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UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
“PROPUESTA DE PRÁCTICAS PARA EL
LABORATORIO DE MÁQUINAS
ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA”
TESIS
Que para obtener el título de:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
PRESENTA:
OSCAR IVÁN MOLINA ARRILLAGA
XALAPA, VER.
FEBRERO 2011
Dedicada a Mi Madre
Roció Otilia Arrillaga Perez
A quienes me brindaron su apoyo,
Pero sobre todo a Quien siempre ha estado conmigo en mí caminar:
MI
SEÑOR JESUCRISTO,
EL HIJO DE DIOS.
1
PROPUESTA DE PRÁCTICAS PARA EL
LABORATORIO DE
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE
CORRIENTE ALTERNA
2
INDICE

PROLOGO……………………………………………………………………………………………………………..4

INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………………………….5

CAPITULO I
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS DE C.A.
1.1.- Fuerza Electromagnética…………………………………………………………………………………..8
1.2.- Ley de Faraday de la Inducción Electromagnética…………………………………………...13
1.3.- Ley de Lenz………………………………………………………………………………………………………16
1.4.- Materiales Magnéticos…………………………………………………………………………………….18
1.4.1.-Histeresis…………………………………………………………………………………………………….21
1.4.2.-Corrientes de Foucault………………………………………………………………………………..22

CAPITULO II
EL TRANSFORMADOR.
2.1.- Fundamentos de Operación…………………………………………………………………………….24
2.2.- Componentes del Transformador…………………………………………………………………… 28
2.3.- Pruebas principales del Transformador……………………………………………………………32
2.4.- Regulación de Voltaje y Eficiencia en el Transformador…………………………………..37
2.5.-Transformadores en paralelo……………………………………………………………………………40
2.6.- El autotransformador………………………………………………………………….………………….42
2.7.- Conexiones trifásicas de transformadores…………………………………….……………….45

CAPITULO III
EL GENERADOR DE C.A.
3.1.- Voltaje producido por el movimiento entre conductores
y un campo magnético……………………………………………………………………………………55
3.2.- Componentes del Generador C.A…………………………………………………………………….57
3.3.- Características del Generador de C.A. a distintos Factores de Potencia…………..60
3.4.-Condiciones necesarias para sincronizar un Generador de C.A.
al Sistema Eléctrico Nacional…………………………………………………………………………...64

CAPITULO IV
MOTORES DE C.A.
4.1.-La Corriente Alterna aplicada a los motores…………………………………………………….67
4.2.- El Motor Síncrono [Características y Funcionamiento]…………………………………….70
4.3.- El Motor de Inducción……………………………………………………………………………………..73
4.3.1.-Características de Funcionamiento del Motor Jaula de Ardilla…………………..77
4.3.2.- Características de Funcionamiento del Motor de Rotor Devanado……………81

CAPITULO V
PRACTICAS DE LABORATORIO.
5.1.- Transformadores……………………………………………………………………………………………..85
5.2.- Generadores de C.A……………………………………………………………………………………….132
5.3.- Motores de C.A………………………………………………………………………………………………159

