mediante un sistema trifásico equilibrado de tensiones. Por tanto, las corrientes que circulan por las espiras son sinusoidales y están desfasadas 120º entre si 7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. • Aparece un campo magnético giratorio. Teorema de Ferraris. ⎛2 · π ⎞ ⎜ p ⎟⎠ ⎝ Ω1 = T (rad / s) Ω1 = Velocidad de giro del campo estátorico. p = Pares de polos. (2·π/p) = Distancia entre dos polos estátoricos consecutivos del mismo nombre y de la misma fase. T = Tiempo que se tarda en recorrer la distancia idem anterior. Viene impuesto por la frecuencia de la red de alimentación. 7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. • El devanado rotorico está inmerso en un campo magnético giratorio. - El campo magnético giratorio ( B ) induce fems en el devanado del rotor. - Éstas a su vez provocan la circulación de corrientes ( i ) en el devanado del rotor. Estator Æ Inductor i Rotor Æ Inducido • Aparece un par motor en el rotor. F = i · ( Lx B ) Magnitud dirección y sentido de la fuerza que se produce en los conductores del rotor. F = Fuerza que se produce en los conductores del rotor. Su sentido es el de seguir al campo magnético giratorio del estátor. i = Corriente que circula por los conductores del rotor. B = Campo magnético giratorio creado por las bobinas del estátor. L 7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. → Relación entre frecuencia eléctrica y velocidad de giro. Si, por ejemplo, aumentamos el número de polos magnéticos en el rotor, se puede conseguir que las bobinas del estátor “vean” un fujo giratorio de velocidad superior a la de giro del rotor. Si P es el número de polos: ωe = Frecuencia eléctrica P ⋅ ωm 2 Velocidad de giro ► Para conseguir 50 Hz se requiere una velocidad de giro de: • 3000 rpm si tiene dos polos (un par de polos) • 1500 rpm si tiene cuatro polos (dos pares de polos) • 1000 rpm si tiene seis polos Igual número de polos • 750 rpm si tiene ocho polos en rotor y estator • 600 rpm si tiene diez polos 7.2.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulación. Motor de inducción Devanado trifásico simétrico (a 120º) alimentado con sistema trifásico equilibrado de tensiones (desfase de 120°) Estator Rótor Sistema trifásico equilibrado Espiras en cortocircuito sometidas a tensión. Circulación de corriente por las espiras del rotor Ley de Biot y Savart Espiras en cortocircuito Devanado trifásico simétrico (a 120º) Campo giratorio Ω1 = 2πf/p Interacción v-B FEM inducida por el campo giratorio en los conductores del rotor Interacción i-B Fuerza sobre las espiras del rotor Par sobre el rotor Ley de Faraday El rotor gira 7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento. La velocidad Ω1 a la que gira el campo magnético creado por el estátor se denomina velocidad de sincronismo. Su valor constituye el límite al que pude girar el rotor cuando la máquina funciona como motor, ya que, en caso contrario, al no existir movimiento relativo entre los conductores del rotor y el campo, no se induciría F.E.M. (interacción v-B) en el devanado rotórico y, por tanto, tampoco habría par motor (interacción i-B). El rotor del motor de inducción, siempre que funciona accionando una carga, gira a velocidad Ωr inferior (pero próxima) a la de sincronismo (Ω1). Debido a que el rotor gira a una velocidad inferior (diferente) a la de sincronismo, su velocidad se denomina asíncrona y al motor se le nombra como asíncrono. Cuando funciona en vacío, el único par motor que debe desarrollar es el necesario para compensar las pérdidas (muy pequeño), por lo que gira a una velocidad muy próxima a la de sincronismo. 7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento. → Velocidad relativa. Supuesto el rotor girando a una velocidad estable Ωr en el mismo sentido de giro ( Ω1) del campo creado por el estátor. • El rotor, respecto al estátor, se mueve a una velocidad de deslizamiento. Velocidad síncrona (rad/s) Velocidad de deslizamiento: Ωdes = Ω1 - Ωr ( rad/s ) Velocidad del rotor (rad/s) • Esa diferencia se denomina DESLIZAMIENTO ( s ó s%) cuando se expresa como una fracción de la velocidad sincrónica ( Ω1 ): (pu) { Ω r = Ω1· (1 − s ) Ω1 − Ω r s% = · 100 Ω1 y Ω des = Ω1· s { Ω1 − Ω r s= Ω1 7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento. → Intervalo de valores del deslizamiento ( régimen motor ). Deslizamiento : Ω1 − Ω r Ω1 n − nr s= 1 n1 s= Ω1 − Ω r · 100 Ω1 (pu) s% = (pu) n1 − n r s% = · 100 n1 Rotor parado : nr = 0 s=1 ó s% = 100% s≈0 ó s% ≈ 0% Rotor en vacío : nr ≈ n1 Rotor en carga : 0 < nr < n1 1> s > 0 Los Los motores motores de de inducción inducción siempre siempre funcionan funcionan con con valores valores de de deslizamiento ss % deslizamiento muy muy bajos: bajos: % << 55 % % 7.2.3 Circuito equivalente. El El circuito circuito equivalente equivalente de de una una máquina máquina de de inducción inducción es es parecido parecido al al del del transformador, transformador, con con la la diferencia diferencia de de que que el el devanado devanado estatórico estatórico es es el el primario primario yy el el rotorico rotorico es es el el secundario. secundario. Además, Además, el el devanado devanado secundario secundario (rotorico) (rotorico) está está cortocircuitado. cortocircuitado. En En la la máquina máquina real real el el valor valor de de la la resistencia resistencia del del rotor rotor NO NO depende depende de de la la velocidad velocidad de de deslizamiento. deslizamiento. Analíticamente Analíticamente se se deduce deduce un un CIRCUITO CIRCUITO EQUIVALENTE EQUIVALENTE con con parámetros parámetros A A ROTOR ROTOR PARADO, PARADO, en en el el que que la la RESISTENCIA RESISTENCIA que que representa representa la la del del ROTOR ROTOR es es función función del del DESLIZAMIENTO. DESLIZAMIENTO. Los Los valores valores necesarios necesarios para para obtener obtener analíticamente analíticamente los los parámetros parámetros del del circuito circuito equivalente equivalente se se obtienen obtienen de de dos dos ensayos ensayos de de laboratorio: laboratorio: Ensayo Ensayo de de vacío vacío yy ensayo ensayo de de rotor rotor bloqueado. bloqueado. 7.2.3 Circuito equivalente referido a rotor parado El circuito equivalente se plantea por fase y con conexión en estrella. Los elementos del circuito con una ’ están referidos al estator: r t = N e / Nr Resistencia cobre estator Reactancia dispersión estator Xs I1 Tensión de fase (Estator) Corriente de vacío Rs Xμ Reactancia magnetizante XR ’ I0 Iμ U1 Reactancia dispersión rotor IR ’ Resistencia cobre rotor RR ’ Ife Rfe ⎡1 − S ⎤ RR '⋅⎢ ⎥ ⎣ S ⎦ Resistencia pérdidas hierro Resistencia potencia mecánica entregada 7.2.4 Balance de potencias Potencia eléctrica de entrada Pérdidas estator Pcu1 pfe1 Pérdidas rotor Pfe2=0 P1 Pa Potencia de entre hierro Pcu2 Pérdidas mecánicas Pm Pmi Pu Potencia Potencia mecánica útil interna 7.2.4 Balance de potencias Balance Energético→ Máquina eléctrica MOTOR. Pc Pmi Pa P1 Pu Potencia eléctrica consumida (trifásica) Potencia mecánica realizada Pcu1 PFe Pcu2 Pm Pm Pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación) Pcu2 Pérdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores) PFe Pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes parásitas) Pcu1 Pérdidas en el cobre del estátor (calentamiento de conductores) 7.2.4 Balance de potencias El rendimiento de un motor informa del aprovechamiento de la potencia eléctrica absorbida por el motor para producir potencia mecánica η = Pu P1 Se denomina PAR INTERNO al par total desarrollado internamente por la máquina asíncrona. Mi = Pmi Ωr Pu Pu == Pmi Pmi –– Pérdidas Pérdidas mecánicas mecánicas Mu = Pu Ωr Par útil: el par que es capaz de desarrollar el motor en el eje 7.2.5 Característica Par-Deslizamiento Par s > 1 0<s<1 s<0 Motor Freno Generador Par máximo Par Nominal Punto de funcionamiento Par de Arranque Velocidad de sincronismo 1 Curva característica de la carga 0 Deslizamiento S Tarr arr = 1,2 − −2 Tnom nom Tmax max = 1,8 − −2 ,7 Tnom nom 7.2.5 Característica Par-Deslizamiento La CARACTERÍSTICA MECÁNICA de los motores de inducción es prácticamente LINEAL entre vacío y plena carga. El PAR MÁXIMO suele ser de 2 a 3 veces el nominal. El PAR DE ARRANQUE tiene que ser SUPERIOR al NOMINAL para permitir que el motor se ponga en marcha y acelerar la carga .. Para un determinado deslizamiento el PAR varía con el CUADRADO de la TENSIÓN. 