CONCLUCIONES…………………………………………………………………………………………………..183

BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………………………………..184
3
PROLOGO
Me es de suma importancia presentar este trabajo de renovación de las prácticas de
Laboratorio, concernientes a máquinas de C.A., de las materias teórico-prácticas:
transformadores y subestaciones y máquinas rotatorias de C.A., impartidas en la
carrera de Ingeniería Mecánica Eléctrica de la Universidad Veracruzana. Pues el
capacitar al alumnado con prácticas cuya información no se había actualizado desde
hace 20 años y ver como estos debían acudir al laboratorio a solicitar las prácticas a
realizar, me llevó a desarrollar este trabajo recepcional.
Este trabajo presenta varios objetivos, el primero: reestructurar completamente y
actualizar las prácticas de máquinas de C.A. con la finalidad de que estas puedan ser
descargadas desde internet, teniendo una mayor claridad y calidad. Un segundo
objetivo, es personal y versa del repaso de los principios fundamentales de operación y
construcción de estas máquinas, las cuales tienen gran relevancia para mí. No obstante
y creo que es el objetivo principal, es llevar la información más relevante proveniente
de la bibliografía recomendada por los catedráticos que imparten estas materias; esto
se debe a que nosotros como alumnado muchas veces no tomamos interés por la
lectura de fuentes bibliográficas, lo que lleva a desconocer aspectos importantes de
nuestra carrera y la mayoría de veces a sacar malas notas. Sin embargo, no creyendo
que sea la solución de este problema, pero sí un aporte para mí y mis compañeros,
este trabajo recepcional contiene la información más relevante, respecto a los temas
vistos tanto en el aula como en la práctica, presentándola en documentos de lectura
meramente obligatoria como son las prácticas de laboratorio. La información
presentada en estas nuevas prácticas, es tomada de la bibliografía recomendada y de
páginas de internet comprometidas con la veracidad de la información.
4
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo Recepcional dirige esfuerzos al estudio, comprensión y aplicación
de las máquinas eléctricas, abarcando desde las unidades de transformación
(transformadores) a máquinas rotatorias de C.A. Haciendo una reestructuración
completa de las prácticas pertenecientes y desarrolladas en el Laboratorio de
Máquinas Eléctricas de la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, región Xalapa, las
cuales por su antigüedad y la limitada información (pero importante) que estas
presentan, llevaron mi interés a renovarlas, en la mayor parte de los aspectos posibles,
con información, nitidez, seguridad e interés.
En el aspecto de información, se buscó en bibliografía actualizada, así como en
páginas de internet que garantizan la seriedad de la información expuestas en estas.
Por parte de nitidez, se busco hacer más legibles los conceptos, los diagramas e
imágenes presentadas en estas, eliminando el pálido color de una copia fotostática. En
el aspecto de la seguridad, se indican en las prácticas que presentan conexiones de
riesgo, pasos para llevar a las máquinas a operar con seguridad, indicando niveles de
voltaje, posiciones de perillas, atención a medidores en especifico, de igual manera se
agrego simbología de seguridad industrial, con el fin de que el alumnado que se
presenta en prácticas este consciente y alerta. En el aspecto de interés se busco
colores claros, llamativos para resaltar principios importantes, expresiones algebraicas,
y se amplió la información de aplicaciones prácticas, pues es vital saber que lo
estudiado en el aula, tiene una aplicación práctica y más importante.
Uno de los problemas con el que se encuentra un instructor de prácticas, es la falta de
conocimiento que el alumnado presenta (y que nosotros “instructores” también
presentamos), respecto a temas de suma importancia para nuestra carrera; esto se
debe a la falta de búsqueda de información y corroboración de los conocimientos
obtenidos en clase. No obstante, a través de este trabajo recepcional se busca llevar la
información más importante de la bibliografía que los profesores recomiendan al
alumnado, esto claro, a través de las prácticas que son y deben ser un requisito
obligatorio para cualquier estudiante de la F.I.M.E. No obstante, como estudiante, me
vi con ciertas limitaciones, al pretender tomar de más fuentes de información, los
temas que requería, ya que muchos de estas fuentes me remitían a otros conceptos,
desviando a veces mi atención al objetivo perseguido. Sin embargo, al limitarme a la
bibliografía recomendada y a páginas de internet serias, me vi encaminado
nuevamente. Cabe señalar que la bibliografía donde se tomo parte de la información
es actualizada y correcta, es por eso que este trabajo recepcional se encuentra
integrado de la siguiente manera:
El capitulo 1, menciona los principios fundamentales bajo los cuales se rige el
funcionamiento de las máquinas eléctricas de C.A. estudiadas. El capitulo 2, desglosa,
desde su construcción hasta su correcta operación bajo carga del transformador, su
5
comportamiento e importancia en el sistema de distribución. En el capítulo 3, versa del
elemento base de la industria eléctrica, el alternador (generador de C.A.), en este
capítulo se menciona su funcionamiento, construcción (constitución), comportamiento
ante cargas y la puesta en paralelo con la red eléctrica nacional. En el capítulo 4, se
aprecia la aplicación de la C.A. a los motores, se explica su asombrosos funcionamiento
(trifásico principalmente), así como se mencionan los motores de C.A. más relevantes y
su funcionamiento. Finalmente, el capítulo 5, es un conjunto de prácticas
reestructuradas de laboratorio propuestas, ordenadas según su tema.
6
CAPÍTULO I
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
DE LAS MÁQUINAS DE C.A
7
1.1. -FUERZA ELECTROMAGNÉTICA:
Fuerza, le llamamos Fuerza a todo desprendimiento y transformación de la energía que se
presenta en el Universo, acción que se realiza en todo momento.
Generalmente al escuchar de este concepto hacemos referencia a la aplicación de un empuje
a un objeto para moverlo, haciendo manifiesto visual del desarrollo de esta. Sin embargo, no
podemos excluir aquellas fuerzas que no se pueden ver, las cuales se presentan con más
frecuencia y hasta con mayor intensidad que aquellas que se logran ver, un gran ejemplo de
este tipo de Fuerzas es la Gravedad la cual nos mantiene con los pies en la Tierra y tiene que
ver con la atracción de dos ó más cuerpos con una masa idéntica ó diferente.
FIGURA: 1.1
Esquema del campo magnético de la Tierra
Observe que el Polo Norte Geográfico en
realidad es el Polo Sur Magnético del imán
que representa la Tierra.
Tal fuerza se desprende de este
gigantesco imán sobre el que estamos
parados, el cual, por la interacción de
su núcleo líquido de roca fundida
(Lava) con la capa de Hierro que la
envuelve, produce un fuerte campo
magnético, siendo los
polos
magnéticos de este imán contrarios a
los polos geográficos; esto es, el Polo
Norte magnético se encuentra en el
Polo Sur geográfico y el Polo Sur
magnético se encuentra en el Polo
Norte geográfico4; como se aprecia en
la figura.
Otro ejemplo de Fuerzas invisibles, es
la que se desarrolla para la formación
de una descarga atmosférica (Rayo), la
cual se trata de una Fuerza Eléctrica
que se produce por la interacción entre las cargas eléctricas presentes tanto, en las nubes
como en la superficie terrestre; estando las nubes cargadas con carga negativa y el suelo con
carga positiva. Cuando una nube presenta una alta concentración de carga negativa y
encuentra un punto en la Tierra con un igual ó mayor grado de concentración de carga
positiva, la Fuerza de atracción entre ambas cargas es tan grande y tan fuerte que concluye en
la formación de un arco eléctrico que equilibra las cargas entre la nube y el suelo; el rayo
puede bajar ó subir dependiendo de la carga que se presente con mayor intensidad.
1
La aguja de una brújula es un imán permanente y su indicador, del que se dice “busca
perpetuamente” el Norte posee una polaridad “Norte”, cuando tiene plena libertad para moverse
la aguja señala hacia el polo Sur magnético del globo terrestre que generalmente se denomina polo
Norte geográfico, debido a que los polos magnéticos opuestos se atraen.
8
Ambos ejemplos, son muestras de Fuerzas naturales, las cuales pueden producirse una
respecto a la otra, de manera que podemos producir magnetismo a partir de la electricidad,
generando así, la llamada FUERZA ELECTROMAGNÉTICA.
La Fuerza Electromagnética, no era conocida, si no que su
conocimiento tomó impulso con los trabajos teóricos y
experimentales del Físico Danés Hans Christian Oersted
(1777-1851), el cual, en un experimento se cree colocó
una brújula accidentalmente junto a un conductor por el
que circulaba una corriente eléctrica, asombrándose de la
desviación que tomaba la aguja al estar cerca del
conductor eléctrico. Este hecho lo hizo indagar en el
fenómeno, llegando a la conclusión de que la aguja se
Hans Christian Oersted
alinea siempre perpendicularmente al alambre conductor
(ignorando la influencia del campo magnético de la Tierra), esto, debido a que la corriente en
el alambre produce un campo magnético que atrae a la aguja de la brújula y la alinea con el
campo. A partir de tal observación, explicó este fenómeno de la siguiente forma:
Alrededor de todo conductor por el que circule una corriente eléctrica, se desarrollará
un campo magnético perpendicularmente al área longitudinal del conductor;
dependiendo la intensidad del campo magnético, de la cantidad de corriente que por
este circule.
Oersted continuó con sus experimentos, comprobando que es posible el desarrollo de un
campo magnético, similar al que se presenta en el mineral llamado magnetita pero a partir del
flujo de una corriente eléctrica en un hilo conductor; campo magnético, cuya duración
depende directamente del tiempo en que circule esta corriente. No obstante, el sentido que el
campo magnético tomará (horario ó antihorario), viene dado por la dirección en que circule
esta corriente. Tal relación se explica con la regla de la mano derecha para campos
magnéticos, por que indica:
Sabiendo la dirección del flujo de la corriente en un alambre conductor, se toma con la
mano derecha y se coloca el pulgar en la dirección de tal flujo, al cerrar la mano, los
demás dedos indicaran el sentido de las líneas de fuerza magnética que rodean al
conductor (Esta regla se basa en la teoría electrónica del flujo de corriente (negativo,
positivo).
9
Unas cuantas semanas después de que Oersted
anunció su descubrimiento; El Físico-Matemático
Francés André Marie Ampere (1775-1836) presentó
los resultados de una serie de ingeniosos experimentos
que demostraban la relación directa entre la cantidad
de corriente aplicada a un conductor con la Intensidad
del campo magnético que esta producía, siendo que
entre más corriente fluya por el conductor más intenso
será el campo magnético alrededor de éste.
André Marie Ampere
Así, tras años de investigación se llegó a la expresión
para obtenerla densidad del campo magnético
desarrollado en un conductor de longitud ( l ):
B
Donde:
 (I )
2 (l )
B.-Densidad de flujo del campo magnético(weber/ m2).
μ.-Permeabilidad del medio (S/Unidades). 5
I.- Corriente que fluye en el conductor (Amperes).
l.- Longitud del conductor (metros).
Más, si hay “N” número de cables:
B
 ( N )( I )
2 (l )
No conforme con lo anterior, Ampere determinó también la relación entre los campos
magnéticos en dos ò más conductores paralelos, considerando que sí existe una relación entre
los campos magnéticos producidos por magnetos minerales tal interacción también se
presentará en campos producidos por corrientes eléctricas; llegando a la conclusión de que
campos magnéticos producidos por corrientes que toman un mismo sentido (paralelas) se
atraen; No siendo así cuando las corrientes fluyen de manera contraria una respecto a la
otra, generando que los campos se repelan, lo anterior se complementa con lo siguiente:
La fuerza magnética de atracción ó repulsión que presentan dos ó más conductores entre sí,
al transportar corrientes eléctricas es directamente proporcional al sentido en que estas
circulan é inversamente proporcional a la distancia entre los conductores.
5
Siendo “μ” una medida de la facilidad de magnetización de un material.
10
De igual manera, surgió el interés de medir la intensidad de dicho campo magnético a una
determinada distancia del conductor, siendo los Físicos
Franceses: Jean Baptista Biot (1774-1862) y Félix Savart
(1791-1841) quienes alrededor de 1820 dedujeron una
relación que indica:
:
Principio de Biot-Savart
Si se desea conocer la densidad del campo magnético
presente en un punto “P”, por causa de una corriente,
en un conductor largo recto ó curvado, se supondrá
que el conductor esta hecho de elementos ó segmentos
de longitud infinitesimal “dl ”:
B
0 2( I )
4 r
Jean Baptista Biot
Donde:
B.- Densidad de flujo del campo magnético con respecto a “P” (Weber/m2).
μ0.- Permeabilidad del medio vacío (aire). (=4π x 10-7 Weber/Amp*m)
I.-Corriente del conductor (Amperes).
R.- Distancia desde el centro del conductor al elemento “P” (metros).
La expresión obtenida por este equipo de Físicos, es un apoyo para determinar la densidad de
flujo magnético (B) en un conductor cuya longitud puede estar dispuesta tanto en modo
rectilíneo, como a manera circular.
De igual manera, Ampere había encontrado la relación entre la corriente aplicada (I) y la
intensidad del campo magnético (H)
en una trayectoria cerrada de
alambre conductor (espira)
Si se dobla un trozo de conductor
formando
un
enrollamiento
conocido como “Bobina”, las líneas
de fuerza que rodean el conductor
saldrán todas por uno de los
costados de la bobina y entrarán por
el otro (figura: 1.2). Entonces la
bobina de alambre que transporta
FIGURA:1.2
una corriente hará las veces de un
imán débil con un Polo Norte y un Polo Sur, siendo el Polo Norte el punto donde salen las
líneas de fuerza y el Polo Sur donde entran.
11
Para determinar el sentido del campo magnético en una
bobina también se aplica la regla de la mano derecha,
explicada anteriormente, sin embargo varía que: sobre
la bobina en el mismo sentido que el flujo de corriente,
el pulgar apuntará hacia el Polo Norte. (figura: 1.3):
FIGURA: 1.3
En una bobina la Potencia del campo magnético se ve
amplificada debido a que los campos individuales de
cada espira están en serie, sumándose y formando un
fuerte campo magnético, pudiéndose determinar la
densidad de flujo magnético de una bobina de la
siguiente forma:
B
0 N ( I )
2 r
Donde “N” es el número de espiras ó de arrollamientos de alambre que tenga la bobina. Este
factor es importante, ya que la potencia del campo magnético desarrollado en la bobina está
determinado por el número de espiras que esta tenga, esto es, a mayor cantidad de espiras
(vueltas) tenga la bobina, más intenso será el campo magnético que esta produzca.
Como se puede ver, analizando la expresión, otra de las formas de incrementar el campo
magnético, es aumentando la corriente eléctrica que circula a través de la bobina.
Si bien, estos factores no concentran el campo lo suficiente como para aprovecharlo. No
obstante para aumentar aún más la densidad de flujo (B) se inserta en la bobina un núcleo de
hierro, la densidad de flujo aumenta considerablemente por que el núcleo de hierro ofrece
mucha menor resistencia (Reluctancia ) a las líneas de fuerza que el aire.
Esta observación la realizó por primera vez el físico Francés
Jean Dominique Arago (1786-1853), quien argumentó:
“Mientras estaba repitiendo los experimentos del Danés
Oersted en 1820, noté que la misma corriente producía un
fuerte campo magnético en barras de hierro y acero, dando
propiedades magnéticas a estos materiales como a ningún
otro” 6
Arago había hallado la forma de comunicar la propiedad
magnética a las piezas de hierro u aleación de este, cuando
antes, la única forma de lograrlo era frotando tal barra con
Jean Arago
un fragmento de magnetita.
No obstante fue el inglés William Sturgeon quien en 1823 descubrió que al enrollar una
bobina en una barra de hierro, siendo así una sola pieza y haciendo pasar una corriente
eléctrica a través del alambre enrollado, se forma lo que él llamo como “electroimán”, el cual
era capaz de levantar veinte veces su peso.
6
IBIDEN: Sciece Handbook Tomo:5
12
1.2.-LEY DE FARADAY DE LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Uno de los mayores experimentalistas de todos los
tiempos fue sin duda el Físico y Químico Inglés
Michael Faraday (1791-1867), de clase Humilde y
una educación por decir “básica”, mas con un amplio
interés autodidacta; elaboró una teoría descriptiva
completa de la electricidad, sus voluminosas
publicaciones no contienen una sola fórmula
algebraica ó química, no obstante poseen un
enfoque claro y conciso.
Inspirado por los descubrimientos de Oersted puso
de manifiesto que sí las corrientes eléctricas son
capaces de engendrar campos magnéticos, luego
entonces debe ser posible obtener corrientes eléctricas a partir de campos magnéticos, siendo
en 1825 cuando Faraday inicio sus experimentos para
demostrar su hipótesis.
MICHAEL FARADAY
Después de haber registrado en su diario cada experimento fallido con su respectiva
experiencia, fúe en 1831 cuando comenzó a notar detalles positivos que lo acercaban a su
cometido, pues al formar una bobina “A” sobre un
cilindro (núcleo) de madera y conectar sus salidas a un
galvanómetro “G”; formando una segunda bobina “B”
sobre la primera, cuyas salidas van conectadas a una
batería (Figura: 1.4).
Faraday argumentó lo siguiente:
“Al cerrar el contacto “C” de la batería comienza a circular
una corriente eléctrica a través de la bobina: B. De los
resultados de Oersted y Ampere se sabe, que esta
corriente genera un efecto magnético a su alrededor. Este efecto magnético cruza la bobina:
A, y sí el magnetismo produce electricidad, entonces por la bobina: A debería empezar a
circular una corriente eléctrica que debería empezar a detectarse por medio del
galvanómetro: G.” 7
Sin embargo, la aguja de este instrumento no se movía, lo que significa
FIGURA:que
1.4 no existía
corriente alguna en la bobina: A. No obstante a pesar de estos resultados Faraday no se dio
por vencido, notando con atención cada elemento del experimento, hasta que se dio cuenta
que al momento de conectar la batería, la aguja del galvanómetro realizaba un pequeño
movimiento y volvía al cero, repitiéndose este evento en el momento de desconectar la
batería, sin embargo el movimiento de la aguja es en sentido contrario al que había realizado
en un principio. Concluyendo que al cerrar el interruptor la magnitud del voltaje en la bobina:
7
IBIDEN:
13
B, cambia de cero, al valor determinado por la batería, siendo así también con el campo
magnético que se desarrolla alrededor de la bobina: B.
Siguiendo este comportamiento al desconectar la batería, pues la corriente y el campo
magnético a través de la bobina B cambian de un valor no nulo a cero.
Además de este experimento, Faraday buscó corroborar los resultados obtenidos en esté
último, realizando otros más. Uno de estos experimentos que salta a la atención es uno donde
produjo una bobina: A, en un anillo de hierro, conectando sus extremos a un medidor
galvanómetro, y engarzando esta bobina en anillo con una segunda bobina: B, la cual quedaba
de modo perpendicular con
respecto a la bobina A, conectando
los extremos de la bobina B a una
batería (Figura: 1.5).
Al cerrar el interruptor de la
bobina B, inicia la circulación de
corriente a través de está,
produciendo al instante un campo
magnético que envuelve ambas
bobinas y magnetiza el núcleo de
hierro de la bobina A, mas no produce ningún voltaje ó corriente en esta.
Faraday notó nuevamente que sólo se registraba una pequeña corriente en la bobina A,
cuando se cerraba y seFIGURA:
abría el 1.5
interruptor C de la batería, no siendo así cuando la corriente
en la bobina B fluía constante.
Así Faraday después de muchos más experimentos, explicó de una manera clara una de las
dos formas de inducir un voltaje ó una corriente en un circuito independiente, diciendo que:
Es posible el desarrollo de una corriente ó un voltaje en un circuito independiente a otro, sí y
sólo sí el efecto magnético producido en este último cambia en lapsos de tiempo muy
pequeños, no produciéndose ninguna corriente en el circuito independiente sí el campo
magnético del circuito alimentado permanece constante.
Donde:
ε.- Fuerza Electromotriz (Voltaje) (Volts).
N.-Número de espiras.
φ.- Flujo magnético (Webers).
t.- Tiempo (Segundos).
Esta expresión, es la pieza fundamental que rige el funcionamiento de un Transformador.
En la práctica, se tiene una gran dificultad el aplicar la expresión arriba mostrada, ya que
difícilmente se encontrará que las espiras en una bobina estén estrechamente unidas, esto,
debido a que en esta expresión se considera que existe la misma cantidad de flujo magnético
en cada espira de la bobina, cosa que no es así, ya que el flujo magnético se dispersa en el
entorno de la bobina. Para solucionar este ligero inconveniente la expresión del Principio de
Faraday quedaría:
14
Donde:
λ= Enlace de flujo (Webers/Vuelta).
Cabe señalar que la expresión que se muestra arriba no fue obtenida por Faraday, si no que
fue el Físico Británico James Clerk Maxwell ( 1831-1879) quien sabiamente dedujo las
relaciones matemáticas de los trabajos realizados por Gauss, Ampere y Faraday, produciendo
una teoría matemática que relaciona las propiedades de los campos eléctricos y magnéticos.
No obstante, no siendo todo, sus estudios de las propiedades electromagnéticas de la luz y la
“materia” fueron esenciales para el desarrollo de otros descubrimientos, (las aportaciones de
Maxwell fueron vitales para Henrich Rudolf Hertz
y Albert Einstein).
15
1.3.-LEY DE LENZ
Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1864), fue un Físico Alemán quien, sin conocer los trabajos
realizados por Faraday y Henry (personaje que se hablará más adelante de él) descubrió por su
propia cuenta el Principio de la Inducción Electromagnética en 1842, sus trabajos analíticos lo
llevaron a notar un fenómeno que se desarrolla en toda corriente inducida y que los demás
científicos de aquella época no se habían percatado.
El Principio que descubrió establece que:
La dirección que toma una corriente inducida en un circuito es tal que el flujo magnético que
esta produce se opone a la variación del flujo magnético que la produjo.
Como se dará cuenta se trata de la expresión de la inducción electromagnética de Faraday
para un cambio de flujo que cruza un circuito fijo, sin embargo, se le agrega el signo de menos,
el cual indica la oposición del flujo magnético inducido a la variación de flujo que lo produce.
Así, hoy en día muchos conocemos esta expresión matemática como la “Ley de Faraday-Lenz”.
Cabe señalar que el efecto de este principio se hace notar en ambos casos de inducción
electromagnética, siendo, en el caso del movimiento de un conductor en un campo magnético
que la dirección de la corriente inducida en el conductor móvil produce un efecto magnético
cuya fuerza lateral es opuesta a la de su movimiento.
Para ampliar el desarrollo de este fenómeno en este modo de inducción analicemos lo
siguiente:
Al acercar un imán con su polo sur en la parte frontal a una espira, esta desarrollará una
fuerza electromotriz (voltaje), cuya corriente circulará en un sentido tal, que su efecto
magnético se opondrá a la causa que los produjo, esto es, al
acercarse el imán con su polo sur, la espira desarrollará un campo
magnético con polaridad de sur a norte por lo que se
confrontaran ambos campos y se repelerán (figura: 1.6a).
Así, al alejar el imán de la espira (figura: 1.6b), se inducirá en ésta
última la misma corriente pero en
FIGURA: 1.6 a
sentido contrario, manifestándose
este cambio, también en la polaridad del campo magnético que
será: norte-sur, atrayendo al imán que ahora se aleja.
FIGURA: 1.6 b
16
En el caso de inducción electromagnética en la que tanto el circuito inductor como el circuito
inducido están fijos; la
corriente
inducida
desarrolla
su
propio
campo magnético el cual
se opone al campo
magnético del circuito
inductor (que lo ha
producido) cuando este
aumenta (figura: 1.7 a).
FIGURA: 1.7 a
En cambio, cuando la variación
del campo magnético del
circuito inductor disminuye, el
campo magnético del circuito
inducido cambia su polaridad,
atrayendo ahora al campo
magnético que se debilita
(figura: 1.7 b).
FIGURA: 1.7 b
Por tanto es al cambio en el flujo y no al flujo mismo a lo que se opone la corriente inducida.
Cabe señalar que el Principio de Lenz es aplicado para determinar la polaridad de los voltajes
inducidos en los devanados de un Transformador.
17
1.4.- MATERIALES MAGNÉTICOS
En este primer capítulo hemos visto como la constancia de ciertos hombres los llevó a realizar