7.3 Otros tipos de Motores 7.3.1 Motor Síncrono • Introducción • Principio de funcionamiento • Características constructivas • Circuito equivalente • Funcionamiento en vacío • Funcionamiento en carga 7.3.1.1 Introducción. TIPOS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA GENERADOR MOTOR MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA GIRATORIAS ASÍNCRONA MOTOR GENERADOR ESTÁTICAS SÍNCRONA SÍNCRONA ALTERNADOR MOTOR TRANSFORMADOR 7.3.1.1 Introducción. ► EL ALTERNADOR. Energía Eléctrica DC Energía Mecánica en el eje MÁQUINA SÍNCRONA (ALTERNADOR) Energía Eléctrica Sistema III AC ¾ La más utilizada en la generación de energía eléctrica. ¾ Es necesario mantener la velocidad rotórica constante. La frecuencia es proporcional a la velocidad de giro. ¾ Potencias máximas del orden de 2000 MVA. 7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. → Principio de funcionamiento del GENERADOR síncrono. Se hace girar un campo magnético constante (imán o bobina alimentada en continua en el rotor) en el interior de una bobina fija alojada en el estátor Φ (t ) = B ⋅ A ⋅ cosθ = Φ MAX ⋅ cos ωt e(t ) = − π ∂Φ = Φ MAX ⋅ ω ⋅ sen ωt = Φ MAX ⋅ ω ⋅ cos(ωt − ) ∂t 2 Fuerza electromotriz inducida en los extremos de la bobina: EMAX N ⋅ Φ MAX ⋅ ω = = 2 2 N ⋅ Φ MAX ⋅ 2πf = = 2 ⋅ π ⋅ N ⋅ f ⋅ Φ MAX 2 Proporcional a N , Φ MAX y f ERMS = La frecuencia de la tensión inducida es la de giro de la bobina 7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. → Principio de funcionamiento del GENERADOR síncrono. Se consigue un sistema trifásico de tensiones disponiendo tres bobinas en el estátor desfasadas 120° entre sí. Las tensiones inducidas estarán desfasadas de forma simétrica. ea (t ) = 2 ⋅ ERMS ⋅ cos(ωt ) eb (t ) = 2 ⋅ ERMS ⋅ cos(ωt − 120°) ec (t ) = 2 ⋅ E RMS ⋅ cos(ωt + 120°) El flujo magnético constante se consigue mediante una bobina solidaria al rotor en la que se inyecta corriente continua Rotor Æ Inductor Estator Æ Inducido 7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulación. Estator Devanado trifásico simétrico (a 120º) Rótor Devanado rotórico alimentado con corriente continua Generador Rotor alimentado con cc genera campo B cte Tensión trifásica a f=pN/60 Rotor girando a N rpm mediante máquina motriz Interacción v-B FEM inducida por el campo giratorio en el estator Campo B girando misma velocidad del rotor Ley de Faraday 7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulación. Estator Devanado trifásico simétrico (a 120º) alimentado con sistema trifásico equilibrado de tensiones (desfase de 120°) Rótor Devanado rotórico alimentado con corriente continua Motor Rotor alimentado con cc genera campo B cte Se lleva el rotor al sincronismo mediante máquina motriz externa Estator alimentado con tensión trifásica Estator genera campo B giratorio El rotor gira Campo B del estator arrastra a campo B del rotor Motor síncrono tiene par de arranque nulo Campos B de estator y rotor girando misma velocidad Enganche magnético 7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. → Velocidad de giro del rotor (circuito inductor). 60 ⋅ f n= p • n = Velocidad rotórica (rpm). • f = Frecuencia de la onda de tensión. • p = Número de pares de polos. → Ejemplo: Obtención de tensión a 50Hz en función del Nº de polos. p=1 p=2 p=3 p=4 ⇒ 3000 rpm ⇒ 1500 rpm ⇒ 1000 rpm ⇒ 750 rpm P=1 P=2 P=3 7.3.1.3 Características constructivas. La máquina síncrona utiliza un ESTÁTOR constituido por un devanado trifásico simétrico (distribuido a 120º) idéntico a la máquina asíncrona de inducción El rotor puede ser liso o de polos salientes El ROTOR está formado por un devanado alimentado desde el exterior a través de escobillas y anillos rozantes con corriente continua Industrialmente es el generador utilizado en la mayoría de las centrales eléctricas: turboalternadores y grandes alternadores hidráulicos. Como motor se usa principalmente cuando la potencia demandada es muy elevada >1 MW 7.3.1.3 Características constructivas. → Estructura de la máquina síncrona. Estátor y rotor. rotor – polos lisos rotor – polos salientes Sentido de las corrientes por el rotor Líneas de campo estátor S N N N S Velocidades de giro bajas S Velocidades de giro elevadas. Turboalternadores 7.3.1.3 Características constructivas. Rotor ► El Flujo magnético (excitación) es creado por un electroimán situado en la parte giratoria de la máquina (rotor). • Rotor de polos salientes: bobina del electroimán rodeando a las expansiones polares del rotor. • Rotor de polos lisos: bobina del electroimán situada en ranuras practicadas longitudinalmente en el rotor. P=1 P=2 P=1 P=2 7.3.1.4 Circuito equivalente. Circuitoequivalente equivalente Circuito porfase fase por ► Impedancia síncrona. I Inductor-rotor j Xs Rs A + V = ( U / √3 ) E Ie Inducido-estator + Ve − B Rs Rs==Resistencia Resistenciade delos losconductores conductoresde delas lasbobinas bobinasdel delestátor estátor Xs Xs==Reactancia Reactanciasíncrona síncrona==reactancia reactanciadispersión dispersiónestator estator++reacción reacciónde deinducido inducido La LaF.E.M. F.E.M.(E) (E)es esproporcional proporcionalaalalacorriente corrientede deexcitación excitación(I(Iee))del delrotor. rotor. En Enfuncionamiento funcionamientocomo comogenerador generadorrepresenta representaaalalatensión tensiónque quese se induce induceen enelelestator. estator. 7.3.1.5 Funcionamiento en vacío. ► Característica de vacío o de magnetización. Flujo Velocidad de giro ϕ = f(Ie) Cuando Cuandoelelgenerador generadortrabaja trabajaen envacío vacío no hay caída de tensión: La tensión no hay caída de tensión: La tensión de desalida salida(V) (V)coincide coincidecon conlalaFEM FEM(E). (E). Tensión en vacío V V E = K ⋅ ϕ ⋅n Intensidad de excitación Ie A 7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Reacción de inducido. Cuando el alternador trabaja en vacío el único flujo existente es el producido por la corriente continua de excitación del rotor. Cuando suministra corriente a una carga, dicha corriente produce un campo magnético giratorio al circular por los devanados del estátor. Este campo produce un par opuesto al de giro de la máquina, que es necesario contrarrestar mediante la aportación exterior de potencia mecánica. El flujo total de la máquina se verá disminuido o aumentado dependiendo que la carga sea inductiva o capacitiva. A este efecto creado por el campo del estátor se le conoce con el nombre de “reacción de inducido”. 7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Reacción de inducido. I j Xs Rs E + V E Carga jXss Carga Carga resistiva resistiva I U Inducido-estator E E − I · (R s + j ·X s ) − V = 0 S = 3· V · I = 3 · U · I Para una misma tensión de salida el generador puede ceder o absorber potencia reactiva dependiendo de que la carga sea inductiva o capacitiva Para conseguirlo basta modificar el valor de la E (modificando el campo de excitación) RI jXss Carga Carga Inductiva Inductiva U I RI E jXss I Carga Carga capacitiva capacitiva U RI 7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Régimen aislado. Funcionamiento aislado Aumento en la excitación Aumento en la tensión de salida Aumento en potencia mecánica El generador alimenta a una carga de forma independiente La tensión de alimentación puede variar El factor de potencia de la carga es fijo Aumento en la velocidad de giro Aumento en la frecuencia 7.3.1.6 Funcionamiento en carga Funcionamiento en una red de potencia infinita CONEXIÓN A RED DE POTENCIA INFINITA Aumento en la excitación Aumento en la POTENCIA REACTIVA ENTREGADA Aumento en potencia mecánica Aumento de la POTENCIA ACTIVA ENTREGADA El generador está conectado a otra red en la que actúan otros generadores: su potencia es muy pequeña respecto de la total de la red La tensión de alimentación ESTÁ FIJADA POR LA RED La frecuencia ESTÁ FIJADA POR LA RED 7.3 Otros tipos de Motores 7.3.2 Máquina de