grandes descubrimientos, que analizando el comportamiento de la electricidad y haciendo uso
de ciertos materiales, los cuales, se comportaban adecuadamente para su investigación.
No obstante, las máquinas y los instrumentos que operan bajo estos principios (tales como
Transformadores, Generadores, Motores) presentan siempre en su estructura ciertos
materiales u aleaciones que multiplican el flujo magnético y lo limitan a una región
conveniente. Sin embargo, no todos los metales presentan facilidad para imantarse ó conducir
un flujo magnético [φ] a través de sí mismos, esto, debido al comportamiento de los
electrones externos que presentan sus átomos, ya que estos electrones giran en orbitas
alrededor del núcleo y simultáneamente tienen su propio movimiento de rotación sobre su
eje, siendo estos movimientos los que determinan las propiedades magnéticas del átomo y por
tanto del material.
Llamándosele Permeabilidad (μ) de un material dado, a la facilidad relativa para
desarrollar un campo magnético y definiéndose en términos magnéticos como la relación
entre la Densidad del Flujo Magnético (B) con respecto a la Intensidad (H) del mismo
campo magnético.
Cabe señalar que la clasificación magnética de los materiales, se da a partir del valor de
Permeabilidad en el espacio vacío ó aire (μ0), la cual tiene un valor de:
μ0 = 4π x 10 – 7 Henry / Metro
Dándoles el nombre de diamagnéticos (día=“oposición”) a aquellos metales débilmente
magnéticos, cuya permeabilidad es menor a la del aire, los cuales si se sitúan frente a una
barra magnética, ésta, los repele. Ejemplos de estos puede ser: Bismuto (Bi), Plata (Ag),
Plomo (Pb).
Siendo paramagnéticos ( para= “relacionado con”) los metales que presentan un magnetismo
significativo, cuya permeabilidad supera por poco la permeabilidad del espacio vacío y si son
colocados frente a una barra magnética, ésta los atrae. Ejemplos de estos pueden ser:
Aluminio (Al), Paladio (Pd).
No obstante, los átomos del Hierro (Fe), Cobalto (Co) y Níquel (Ni) presentan electrones que
describen órbitas alrededor del núcleo en la misma dirección, teniendo cada átomo un lado
con polaridad norte y lado contrario polaridad sur. Los átomos cercanos se juntan formando
grupos completamente polarizados llamados dominios.
18
Sí uno de estos metales entra en
un campo magnético, todos sus
dominios se alinearan con suma
facilidad y por resultado se tendrá
una capacidad de flujo de líneas
de
fuerza
magnética
(permeabilidad) de varios miles de
veces mayor que la del aire (figura:
1.8), llamándosele a este tipo de
FIGURA: 1.8
materiales
ferromagnéticos
(“magnético como el Hierro”).
Las estructuras de los dispositivos más importantes de la industria eléctrica se construyen con
materiales ferromagnéticos.
Cuando estos materiales se forman en modo cristalino, sus dominios quedan encerrados
dentro del alineamiento, de manera que una vez imantados estos materiales conservan su
lineamiento y polaridad magnética, volviéndose así en imanes permanentes. Sin embargo,
existen aleaciones cuya composición en cantidades adecuadas presentan metales de
naturaleza no magnética tales como: Cobre (Cu), Manganeso (Mn) y Aluminio (Al), las cuales
desarrollan un comportamiento magnético muy parecido al hierro, teniendo sus dominios la
capacidad de alinearse con suma facilidad, mas
también pierden dicha alineación con esa misma
facilidad.
Una de las aleaciones de hierro que se caracteriza por
imantarse permanentemente es el Alnico el cual está
conformado por un 62% de Hierro, 20% de Níquel, 12%
de Aluminio, 5% de Cobalto y 1% de Manganeso y
Silicio.
Sin embargo, la permeabilidad de los materiales
ferromagnéticos desciende al subir la temperatura, por
tanto, se le llama Temperatura de Curie
a la
temperatura por encima de la cual estos materiales
pierden sus características de conducción magnética, a
continuación se muestra la Tabla: 1.1, la cual indica la Temperatura de Curie de distintos
metales y aleaciones ferromagnéticas.
El Hierro por encima de esta temperatura se vuelve paramagnético, sin embargo recupera sus
propiedades magnéticas cuando se enfría, aunque pierde alineamiento en sus dominios por la
actividad térmica de sus átomos.
La figura 1.9 muestra el declive de la permeabilidad magnética de una pieza de Hierro
conforme se incrementa su temperatura, véase que a una temperatura “ambiente” la
permeabilidad de la pieza es de aproximadamente 800, 000 H/m, sin embargo al aumentar la
temperatura hasta casi 760°C la permeabilidad cae considerablemente.
19
FIGURA: 1.9
Este comportamiento indica que los materiales ferromagnéticos no presentan una
permeabilidad constante bajo diversas condiciones.
Otra de las condiciones en que la permeabilidad de un material ferromagnético decae es
cuando estos materiales se saturan de flujo magnético. Así al aumentar lentamente la
Intensidad del campo magnético (H) que circula en una pieza de hierro “x” y confrontar esta,
gráficamente con su respectivo aumento de la Densidad de flujo (B) se obtiene una gráfica
llamada curva de saturación ó curva de magnetización (figura: 1.1.1).
Al inicio de la gráfica cada
incremento en la Intensidad (H)
guarda una razón proporcional
con la Densidad de flujo (B), no
obstante
después
de
un
determinado valor de intensidad
la permeabilidad del material ya
no ascenderá si no tomará un
valor casi constante. La región en
la que la curva se aplana se le
llama región de saturación,
mientras que la zona de
incrementos que le antecede se le
FIGURA:1.1.1
llama región no saturada.
El punto donde se realiza la transición de la región no saturada a la saturada se llama
comúnmente “rodilla”.
La ventaja de ocupar núcleos de materiales ferromagnéticos en transformadores y máquinas
eléctricas rotatorias es que al suministrarles una cierta fuerza magnetomotriz se obtiene un
flujo mayor que el presente en el aire y con una gran facilidad de controlarlo y limitarlo. Sin
embargo, estas máquinas no deben operar dentro de la región saturada de la curva de
magnetización.
20
1.4.1.-HISTÉRESIS
Como ya se ha mencionado, las estructuras de los principales equipos para la generación y
transformación de la electricidad, están conformadas principalmente por materiales
ferromagnéticos como el hierro y sus aleaciones, las cuales son sometidas a campos
magnéticos cuyo sentido varia constantemente.
Estas variaciones en el flujo magnético (como ya se sabe), se deben a que estos equipos
operan con corriente alterna como la que se muestra en la figura:1.1.2a, la cual cuando se
aplica de a-b al núcleo ferromagnético de una de estas máquinas (considerando un flujo
magnético inicial igual a cero) el flujo magnético toma la dirección ab (figura:1.1.2b), que es la
curva de saturación del material ferromagnético, al caer la corriente de b-c y completar los
180° eléctricos, el flujo magnético también decae, mas no por el camino por el que ascendió, si
no por la trayectoria bc, donde “c” es el punto neutral cuando la corriente esta en cero, nótese
que el flujo magnético no llega a cero debido a que existe todavía flujo en el núcleo llamado
flujo residual ó flujo remanente (aquí la pieza ferromagnética se vuelve un imán permanente).
FIGURA: 1.1.2
Al tomar la corriente un sentido contrario de c-d se produce un flujo opuesto, el cual busca
reorientar los dominios magnéticos en ese sentido (opuesto), decayendo el flujo a cero “d” y
volviendo a tomar su valor máximo pero en sentido contrario. Cabe señalar que la corriente
que obliga a los dominios magnéticos a cambiar y que hace que el flujo llegue a cero se le
llama corriente coercitiva.
Así al iniciar su ascenso la corriente de d-e, el flujo sigue ahora la trayectoria de y se repiten
ambos ciclos. Este comportamiento del flujo magnético con respecto a la corriente no sólo
tiene que ver con la excitación magnética, si no que mucho tiene que ver con la “historia” ó
antecedentes magnéticos que haya tenido la pieza ferromagnética ya que se podría decir que
esta tiene memoria magnética, llamándosele a esta dependencia histórica previa al flujo del
material Histéresis y a la trayectoria que el flujo magnético desarrolla al aplicársele una
corriente alterna lazo de histéresis.
Como se explicó, se requiere una cierta cantidad de energía para invertir los dominios
magnéticos del material al momento en que la corriente alterna cambia su sentido al fluir en
este, esta energía requerida es energía perdida en el núcleo en forma de calor a la cual se le
nombra Pérdida por Histéresis y pertenece al grupo de la llamadas Pérdidas en el núcleo.
21
1.4.2.-CORRIENTES DE FOUCAULT
Dentro del grupo de Pérdidas en el núcleo, se encuentran las llamadas corrientes de Foucault
(en honor a su descubridor el Físico Francés Jean
Bernard León Foucault 1819-1868) también conocidas
como corrientes de torbellino ó edy, éstas son
producidas debido a la inducción de voltaje en el
núcleo ferromagnético (como ya se ha mencionado,
por la variación de un flujo magnético de un circuito
alimentado por c.a.). Este voltaje desarrolla flujos de
corrientes que circulan en el núcleo a manera de
espiral y ya que se encuentran en un medio resistivo
Jean Bernard Leon Foucault
(figura: 1.1.3a), disipan energía en modo de calor,
2
debido al efecto Joule (i R). Estas corrientes son muy perjudiciales por el mismo hecho del
calor que producen y no sólo eso sino también por el flujo magnético que estas desarrollan.
No obstante, se ha logrado mitigar considerablemente los efectos de este tipo de corrientes,
seccionando los núcleos ferromagnéticos de
las
máquinas
en
delgadas
láminas
(figura:1.1.3b), las cuales se encuentran
aisladas una respecto a otra con un barniz
especial, esta solución es eficaz debido a que el
calor producido por estas corrientes es
directamente proporcional a la distancia de la
trayectoria que recorren dentro del núcleo
pues la resistencia de la trayectoria resultante
aumenta con el aumento de la longitud. Así,
disminuyendo las trayectorias de circulación
para estas corrientes a través del
seccionamiento y aislamiento del núcleo se
reduce considerablemente la acción perjudicial
de las corrientes parasitas y esto sin afectar las
propiedades
magnéticas
del
núcleo
ferromagnético.
FIGURA:1.1.3
22
CAPÍTULO II
EL TRANSFORMADOR
23
2.1.-FUNDAMENTOS DE OPERACIÓN
Existe una gran cantidad de tipos de Transformadores, según los requerimientos que se tengan
se han desarrollado uno para cada aplicación, ya sea para elevar como para reducir los niveles
de voltaje solicitados. No obstante, todos se rigen bajo los mismos principios de operación.
La base del funcionamiento del transformador es la Ley de Faraday ó principio de Inducción
Electromagnética para circuitos estáticos con la presencia de un flujo magnético oscilante, que
como ya se vio en el capitulo anterior se define:
Con el signo de menos referente a la Ley de oposición de Lenz, la cual se hace presente en todo
caso de inducción electromagnética, sin embargo, el aplicar está expresión en el trabajo
práctico real es muy dificultoso, ya que esta considera que el flujo magnético se reparte
exactamente a proporción en cada espira de una bobina, aspecto que es ideal, pues el flujo
magnético desarrollado por una bobina alimentada con c.a., se dispersa por todo el perímetro
circundante, para mayor exactitud se considera que la magnitud del voltaje inducido en la
i-ésima espira viene dado por:
Por tanto, para un determinado número de espiras el voltaje total inducido será:
Así:
Llamándosele a: λ= Enlace de flujo, el cual se mide en webers-vuelta y que deja la expresión de
Faraday:
Cabe señalar que sí el devanado primario y el devanado secundario tienen el mismo número
de espiras, el voltaje obtenido en el secundario será aproximadamente el mismo que el
suministrado al primario, no obstante sí el devanado secundario tiene el doble ó la mitad de
espiras que el devanado primario, se obtendrá un voltaje de salida del doble ó medio que el
que se suministra en el primario, según su respectivo caso.
24
De aquí la relación de vueltas existentes en el devanado primario con respecto a las del
devanado secundario es equivalente a la relación entre el voltaje suministrado al primario y el
obtenido en el secundario y se le llama Relación de Transformación ó Coeficiente de
acoplamiento, que es representado por: a, luego entonces:
Mientras que la relación entre la corriente que circula en el lado primario con respecto a la que
sale del lado secundario, es inversa a la relación de transformación:
Está expresión nos indica que en el caso de un transformador elevador, al ser mayor el voltaje
inducido en el devanado secundario, circulara en este mismo una corriente significativamente
menor a la que se tiene en el devanado primario, característica que es muy ventajosa por
ejemplo para la transmisión de energía eléctrica, pues al ser muy pequeña la corriente que
atraviesa las líneas de transmisión, las pérdidas en forma de calor producidas por el efecto
Joule ( i2 R) se reducen considerablemente.
De igual manera está expresión nos indica lo contrario del caso anterior, pues en un
transformador reductor, baja el nivel de voltaje obtenido, sin embargo, la corriente obtenida
es mayor a la que se tiene circulando por el devanado primario, lo que es muy útil por ejemplo
para la aplicación en máquinas soldadoras, las cuales operan con niveles “bajos” de voltaje
pero con elevadas magnitudes de corriente.
Al aplicar voltaje de c.a. en un transformador, fluirá (como ya se dijo anteriormente) una
corriente en el circuito primario, la cual es la responsable de producir el flujo oscilante y se
conoce como corriente de excitación, componiéndose por dos elementos:
 Corriente de Magnetización (IM): Que es la necesaria para producir el flujo oscilante en
el núcleo del transformador.
 Corriente de Pérdidas en el núcleo (I h + f): Es la que se requiere para compensar la
histéresis y las corrientes de Foucault.
Para explicar, este concepto, haremos uso de la figura :2.1, en está se muestra un sistema de
transformación, donde la relación de vueltas y voltaje son 1:1, cerrando el interruptor 1 y
alimentando el devanado primario con 100V, el medidor V2 registrara este mismo nivel de
voltaje. Con el interruptor 2 abierto no se registrara ninguna corriente en A2.
Si el devanado primario tiene un valor de inductancia de 3H, sin tener ninguna carga en el
secundario se presentara una reactancia inductiva de valor:
25
FIGURA: 2.1
Con la Ley de Ohm:
Siendo esta corriente obtenida, la Corriente de magnetización del núcleo.
La corriente de pérdidas en el núcleo, es como su nombre lo indica referente a la energía
desprendida en forma de calor por la histéresis y las corrientes parasitarias que se presentan
en el núcleo de hierro del transformador.
Es por esto que para contrarrestar estas pérdidas de energía, debe circular una corriente
adicional en el devanado primario.
Así pues, suponiendo una pérdida en el núcleo de 10 Watts y considerando la expresión:
Esta corriente obtenida es una componente resistiva, debido a que el medio en el que se
desarrolla (que es el núcleo), es puramente resistivo.
Por tanto una vez obtenidas ambas componentes tanto la resistiva ( Ih+f ) como la inductiva
(IM), buscamos calcular La Corriente de Excitación:
La figura 2.2, nos muestra la disposición de las
componentes
vectoriales de la corriente de
FIGURA:2.2
excitación. Esté valor de corriente obtenido es el que debe indicar el medidor A1, sin ninguna
carga conectada al secundario.
26
Cabe señalar que el transformador es considerado como un puente de potencia, pues a esta
máquina estática, la potencia que le suministremos será la que obtengamos, debido al bajo
nivel de pérdidas que se presentan (pérdidas en el núcleo y en el cobre) en el interior de este.
Siendo su eficiencia de entre un 90-98% según sea la aplicación.
Éste fue un factor fundamental para la llamada “Guerra de las Corrientes”, en la que se
determinó que la industria eléctrica operaría con corriente alterna, pues es el transformador lo
que impide caiga la potencia a muy cortas distancias y evita la necesidad de instalar
subestaciones elevadoras en cada punto que caiga la potencia, hecho que sería real sí la
distribución eléctrica se hiciera con corriente directa.
27
2.2.-COMPONENTES DEL TRANSFORMADOR
A continuación se enlistarán y definirán los componentes que forman a un transformador,
desde los elementos esenciales de las pequeñas unidades de transformación, hasta aquellos
elementos que hacen a un transformador de potencia ó de distribución.
NÚCLEO MAGNÉTICO
ILUSTRACIÓN
CARACTERÍSTICAS
La aleación ferromagnética más utilizada para
el diseño de núcleos de transformadores es la
aleación hierro-silicio de grano orientado con
aislante eléctrico de Carlite, esta aleación
está compuesta por hierro esencialmente
puro con 1-6% de silicio. Dándole a esta
aleación un corte y un tratamiento térmico
adecuado, se obtiene un material que
comparado con el hierro, tiene mejores
propiedades magnéticas (permeabilidad), una
resistividad mayor (esfuerzos mecánicos),
menores pérdidas totales en el núcleo
(histéresis-corrientes de foucault) y menor
ruido en el transformador. Esta aleación se
lamina en chapas y flejes, principalmente de
espesores comprendidos entre 0,35 y 0,635
mm, en el lenguaje común se le conoce con el
nombre de acero al silicio ó Chapa magnética.
EMBOBINADOS
Los devanados de los transformadores de
hasta alrededor de 1500 KVA son en forma
rectangular y circular para
potencias
mayores. De acuerdo a su corriente, son
fabricados con alambre de cobre de sección
circular aislado con doble capa de esmalte
clase térmica 200 ºC ó con conductor de
cobre de sección rectangular forrado con
papel Kraft. Cuando las corrientes son muy
altas en el secundario (transformadores de
300 KVA o mayores), se emplea conductores
de lámina de cobre ó aluminio, las bobinas de
este tipo son compactas, siendo más
resistentes a los esfuerzos mecánicos
producidos por cortocircuitos.
Las bobinas llamadas multicapa están
formadas por múltiples capas sucesivas (cada
una del largo total de la bobina), emplean
papel aislante entrecapas, diamantado
epóxico, presentando buena resistencia a los
esfuerzos producidos por cortocircuitos.
28
AISLADORES ó BUSHINGS
Se especifican según la tensión, corriente de
trabajo,
condiciones
ambientales,
contaminación y altitud a las que estarán
expuestos. Están hechos de porcelana sólida
y esmaltada, alternativamente pueden ser
fabricados con resinas epóxicas resistentes a
los rayos ultravioleta y a impactos. Para el
sellado entre el estanque y herrajes se
emplean empaquetaduras de caucho acrilo
nitrilo. Los terminales externos de conexión
son del tipo paleta o prensa y están
dimensionados para permitir una fácil
conexión de los cables conductores.
CONMUTADOR DE DERIVACIONES (TAPS)
Acoplado al devanado de alta tensión.
Es empleado para adaptar el transformador a
las variaciones de tensión que normalmente
sufren las líneas de alimentación.
Se opera sólo cuando el transformador esta
desenergizado, actuando simultáneamente
sobre las tres fases (en caso de
transformador trifásico).
Es de accionamiento manual por medio de
una manilla ubicada en el exterior del tanque.
VÁLVULA DE SEGURIDAD
En los transformadores sumergidos en líquido
aislante, un cortocircuito o arco interno
puede provocar un rápido aumento de
presión debido a la vaporización instantánea
de parte del líquido, con posibilidades de
deformación ó rotura del tanque.
La actuación extremadamente rápida de la
válvula libera la presión interna del tanque,
evitando daños a éste e incluso protegiendo
al transformador mismo de fallas mayores.
Se le utiliza normalmente en transformadores
Válvula de descarga
de 750 KVA o mayores.
TERMÓMETRO DE LÍQUIDO AISLANTE
Ubicado en el exterior del tanque, indica la
temperatura máxima del fluido aislante, en
función del nivel de carga del transformador.
Dispone de dos agujas, una de ellas para
indicar la temperatura del líquido y la otra, de
color rojo, para registrar la temperatura
máxima alcanzada, pudiéndose reposicionar
manualmente a través de un imán,
normalmente
es
utilizado
en
transformadores de 45 KVA o mayores.
El termómetro puede estar dotado de
conexiones para alarmas ó desconectadores.
29
TANQUE Y RADIADORES DE REFRIGERACIÓN
El tanque principal está proyectado con la
resistencia necesaria para soportar sin
deformaciones permanentes una presión ó
un vacío determinados.
La refrigeración del transformador se realiza
por medio de radiadores tipo panel
(estampados) por cuyo interior circula el
fluido
aislante.
Estos
radiadores
normalmente son soldados directamente a
los costados del tanque.
El proceso de pintura comprende la limpieza
mediante granallado, la aplicación de una
mano de anticorrosivo epóxico y dos manos
de terminación con esmalte poliuretano ó
pintura en polvo electrostático.
FLUIDO AISLANTE
El interior del transformador se encuentra
sumergido en un fluido aislante, el que
cumple la función de dar la rigidez dieléctrica
necesaria al transformador llenando todos los
espacios e impregnando los papeles y
maderas.
Otra función muy importante del fluido es la
de refrigerar el transformador, al extraer el
calor de las bobinas mediante la circulación
del fluido por los ductos de refrigeración en
las bobinas y luego por los radiadores de
refrigeración.
El fluido aislante normalmente utilizado es el
aceite mineral dieléctrico ó un fluido aislante
incombustible de silicona.
Todas las aislaciones sólidas de los transformadores sumergidos en fluido aislante están
fabricadas con papel ó cartón aislante ¨presspahn¨ de alta calidad el que al ser impregnado en
el fluido aislante garantiza óptimas propiedades dieléctricas. Los aislantes de los
transformadores secos emplean papel sintético de aramida clase temperatura 220 ºC.
30
31
2.3.- PRUEBAS PRINCIPALES DEL TRANSFORMADOR
Una vez, con los principios de funcionamiento y componentes con los que opera un
transformador, es importante hacer notar las pruebas básicas a las que son sometidos antes
de dar servicio.
La primera de las tres “principales” es la identificación de la polaridad en los devanados del
transformador, que es vital en la determinación de flujos de corrientes dentro del
transformador y puede ser determinada desde la fabricación del transformador. Para explicar
la primera forma de determinar la polaridad nos apoyaremos de la figura 2.3a y b en la que se
muestra un transformador básico con núcleo de hierro.
Así en 2.3a las bobinas del primario y secundario se
han devanado en la misma dirección, esto produce
que el voltaje y la corriente en el secundario se
encuentren en todo tiempo 180° fuera de fase con
respecto a los voltajes y corrientes del bobinado
primario.
Por otro lado, si la dirección de enrollado en el
devanado secundario se invierte como se muestra en
2.3b, las relaciones de fase se acoplarán, esto es, que
tanto los voltajes y las corrientes obtenidas en el
secundario estarán en fase con respecto a los que se
encuentran en el devanado primario, alcanzando
estos sus valores máximos y pasando por cero en el
mismo momento; así, podemos considerar que en
uno de esos instantes en el que los voltajes alcanzan
su valor máximo, la terminal 1 de la bobina del
primario es más positiva que la 2 y la terminal 4
del devanado secundario es más positiva que la 3,
diciéndose así que las terminales 1 y 4 tienen la
misma polaridad; esta equivalencia de polaridad en
estos puntos de los devanados se hacen notar
colocando marcas (puntos negros, cruces), señal u
etiqueta que nos permita identificar que terminales
presentan la misma polaridad, llamándosele a estas,
“marcas de polaridad”.
Estas marcas de polaridad también se pueden
colocar en las terminales 2 y 3, esto debido a la
característica de la alternancia que presenta la
corriente de magnetización, pues estás terminales
FIGURA: 2.3
también llegan a ser simultáneamente positivas cada
medio ciclo. Por tanto, no importa qué lado de terminales marquemos, mientras éstas tengan
la misma polaridad.
32
P
Es por la característica de que los lados marcados en los
devanados alcanzan simultáneamente la misma polaridad,
VS
lo que nos permite relacionar el voltaje fasorial obtenido en
VP
el secundario con el voltaje fasorial suministrado al
primario (figura 2.4), siendo que están en fase.
FIGURA: 2.4
El significado físico de las marcas de polaridad en un
transformador es que, al aplicar una carga al secundario:
-Sí una corriente fluye hacia el lado de un devanado con marca de polaridad, esta
producirá una fuerza magnetomotriz positiva (F ).
-Caso contrario si la corriente fluye hacia fuera del lado del devanado con marca de
polaridad, producirá una fuerza magnetomotriz negativa (- F ).
La dirección que toman las corrientes por los devanados del transformador (entrar ó salir) es
sumamente importante, ya que a través de estas se determinará sí los campos magnéticos
(fuerza magnetomotriz) de los devanados se sumen ó se resten.
Dando, esto una convención, la cual se apoya de la figura:2.5 é indica:

Sí las corrientes entran ó salen al
mismo tiempo de las marcas de
polaridad, sus campos magnéticos
(fmm) se sumarán (caso 1 y 2).

Sí una corriente se dirige a la
marca de polaridad y la otra se
aleja de su respectiva marca de
polaridad, los campos magnéticos
se opondrán y el campo magnético
resultante (fmm R ) será una resta
de estos (caso 3 y 4).
FIGURA:2.5
En un transformador real, la corriente que fluye en el devanado primario produce una fuerza
magnetomotriz positiva, mientras que la corriente inducida en el secundario desarrolla una
fuerza magnetomotriz negativa (figura 2.6), generando que la fuerza magnetomotriz
resultante en el núcleo del transformador sea
una resta de estas y adquiera un valor nulo
(esto es la fmm R
en el núcleo del
transformador es casi cero).
Cabe señalar que la determinación de la
polaridad de los voltajes en un transformador,
también es posible aplicando del principio de
Lenz, esto, sí las bobinas son visibles.
FIGURA: 2.6
33
Sin embargo, en la práctica no siempre nos encontraremos a las unidades de transformación
con sus devanados expuestos para que podamos determinar su polaridad. Lo más certero es
que nos encontremos directamente con las terminales ó puntas de conexión del
transformador.
Por tanto es de vital importancia que aprendamos a determinar la polaridad de manera
práctica, aprovechando las características que presentan los devanados del transformador al
conectarse en forma aditiva ó substractiva.
Haciendo uso de un voltímetro de C.A. y una fuente de voltaje de este mismo tipo de
corriente, realizamos lo siguiente:









Seleccionar cualquier devanado de alta tensión, tomándolo en cuenta como
Bobina de referencia.
Alimentamos la bobina de referencia con un voltaje determinado ó su voltaje nominal,
anotamos dicho voltaje, llamándole Vref .
Marcamos con un punto, el lado donde entra la corriente en la bobina de referencia.
Conectamos la punta de salida de la bobina de referencia con cualquier punta de otro
devanado.
Cerramos el circuito con un puente (figura:2.7a) y colocamos el voltímetro en
paralelo a las conexiones (en su escala de registro de mayor voltaje); llamándole Vp al
voltaje registrado en éste.
Alimentamos con voltaje nominal ó menor la bobina de referencia.
FIGURA: 2.7
Sí, Vp (voltaje de prueba) es mayor que Vref (voltaje de referencia), el arreglo es
aditivo ; colocando una marca en el devanado de prueba en el lado contrario a donde
se encuentra la marca de la bobina de referencia (figura: 2.7b).
Sí, Vp es menor que Vref, se trata de un arreglo sustractivo, debiendo colocar la marca
en el devanado a prueba, en el mismo lado de donde se encuentra la marca del
devanado de referencia (figura: 2.7c).
Se repiten los pasos anteriores, para la determinación de la polaridad de los demás
devanados.
34
La segunda de las pruebas finales que se le realizan a un transformador antes de que este
entre en operación, es la prueba de circuito abierto, con la cual se determina:



La Corriente de Excitación ( I0 ).
La Potencia en vacio, que son las pérdidas del núcleo de hierro ( P0 ).
El factor de potencia a operación en vacio ( F.P.0 ).
En esta prueba se suministra una tensión nominal a cualquier devanado del transformador,
dejando en circuito abierto el devanado no utilizado (en la práctica se suele alimentar el
devanado de baja tensión y abrir el de alta), tomando registro de corriente en vacio ( I0 ) y
potencia de entrada en vacio (P0), esto, en el devanado alimentado.
La corriente que circula por el devanado alimentado es la llamada corriente de excitación ( I0 ),
la cual para esta prueba desarrolla un valor entre el 1 y 10% del valor de la corriente nominal
de ese devanado. Como ya se mencionó anteriormente, esta corriente presenta dos
componentes: la corriente de magnetización ( IM ) y la corriente de pérdidas en el núcleo (Ih+f),
constituido el segundo componente por el efecto de histéresis y por las corrientes parasitas,
que son responsables del calentamiento del núcleo del transformador; calentamiento que es
Potencia activa (Watts) disipada. Sabiendo ahora, a través de este ensayo
de
donde
proviene la Potencia en vacio ( P0 ), deduciendo que son las Pérdidas en el núcleo por el efecto
de la histéresis y las corrientes parasitas.
Es importante señalar que la Norma ASTM 29- D- 877, IEC Publicación 76 en su sección 12
recomienda que la Potencia en vacio ( P0 ) no sobrepase los 30 Watts en transformadores no
mayores de 5 KVA, ya que un excedente de este límite nos indica un mal funcionamiento del
transformador, siendo necesario cambiar el núcleo ferromagnético de este.
A partir de la lectura tomada por el Wattmetro y con las demás lecturas es posible obtener el
Factor de Potencia (F.P.0 ) a operación en vacio, apoyándonos de la siguiente relación:
Además del dato anterior, es posible, a través
de las lecturas tomadas calcular los elementos
inherentes en la rama de excitación, la cual se
desarrolla al calcular el circuito equivalente del
transformador para este ensayo (figura 2.8).
FIGURA: 2.8
Otra de las pruebas de relevancia por las que pasa un transformador antes de ponerse en
servicio es la prueba de cortocircuito, en la cual se unen los bornes de uno de los devanados
para cortocircuitarlo, siendo recomendable en la práctica cerrar el devanado de baja tensión y
alimentar el devanado de alta tensión con un voltaje reducido regulable, que varié del 2 al 15%
del voltaje nominal de ese devanado a modo de lograr que circule la corriente nominal a la que
opera cada devanado.
35
A través de este ensayo se determina:



El porcentaje de Voltaje a cortocircuito permisible, respecto al voltaje nominal ( Vc.c ).
La potencia de cortocircuito, que son las pérdidas en el cobre de los devanados del
transformador ( Pc.c).
La impedancia total interna ó impedancia equivalente del transformador (Z equi ).
Siendo Vc.c (voltaje de cortocircuito) la tensión con la que se logra tener las corrientes
nominales en ambos devanados, la cual se expresa a manera de porcentaje con respecto al
voltaje nominal del devanado y se adiciona a este último con el fin de dar a conocer el máximo
voltaje de sobrecarga permisible para el transformador. Dado que Vc.c es mucho menor que el
voltaje nominal, la densidad de flujo (B) que este produce en el núcleo ferromagnético es
limitado lo que conlleva que la corriente de magnetización y por tanto las pérdidas en el
núcleo sean casi nulas, por lo que para esta prueba se desprecian este tipo de pérdidas.
Sin embargo, debido a que se mantiene un circular de corrientes en ambos devanados y
tomando en cuenta que cada devanado ofrece cierta resistencia, se tiene la presencia de calor
que se traduce en pérdidas de potencia activa (Watts) por el efecto joule ( I2 R ).
Quedando la Potencia de cortocircuito (Pérdidas en el cobre) de la siguiente manera:
De los valores obtenidos se calcula la Impedancia total (Zequi) del transformador y su respectivo
ángulo, la cual se escribe en los datos de placa y se obtiene a partir del principio de Ohm:
Siendo In1 , la corriente nominal que circula en el devanado 1, la cual aparece en casi todas la
expresiones algebraicas, debido a que se relacionan todos los elementos del circuito al lado
primario del transformador.
A partir de la impedancia total equivalente y del ángulo de ésta, es posible calcular los
parámetros que la componen de la siguiente manera:
ya que:
FIGURA:2.9
Estos valores son elementos que aparecen en
el circuito equivalente del transformador (ver figura:2.9) para esta prueba. Es importante
mencionar que este y otro tipo de pruebas no se pueden realizar (industrialmente hablando)
indiferentemente, sino que están normalizadas por grupos como la IEC y la ANSI/IEEE, los
cuales para estas son la IEC 76-1, en sus cláusulas 10.1.1 – 10.1.3 y la ANSI/IEEE C57.12.00 y
C57.12.01, las que indican las condiciones en las que se deben llevar a cabo estas pruebas.
36
2.4.-REGULACIÓN DE VOLTAJE Y EFICIENCIA EN EL TRANSFORMADOR
Si bien, la regulación de voltaje y la eficiencia son los aspectos más importantes y que
caracterizan a un transformador pues, no obstante de ser una máquina estática este logra
estabilizar los niveles de voltaje a los que trabaja, manteniendo (en la mayoría de los casos)
una alta eficiencia.
Usualmente la carga de cualquier transformador de distribución tiende a variar a lo largo del
día, desde valores muy pequeños a primeras horas del día a muy altos, llegándolo a
sobrecargar, esto, en las horas “pico” de actividad doméstica, comercial e industrial, por lo
que es de gran importancia mantener el voltaje de salida a niveles equilibrados a cualquier
hora, debido a que los electrodomésticos de los usuarios son muy sensibles a los cambios de
voltaje.
Dado que el transformador real presenta cierta resistencia (R) en su núcleo y devanados
estando estas en serie y además requiere de una potencia reactiva (VAR para establecer el
campo magnético) produciendo reactancias (X) en los devanados, el voltaje de salida en el
secundario variará según el factor de potencia (cos θ) de la carga aún, cuando el voltaje de
alimentación en el primario se mantenga constante, por lo que la Regulación de voltaje se
considera como: una medida de la diferencia del voltaje de salida en un transformador
cuando la corriente de carga varia de cero, a un valor “nominal”.
Expresado matemáticamente es:
No obstante si no se conoce el valor exacto del Vvacio es posible sustituirlo por su equivalencia
proveniente de la expresión de la relación de transformación (a) para voltajes:
Sí se requiere obtener la Regulación de voltaje de un transformador real, es necesario
considerar las caídas de voltaje que se suscitan dentro de éste, sólo, despreciando las caídas
que se presentan en el núcleo ferromagnético (rama de excitación), esto debido a que la
corriente de excitación en el núcleo es
muy pequeña en comparación con la
corriente nominal que circula en el
devanado secundario, pues es, en los
devanados donde se presenta la mayor
caída de tensión, por tanto sí aplicamos el
principio de voltajes de kirchhoff
al
circuito equivalente referido al secundario
de la figura 2.1.1 se tiene:
FIGURA:2.1.1
37
Como se mencionó anteriormente uno de los factores fundamentales para la regulación de
voltaje de un transformador es el factor de potencia [cos (θ)+ que tiene la carga, cuyo
significado es el ángulo de adelanto ó atraso que tiene la corriente que circula en el
secundario ( IS ) con respecto al voltaje presente en este ( VS ), no obstante un segundo factor
fundamental es la magnitud de las impedancias en serie que se presentan en el interior del
transformador, siendo posible la visualización de estos fundamentos a través de los llamados
diagramas fasoriales, los cuales son representaciones gráfico-vectoriales que indican la
posición y la magnitud de cada voltaje y corriente de valor significativo que se presenta en el
transformador, esto, con respecto a un vector ó punto de referencia.
Para el caso del transformador, se coloca “siempre” como vector de referencia el vector del
voltaje de salida (VS ), debido a que es el voltaje que nos interesa que no sufra variaciones sin
importar la carga. Por tanto para una carga cuyo factor de potencia es atrasado (inductiva
normalmente) se genera un diagrama fasorial
como el mostrado en la figura 2.1.2, en la cual
se muestra como el voltaje que se suministra
Vp/a es considerablemente mayor que el
voltaje que se obtiene Vs, lo que nos indica
que para este tipo de cargas la regulación de
FIGURA:2.1.2
voltaje es mayor que el 0%.
Por otro lado para una carga más comúnmente encontrada con un factor de potencia igual a la
unidad (cargas resistivas), se produce un
diagrama fasorial como el mostrado en la
figura 2.1.3, en el que se muestra que al
igual, pero en menor magnitud que una
carga inductiva, el voltaje suministrado es
mayor que el voltaje obtenido, lo que nos
indica que la regulación de voltaje para un
FIGURA:2.1.3
transformador conectado a una carga resistiva también será mayor del 0%, pero menor a la de
una carga inductiva.
Sin embargo, lo anterior no ocurre cuando se tiene una carga con un factor de potencia
adelantado (cargas capacitivas, extremadamente difíciles de encontrar), pues esta produce un
efecto magnetizante en el transformador
conocido como efecto ferranti, el cual
incrementa el voltaje de salida con poco
voltaje de alimentación, apreciándose esto en
el diagrama fasorial de la figura: 2.1.4, dando
por resultado que el transformador tenga una
regulación de voltaje negativa, aspecto que es
beneficioso, pues se tiene una disminución en
FIGURA:2.1.4
las pérdidas.
En la práctica se busca mayormente mantener una regulación de voltaje baja, ya que esto nos
dará menores pérdidas en la potencia activa (Watts). Sin embargo, entre mayor sea la potencia
que maneje el transformador, menor será la regulación de voltaje, debido a que las
impedancias en éste se reducen notablemente, pues entre mayor potencia maneja, mayores
dimensiones deben tener el núcleo ferromagnético y los devanados, lo que disminuye la
resistencia de estos.
38
El hecho de conectar una carga en un transformador implica varios conceptos, uno de ellos es
la eficiencia (η) ó rendimiento que es un concepto global para cualquier tipo de máquina
eléctrica y se define como: La relación entre la Potencia activa (Watts) que sale con respecto a
la que entra, que presenta una máquina al conectarle una carga.
Expresándose matemáticamente como:
De igual forma en cualquier máquina eléctrica se tiene que:
quedando:
Pentrada = Ppérdidas + Psalida
En un transformador, como ya se ha mencionado, se presentan dos tipos de pérdidas (fuga de
potencia activa), la primera de ellas, obtenidas por la prueba de circuito abierto son las
pérdidas en el núcleo que están directamente relacionadas con el voltaje suministrado y por
tanto con la densidad de flujo que se desarrolla en el núcleo ferromagnético, produciendo así
la nada deseable histéresis y las llamadas corrientes de Foucault, que por el efecto de la
resistencia del núcleo (RN ), producen calor que es Potencia activa disipada por el efecto joule
(I2 RN), quedando así:
Por otra parte (y no siendo nada menos importante) se tienen las pérdidas en el cobre (PCU ),
las cuales se desarrollan en los arrollamientos de los devanados , esto, debido a la resistencia
inmersa que tiene el alambre magneto con el que son construidos los devanados, a eso se
agrega el flujo de corrientes que se desarrolla en estos, combinándose así y produciendo
nuevamente el efecto joule que se nota por la emisión de calor en los devanados.
Siendo las pérdidas en el cobre:
En el caso del transformador que opera bajo cierta carga, se tiene que la Potencia activa que
sale es:
Así, con lo anterior, nos permite apreciar claramente la expresión de la eficiencia para el
transformador:
Es importante recalcar un hecho, que la eficiencia de un transformador generalmente varia de
entre un 90-98%, lo que nos indica el por qué fue la clave para que la corriente alterna ganará
la guerra de las corrientes, ya que el transformador es un puente para la potencia activa, no
dejando que haya caídas de ésta a cortas distancias.
39
2.5.-TRANSFORMADORES EN PARALELO.
En la sección: 2.3 de este mismo capítulo se explicaron algunas de las pruebas fundamentales
por las que debe pasar un transformador para entrar en operación, dentro de éstas, la
determinación de las marcas de polaridad es un hecho importantísimo para el correcto
funcionamiento del transformador, pues a partir de ésta (además de conectar sus devanados
en serie aditiva ó sustractiva), es posible conectar dos ó más transformadores en paralelo.
Se dice que dos ó más transformadores operan en paralelo, cuando sus devanados primarios
son alimentados por una misma fuente, mientras sus secundarios suministran a una misma
carga. (figura:2.1.5)
La decisión para conformar un banco de transformadores
en paralelo viene a raíz de las necesidades que se tienen
en el suministro residencial (conjuntos residenciales) ó
industrial, sin embargo, la puesta de transformadores en
paralelo no es una acción que se realiza a la ligera, pues,
los transformadores que conformarán el banco deben
cumplir ciertas condiciones, las cuales son:
FIGURA.2.1.5
 Tener la misma relación de transformación (operan con mismos voltajes de entrada y
mismos voltajes de salida).
 Los devanados deben tener la misma polaridad, esto es, las marcas de los devanados
primarios estarán en un mismo lado, mientras las de los secundarios en su lado
respectivo.
 Iguales tensiones de cortocircuito.
Siendo la primera condición un factor lógico e importante, ya que como se sabe la
característica principal de un circuito en paralelo es que el voltaje presente debe ser el mismo.
Siendo la primera condición, la que nos marca desde un principio (en vacío) una buena
conexión, pues de no tomar en cuenta esta regla, al alimentar con el mismo nivel de voltaje
ambos transformadores y discrepar los voltajes de salida de ellos (figura 2.1.6), se engendrara
una corriente que fluirá en los
devanados secundarios (sin
estar conectados a carga), que
inducirá otra corriente en los
primarios. Tales corrientes que
fluyen por los devanados,
incrementan notablemente las
pérdidas en el conjunto de
transformación y no sólo eso, si
no que al entrar el banco en
operación (alimentar una carga)
y tener una gran demanda ó
FIGURA:2.1.6
una falla, se pueden producir
corrientes de cortocircuito tan elevadas que pueden quemar e incluso hacer explotar al banco
de transformación, siendo esto evitable al tener la misma relación de transformación (a) en
cada transformador del banco.
40
En base a la segunda condición, se logra que al conectar el banco a la ó las cargas, las
corrientes que circulan por los devanados secundarios se encuentren en fase entre ellas y con
la corriente de la carga.
La tercera condición es vital para el buen funcionamiento del banco bajo carga, una vez
cumplidas las dos primeras. Pues, siendo iguales los voltajes tanto de entrada como de salida
en cada transformador, la caída de tensión por el efecto de la carga también debe ser la misma
en cada transformador:
Que es:
Lo que genera que, sólo cuando se cumple esta condición, la repartición para la ó las cargas,
sea de manera proporcional a la capacidad (VA) de cada transformador.
Por tanto, sí no se cumple esta condición se tiende a mal aprovechar uno de los
transformadores que componen el banco, pues mientras los transformadores que más
aportan potencia son los de menor εcc,, los de mayor εcc, suministran menor potencia a la
carga, haciendo que estos últimos sean mal aprovechados, pues es un gasto excedente.
Cabe señalar que la conformación de bancos de transformadores en paralelo, muchas veces se
realiza con la finalidad de alcanzar un nivel de capacidad requerida (VA), ya que muchas veces
resulta más económico producir un banco de transformación que alcance esa capacidad, que
comprar el transformador que de la capacidad requerida. La repartición de la potencia total a
suministrar, es proporcional a la capacidad (VA) de cada transformador. Pues sea una carga de
125 KVA, la que se alimenta por dos transformadores, el primero de 100 KVA y el segundo de
200 KVA, se tendrá un funcionamiento en paralelo correcto sí, el primer transformador otorga
50 KVA, mientras el segundo aporta los 75 KVA restantes. Como ya se menciono, la operación
en paralelo es eficiente sí la ó las cargas se reparten proporcionalmente, según las capacidades
nominales de cada transformador, pudiendo así alimentar una carga de 300KVA sin
sobrecargar y aprovechando completamente cada elemento de transformación.
Al andar por la calle podemos ver transformadores de diversos tipos y formas, tanto los de
poste como los de pedestal y podemos ver que no todos trabajan con la misma capacidad
(VA), no obstante, todos los transformadores de la red eléctrica pública se encuentran
conectados en paralelo (figura:2.1.7), cumpliendo a lo menos dos de las condiciones ya
descritas, siendo la primera condición la que siempre se debe cumplir, pues aunque todos los
transformadores del orden público no
operan a la misma capacidad, sí lo hacen a
la misma relación de transformación (a), la
cual es: 13800 / 220/120 Volts, siendo
13800 V, la tensión media que existe en
los cables de mayor altura en los postes,
de la cual se conectan los transformadores
para ofrecer así 220 V (línea-línea)
“trifásica ó 120 V (línea –neutro)
“monofásica”.
FIGURA: 2.1.7
41
2.6.-EL AUTOTRANSFORMADOR MONOFÁSICO
El transformador eléctrico es un elemento que no importando sus dimensiones y los niveles de
voltaje a los que opere, su funcionamiento es el mismo, siendo su constitución la misma
(núcleo, devanado primario y secundario). No obstante, existen transformadores de propósito,
que son aplicables en casos muy especiales, un tipo de estos (ocupado para transmitir grandes
potencias) se caracteriza por tener sólo un devanado, que funciona como primario y
secundario a la vez, en efecto se trata de un inductor con derivación y se le atribuye el
nombre de: autotransformador. El autotransformador al igual que un transformador común
ocupa la inducción electromagnética para transportar la energía, elevando ó reduciendo el
voltaje según se requiera.
Es más fácil comprender el funcionamiento y
conformación de un autotransformador al imaginar un
transformador elevador común como el mostrado en
la figura: 2.1.8, el cual cuenta con sus dos devanados a
sus respectivas tensiones, relacionados físicamente
por el núcleo ferromagnético.
Sí ambos devanados están enrollados en la misma
dirección y “deslizamos” el devanado secundario, de
tal forma que tenga contacto con el devanado
primario, se obtiene un sólo devanado con una
FIGURA: 2.1.8
derivación como se muestra en la figura: 2.1.9.
Ahora hemos convertido el transformador en un
autotransformador, tomando como primario el lado
en el que se suministra la potencia, pudiendo ser
cualquier lado, ya sea de alta ó baja tensión, según sea
la operación del autotransformador como elevador ó
reductor.
La conexión como elevador (figura: 2.2.0a) se da, al
aplicar el voltaje de entrada entre las terminales de la
FIGURA:2.1.9
derivación y el conductor común, mientras que el
voltaje de salida, se obtiene de entre las terminales
común y superior (salidas del devanado completo). Caso contrario, en la operación como
reductor (figura: 2.2.0b), el voltaje de entrada se suministra a las terminales que conforman el
devanado completo (superior y común), mientras el voltaje de salida se obtiene de entre la
derivación y la terminal común.
FIGURA:2.2.0
42
Dado que se trata de un transformador de propósito especial, la nomenclatura de sus voltajes,
corrientes e incluso la del devanado no es la misma que la de un transformador común, pues
para el autotransformador la sección del devanado que está entre la derivación y la terminal
común y que aparece en ambos lados se le conoce como devanado común, llamándosele al
voltaje y a la corriente que aparece en esta sección voltaje común (VC) y corriente común (IC).
Mientras que la sección más pequeña del devanado se le conoce como devanado en serie,
esto, por el mismo hecho de que se encuentra en serie con el devanado común, llamándosele
al voltaje y la corriente que por esta sección circulan: voltaje serie (VSE ) y corriente en serie (ISE)
figura: 2.2.0.
De la misma forma la relación de transformación (a) se modifica a esta nomenclatura, pero
guardando el orden que se tiene en un transformador común, siendo así que para un
autotransformador la relación entre los voltajes y las corrientes de baja y alta tensión se dan
por la relación de vueltas del devanado:
En relación a esto, cabe señalar que sí un transformador común se conecta como
autotransformador (tomando las precauciones necesarias que más adelante se comentaran),
este podrá operar a una capacidad (KVA) mucho mayor a la que a modo transformador
operaba, así por ejemplo, un transformador que maneja 5 KVA cuya relación de voltajes
(VP/VS) es “127/220” al ser conectado como autotransformador y reforzando su aislamiento
podrá llegar a manejar hasta 11 KVA, lo que es el doble de la potencia que a la que fue
diseñado como transformador.
Para saber a cuanta potencia podrá operar un transformador convertido en
autotransformador se ocupa la siguiente expresión:
Siendo: Saut la potencia aparente que será capaz de manejar en autotransformador y se le
llama Potencia de Paso, mientras que: Strans es la potencia aparente a la que operaba el
aparato en modo transformador , llamándosele Potencia Propia ó Interna.
Como se mencionó en un principio, el autotransformador transmite la energía (Potencia) por
medio de la inducción electromagnética como un transformador común, sin embargo no toda
la potencia a la que opera este dispositivo se transmite así, pues una parte de esta potencia lo
hace por medio de conducción. Pues es la parte de Potencia que fluye por el devanado en serie
la que se transmite por conducción, mientras la potencia restante, por la acción de la fuerza
contraelectromotriz se transmite por inducción, siendo así, la llamada Potencia Propia ó
interna, la que se transmite por inducción electromagnética y la que circula por el devanado
común.
Es de suma importancia recalcar que el empleo del autotransformador no es tan común como
el de un transformador pues su uso se remite a transformaciones de voltaje no mayores del
40% con respecto al voltaje de alimentación, esto es por ejemplo de 120V a 75V (reducción) ó
de 13.2KV a 13.8KV , es en estas circunstancias, donde la puesta de un transformador sería una
opción demasiado cara, ya que los devanados de este estarían diseñados para transmitir casi el
mismo voltaje, lo que es un desperdicio de varios materiales (entre alambre magneto y núcleo
43
ferromagnético). Siendo lo mejor, para estas situaciones la puesta de un autotransformador,
ya que como podrás apreciar al fijarte nuevamente en las figuras: 2.1.8 y 2.1.9 en la transición
de transformador a autotransformador, se ocupa una sección del núcleo menor al colocar
ambos devanados en una misma columna, dejando la segunda columna vacía, esto nos da a
entender, que el autotransformador además de tener una eficiencia mucho mayor que un
transformador común, su construcción resulta ser más económica; pues, al tener sólo un
devanado, la cantidad de alambre magneto es mucho menor que la requerida para el
transformador con dos devanados, además de que el núcleo ferromagnético del
autotransformador es de menor longitud que del transformador, lo que también lo hace
menos pesado.
No conforme y teniendo mucha relación con lo anterior existe una considerable disminución
en las pérdidas. Esto resulta obvio, pues al reducir la cantidad de alambre magneto con el que
se forma el devanado se reducen las pérdidas por el efecto joule ( i2 R ), de igual manera al
reducir el área del núcleo se reduce la histéresis y la circulación de corrientes de Foucault,
teniendo una disminución en las pérdidas tanto en las del cobre como en las del núcleo.
Sin embargo, a pesar de las considerables ventajas que tiene un autotransformador, este
elemento presenta también inconvenientes; empecemos por cuando un transformador
ordinario se conecta como autotransformador, esta acción debe realizarse con sumo cuidado
y después de una rigurosa inspección del aislamiento de los devanados, esto porque el
aislamiento existente en el devanado de bajo voltaje del transformador, no es lo
suficientemente fuerte como para resistir el elevado voltaje de salida ó de entrada que
manejara el aparato como autotransformador. Al construir una unidad de transformación
predispuesta como autotransformador el aislamiento de ambos devanados (común y serie) es
igual de fuerte, esto con el fin de soportar los niveles de tención a los que operará.
Un aspecto que perjudica mucho a un autotransformador, es que su impedancia interna
tiende a ser muy pequeña, lo que por un lado al alimentar cualquier tipo de carga es favorable,
no lo es en condición de falla, pues así como el transformador es muy resistente a las fallas por
cortocircuito, un autotransformador no suele serlo por sí sólo, siendo lo más recomendable
tener otros dispositivos previos al autotransformador que ofrezcan la suficiente resistencia a
una corriente de cortocircuito.
Es importante también señalar que la ventaja de capacidad (KVA-MVA) se ve afectada cuando
la relación de transformación varía de la unidad, esto es por ejemplo en un autotransformador
cuya relación de voltajes sea de 4000/120 V.
Otra desventaja de los autotransformadores frente a los transformadores es la dificultad en la