Corriente Continua • • • • • • • • • Aspectos constructivos Principio de funcionamiento F.E.M. inducida Par electromagnético Sistemas de excitación Reacción de inducido Conmutación Funcionamiento generador Funcionamiento motor 7.3.2.0 Introducción. TIPOS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÁQUINAS MÁQUINASELÉCTRICAS ELÉCTRICAS DE DECORRIENTE CORRIENTECONTINUA CONTINUA GENERADOR MOTOR MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA GIRATORIAS ESTÁTICAS ASÍNCRONA SÍNCRONA MOTOR GENERADOR ALTERNADOR MOTOR TRANSFORMADOR 7.3.2.1 Aspectos Constructivos Estructura mecánica Circuito Eléctrico Cilindro que puede girar sobre su eje (rótor) en el interior de otro cilindro hueco fijo (estátor) Estátor Inductor Creación del campo B Espiras de hilo o pletina de cobre arrolladas sobre los polos inductores Estátor: Parte fija Rótor: Parte giratoria Alimentación con corriente continua Colector de delgas y escobillas Rótor Espiras de hilo o Rectificador mecánico Inducido pletina de cobre que convierte las FF.E.MM. Asiento de las conectadas entre si alternas inducidas en las FF.E.MM. inducidas y a las delgas espiras en C.C. en las escobillas Estátor: macizo o de chapa Paq. Mag. Estátor magnética (total-parcialmente) Cilíndrico hueco Rótor: chapa magnética de acero al con piezas radiales Circuito silicio apiladas y eléctricamente Magnético Rótor aisladas unas de otras Paquete magnético Entrehierro cilíndrico Polos (inductores) salientes Ranuras en la superficie externa 7.3.2.1 Aspectos Constructivos 1. 2. 3. 4. Yugo o culata Núcleo del polo inductor Expansión polar Núcleo del polo auxiliar o de conmutación 5. Extremo del polo auxiliar o de conmutación 6. Paquete magnético del rótor 7. Arrollamiento del inducido 8. Arrollamiento inductor o de excitación 9. Devanado de conmutación 10.Colector de delgas 11. - 12. Escobillas 1 9 8 2 12 10 3 6 11 5 7 4 © M. F. Cabanas: Cabanas: Técnicas para el mantenimiento y diagnó diagnóstico de máquinas elé eléctricas rotativas 7.3.2.1 Aspectos Constructivos Pequeños motores de C.C. de imán permanente Fotografí Fotografía realizada en los talleres de ABB Service Gijó Gijón Motor de C.C. para aplicaciones de robótica Motor de C.C. de 6 MW fabricado por ABB 7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Motor Espira N Campo Magnético Imanes Permanentes S @Manés Fernández Escobillas FUERZA QUE TIENDE A HACER GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR Corriente que se hace circular por la espira Si se hace circular una intensidad por una bobina inmersa en un campo magnético, ésta sufre un par motor que tiende a alinear ambos campos magnéticos, el propio de la bobina y el externo. 7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador Fuerza externa que hace girar la espira Imanes o electroimanes alimentados con C.C. para la creación del campo magnético N N S Escobillas Anillos rozantes S Osciloscopio Instrumento de medida © M. F. Cabanas: Cabanas: Técnicas para el mantenimiento y diagnó diagnóstico de máquinas elé eléctricas rotativas La F.E.M. que se induce en la espira es alternativa (variable con el tiempo). La FEM que se obtiene a la salida de la máquina (escobillas) es la misma que se induce en la espira (alternativa y variable en el tiempo), debido a la conexión entre los extremos de la espira y las escobillas, a través de los anillos. 7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador Con la máquina girando a una cierta velocidad V, la F.E.M. que se induce en la espira es alterna: cambia de signo cada vez que se pasa por debajo de cada polo. El colector es un dispositivo que rectifica la F.E.M. para obtener una tensión continua (unidireccional) y positiva (sin cambios de polaridad) E E N N E = 2 ⋅B ⋅l⋅ V E S 2BlV Polos inductores de la máquina π 0 2π -2BlV E SS N N SS 2BlV 2BlV 2BlV 2BlV 00 N ππ 2π 2π Colector elemental (2 delgas) 00 ππ 2π 2π Colector real (muchas delgas) 7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador © M. F. Cabanas: Cabanas: Técnicas para el mantenimient oy diagnó diagnóstico de má máquinas