puesta a operación en paralelo, esto por las impedancias internas tan bajas que manejan los
autotransformadores, además de que inductancias externas influyen sensiblemente en estos.
Puedes identificar un autotransformador en planos ó diagramas por los símbolos normalizados
mostrados a continuación (figura: 2.2.1.).
FIGURA:2.2.1
44
2.7.- CONEXIONES TRIFÁSICAS DE TRANSFORMADORES.
Hoy en día, la generación y el transporte de la corriente alterna se realiza de forma trifásica,
esto es, se producen tres voltajes alternantes simultáneamente, los cuales al salir del
generador, deben ser elevados para transportarse a través de las líneas de transmisión a los
lugares en que se requieren, siendo recibidos en una subestación que los reduce para su
distribución.
Los términos que se han resaltado, son vitales pues debido a ellos se construyen unidades de
transformación para estos tres voltajes que la mayoría de las veces son equilibrados, los cuales
entran a los devanados primarios y en los secundarios se obtiene otro sistema del mismo tipo
pero en mayor ó menor magnitud, debido a que se trata del manejo de tres tensiones
simultáneamente, estos transformadores se vuelven y nombran trifásicos.
Un equipo de transformación trifásica puede presentarse de dos maneras; la primera se
compone por tres transformadores monofásicos con los cuales se hacen arreglos de conexión,
cuando cada uno actúa sobre una fase, llamándosele al
arreglo: banco trifásico (figura: 2.2.2).
La segunda manera es el transformador trifásico como
tal, que es una unidad con tres pares (6) de bobinados
enrollados sobre un núcleo común (figura:2.2.3).
Se podría decir que la conexión trifásica con tres
transformadores monofásicos es una alternativa para
cuando en una instalación se pasa de alimentación
monofásica a trifásica; pues al contar con el
transformador monofásico principal y el de reserva (“en
el mejor de los casos”), no teniéndose el presupuesto
para adquirir el transformador trifásico, es posible
adquirir un tercer transformador monofásico idéntico a
los que ya se tiene, para así conformar un banco
trifásico. Las unidades monofásicas a conectar, no
deben variar,
para que estas se conecten
correctamente, garanticen su funcionamiento y el
FIGURA: 2.2.2
suministro eléctrico.
Debiendo cumplir estas características:
 Tener la misma capacidad (KVA-MVA).
 Operar a los mismos niveles de voltaje (primarios y secundarios).
 Mismas marcas de polaridad
 Que los transformadores monofásicos a ocupar sean del mismo fabricante5.
Sí se sigue lo anterior se evitan accidentes por diferencia de aislamiento u otros que pudieran
presentarse al momento de echar a andar el banco trifásico.
Este modo de transformación trifásica tiene la ventaja que en caso de falla de una de las
unidades, es posible realizar el reemplazo ó continuar con el suministro trifásico, aun con dos
unidades operando.
5
Ing. Gilberto Enríquez Harper, Curso de Transformadores y Motores de Inducción.
45
Por otro lado, sí cabe en las posibilidades la adquisición del transformador trifásico
(figura:2.2.3), tendremos mayores ventajas, pues al tener las tres unidades de
transformación inmersas, devanadas en un mismo cuerpo (núcleo) se tiene un notable ahorro
de hierro, haciéndolo más ligero, menos espacioso, más barato (en comparación de adquirir
tres transformadores monofásicos), más
eficiente. Independientemente de sus
conexiones, los transformadores trifásicos se
clasifican por el tipo de núcleo que tengan,
pudiendo ser de columnas ó acorazado.
Esta clasificación apunta a la dependencia
magnética de las fases, siendo que en los
núcleos tipo columna (figura:2.2.3c) exista
una dependencia magnética de las fases,
debido a que la intensidad del flujo
magnético que cada fase produce, es
dependiente también del flujo magnético del
devanado vecino; mientras en un núcleo tipo
acorazado existe independencia magnética
en las fases ya que cada par de devanados
desarrolla un flujo independiente de los
otros (figura:2.2.3d).
Cualquiera de las formas de transformación
trifásica son efectivas ya sea por un banco de
transformadores monofásicos ó por el
transformador trifásico como tal, no
obstante es preferible la segunda opción por
las razones ya mencionadas; así, existiendo
en ambas formas tres devanados primarios
y tres secundarios, se tienen dos formas de
conexión para cada trió, la conexión estrella
ó “Y” ( Y ) y la conexión delta ó triángulo
( Δ ).
FIGURA:2.2.3
46
En los circuitos trifásicos, la conexión estrella (Y) (figura:2.2.4) se caracteriza por la diferencia
existente entre las magnitudes de sus voltajes, ya que
Ib
su voltaje de línea es √3 ó 1.732 veces mayor que su
Vab
voltaje de fase (voltaje de cada devanado) que es:
Ia
a
b
Vbc
Mientras que las corrientes en esta conexión son
constantes, pues la corriente que fluye en la línea es
la misma que fluye en cada fase:
Vac
Van
Vbn
c
Ic
Vcn
N
FIGURA:2.2.4
Quedando así, las corrientes (fase y línea) en fase, pero desfasadas 120° cada conjunto
respecto a otro como se
Vbc
muestra en el diagrama
Ib
Vbn
fasorial de la figura 2.2.5a.
-Vcn
-Van
Mientras, los voltajes de
Vab
Ia
línea de igual manera se
desfasan 120°
uno con
Vcn
Van
respecto al otro; estos a su
-Vbn
Ic
Vca
vez están adelantados 30° a
sus respectivos voltajes de
a
b
FIGURA:2.2.5
fase (figura: 2.2.5b).
No siendo así en la conexión delta (Δ) (figura:2.2.6), la cual se caracteriza por la diferencia que
hay entre sus corrientes, pues la corriente
Ia
de línea en una conexión delta es √3 veces
a
mayor que la corriente de fase:
Vab
Va
Vac
Vc
Iba
Ib
b
Vbc
Mas, los voltajes en la delta son iguales:
Iac
Icb
c
Vb
Y sus diagramas fasoriales quedan como
los mostrados en la figura: 2.2.7.
En esta conexión los voltajes de línea están
en fase con los voltajes de fase y estos
Ic
FIGURA: 2.2.6
conjuntos a su vez se desfasan
120°
uno con respecto al
otro(figura: 2.2.7b). Mientras las
corrientes de línea se desfasan
120° y se atrasan 30° con
respecto a las corrientes de fase
(figura:2.2.7a).
Ib
Vb
Vbc
-Icn
Ian
Ibn
Va
Vab
Ia
-Ian
-Ibn
Icn
Ic
Vc
Vca
a
b
FIGURA: 2.2.7
47
Así, a partir de estas se tienen cuatro tipos de conexiones conjugadas posibles en una unidad
de transformación trifásica, que son:
 Estrella (Y) – Estrella (Y).
 Estrella (Y) – Delta (Δ).
 Delta (Δ) – Estrella (Y).
 Delta (Δ) – Delta (Δ).
De las cuales se explicaran sus características de funcionamiento y riesgos:
 CONEXIÓN: ESTRELLA – ESTRELLA ( Y - Y )
Esta conexión es adecuada y económica para el manejo de tensiones elevadas (transmisión) y
se caracteriza por brindar un buen servicio a sistemas en que se requiera disponer de 4 hilos
(tres líneas vivas y neutro). En transmisión es ideal pues en éstos sistemas, no existen grandes
desequilibrios en los voltajes de fase, ya que ésta conexión sólo admite un 10% I2n de
desequilibrio para operar correctamente. Para evitar el problema de desequilibrio y los
armónicos, se aterrizan los neutros (figura: 2.2.8).
a
B
VLs
VLp
b
A
Np2
Ns2
Ns1
Np1
N
N
Np3
Vφp
Vφs
c
a
b
c
A
B
C
Ns3
C
N
N
FIGURA: 2.2.8
En éste arreglo, los voltajes de los secundarios se mantienen en fase con los primarios,
relacionándose directamente a través de la relación de vueltas, que es:
En éste tipo de conexión el ‘voltaje de línea a línea’ (sea del primario ó secundario) se
encuentra desfasado 120° a referencia de sus semejantes, y éstos a su vez ‘se adelantan
30°’ a sus respectivos ‘voltajes de fase’ (figura:2.2.5b).
No obstante, esta conexión presenta dos grandes desventajas, que son:
 Tiende a desequilibrarse severamente, sí las cargas por fase varían.
 Es susceptible al desarrollo de armónicos del 3° grado.
La primera, es una limitante para este tipo de conexión en transformadores trifásicos, pues,
como se sabe, la mayoría de las cargas trifásicas son desequilibradas.
48
Así, el arreglo (Y-Y) no es conveniente para alimentar sistemas de iluminación a 4 hilos, ya que
ésta carga difícilmente será balanceada. Sin embargo, la conexión (Y-Y) es útil para la
distribución de fuerza como la alimentación de motores trifásicos, pues cada motor toma las
tres fases simultáneamente, haciendo una carga balanceada.
El segundo inconveniente se soluciona de dos maneras, la primera es sencilla, y es aterrizar
los neutros de cada estrella, dando así un camino de salida a la corriente engendrada por los
componentes aditivos de la tercera armónica. La segunda opción de solución es costosa y
complicada (recomendado para bancos de transformadores), tratándose de añadir un tercer
grupo de devanados conectado en delta (Δ) al banco, bajo ésta opción se ocupan las
propiedades de la delta, la corriente inducida por la armónica circula dentro de la delta y no
puede salir, ocupándola así para los servicios en la subestación.
 CONEXIÓN: ESTRELLA - DELTA ( Y - Δ )
Debido a las características de la delta (Δ), en el secundario, ésta conexión es ideal para
reducción de tensiones e incremento de corrientes, siendo posible su aplicación tanto en
sistemas de potencia (al colocar el transformador de potencia con ésta conexión al final de la
línea) como en sistemas de distribución (aplicable en ciertos casos, no en todos) figura: 2.2.9.
a
B
El hecho de la delta (Δ),
VLp
anula el problema de la
b
VLs = Vφs
tercera armónica en el
Np2
Ns2
Np1
voltaje de salida, pues las
A
Ns3
armónicas son disipadas en
forma de una corriente
Ns1
Vφp
Np3
circulante; de la misma
forma y por este mismo
c
C
hecho esta conexión puede
a
operar sin ningún problema
b
c
con cargas desbalanceadas.
También en la formación de
bancos trifásicos con éste
tipo de conexión no es
necesario
que
la
A
B
impedancia interna de los
C
tres transformadores ó los
devanados sea la misma.
FIGURA: 2.2.9
Aquí, la relación de transformación (a) no guarda su proporcionalidad, por la diferencia en las
conexiones del primario y secundario, quedando:
Sin embargo, ésta conexión presenta una gran limitante, ya que el voltaje y la corriente en el
secundario se retrasan 30° con respecto a los valores de entrada (figura: 2.3.0), tal efecto,
impide la puesta en paralelo de dos bancos ó transformadores trifásicos, ya que para hacer un
arreglo en paralelo entre transformadores, sus voltajes de salida, deben mantenerse en fase.
49
Se debe de tener cuidado en instalaciones que requieran transformadores trifásicos en
paralelo con éste tipo de conexión.
Ib
IBC
VB=VBC
Vab
Vbc
30°
30°
30°
VA=VAB
Ia
30°
30°
30°
ICA
IAB
VC=VCA
Ic
Vca
RELACIÓN FASORIAL DE VOLTAJES
Y-D
RELACIÓN FASORIAL DE CORRIENTES
Y-D
NOTA:
Minúsculas = Primario
Mayúsculas = Secundario
FIGURA: 2.3.0
 CONEXIÓN:DELTA – ESTRELLA (Δ – Y)
De las cuatro formas de conexión de los bobinados en una unidad trifásica, éste modo de
conexión es el más empleado, debido a las propiedades de las conexiones en cada lado, sirve
como unidad elevadora de tensiones y limitadora de corrientes, su aplicación e importancia va
desde grandes sistemas de potencia (elevar voltajes de generación y transmisión) hasta
sistemas de distribución, a
A
VLs
aplicándose
en
el
B
transformador que se
VLs =Vf s
Np1
Ns1
Ns2
encuentra por tu casa, el
Np3
N
cual toma su alimentación b
de la línea trifásica de
Vf s
Np2
Ns3
13800 Volts (la línea más
altura) y suministra a través
C
de 4 hilos 220V (L-L) ó 127V c
(L-N) figura:2.3.1.
En esta conexión, no se
producen armónicos del 3°
orden,
opera
correctamente a un con
cargas desequilibradas y es
conveniente
de
igual
manera para sistemas de
alumbrado y fuerza.
a
b
c
A
B
C
N
FIGURA: 2.3.1
50
Para éste arreglo, el voltaje de línea y de fase del primario son equivalentes, mientras que el
voltaje de línea en el secundario es √3 veces mayor que el voltaje de fase secundario, por lo
que la relación de transformación (a) de este modo de conexión es:
Por otro lado, y de igual manera que la conexión estrella-delta, ésta conexión presenta
desfasamientos de 30° entre los voltajes de línea de salida con respecto a los de entrada,
solamente que como era de esperarse para ésta conexión se invierten los papeles, pues ahora
los voltajes de salida están adelantados 30° a los voltajes de entrada (figura:2.3.2).
Éste hecho no es nocivo para los elementos de carga que se alimentan del transformador, lo
que hace que ésta conexión tenga desventajas casi nulas.
Ibc
Vb
IB
VAB
VBC
30°
30°
30°
IA
Va
30°
30°
30°
Ica
Iab
Vc
IC
VCA
RELACIÓN FASORIAL DE CORRIENTES
D- Y
RELACIÓN FASORIAL DE VOLTAJES
D -Y
NOTA:
Minúsculas = Primario
Mayúsculas = Secundario
FIGURA: 2.3.2
 CONEXIÓN: DELTA – DELTA ( Δ – Δ )
Ésta conexión es empleada en transformadores ó bancos trifásicos que no manejan elevados
voltajes, además, de aplicarse en instalaciones donde la continuidad del suministro trifásico
debe estar garantizada; ésta conexión también eleva ó reduce voltajes, según la relación de
transformación (a) en vueltas ó voltajes, la cual permanece constante, pues los voltajes de
línea son equivalentes a los voltajes de fase y esto en ambos lados, lo que indica:
La principal ventaja de ésta conexión radican en la estabilidad de sus voltajes y en la nula
presencia de armónicos ante cargas desequilibradas, debido a la correcta distribución y
compensado uniforme de las corrientes de carga, dentro de la delta (Δ) del secundario
(figura:2.3.3).
51
Además y a diferencia
de las conexiones Y – Δ
y viceversa, éste tipo de
VLs = Vf s
VLp = Vf p
Ns2
Np1
conexión mantiene en
A
Np3
Ns3
fase los voltajes de
b
salida con los de
Ns1
Np2
entrada,
tal
como
sucede en la conexión
c
C
Y-Y.
La operación continua
a
como banco trifásico, a
b
c
pesar de que uno de los
transformadores
que
conforman el banco
salga de servicio, por
reparación
ó
A
B
mantenimiento, es otra
C
de las ventajas de ésta
FIGURA: 2.3.3
conexión, ya que es
posible brindar el abastecimiento trifásico, aún con solo dos transformadores operando; tal
conexión toma el nombre de delta abierta – delta abierta ó “V-V”.
A pesar de estos beneficios, ésta conexión tiene la desventaja de no contar con neutro, tanto
en el primario como en el secundario, lo que hace imposible la conexión de cargas monofásicas
a éste tipo de conexión, además y debido a que éste arreglo incrementa las corrientes se
requiere un mayor grado de aislamiento en los devanados, lo que hace la fabricación de un
banco ó un transformador con ésta conexión más costosa que otro con conexión Y-Y.
a
B
Es importante mencionar, que sin hacer distinción entre conexiones, el arreglo secundario a la
hora del armado debe hacerse con sumo cuidado (especialmente en una delta), buscando
guardar las correctas relaciones de fase entre los devanados.
Siendo el caso para una unidad de transformación trifásica con su secundario en Y
(figura:2.3.4), se mide el voltaje
entre los puntos A y B, el cual
Vab = √3(Van) = √3(Vbn)
Vbc = Vac = √3(Van) =
debe ser √3 veces mayor que el
√3(Vbn) = √3(Vcn)
V
A
B
A
B
voltaje obtenido entre cualquier
línea y el neutro (esto es el voltaje
de un devanado), si la lectura no
N
N
V
corresponde a lo indicado, es
Vab=Van=Vbn
necesario invertir uno de los
devanados; éste mismo hecho
C
debe cumplirse al incorporar el
Vbc=Vac=Van=Vbn=Vcn
devanado de la línea C.
FIGURA: 2.3.4
52
En el caso de una unidad de transformación trifásica con su secundario dispuesto a conectar
en delta (Δ), se mide el voltaje de los dos primeros devanados de extremo a extremo
(figura: 2.3.5), tal
B
B
lectura debe ser la
misma a la que se
a
b
tiene al medir el
a
b
voltaje de uno sólo
C
de los devanados, si A
C
A
c
esta lectura entre A
Vac =Va=Vb
Vc-c1 = 0 Volts
y C difiere, se debe
C1
Vac =v3(Va)=v3(Vb)
Vc-c1 = X Volts
invertir uno de los
devanados.
FIGURA: 2.3.5
Al cerrar la delta, con el tercer devanado se conecta primeramente una de sus terminales,
midiendo ahora entre las terminales C y C1, debiéndose obtener una lectura de 0 Volts; si se
detecta un voltaje en estos bornes diferente a cero, se debe de invertir el bobinado C, evitando
cerrar la delta en tales condiciones.
Es importante mencionar que jamás se debe de cerrar un secundario en delta (Δ), antes de
verificar que el voltaje dentro de ésta es cero, ya que sí se cierra la delta y no se toma en
cuenta ésta condición, la corriente desarrollada será tan elevada que alcanzará la magnitud de
un cortocircuito, dañando al transformador y en algunos casos haciéndolo estallar.
V
V
53
CAPÍTULO III
EL GENERADOR DE C.A
54
3.1.- VOLTAJE PRODUCIDO POR EL MOVIMIENTO DE CONDUCTORES EN UN CAMPO
MAGNÉTICO.
La producción de una Fuerza Electromotriz (fem) cuando un conductor en movimiento corta
las líneas de fuerza de un campo magnético, es uno de los conceptos fundamentales de la
electricidad ya que es la segunda forma de inducir un voltaje, la cual también fue descubierta
por Michael Faraday en 1831. En la figura: 3.0a, se ve un conductor (el circulo pequeño con un
punto en medio) que sube cortando las líneas de un campo magnético, esto hace que se
induzca en el conductor una fem (voltaje) con una
magnitud que va de acuerdo a la expresión:
Donde B es densidad de flujo magnético (teslas), l es
la longitud activa del conductor (m) y v es la
velocidad relativa del conductor (m/seg).
La dirección de la fem inducida en un conductor que
se mueve en un campo magnético, se determina por
la regla de la mano derecha (para generadores), en
la cual, el pulgar, el índice y el medio se sostienen a
ángulos rectos (figura: 3.0b); siendo que para esta
regla el pulgar toma el sentido de movimiento del
conductor, mientras el índice indica la dirección de
las líneas del campo magnético y el dedo medio
señala la dirección de la fem inducida.
El punto en el conductor de la figura es una marca
que representa la punta de un vector que sale de la
página hacia el lector. Sí se tuviera un conductor
cuya fem viajara en el sentido contrario (esto es
hacia el interior de la página), se marca con una cruz
(X). Esta simbología direccional se aplica en la
FIGURA:3.0
mayoría de libros que versan de este tema.
Retomando el tema, sí el mismo conductor se hace
girar en sentido contrario a las manecillas del reloj,
dentro del campo magnético producido por la bobina
de campo T1 –T2 (figura: 3.1), se tendrá, que la fem
inducida (de acuerdo con la regla de la mano
derecha) se moverá con dirección al lector.
Suponiendo que el conductor gira a una velocidad
constante, en las posiciones 1 y 7, el voltaje inducido
es de 0 Volts, ya que el alambre se encuentra
paralelo a las líneas de fuerza del campo magnético,
impidiendo que se induzca algún voltaje, mientras
FIGURA: 3.1
que en las posiciones 4 y 10 (90° y 270° de rotación)
la fem inducida en el conductor llega a un valor máximo, porque el alambre corta la mayor
cantidad de líneas de fuerza. Sin embargo, estas fems máximas tienen polaridades opuestas.
55
Conforme el alambre pasa por la posición 2 (30° en relación con el punto de arranque),
la fem inducida en el conductor es la mitad (0.5) del voltaje máximo, al pasar el conductor a 3
(60° al punto de arranque), la fem inducida es 0.866 del valor máximo. En el punto 4, se induce
el voltaje máximo y al pasar a 5 ( a 120° del punto de arranque) la tensión inducida cae a 0.866
del valor máximo. En 6 la fem desciende a la mitad del máximo valor y en 7 llega a 0 volts.
El comportamiento que
toma
el
voltaje
inducido se muestra en
la gráfica de la figura:
3.2 .
En ésta imagen, se
puede
ver
que
conforme el alambre
se mueve en sentido
descendente, atraviesa
las mismas líneas de
flujo
magnético,
induciendo
FIGURA:3.2
nuevamente el voltaje
que aumenta gradualmente, pero con polaridad inviertida.
En una revolución del alambre, se ha inducido un ciclo completo de voltaje alterno, el cual
parte de cero, aumenta a un máximo en una dirección, regresa a cero, se eleva a un máximo
en la otra dirección y retorna a cero. Sí se está familiarizado con la trigonometría, se dará
cuenta que los valores 0.5 correspondiente a 30°, 0.866 a 60° y 1 a 90° son los valores del seno
de dichos ángulos, por lo que se adecua que a la forma de onda de C.A. se le conozca como
onda senoidal.
Es claro que en un generador ó bien llamado alternador no se hace girar solo un alambre, si no
que se utiliza una bobina de muchas vueltas de alambre que es la que gira, lo que no hace
posible obtener el valor del voltaje inducido con la expresión algebraica primeramente
mencionada, pues tal expresión emplea componentes lineales, como la velocidad en m/seg;
siendo que el movimiento que se lleva a cabo en el generador de energía eléctrica es
rotacional. Además, se debe tomar en cuenta el área efectiva de las bobinas y otros aspectos
que modifican la expresión para determinar el voltaje inducido, por tanto la expresión queda:
Aquí es la velocidad angular (rpm), es el flujo magnético dentro de la máquina (webers).
Estos puntos y un tercero que es una constante que representa la construcción de la máquina
son los aspectos fundamentales de los que depende la generación de voltaje en un alternador.
56
3.2.-COMPONENTES DEL GENERADOR DE C.A. (ALTERNADOR)
Los generadores de C.A. son máquinas rotatorias que transforman energía mecánica en
energía eléctrica, estos se clasifican en dos tipos, de inducción ó síncronos. Por una parte los
generadores de inducción son relativamente ineficientes y caros, mientras los generadores
síncronos comúnmente llamados también alternadores, son máquinas más eficientes y
baratas, deben su nombre (síncronos) a que la frecuencia (Hz) del voltaje que estos producen
depende en gran manera de la velocidad de sincronismo. Además, otro factor que las
identifica es la necesidad de una fuente externa de C.D., para la producir el campo magnético
interno.
Todo generador depende de algún tipo de primotor para funcionar, ya sea un motor de
combustión interna (gasolina ó diesel), turbinas impulsadas por vapor ó agua u otro motor
eléctrico, cualquier elemento que de un par de fuerza; a fin de producir un movimiento entre
conductores y un campo magnético dentro del generador.
A continuación se indicarán y detallarán las piezas que conforman el alternador trifásico a fin
de demostrar que su composición no es muy compleja, lo que es complejo es su construcción.
COMPONENTE
ILUSTRACIÓN
DESCRIPCIÓN
Estator
[Inducido]
 i
Es la parte estática y la más compleja en su
construcción, está constituido por tres elementos: la
carcasa, núcleo y devanado estatórico;
La carcasa, es el soporte y la parte externa de la
máquina, que aloja los demás componentes del
estator, se fabrica generalmente de hierro fundido de
alta resistencia a la vibración.
El núcleo estatórico, es un armazón formado por un
conjunto de láminas de acero al silicio (chapa
magnética) de un grueso ligeramente mayor a las del
rotor, las cuales se ranuran para formar canaletas
donde
reposaran
los devanados del estator.
Los devanados inducidos, suele enseñarse que los
devanados de cada fase se concentran en un solo par
de ranuras de la superficie del estator (como se
muestra a la
derecha).
Sin embargo,
en
realidad,
los devanados
de cada fase se
distribuyen en
varios pares de
ranuras perfectamente espaciadas. Estos devanados se
aíslan unos de otros y del núcleo en sí; captan el voltaje
inducido de C.A. y pueden conectarse en delta (Δ) ó
estrella (Y).
57
Rotor
[Inductor]