elé eléctricas rotativas Colector Escobillas Sentido de rotación de la espira Colector real Colector de dos delgas 1 2 1 2 1 2 © M. F. Cabanas: Cabanas: Técnicas para el mantenimi ento y diagnó diagnóstico de máquinas elé eléctricas rotativas - + 0 - + Instante Inicial Conmutación Inversión de la polaridad 7.3.2.3 Sistemas de excitación • El campo magnético de la máquina de CC puede obtenerse de dos formas, mediante: – Imanes permanentes – Electroimanes, bobinas alimentadas con CC (caso habitual): • Según la fuente de alimentación de las bobinas se tienen dos tipos de excitación: – Excitación independiente (o separada): la corriente que alimenta al devanado inductor procede de una fuente, independiente, externa. – Autoexcitación: la corriente de excitación procede de la propia máquina. Según la forma de obtener esta corriente existen tres tipos diferentes de MM. de C.C.: • Excitación serie: devanado inductor en serie con el inducido • Excitación derivación: devanado inductor conectado directamente a las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido. • Excitación compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra en derivación. 7.3.2.3 Sistemas de excitación Resistencia del inducido Resistencia del inductor Resistencia del inducido Rex Uex Lex Tensión excitación Inductor Motor de excitación derivación Ri Rex E Uex Ui Lex Ri E Ui FEM Inducida Inducido Resistencia del inducido Inductor Inductor Inducido Motor de excitación independiente Motor de excitación serie Ri E Inducido Rex Lex Ui 7.3.2.3 Sistemas de excitación Resistencia del inducido Motor de excitación compuesta larga Ri Inductor 1 Rex1 Lex1 Rex2 Inductor 2 E Lex2 Inducido Resistencia del inducido Ri E Inductor 2 Rex1 Inductor 1 Lex1 Inducido Rex2 Lex2 Ui Motor de excitación compuesta corta Ui 7.3.2.4 Reacción de inducido Al circular corriente por el inducido se va a crear un campo que distorsiona el campo creado por los polos inductores de la máquina E N S 2BlV FEM con reacción de inducido Desplazamiento de la línea neutra 0 Esta distorsión del campo recibe el nombre de reacción de inducido π 2π -2BlV Efectos producidos por la reacción de inducido Desplazamiento de la “plano o línea neutra” (plano en el que se anula el campo Disminución del valor global del campo de la máquina 7.3.2.5 Conmutación Desplazamiento de la “plano o línea neutra” © Mulukutla S. Sarma: Sarma: Electric machines Problemas durante la conmutación POLOS DE CONMUTACIÓN Reducción de par y aumento de velocidad Disminución del valor global del campo de la máquina Los polos auxiliares de conmutación compensan localmente la reacción de inducido y mejoran la conmutación 7.3.2.6 Funcionamiento generador Rex Iex Uex Lex Ri E Ui FEM Inducida Inducido Inductor Generador de excitación independiente Se hace girar el inducido y se alimenta el inductor. La tensión de excitación controla la FEM (E) y, por tanto, la tensión de salida Ui La tensión de salida crece proporcionalmente con la velocidad de giro n E = K ⋅n⋅ϕ Uii = E − Rii ⋅Iii TTOTAL = K ⋅ϕ⋅I TOTAL I = Corriente de inducido La relación entre la corriente de excitación y la FEM inducida no es lineal: existe saturación 7.3.2.7 Funcionamiento motor Resistencia del inductor Resistencia del inducido Rex Uex Ri Lex Tensión excitación Inductor E FEM Inducida Inducido Motor de exc. independiente Uii = E − R ii ⋅Iii Ecuación del motor derivación e independiente n= Ui Se alimentan el inducido y el inductor con cc. La circulación de intensidad por el inducido (rotor) dentro de un campo magnético constante provoca un par de fuerzas que hace girar al rotor. La velocidad alcanzada dependerá de las tensiones de excitación e inducido, los parámetros de la máquina y del par accionado. Uii T − ⋅ R ii 2 2 K ⋅ ϕ K ⋅ K '⋅ϕ Curva par-velocidad de los motores de excitación independiente y derivación n Pendiente Pendiente 22 –– 8% 8% Aumento Aumento de de Rii Característica dura T 7.5 Motores monofásicos • Introducción • Principio de funcionamiento: • Motor de fase partida • Motor de espira de sombra 7.5.1 Introducción Los Los motores motores monofásicos monofásicos de de inducción inducción se se utilizan, utilizan, principalmente, principalmente, en en los los electrodomésticos electrodomésticos yy máquinas máquinas herramienta. herramienta. Su Su diseño diseño es es muy muy parecido parecido al al de de los los trifasicos. trifasicos. El El rótor rótor es es en en jaula jaula de de ardilla. ardilla. El El devanado devanado estatórico estatórico está está formado formado por por dos dos conjuntos conjuntos de de bobinas bobinas Devanado auxiliar El El devanado devanado principal principal Devanado principal El El auxiliar, auxiliar, despalzado despalzado 90º, 90º, yy alojado alojado en en las las ranuras ranuras del del paquete paquete magnético magnético estatórico. estatórico. 7.5.2 Principio de funcionamiento Motor Monofásico Tensión alterna monofásica Interacción i-B Fuerza sobre las espiras del rotor que se cancelan El rotor NO gira Estator Devanado principal alimentado con tensión monofásica Rótor Espiras en cortocircuito Campo variable de dirección fija Ley de Biot y Savart Necesita impulso exterior para empezar a girar cerca del sincronismo Ley de Faraday Corrientes y FEM inducida en el rotor 7.5.2 Principio de funcionamiento Par de arranque Para Para producir producir par par en en el el arranque arranque es es necesario necesario crear crear un un campo campo magnético magnético rotativo. rotativo. Esto Esto puede puede lograrse lograrse mediante mediante el el devanado devanado auxiliar. auxiliar. Al Al alimentar alimentar ambos ambos devanados, devanados, desplazados desplazados yy desfasados desfasados 90º, 90º, se se generan generan flujos flujos ortogonales. ortogonales. Devanado auxiliar Rotación Devanado principal Campo Campo magnético magnético rotativo rotativo Par Par de de arranque arranque Devanado Devanado auxiliar auxiliar se se desconecta desconecta al al alcanzar alcanzar el el 75% 75% de de la la velocidad velocidad de de sincronismo sincronismo mediante mediante interruptor interruptor centrífugo centrífugo Fuente C.A. 7.5.2 Principio de funcionamiento Motor de fase partida Devanado Devanado principal principal con con muchas muchas espiras espiras gruesas. gruesas. Muy Muy inductiva inductiva Devanado Devanado auxiliar auxiliar con con pocas pocas espiras espiras delgadas. delgadas. Poco Poco inductiva inductiva Mejora: Mejora: Condensador Condensador en en serie serie con con el el circuito circuito auxiliar. auxiliar. Acerca Acerca el el desfase desfase entre entre las las intensidades intensidades aa la la condición condición ideal ideal de de cuadratura: cuadratura: máximo máximo valor valor de de par par de de arranque. arranque. Interruptor Interruptor centrífugo centrífugoCondensador Devanado auxiliar Devanado auxiliar Hilo fino Hilo fino Devanado principal Devanado principal Hilo grueso Hilo grueso Desfase Desfase relativo relativo entre entre ambas ambas intensidades intensidades Campo Campo giratorio giratorio yy por por tanto tanto Par Par de de arranque arranque 7.5.2 Principio de funcionamiento Motor de espira de sombra Rotación Los Los motores motores monofásicos monofásicos de de espira espira de de sombra sombra son son muy muy utilizados utilizados en en aparatos aparatos de de pequeña pequeña potencia potencia debido debido aa su su simple simple ejecución. ejecución. El El devanado devanado auxiliar auxiliar consiste consiste en en una una única única espira espira de de cobre cobre que que rodea rodea una una porción porción de de cada cada polo. polo. El El flujo flujo principal principal induce induce otro otro campo campo pulsante pulsante en en las las espiras espiras auxiliares. auxiliares. La La acción acción combinada combinada de de ambos ambos da da lugar lugar aa un un débil débil campo campo giratorio giratorio que que arranca arranca el el motor. motor. Anillo de cobre Devanado auxiliar Devanado principal Fuente C.A. 7.4 Selección de un motor. 7.4.1 Grado de protección. 7.4.2 Formas constructivas. 7.4.3 Tipos de servicio. 