Anillos
Rozantes
¤ii
Escobillas y
Portaescobilla
¤
---------- o ---------
Es la pieza giratoria, que recibe la fuerza mecánica de
rotación, su eje de soporte principal (flecha) es una
barra cilíndrica, resistente. Sostenida en ambos
extremos por medio de cojinetes. El núcleo del rotor es
un sistema de láminas de un material permeable (acero
al silicio), aisladas una de otra y cuya disposición puede
variar según las condiciones de generación que se
tengan, siendo así:
-De polos lisos ó cilíndrico: Para máquinas de 2 a 4
polos, que operan a elevadas
velocidades. Este diseño del núcleo
permite a los devanados inductores
soportar la presión causada por
elevadas fuerzas centrifugas. Se aplica
a generadores impulsados por
turbinas de gas ó vapor.
-De polos salientes: Diseño para máquinas de 4 ó más
polos que se moverán a bajas
velocidades, las bobinas se enrollan
a manera que los polos del rotor
adyacentes adquieran una polaridad
opuesta. Este tipo de rotor se usa en
alternadores
con
turbinas
hidráulicas.
El devanado rotorico, se elabora de alambre magneto y
se excita con C.D para producir el campo magnético,
que al girar el rotor variara con el tiempo.
También llamados anillos colectores, son anillos de
metal (generalmente bronce), son instalados en el eje
del rotor pero aislados al mismo tiempo de este y uno
del otro.
A estos llega la excitación de C.D. que pasa al
devanado del rotor, pues las terminales de inicio y fin
de este devanado, se conectan a cada anillo.
Las escobillas ó también llamadas “carbones” son
cuerpos cúbicos de carbón grafitado ó de metales
pulverizados que se sujetan mediante portaescobillas;
estos últimos son simplemente “cubos” huecos de
metal, con un resorte ó una lámina tensora. Las
escobillas se mantienen en continuo contacto con los
anillos colectores, logrando una conexión continua
entre la fuente excitadora (C.D.) y el devanado del
rotor.
58
Excitador
ó
Excitatriz
 iii
Es un elemento que se emplea para brindar la
excitación de C.D. en los alternadores de mayor
capacidad. Se trata de un pequeño generador de C.A.,
que produce una corriente trifásica en su rotor, la cual
se rectifica y comunica directamente a los devanados
de campo del alternador más grande. A través de este
componente es posible controlar la corriente de campo
de un generador de gran capacidad sin anillos rozantes
y escobillas.
59
3.3.- CARACTERÍSTICAS DEL ALTERNADOR A DISTINTOS FACTORES DE POTENCIA
(REGULACIÓN DE TENSIÓN)
Al poner en funcionamiento un conjunto primotor-generador de C.A., se busca producir una
transformación de la energía mecánica en eléctrica y cuando éste conjunto opera sin alimentar
ningún sistema ó aparato (operación en vacio), el voltaje en las terminales del alternador “Vφ”
es el mismo que el voltaje interno generado en el inducido “Eg”. Ambos voltajes se vuelven
dependientes (sólo en condición de vacio) de la corriente de campo, esto es de la excitación de
C.D. que se suministre al rotor del alternador, ya que el voltaje interno generado “Eg” es
proporcional al flujo “φ”, que se relaciona directamente con la corriente de excitación “IF”; por
tanto éstos voltajes se limitan a los niveles de saturación magnética que alcance el núcleo del
rotor. Sí se grafican tales relaciones se obtiene una curva que toma el nombre de curva de
magnetización ó característica de circuito abierto del alternador, que se muestra en la
siguiente figura:
FIGURA:3.3
Sin embargo, el voltaje interno generado en el inducido (Eg) no siempre es el mismo que el que
se obtiene en las terminales de la máquina alternador (Vφ), debido a factores internos
particulares del alternador (resistencia de los devanados del inducido y autoinductancia de los
mismos), además de un efecto producido por la carga, dentro del alternador. No obstante la
razón principal por que “Eg” comienza a diferir de “Vφ” es debido a que, cuando el alternador
se conecta a una carga, circula una corriente por los devanados del inducido (estator), está
desarrolla un campo magnético (en forma de polos ficticios en el estator), que reacciona con el
campo magnético giratorio del rotor, produciendo alteraciones en el voltaje de fase resultante
(Vφ). Este efecto desarrollado sólo en condiciones de carga se conoce como “reacción del
inducido” y es la problemática más grande para el correcto funcionamiento de cualquier
generador.
Dependiendo del tipo de carga y su factor de potencia (F.P.) la reacción será diferente.
Se puede visualizar el efecto de la carga sobre el alternador, a partir de la relación de fase
entre el voltaje interno generado “Eg” y la corriente (por la acción de la carga) que circula en el
inducido “Ia”, esto es a partir de un diagrama fasorial entre estos elementos y sus
consecuentes:
60
 Efecto de cargas resistivas [Factor de potencia unitario]
Con éste tipo de carga, la corriente engendrada en el inducido de la máquina (estator)
“Ia” está en fase con el voltaje en bornes “Vφ” (figura:3.4b), de igual manera y en
todos los demás casos (inductivo y capacitivo), la caída de tensión por efecto de la
resistencia efectiva del inducido “Ia(Ra)” también se encuentra en fase con la corriente
del inducido “Ia”; no obstante la caída de tensión producida por la reactancia del
inducido “Ia(Xa)” siempre se adelanta 90° respecto a la corriente del inducido “Ia”,
acompañándose por la tensión de reacción del inducido “Egr”.
FIGURA:3.4
Éstas tensiones en el inducido generadas por la circulación de corriente (Ia),
desarrollan un flujo magnetizante transversal, “φa” el cual es máximo en la región
interpolar y se retrasa con respecto al flujo principal “φR” del entrehierro por 90°
(figura: 3.4a); lo que se refleja en la necesidad de aumentar la tensión interna
generada “Eg”, para obtener la tensión nominal en bornes “Vφ”. Éste tipo de carga se
encuentra en todo tipo de calentadores eléctricos (hornos) e iluminación.
 Efecto de cargas inductivas [Factor de potencia en atraso]:
Para éste tipo de cargas, la corriente en el inducido “Ia” se atrasa un cierto ángulo “θ”
con respecto al voltaje en terminales “Vφ”, mientras las demás tensiones producidas
por los elementos resistivos e inductivos inherentes del inducido mantienen el mismo
patrón mencionado en el párrafo de arriba (figura:3.5b).
FIGURA: 3.5
61
En éste caso la circulación de la corriente “Ia” por los devanados del inducido genera
un campo magnético (fmm) y un flujo “φa” opuesto al flujo inicial de excitación “φR”
existente en el entrehierro y producido por el rotor; tal flujo (φa) desarrolla un efecto
desmagnetizante, pues sus polos ficticios se ubican frente a los polos del inductor
(rotor) con el mismo signo (figura: 3.5a). El flujo del inducido (estator) “φa” concatena
los conductores del mismo inducido (autoinducción) generando un voltaje de C.A. de
reacción de inducido “Egr” que se opone y reduce de manera considerable la magnitud
del voltaje interno generado “Eg”, lo que conlleva a una regulación de voltaje
notablemente pobre con este tipo de cargas.
Se caracterizan por ser cargas inductivas: motores y todo tipo de aparatos con
devanados; un estudio reciente ha confirmado que una computadora es vista por la
línea como una inductancia.
 Efecto de cargas capacitivas [Factor de potencia en adelanto]:
Una carga de éste tipo es sumamente difícil de encontrar y se caracteriza por
adelantar la corriente en el inducido “Ia” un cierto ángulo “θ” al voltaje en terminales
“Vφ”. Respecto a las tensiones producidas en el inducido por los efectos resistivos e
inductivos [ Ia(Ra), Ia(Xa), Egr ], éstas se comportan como lo ya mencionado
(figura:3.6b).
FIGURA:3.6
Al adelantar la corriente “Ia”, ésta carga genera una fuerza magnetomotriz (campo
magnético) y un flujo en el inducido “φa”, que se suma al flujo inicial del entrehierro
producido por el rotor “φR”, produciendo un efecto magnetizante entre el rotor y
estator de la máquina, pues ubica los polos ficticios de la reacción de inducido, frente a
los polos del rotor de polaridad opuesta (figura. 3.6a). Tal efecto, permite alcanzar el
valor del voltaje nominal en terminales “Vφ” con niveles relativamente bajos de
excitación, mejorando así la regulación de tensión.
62
A manera de conclusión, ya que el campo magnético desarrollado en el estator por el efecto
de la corriente de carga “Ia”, influye de forma importante sobre el flujo magnético principal
“φR”, la regulación de voltaje en los alternadores es muy pobre, por lo que se debe de realizar
varios ajustes a la corriente de excitación de C.D. y a la velocidad, para mantener el voltaje de
salida y su frecuencia constantes, al alimentar cargas con distinto factor de potencia, a efecto
de esto se adjunta un resumen en ivmapa conceptual, indicando las acciones a realizar cuando
el voltaje en terminales ó su frecuencia varíen ante una carga indistinta:
63
3.4.- CONDICIONES NECESARIAS PARA SINCRONIZAR UN ALTERNADOR AL SISTEMA
ELÉCTRICO NACIONAL [OPERACIÓN EN PARALELO CON LA RED ELÉCTRICA NACIONAL]
En la actualidad, la potencia requerida para abastecer la demanda eléctrica de la población es
aportada, por la red de potencia nacional (C.F.E.), la cual dentro de su división de generación
se encuentra constituida por cientos de grandes alternadores distribuidos en sus
correspondientes plantas a lo largo y ancho de la República Mexicana. Estos a su vez no operan
de manera aislada, sino que se conectan en paralelo, conformando así la base de la red
eléctrica nacional (bus infinito).
Existen varias razones del por qué el sistema de generación debe operar en paralelo, la
principal de éstas y la más lógica es que sólo entre varios generadores se puede producir la
potencia requerida para alimentar la carga nacional (doméstica, comercial e industrial),
además, se incrementa la eficiencia del Sistema Eléctrico de Potencia (S.E.P.), pues ya sea por
razones de falla o por mantenimiento, es posible remover cualquiera elemento, sin alterar
toda la red. Cabe señalar que la frecuencia “ f ” de toda la red, es remarcablemente estable en
cualquier punto (60 Hz).
No obstante, un alternador no puede conectarse a la línea y suministrar potencia al sistema,
de una manera tan simple; si no que debe cumplir ciertos requisitos; los cuales, para el
acoplamiento en paralelo de alternadores ó el acoplamiento de un alternador a la red son:
Ambos sistemas (alternador y red) deben operar a la misma frecuencia.
La magnitud de sus voltajes de línea (rms), debe ser la misma.
Operar bajo la misma secuencia de fases [a-a’, b-b’, c-c’].
Los ángulos de cada fase deben ser los mismos en ambos sistemas.
La máquina que busca adicionarse a la línea, comúnmente es llamada generador en
aproximación y debe cumplir estas condiciones, ya que sí se adiciona a la línea de manera
arbitraria y en cualquier momento, sufrirá severos daños al grado de su inutilidad, además de
ser un peligro para el personal que éste cerca; por tanto es necesario cumplir minuciosamente
estas condiciones.
El primer aspecto es el más importante, ya que un alternador, sólo puede suministrar potencia
a la red eléctrica sí y sólo si opera a la misma frecuencia; la frecuencia de la red eléctrica
nacional es determinada por la velocidad de rotación “ω” de todos los alternadores en ella,
por lo que es muy difícil que esta oscile por sí misma, mientras que la frecuencia de la maquina
en aproximación depende de la velocidad de rotación y del número de polos que constituyan
el alternador. Por otro lado, sí la frecuencia del alternador en aproximación difiere de la
frecuencia de la red y estos son conectados, se desarrollarán grandes potencias transitorias
dentro del alternador hasta que la frecuencia de esté se estabilice con la frecuencia de la red.
El segundo punto es una condición lógica, pues como se sabe, la característica de los circuitos
en paralelo es su voltaje constante, por tanto la magnitud del voltaje de línea (rms) en el
alternador debe ser igual a la magnitud del voltaje de línea (rms) de la red a la que se va a
conectar (ejemplo: 208V “alternador” = 208V “red eléctrica”); sí el voltaje de la máquina en
aproximación no es el mismo al de la red y se conectan juntos, elevadas corrientes fluirán por
los devanados del estator quemando el alternador.
Los dos últimos puntos son de vital importancia ya que los principales daños catastróficos se
dan por no seguirlos. El tercer punto se escucha lógico y expresa orden debiendo llevarse a
cabo diligentemente, ya que sí la secuencia de fases es distinta como se muestra en la
figura: 3.7, aún cuando uno de los voltajes del alternador este en fase con el del Sistema
(fase “a”), los otros dos voltajes del alternador se encuentran desfasados 120° a sus
respectivos, correspondientes al Sistema.
64
FIGURA: 3.7
Sí se acopla el alternador a la red de esta forma, no existirán problemas con los voltajes de la
fase “a”, sin embargo se producirán y fluirán elevadas corrientes en los devanados del estator
correspondientes a las fases “b” y “c”, quemando el aislante de los devanados y por tanto la
máquina.
Íntimamente relacionado con el tercer punto, el cuarto aspecto es muy importante, pero algo
difícil de percibir, y marca que la secuencia y el tiempo en que los voltajes (tanto del
alternador como del sistema) alcanzan sus valores pico deben ser los mismos. Como se
mencionó éste último punto es difícil de percibir, por lo que existen formas para hacer visible
tal detalle; uno de ellos es muy sencillo y
se conoce como el procedimiento de las
lámparas apagadas, el cual versa que con
tres lámparas (focos comunes, siendo
tres por el número de fases), conectadas
entre el alternador en aproximación y la
red ó alternador a sincronizar (figura:
3.8). Se debe notar la frecuencia de
encendido y apagado de estas (ajustando
velocidad y excitación de la máquina),
cuando se estabilice el parpadeo a
manera
que prendan y apaguen
lentamente
hasta
que
queden
totalmente apagadas se acopla el
FIGURA: 3.8
alternador a la línea eléctrica; el apagado
de las lámparas indica que los ángulos de los voltajes de ambos sistemas están en fase.
Otro elemento un poco más sofisticado que nos apoya en esta tarea es el sincronoscopio, mas
éste sólo nos ayuda con una fase, no con las tres.
Cabe señalar que las condiciones y procedimientos descritos sólo se aplican a unidades de
generación de “gran tamaño”, excluyendo los alternadores portátiles (a gasolina ó diesel,
montados en camiones), a los que suministran energía a un área remota (propio de la
localidad) y los de uso de emergencia. No obstante, el proceso de conexión a la red de los
grandes alternadores que pertenecen a un Sistemas de potencia, es automatizado, siendo
una computadora la que lleva a cabo este trabajo.
65
CAPÍTULO IV
EL MOTOR DE C.A.
66
4.1.- LA CORRIENTE ALTERNA APLICADA A LOS MOTORES.
La principal característica que distingue la corriente alterna (C.A.) de la corriente directa
(C.D.), es que la primera presenta una frecuencia, que en términos eléctricos, es una variación
de la polaridad por un determinado tiempo; aspecto que no se presenta en la corriente
directa, pues como su nombre lo dice la polaridad de ésta es constante. La frecuencia se mide
en ciclos/segundos ó Hertz (bajo la normativa internacional), un ciclo se podría definir como
el recorrido que consiste en ir de una posición extrema a la otra, volviendo a la primera,
pasando dos veces por el eje central. Por tanto en un ciclo de C.A., el voltaje aumenta a un
máximo en una
dirección, regresa a
cero, se eleva a un
máximo en la otra
dirección y retorna
a cero. Así, la
frecuencia en la
corriente alterna es
la cantidad de
ciclos
completos
desarrollados en un
segundo,
siendo
ésta característica
de la C.A. el
FIGURA: 4.0
fundamento que
produce la acción del motor en el estator de la máquina, pues genera un campo magnético
giratorio. En nuestro país la tensión de generación, transmisión y distribución no varía, siendo
de 60 ciclos/seg (Hz). Si graficamos el comportamiento del voltaje que llega a nuestros hogares
en un segundo se tiene lo mostrado en la figura: 4.0
Por otra parte en un motor de corriente alterna, el par que desarrolla el rotor se comporta
también de una forma senoidal, de igual manera que el voltaje inducido (senoidal) en un
alternador, esto se ve al considerar una espira rotor sencilla por la que fluye una corriente, y
está dentro de un campo magnético fijo (figura: 4.1):
FIGURA: 4.1
Al igual que en un alternador, el par es máximo cuando la espira y su respectivo campo
magnético quedan perpendiculares al campo
magnético estacionario, mientras que cuando la
espira y su campo quedan paralelos al campo
estacionario el par se vuelve nulo (figura: 4.2).
Cabe destacar que la magnitud y la dirección del
par inducido en un motor de corriente alterna se
determina a través de un producto cruzv que es:
FIGURA: 4.2
67
Donde “k” es un factor que depende de la construcción de la máquina, “Br” es la densidad de
flujo del campo magnético producido por el rotor y “BS” es la densidad de flujo del campo del
estator. En general el par en cualquier máquina de corriente alterna depende directamente de
cuatro factores que son:
 La intensidad del campo magnético del rotor.
 La intensidad del campo magnético giratorio en el estator.
 El seno del ángulo que se desarrolla entre las resultantes de estos.
 Una constante de proporcionalidad que representa la geometría y facilidad de
magnetización de los devanados de la máquina.
No obstante, fue Nikola Tesla (1852 – 1943), un inventor Serbio-Americano quien descubrió el
principio del campo magnético rotatorio en 1882, que es la base de los motores eléctricos de
corriente alterna. El descubrimiento del campo magnético rotatorio producido por las
interacciones de corrientes de dos y tres fases en un motor, fue uno de sus más grandes logros
y fue la base para el desarrollo del motor de inducción y del sistema polifásico de generación y
distribución de electricidad.
El principio de funcionamiento del campo
magnético giratorio puede explicarse de la
siguiente forma: Cuando un devanado fijo,
como el de la figura 4.3 (por ejemplo), es
recorrido por una corriente alterna
monofásica, se genera un campo
magnético alterno, cuya intensidad variará
del mismo modo que lo hace la corriente
que pasa por el devanado.
Los dos polos se alternan (Norte-Sur,
Norte-Sur) pero siempre con la misma
orientación del campo magnético. Esto
ocurre en los motores monofásicos de
corriente alterna y es la causa de que
éstos necesiten un bobinado auxiliar para
FIGURA:4.3
el arranque.
Por el contrario, cuando un bobinado trifásico, con bobinas desplazadas 120° eléctricos, es
conectado a una corriente alterna trifásica, automáticamente se va generando el mismo
campo magnético giratorio pero constante, es decir, la orientación Norte-Sur de los polos va
girando constantemente alrededor de su eje.
68
Figura
FIGURA: 4.4
Apoyándonos de la figura: 4.4, podemos ver que la corriente de la fase S no crece hasta que
disminuye la corriente de la fase R, el campo magnético generado por el devanado R prevalece
sobre otros “Instante A”. Pero al crecer la corriente de la fase S la orientación dominante del
campo magnético pasa a ser la del “Instante B”. Después decrece la corriente en el devanado S
y aumenta en el devanado T, de tal modo que el campo magnético que prevalece es el del
“Instante C”. A continuación decrece la corriente de la fase T y empieza a crecer de nuevo la de
la fase R, con lo cual volvemos de nuevo al campo magnético del “Instante A” y así
sucesivamente. El resultado es que la orientación Norte-Sur del campo magnético gira
constantemente, debido simplemente a la posición física de los tres devanados monofásicos
en el motor y al desfase de 120° eléctricos existente entre las tres fases de la red alterna
trifásica. Para invertir el sentido del giro del campo hay que cambiar el orden de alimentación
de sus fases.
Luego, el campo magnético giratorio induce en el devanado del rotor un conjunto de voltajes
trifásicos que podrán producir unas corrientes, que a su vez originan una fuerza
magnetomotriz causante del giro del rotor. La velocidad del rotor siempre ha de ser menor
que la del campo magnético giratorio ya que, en caso contrario, si el rotor girase a la misma
velocidad que el flujo magnético no se engendrarían f.e.m. inducidas, con lo cual la corriente
en el rotor seria cero. En consecuencia las fuerzas electromotrices y el par también serian
nulos. Por tanto, el rotor nunca deberá girar a la misma velocidad que el campo magnético del
estator.
69
4.2.- EL MOTOR SÍNCRONO, [CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS Y FUNCIONAMIENTO].
El motor síncrono es un tipo de motor eléctrico de corriente alterna, básicamente su
construcción es la misma que la de un alternador; su
arrollamiento estatorico puede ser monofásico ó trifásico y
consiste en una serie de bobinas alojadas en ranuras de un núcleo
de “chapa magnética” (acero al silicio). La conexión de estas
bobinas puede ser en estrella (Y) ó en delta (Δ), de modo que se
forme un determinado número de polos (figura: 4.5). Del estator
se obtienen tres hilos para conectarse a la red.
El rotor es semejante al rotor de una maquina de corriente
continua, suele ser de polos salientes, siendo esencial que tenga el
mismo número de polos que el estator. Las bobinas montadas en los polos del rotor se
conectan en serie de modo que formen polaridades alternadas, extrayéndose dos hilos que se
conectan a dos anillos de toma, montados sobre el mismo eje. El rotor está provisto además
de un arreglo de jaula de ardilla,
dispuesto
a
su
alrededor,
y
exactamente igual que el de los
motores de inducción (figura: 4.6). Este
arreglo auxiliar es necesario para poner
la máquina en marcha, pues el motor
síncrono no puede arrancar por sí
mismo, esto es, no tienen par de
arranque, por lo que esté arreglo de
jaula de ardilla en el motor síncrono se
conoce como “amortiguador”, el efecto
de inducción de éste, proporciona el
FIGURA: 4.6
torque de arranque, mantiene la
aceleración, además de amortiguar las oscilaciones durante la marcha.
No obstante y a pesar de la presencia del elemento “jaula de ardilla”, el motor síncrono no
puede ser usado como un motor normal jaula de ardilla, ya que la sección transversal
relativamente pequeña de la jaula, incrementa el calor en el rotor, sobrecalentando la
máquina; por tanto, la función principal del arreglo de jaula de ardilla es arrancar el motor
síncrono.
El motor síncrono adquiere su nombre por la característica que tiene de operar a una
velocidad constante sin deslizamiento (“velocidad sincrónica”), tal velocidad es la velocidad
natural a la que gira el campo magnético del estator. Ésta se determina por el número de polos
en la maquina y por la frecuencia de la línea de alimentación:
FIGURA: 4.5
Se logra primeramente al aplicar una corriente alterna multifásica a los devanados del estator,
producir el campo magnético rotatorio. Sin embargo, el hecho de energizar el estator no es
suficiente para arrancar el motor (razón por la que se incluye el arreglo amortiguador jaula de
ardilla), pues es en el arranque cuando el deslizamiento entre el rotor y el campo del estator
es del 100%, ya que el campo magnético giratorio del estator al ser alternante empuja el rotor
en una dirección durante medio ciclo de C.A. y en la dirección contraria en la siguiente mitad
del ciclo, lo que origina que el par resultante sea cero; éste va y ven se repite 60 veces en un
segundo, para el caso de una frecuencia de 60Hz.
70
El rotor de un motor síncrono se excita con corriente directa (C.D.) ya sea por medio de una
fuente externa (unidades pequeñas, figura. 4.7a) ó mediante una excitatriz montada en el
mismo eje del rotor (motores muy grandes, figura: 4.7b), esto, con la finalidad de producir un
campo magnético “fijo” en el rotor, el cual se engancha con el campo magnético giratorio del
estator llevando a la máquina a la velocidad de sincronismo.
FIGURA: 4.7
Debido a la problemática que se tiene en el motor síncrono al no tener par de arranque,
comúnmente se suele usar otro motor que impulse el rotor del motor síncrono hasta que éste
logre aproximadamente el 90% de la velocidad sincrónica, desconectando el motor impulsor
cuando ambos campos magnéticos (giratorio estatórico y fijo rotorico) se acoplen, esto se
sabe al verificar la velocidad. Sin embargo (como ya se mencionó) en la práctica se adiciona el
arreglo de amortiguación “jaula de ardilla” al rotor que además del par de arranque, nos
proporciona un acercamiento del 96% a la velocidad síncrona, para luego así aplicar corriente
continua a las bobinas de campo del rotor, estableciendo en éste los polos que al ser atraídos
por los polos del estator, aceleran al rotor hasta ponerlo en sincronismo.
A manera de síntesis las características de funcionamiento del motor síncrono son:
La velocidad nominal de rotación es la velocidad de sincronismo del campo magnético
giratorio del estator.
Se suministra corriente directa a los embobinados de campo del rotor, a través de
escobillas y anillos de deslizamiento.
Carece de par de arranque propio.
Es de velocidad constante.
Algunas máquinas cuentan con devanado amortiguador, para poder proporcionar el
par de arranque inicial y también para amortiguar las oscilaciones en el rotor
producidas por los cambios de carga.
Una máquina con excitación normal, sin carga no consume corriente.
Una máquina con sobreexcitación se comporta como condensador síncrono.
Una máquina con insuficiente excitación se comporta como inductor síncrono.
Una característica única del motor síncrono es su habilidad para consumir potencia reactiva
adelantada (Q+), actuando como un capacitor y mejorando el Factor de Potencia. Así en una
planta industrial que opera con factor de potencia en retrasado, puede estar justificado el uso
de motores síncronos, por el ahorro económico que resulta al mejorar el factor de potencia,
71
ya que la empresa de suministro eléctrico (C.F.E.) penaliza a las empresas a través de multas
por la existencia de cargas que originen un F.P. atrasado.
El efecto de variar la corriente de campo (excitación de C.D.) en el motor síncrono eleva ó
reduce el factor de potencia de la línea que lo alimenta. En un motor síncrono sí se aumenta
la corriente de campo, alimentando con más de la necesaria, se tendrá una máquina
sobreexcitada que tomará una corriente adelantada de la línea, esto es, la corriente sinusoidal
alcanza su máximo 90° antes que el voltaje sinusoidal de las terminales.
La potencia activa
(Watts) que consume es cero, pero absorbe una considerable cantidad de potencia reactiva
adelantada (Q+) de la línea; tales condiciones son propias de un capacitor y por tanto, una
máquina giratoria de este tipo es llamada condensador síncrono.
Por otro lado, sí la corriente de campo es menor que la nominal, el motor se encuentra
subexcitado, originando que fluya una corriente atrasada, lo que lleva a la máquina a consumir
potencia reactiva negativa (Q-), comportamiento característico de un inductor, llamándosele
a la máquina síncrona con estas características inductor síncrono.
Sin embargo, las máquinas insuficientemente excitadas (inductor síncrono) no ofrecen
ventajas comparables a las del condensador síncrono, por lo que no tienen una aplicación útil
conocida.
Comúnmente el motor síncrono encuentra aplicación en la industria para el movimiento de
cargas fijas a velocidades constantes; por ejemplo, compresores, sopladores, mezcladoras,
ventiladores, bombas, trituradores, molinos, diversos usos en la industria de la pulpa, papel,
caucho, sustancias químicas, y laminadoras de metales, etc.
Ya que el motor síncrono se aplica para mover cargas a una velocidad constante, es necesario
tener precauciones al operar el motor en condiciones de sobrecarga, ya que sí la carga a
conectar es demasiado grande ó pesada, el motor puede perder velocidad y salir de su
sincronía con el campo giratorio, pararse y quizá quemarse, ya que el campo magnético
rotatorio del estator cortará los devanados del rotor (fabricados con menor cantidad de
aislante que los del estator), sí no se toman precauciones, se inducirán voltajes tan altos que
consumen el aislante, quemando la máquina internamente.
72
4.3.-MOTORES DE INDUCCIÓN.
Toda máquina eléctrica rotatoria ya sea un generador ó un motor (monofásico ó trifásico), se
compone de dos partes fundamentales, que son:
 Estator.
 Rotor.
La parte llamada estator, es la parte fija y la otra conocida como rotor, es la parte móvil de la
maquina. Ambas partes poseen ranuras donde se colocan los conductores de cobre que
forman el devanado eléctrico. En un motor de inducción el estator es llamado inductor,
mientras el rotor adquiere el adjetivo de inducido.
El estator consiste en una carcaza de fundición (figura: 4.8a), un núcleo formado por chapas
magnéticas (figura: 4.8b), y un arrollamiento constituido por bobinas individuales alojadas en
las ranuras del núcleo, en máquinas trifásicas se tienen tres devanados; estos tres devanados
están desfasados por 120° (2 /3P6) uno respecto a los otros (figura: 4.8c), Los extremos del
devanado son conducidos al tablero de bornes situado en la caja de conexiones.
FIGURA: 4.8
6
Siendo P el número de polos de la maquina y el resultado en radianes
73
Por su parte, el rotor puede tomar diversas formas (según las necesidades del par), pero con el
común denominador de que el núcleo debe estar conformado de láminas de chapa magnética
(acero al silicio) ajustado a presión
sobre el eje (figura: 4.9).
Pudiendo ser del tipo jaula de ardilla
(figura: 4.9a), a base de barras y aros
de aluminio fundidos conjuntamente
en molde. En estos, los conductores del
rotor
están
distribuidos
equidistantemente a través de la
periferia. Los extremos de estos
conductores están cortocircuitados,
por lo tanto no hay posibilidad de
conexión del devanado del rotor con el
exterior. La posición inclinada de las
ranuras mejora las propiedades de
arranque y disminuye los ruidos.
Otro tipo de rotor para motor de
inducción es el rotor bobinado (figura
4.9b), el cual lleva un devanado
especial, dispuesto en las ranuras del
núcleo, cuyos terminales se conectan a
tres anillos de fricción (anillos
colectores) montados sobre el mismo
eje del rotor.
Los devanados del rotor son similares
a los del estator con el que está
asociado. El número de fases del
rotor no tiene porque ser el mismo
que el del estator, lo que si tiene que
ser igual es el número de polos.
Mediante el procedimiento de cálculo
FIGURA: 4.9
empleado para la fabricación de los
devanados, se determina con relación a la tensión y a la corriente nominal el número de
conductores necesarios y su sección. El estator, generalmente se construye de ranuras, igual