7.4.4 Selección de un motor de Inducción. 7.4.1 Grado de Protección de un Motor. UNE-20324. • El grado de protección de la carcasa de un motor frente a la penetración de sólidos y agua se indica mediante la designación IP seguida de dos dígitos • IP xy – IP (International Protection) – x (0-6) Protección contra contacto y penetración de sólidos – y (0-8) Protección contra penetración de agua 7.4.1 Grado de Protección de un Motor. UNE-20324. 1ª Cifra 2ª Cifra 7.4.2 Formas Constructivas. IEC 60034-7. → Disposición y montaje del motor. • Las formas constructivas hacen referencia a la disposición del eje del motor a la superficie de anclaje y se indica mediante la designación IM seguida de una letra y un número • IM xy – IM (International Mounting) – x (B,V) Eje horizontal o vertical – y (número de uno o dos dígitos) IM B 3 7.4.2 Formas Constructivas. IEC 60034-7. → Disposición y montaje del motor. 7.4.3 Tipos de servicio S1: Servicio continuo Servicio con carga constante cuya duración es suficiente para estabilizar la temperatura de la máquina. Denominación: Indicación de la potencia. S2: Servicio de breve duración Servicio con carga constante pero cuya duración no es suficiente para estabilizar la temperatura, seguido de una pausa lo suficientemente prolongada para que la temperatura del motor no difiera en más de 2 K de la del medio refrigerante. Denominación: Mediante la duración del servicio y la potencia; por ejemplo, S2: 20 min., 15 kW. 7.4.3 Tipos de servicio S3: Servicio intermitente sin influencia del proceso de arranque Servicio que se compone de una sucesión de maniobras iguales, formadas por un período de carga constante seguido de una pausa, sin que la intensidad de arranque influya apreciablemente en el calentamiento. Denominación: Mediante el tiempo de conexión, duración de la maniobra y potencia. Por ejemplo, S3: 15 min/60 min, 20 kW; o por duración relativa del período de conexión tr en tanto por ciento y duración de la maniobra. Por ejemplo, S3: 25 %, 60 min., 20 kW. La indicación de la duración de la maniobra puede suprimirse cuando es de 10 minutos. S4: Servicio intermitente con influencia del proceso de arranque Servicio que se compone de una sucesión de maniobras iguales, que comprenden un tiempo de arranque apreciable, un tiempo con carga constante y una pausa. Denominación: Mediante la duración relatíva de conexión en tanto por ciento, número de arranques por hora y potencia. Por ejemplo, 84: 40 %, 520 arranques, 30 kW. Adicionalmente se indicará el momento de inercia y el par resistente durante el arranque. 7.4.4 Selección de un motor de inducción. Seleccionar carcasa y nivel de protección (IP) Seleccionar forma normalizada de montaje (IM) en función de la ubicación Seleccionar potencia en función de la potencia necesaria para arrastra la carga Seleccionar clase de aislamiento en función de la temperatura esperada y ambiente de trabajo Seleccionar velocidad (p) en función velocidad carga Seleccionar característica mecánica en función de par de arranque y resistente de la carga ABB – “Guide for selecting a motor” 7.4.4 Selección de un motor de inducción. → Tipos de cargas mecánicas. Par resistente. TR=K· n2 z z z z Bombas centrífugas Compresores centrífugos Ventiladores y soplantes Centrifugadoras TR=K· n z z Prensas Máquinas herramientas TR=K· z z TR=K n-1 Bobinadoras Máquinas fabricación chapa z z z z TR Máquinas elevación Cintas transportadoras Machacadoras y trituradoras Compresores y bombas de pistones TR=K· n2 TR=K· n TR=K TR=K· n-1 n 7.4.4 Selección de un motor de inducción. Æ Clasificación NEMA según el tipo de rotor T/Tnom 3 2,5 2 Clase Clase C C MOTOR CLASE A z Clase Clase D D z Clase Clase A A Clase Clase B B z z z 1,5 z S Par de arranque bajo Par nominal con S<5% Corriente arranque elevada 5 – 8 In Rendimiento alto Uso en bombas, ventiladores, máquina herramienta, etc, hasta 5,5 kW Para potencias > 5,5 kW se usan sistemas de arranque para limitar la corriente 7.4.4 Selección de un motor de inducción. → Datos de catálogo. http://www.lafert.com/products/pdf/2.1%20s%202004.pdf