que los rotores y los devanados se realizan bien sea en forma de bobinados concéntricos, con
bobinas de distinta medida o bien con bobinas iguales y superpuestas, recibiendo estos
últimos el nombre de bobinados imbricados. En la figura 4.1.0, vemos esquemáticamente
estos tipos de devanados estatoricos.
74
Figura
FIGURA: 4.1.0
Los motores trifásicos se basan en el mismo principio que el de los transformadores, que es el
principio de la inducción electromagnética, es decir, el primario o estator genera un campo
magnético del tipo giratorio, que a su vez provoca que se induzcan voltajes que producen
corrientes en el rotor que es el secundario del motor, en el cual provocan una fuerza en los
conductores que tiende a moverlos en ángulo rectos con respecto al campo, esto porque la
corriente inducida circula siempre en dirección opuesta al flujo de la corriente aplicada y con
un retraso de 90° eléctricos ó π/2 radianes. El fenómeno se presenta debido a que el campo
magnético giratorio atraviesa los conductores del rotor e induce una fuerza electromotriz
(f.e.m.) en los mismos. Debido a que el devanado del rotor esta, o en cortocircuito
directamente (jaula de ardilla) o bien cerrado a través de alguna resistencia externa (rotor
devanado), la fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida en el secundario por el campo rotatorio
ocasiona que circule una corriente en los conductores del rotor; en este se produce un par que
lo hace girar, esto ocurre porque los campos magnéticos del rotor y del estator se encuentran
en tal posición uno respecto del otro, que se desarrollan fuerzas de atracción y repulsión
siempre en la misma dirección, ya sea hacia la izquierda o hacia la derecha.
El valor de este par es lo suficientemente grande para rebasar las perdidas por fricción y
ventilación, y mantener al rotor en movimiento. Por esto, se dice que los motores de inducción
tienen la característica de “autoarrancarse” o de ponerse en movimiento con solo conectarlos
a la fuente de alimentación sin necesidad de otro medio para empezar a girar. Un aspecto
importante que se da en cualquier tipo de motor es la diferencia de velocidad entre la
velocidad del campo magnético giratorio y la velocidad del rotor, se le conoce como velocidad
de deslizamiento o deslizamiento de la máquina. En cuanto se aplica una carga al eje del rotor,
éste tenderá a girar más lentamente hasta el punto en que las fuerzas ejercidas por el campo
magnético sobre el rotor son suficientes para vencer el par requerido por la carga.
El deslizamiento con el que trabaja un motor con carga, está en función de las características
del propio motor. Para un motor que toma una corriente alta, menor será el deslizamiento y
mayor será su eficiencia; para uno que toma una corriente menor, será menor su eficiencia y
por ende será mayor su deslizamiento.
75
La velocidad del campo magnético del estator ó velocidad síncrona, está dada por la frecuencia
de la línea de alimentación y por el número de polos con que está construida la máquina,
rigiéndose bajo la siguiente expresión:
La dirección en la que gira está determinada por la secuencia en cómo se conecten las
terminales que van a la alimentación. Esta dirección de rotación puede invertirse con tan solo
intercambiar de lugar dos de las tres terminales. El número de polos del campo magnético
rotatorio es el mismo que aquel con el cual está devanada cada fase del primario o estator.
Si por algún medio se llevara al rotor a la velocidad síncrona a la cual se encuentre girando el
campo magnético del estator, no existiría un movimiento relativo entre ellos (no se cortarían
líneas de flujo), y por tanto no se induciría una f.e.m. en el rotor, con lo cual el par desarrollado
sería nulo.
76
4.3.1.-CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR JAULA DE ARDILLA.
El rotor de un motor de inducción jaula de ardilla está formado por un núcleo de hierro
laminado, con ranuras longitudinales, donde se incrustan barras de cobre o aluminio,
quedando en la periferia de las chapas magnéticas (figura 4.1.2a). Ambos extremos del cilindro
se sujetan por anillos cortocircuitantes que son soldados ó fundidos en conjunto con las
barras, esto es, se busca que sean una misma pieza; la estructura de las barras del rotor con los
anillos de los extremos, semeja una jaula de ardilla, lo que da su nombre al motor
(figura 4.1.2b). El tipo de “jaula” de aluminio fundido, es el más utilizado en la actualidad
debido a que no existen juntas o uniones, no hay posibilidad de resistencias altas por contacto.
FIGURA: 4.1.2
La periferia del rotor puede tomar la forma de distintas ranuras, útiles
para alojar las correspondientes barras (figura: 4.1.3) influyendo,
según la forma de éstas con el amperaje de arranque y con el
consecuente par, además de influir en las propiedades de aceleración
de la máquina. Así:
El rotor de barras redondas (figura: 4.1.3a) tiene un par de arranque
reducido pero, a velocidad nominal, tiene un par superior a otras
formas de barra.
La barra en forma de gota (figura: 4.1.3b) se prefiere en los motores de
hasta 1 Hp. Posee un par de arranque mediano y una intensidad de
arranque relativamente baja.
La barra o jaula profunda (figura: 4.1.3c) se utiliza para motores a
partir de 50 Hp, puesto que posee buenas propiedades de arranque a
plena carga.
La doble jaula (figura: 4.1.3d) produce un par de arranque alto y una
relación muy conveniente entre la intensidad del arranque y la
corriente nominal.
En algunos casos las barras se pueden colocar en ranuras abiertas ó
semi-abiertas, para que estén más cerca aun de la periferia del rotor.
FIGURA: 4.1.3
77
Generalmente se busca que el núcleo laminado de chapa magnética (acero al silicio) presente
cierto ángulo de inclinación, ya que la posición inclinada de las ranuras mejora las propiedades
de arranque y disminuye los ruidos al estar el motor en marcha (figura: 4.1.4).
En un motor de inducción jaula de ardilla, la
periferia del rotor esta separada del estator a
través de un entrehierro, cuyo espesor es tan
pequeño como lo permitan los requerimientos
mecánicos, esto con el fin de que al efectuarse la
inducción electromagnética ésta sea lo más fuerte
posible.
Por otra parte, el paquete de bobinas del estator,
es el mismo para cualquier tipo de motor de
inducción, por lo que no se menciona en este
FIGURA: 4.1.4
apartado. Sin embargo, es de suma importancia
recordar que tales bobinas son las encargadas de producir el campo magnético giratorio
inductor (figura: 4.1.5).
FIGURA: 4.1.5
Como ya se mencionó, en un motor trifásico hay tres embobinados en el bastidor del estator y
estos se conectan a la fuente de energía. Cuando fluye una corriente de en el devanado del
estator (que nunca tiene menos de dos polos), se produce un campo magnético, el cual gira
alrededor del rotor a una velocidad determinada por la frecuencia de la línea de alimentación
(velocidad sincrónica (3 600 rpm para una frecuencia de 60Hz)). Al empezar a girar el campo
del estator, sus líneas de flujo atraviesan las barras que están en la periferia del rotor,
apareciendo voltajes en éstas engendrados por inducción electromagnética. Ya que las barras
del rotor están cortocircuitadas y con una resistencia muy baja (por su material), los voltajes
inducidos en éstas desarrollan elevadas corrientes que circulan en el circuito de la jaula en una
dirección opuesta al flujo de la corriente en el estator (principio de Lenz), tales corrientes
producen sus propios campos magnéticos de gran intensidad. Los campos magnéticos en el
estator y el rotor se hallan en una posición tal, el uno con respecto del otro, que desarrollan
fuerzas de atracción y repulsión siempre en la misma dirección (derecha o izquierda), pues los
polos magnéticos del rotor se establecen siempre en un punto intermedio a los polos
magnéticos del estator (figura 4.1.6), las fuerzas de atracción y repulsión actúan juntas y
ninguna trabaja contra la otra, el resultado de estas fuerzas produce torque y rotación.
78
Las corrientes desarrolladas por los voltajes
inducidos en el rotor, están atrasadas 90°
eléctricos con respecto al voltaje del estator, esto
es debido a que en reposo el rotor presenta una
elevada reactancia inductiva (XL) a pesar de tener
una resistencia pequeña. Conforme el rotor
empieza a girar la frecuencia de los voltajes
inducidos en el rotor disminuye, pues el campo
giratorio corta las barras a una velocidad menor
(el rotor casi “alcanza” al campo magnético
giratorio), reduciendo la reactancia inductiva del
circuito rotor. Ésta disminución en la reactancia
FIGURA: 4.1.6
se refleja en un incremento del par y de la
velocidad de la máquina. Así, el deslizamiento (diferencia de velocidad entre el rotor y el
campo magnético giratorio del estator) va decreciendo gradualmente de un 100% a casi un
10%, por tanto el valor de las corrientes circulantes será mayor cuando el motor se encuentre
en reposo y disminuirán gradualmente al aumentar la velocidad.
Cuando un motor de inducción jaula de ardilla opera sin carga las fuerzas magnéticas que
actúan en las barras del rotor hacen que aquel gire en la dirección de rotación del campo del
estator, acelerando hasta alcanzar una velocidad correspondiente al deslizamiento necesario
para superar las pérdidas por las fricciones del aire y mecánicas. Esta velocidad se conoce
como “velocidad sin carga”. El rotor nunca puede alcanzar la velocidad sincrónica, porque en
esas condiciones no se induciría corriente en el rotor y el motor no produciría torque.
No obstante, cuando el rotor disminuye su velocidad al encontrarse sometido a una carga, la
velocidad se ajusta automáticamente hasta el punto en que las fuerzas ejercidas por el campo
magnético sobre el rotor son suficientes para vencer el torque requerido por la carga. El
deslizamiento necesario para conducir la carga total depende de las características del motor.
En general, mientras más alta es la corriente que se toma, menor será el deslizamiento con
que el motor pueda transportar la carga total y mayor será la eficiencia. Si la corriente que se
toma es más baja, será mayor el deslizamiento con que el motor puede manejar la carga total,
y menor será la eficiencia. Un aumento en el voltaje de la línea disminuye el deslizamiento, en
tanto una reducción lo aumenta; en cualquier caso, en el rotor se induce suficiente corriente
para conducir la carga. Una disminución en el voltaje de la línea tiene el efecto de aumentar el
calentamiento del motor. Al aumentar el voltaje de la línea disminuye el calentamiento; en
otras palabras, el motor puede manejar una carga mayor; el deslizamiento con la carga normal
puede variar desde 3% hasta 20%, para diferentes tipos de motores.
Este tipo de rotor se emplea para motores pequeños o cuyo arranque no sea muy exigente en
cuanto a potencia requerida (ventiladores, bombas de agua, compresores de aire, maquinaria
de tipo industrial). En el momento del arranque suelen absorber de la red una intensidad, de 3
a 5 veces la nominal del motor, por lo que no es muy aconsejable en motores de gran
potencia. Su par de arranque suele ser como máximo el 140% del par nominal, su rendimiento
a plena carga suele ser un 5% o un 6% inferior al de doble jaula de ardilla, que prácticamente
lo está sustituyendo, sobre todo en potencias medias o grandes.
Esencialmente, es un motor de velocidad constante, pero algunos se fabrican para funcionar a
diversas velocidades fijas. Esto lo hace el fabricante cambiando el número de polos en que se
embobina el estator.
79
A manera de resumen, las características de de funcionamiento del motor de inducción jaula
de ardilla son:
 Es el motor industrial más sencillo.
 No hay conexión externa del rotor.
 El devanado del rotor, consiste en barras de cobre o aluminio conectadas en cada
extremo mediante un anillo continuo.
 El arreglo de jaula de ardilla hace que el motor trifásico arranque automáticamente.
 Es un motor de velocidad casi constante, pues el rotor nunca podrá alcanzar la
velocidad sincrónica.
 El rotor gira en la dirección de rotación del campo del estator.
 Su corriente de arranque, suele ser de 3 o 5 veces la intensidad nominal.
 Es fácil de fabricar y no requiere de mucho mantenimiento.
80
4.3.2.-CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR-ROTOR DEVANADO.
El rotor devanado de éste tipo de motor de inducción, está compuesto por un núcleo laminado
con tres devanados uniformemente espaciados, de un alambre magneto de diámetro
ligeramente mayor que el que compone las bobinas del estator. Éstos son generalmente
trifásicos y se conectan en estrella o en delta, para luego sus tres extremos libres conectarse
uno a cada anillo colector (aros de cobre o latón), situado sobre el eje del rotor y aislado
convenientemente del mismo. Por este motivo también se llama rotor de anillos rozantes
(figura: 4.1.9).
FIGURA: 4.1.9
De esta forma, los tres extremos o las fases del rotor se pueden sacar al exterior por medio de
unos frotadores o escobillas de grafito que rozan sobre los anillos del rotor, llevando el
circuito del devanado del rotor fuera del motor, hasta un controlador, donde se varía la
resistencia de dicho circuito, controlando así la aceleración y la velocidad del motor una vez
que está funcionando.
El número de fases del rotor no tiene porque ser el mismo que el del estator, lo que si tiene
que ser igual es el número de polos. Comparando el rotor bobinado con los devanados usados
en la armaduras de los motores de corriente continua, se usan preferentemente los devanados
denominados de tipo “ondulado” debido a que ofrecen la ventaja de que reducen las
conexiones cruzadas entre grupos de bobinas y permite también un diseño compacto,
permitiendo un buen balance mecánico.
Los devanados del estator para los motores asíncronos trifásicos están constituidos
esencialmente por tres circuitos, uno por cada fase, tomando tres terminales para conectarlas
a la fuente de alimentación y las otras tres están conectadas entre sí en cualquiera de las
conexiones trifásicas más comunes, sea delta o estrella. Dependiendo de la potencia de cada
motor es el tipo de conductor que constituye a las bobinas de cada fase, siendo redondo para
motores de potencia pequeña o media o de sección rectangular (tipo barra) para motores de
gran potencia. Los polos y las fases necesarias para su correcto funcionamiento se obtienen
con las conexiones entre los grupos de bobinas, distribuidos de forma simétrica en toda la
periferia del estator. Los llamados ejes geométricos de cada devanado deben encontrarse a
120° eléctricos uno del otro. En otras palabras, los ejes de los devanados deben formar entre si
un ángulo igual a 120 grados eléctricos.
81
Al suministrar potencia trifásica a los devanados del estator, se produce un campo magnético
giratorio el cual induce un voltaje alterno en cada devanado del rotor. Cuando el rotor se
encuentra estático, la frecuencia del voltaje inducido en el rotor es la misma que la frecuencia
de la fuente que alimenta al estator. No obstante al iniciar su giro el rotor, en la misma
dirección que el campo y alcanza cierta velocidad, las líneas de flujo del campo giratorio del
estator cortaran cada ves menos los devanados del rotor, lo que produce que el voltaje y la
frecuencia inducidos en estos vallan disminuyendo hasta llegar a cero, esto ha razón de que la
máquina ha alcanzado la velocidad síncrona, condición en la que el rotor gira a la misma
velocidad que el campo magnético giratorio. Sin embargo, sí el rotor gira en sentido contrario
al campo giratorio del estator, alcanzando la velocidad síncrona, esto producirá que las líneas
del campo giratorio y los devanados del rotor se crucen, generando que el voltaje inducido y la
frecuencia en el rotor se dupliquen con respecto a los valores obtenidos cuando el motor esta
energizado y detenido.
La ventaja de sacar las terminales de los devanados del rotor a través de anillos rozantes
radica en que es posible controlar la resistencia y por tanto las corrientes que circulan por los
devanados del rotor, ya que por su característica de elevado par, este motor es factible parar
arrancar por tensión reducida. Pues, conectando una resistencia de cierto valor a cada
conductor proveniente de cada escobilla, con todas ellas en el circuito se aumenta la
resistencia total del rotor y cuando el motor se encuentra funcionando, es posible aumentar
grandemente el torque o fuerza de
rotación del motor. Así variando dichas
resistencias externas se puede variar el
par de arranque entre el 150% y el
250% del par normal, aproximadamente
y reducir la corriente de arranque a 1,5
o 2 veces la intensidad nominal
(figura:4.2.0). El aumento en el par va
acompañado por una disminución
proporcional de la velocidad. Al
cortocircuitar las resistencias externas,
el motor adquiere más velocidad y el
par disminuye. Cuando toda la
resistencia queda eliminada el motor
FIGURA: 4.2.0
funciona a velocidad máxima.
El motor de inducción de rotor devanado se diseña con una flecha de diámetro muy grande,
por el par tan alto que puede alcanzar (hasta del 300% de lo normal cuando toda la resistencia
se elimina del circuito), ya que esta queda sometida a esfuerzos muy severos.
El motor de inducción de rotor devanado o de anillos colectores fue el primer motor de
corriente alterna que proporcionó, con éxito, características de control de velocidad, siendo
éste un factor importante para hacer la corriente alterna más universalmente adaptable a las
aplicaciones de energía industrial. Las características adicionales de alto par y baja corriente en
el arranque aportan mejores cualidades de operación para las aplicaciones en que se necesita
un motor con elevado par de arranque o tenga que arrancar bajo carga.
Este motor se emplea para regímenes de arranque demasiado fuertes, tales como el caso de
las bombas que tienen una contrapresión extremadamente alta, o con máquinas que tienen
una inercia estática muy alta, también suele emplearse cuando se requiere una variación de
velocidad, en motores de corriente alterna, o bien un arranque progresivo, requerido por
máquinas de gran potencia o con un arranque difícil, combinando de esa manera la ventaja del
elevado par de arranque de un motor de alta resistencia con una menor corriente de arranque,
así como la característica de poder variar su velocidad .
82
El controlador de resistencia secundaria (tensión reducida) se emplea como arrancador para
obtener velocidad sin jalones o esfuerzos, y se utiliza, también, en operaciones de
funcionamiento normal, para ajustar el par y la velocidad a cualquier grado deseado.
De igual manera que en los otros apartados las características de funcionamiento
convenientes del motor de inducción rotor devanado son.:
 Devanado del estator estacionario.
 Los devanados del rotor terminan en anillos colectores.
 Adicion externa de resistencias al circuito del rotor (arranque por tensión reducida).
 El rotor puede girar: en la dirección contraria a la de rotación del campo del estator.
 Si se impulsa el rotor puede alcanzar la velocidad sincrónica.
 Buen par de arranque.
 Construcción robusta.
 Facil servicio y mantenimiento.
 Requiere circuitos de control el devanado del estator y del rotor.
 Puede servir como convertidor de frecuencia.
83
CAPITULO V
PRÁCTICAS PROPUESTAS
84
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ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MAQUINAS ELÉCTRICAS
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TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES
PRACTICA: I
PRINCIPIOS DE OPERACIÓN Y CONSTRUCCIÓN
DEL TRANSFORMADOR
OBJETIVOS:
 Que alumno, comprenda los fundamentos de operación del transformador,
reforzando y complementando, los conocimientos adquiridos en clase.
 Conozca las piezas que constituyen al transformador.
Un transformador se puede definir como:
Un dispositivo que transfiere energía (potencia) de un circuito a otro a través del principio
de inducción electromagnética, sin variar la frecuencia. A partir de dos devanados
acoplados magnéticamente pero aislados eléctricamente.
La base del funcionamiento del transformador es la Ley de Faraday ó principio de Inducción
Electromagnética para circuitos estáticos con la presencia de un flujo magnético [Φ] oscilante,
que se define:
El signo de menos es referente a la Ley de oposición de Lenz, la cual se hace presente en todo
caso de inducción electromagnética, sin embargo, el aplicar esta expresión en la práctica es
muy difícil, ya que esta considera que el flujo magnético se reparte equitativamente a
proporción en cada espira de una bobina, aspecto que es ideal, pues realmente el flujo
magnético desarrollado por una bobina se dispersa por todo el perímetro circundante.
Al aplicar voltaje de c.a. en un transformador, fluirá una corriente en el circuito primario, la
cual es responsable de producir el flujo oscilante, esta corriente se le llama corriente de
excitación y se compone por dos elementos:
 Corriente de Magnetización (IM): Que es la necesaria para producir el flujo
oscilante en el núcleo del transformador.
 Corriente de Pérdidas en el núcleo (I h + f): Es la que se requiere para compensar
la histéresis y las corrientes de Foucault.
85
Se le llama Relación de Transformación ó Coeficiente de acoplamiento [ a ], a la relación
existente entre el número de vueltas (espiras), voltajes y corrientes entre el devanado primario
y el devanado secundario del transformador:
Estas expresiones son útiles para el cálculo del estudio del transformador.
Por otro lado, en la práctica el transformador se compone por los siguientes elementos:
NÚCLEO MAGNÉTICO
ILUSTRACIÓN
CARACTERÍSTICAS
La aleación ferromagnética más utilizada para
el diseño de núcleos de transformadores es la
aleación hierro-silicio de grano orientado
calidad M4 con aislación eléctrica de Carlite,
compuesta por hierro puro con 1-6% de
silicio. Con un corte y tratamiento térmico
adecuados, se obtiene un material que
comparado con el hierro, tiene mejores
propiedades magnéticas (permeabilidad), una
resistividad mayor (esfuerzos mecánicos),
menores pérdidas totales en el núcleo
(histéresis, corriente de excitación) y niveles
más bajos de ruido en el transformador. Esta
aleación se lamina en chapas y flejes, en el
lenguaje común se le conoce como Chapa
magnética.
DEVANADOS
Los devanados de los transformadores de
hasta alrededor de 1500 KVA son en forma
rectangular y circular para
potencias
mayores. De acuerdo a su corriente, son
fabricados con alambre de cobre de sección
circular aislado con doble capa de esmalte
clase térmica 200 ºC ó con conductor de
cobre de sección rectangular forrado con
papel Kraft. Cuando las corrientes son muy
altas en el secundario (transformadores de
300 KVA o mayores), se emplea conductores
de lámina de cobre o aluminio, estas bobinas
son compactas, más resistentes a esfuerzos
mecánicos producidos por cortocircuitos.
Las bobinas llamadas multicapa están
formadas por múltiples capas sucesivas (cada
una del largo total de la bobina), emplean
papel aislante entrecapas, diamantado
epóxico, presentando buena resistencia a los
esfuerzos producidos por cortocircuitos.
86
AISLADORES
Se especifican según la tensión, corriente de
trabajo,
condiciones
ambientales,
contaminación y altitud a las que estarán
expuestos. Están hechos de porcelana sólida
y esmaltada, alternativamente pueden ser
fabricados con resinas epóxicas resistentes a
los rayos ultravioleta y a impactos. Los
terminales externos de conexión son del tipo
paleta o prensa y están dimensionados para
permitir una fácil conexión de los cables
conductores.
CONMUTADOR DE DERIVACIONES (TAPS)
Acoplado al devanado de alta tensión.
Es empleado para adaptar el transformador a
las variaciones de tensión que normalmente
sufren las líneas de alimentación. Se opera
sólo cuando el transformador esta
desenergizado, actuando simultáneamente
sobre las tres fases (en caso de
transformador trifásico).Es de accionamiento
manual por medio de una manilla ubicada en
el exterior del tanque.
VÁLVULA DE SEGURIDAD
En los transformadores sumergidos en líquido
aislante, un cortocircuito o arco interno
puede provocar un rápido aumento de
presión debido a la vaporización instantánea
de parte del líquido, con posibilidades de
deformación ó rotura del tanque.
La actuación extremadamente rápida de la
válvula libera la presión interna del tanque,
evitando daños a éste e incluso protegiendo
al transformador mismo de fallas mayores.
Se le utiliza normalmente en transformadores
Válvula de descarga
de 750 KVA o mayores.
TERMÓMETRO DE LÍQUIDO AISLANTE
Ubicado en la parte superior del costado del
tanque, indica la temperatura máxima del
fluido aislante, en función del nivel de carga
del transformador. Dispone de dos agujas,
una de ellas para indicar la temperatura del
líquido y la otra, de color rojo, para registrar
la temperatura máxima alcanzada,
pudiéndose reposicionar manualmente a
través de un imán, normalmente es utilizado
en transformadores de 45 KVA o mayores.
El termómetro puede estar dotado de
conexiones para alarmas ó desconexiones.
87
TANQUE Y RADIADORES DE REFRIGERACIÓN
El tanque principal está proyectado con la
resistencia necesaria para soportar sin
deformaciones permanentes una presión ó
un vacío de una atmósfera.
La refrigeración del transformador se realiza
por medio de radiadores tipo panel por cuyo
interior circula el fluido aislante. Estos
radiadores normalmente son soldados
directamente a los costados del tanque.
El proceso de pintura comprende la limpieza
mediante granallado, la aplicación de una
mano de anticorrosivo epóxico y dos manos
de terminación con esmalte poliuretano ó
pintura en polvo electrostático.
FLUIDO AISLANTE
El interior del transformador se encuentra
sumergido en un fluido aislante, el que
cumple la función de dar la rigidez dieléctrica
necesaria al transformador llenando todos los
espacios e impregnando los papeles y
maderas. Otra función muy importante del
fluido es la de refrigerar el transformador, al
extraer el calor de las bobinas mediante la
circulación del fluido por los ductos de
refrigeración en las bobinas y luego por los
radiadores de refrigeración.
El fluido aislante normalmente utilizado es el
aceite mineral dieléctrico ó un fluido aislante
incombustible de silicona.
Cabe señalar que el transformador es considerado como un puente de potencia, pues a esta
máquina estática, la potencia total que le suministremos será ligeramente mayor que la que
obtengamos, esto debido al bajo nivel de pérdidas que se presentan (pérdidas en el núcleo y
en el cobre) en el interior de este. Siendo su eficiencia de entre un 90-98% según sea la
aplicación de este, por tanto:
-Potencia activa del primario ≈ Potencia activa del secundario
[ Watts ]
-Potencia aparente del primario ≈ Potencia aparente del secundario
[Voltamperes “VA”]
-Potencia reactiva del primario ≈ Potencia reactiva del secundario
[Voltamperes reactivos “VARS”]
88
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TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES
PRACTICA: II
EFECTOS DE SATURACIÓN, PRUEBAS DE CIRCUITO ABIERTO Y CORTOCIRCUITO EN
EL TRANSFORMADOR
OBJETIVOS
 Familiarizar al Alumno con la Unidad Transformador EMS-8341.
 Determinar la relación existente entre la Corriente de Excitación y la
Saturación del Núcleo.
 Que el Alumno conozca las Pruebas de Circuito Abierto y Cortocircuito así
como las condiciones que se desarrollan en estas.
 Que el Alumno comprehenda la importancia del elemento Relación de
Transformación “a”, en el cálculo de Transformadores.
En un transformador uno de los factores que reduce la magnitud del voltaje obtenido en el
secundario es el efecto de la saturación del núcleo de hierro, y este se da cuando el voltaje del
primario se eleva más allá de su valor nominal, provocando que el núcleo de hierro comience
a saturarse y que la corriente de excitación aumente con gran rapidez. La saturación del núcleo
se debe a que la permeabilidad del material ferromagnético del que está hecho el núcleo del
transformador (laminaciones de acero al silicio) decae, es cuando este material se satura de
flujo magnético (φ), el cual está directamente relacionado con el aumento de la corriente de
excitación.
Por otra parte, antes de que un transformador entre en operación, debe pasar por dos
pruebas a realizar, la primera de ellas es la prueba de circuito abierto, con la cual se
determina:
 La Corriente de Excitación ( I0 ).
 La Potencia en vacio, que son las pérdidas del núcleo de hierro ( P0 ).
 El factor de potencia a operación en vacio ( F.P.0 ).
En esta prueba se suele alimentar a tensión nominal, el devanado de baja tensión y abrir el
devanado de alta (no conectando carga), tomando registro de la corriente en vacio “I0” (debe
tomar un valor entre el 1 y 10% de la corriente nominal) y la potencia de entrada en vacio “P0”
(que no debe ser mayor de 30Watts), esto, en el devanado alimentado.
La segunda prueba es la prueba de cortocircuito, en la cual se unen los bornes de uno de los
devanados para cortocircuitarlo, siendo recomendable cerrar el devanado de baja tensión y
alimentar el devanado de alta tensión con un voltaje reducido regulable, que varié del 2 al 15%
del voltaje nominal .A través de este segundo ensayo se determina:
-El porcentaje de Voltaje a cortocircuito permisible, respecto al voltaje nominal ( Vc.c ).
-La potencia de cortocircuito, que son las pérdidas en el cobre de los devanados del
transformador ( Pc.c).
-La impedancia total interna ó impedancia equivalente del transformador (Z equi ).
89
COMPONENTES A OCUPAR
EQUIPO
Módulo de Transformador
CÒDIGO
EMS-8341
Modulo de Fuente de Alimentación (120/208 V c-a)
EMS-8821
Modulo de Medición de C.A. (100/100/250/250V)
EMS-8426
Modulo de Medición de C.A. (0.5/0.5/0.5 A)
EMS-8425
Cables de Conexión
EMS-8941
Ohmìmetro
-------
FAMILIARIZANDOSE CON EL MÓDULO DEL TRANSFORMADOR:
1).-Interactúa con la Unidad del Transformador (EMS 8341),
Nota especialmente el alambrado y las terminales de conexión.
a).-Observa que el Núcleo del Transformador esta conformado por laminaciones
delgadas de acero, con la finalidad de minimizar las corrientes parasitas ò Edy.
b).-Ve que los devanados del transformador están conectados a las terminales de
conexión montadas en la carátula del módulo.
c).- Identifica los tres devanados independientes del transformador proyectados en la
caratula del módulo
d).- Anota el voltaje de operación nominal de cada uno de los tres devanados:
Terminales: 1 a 2:
V c.a.
Terminales: 3 a 4:
Terminales: 5 a 6:
Vc.a.
V c.a.
e).-Anota el voltaje de operación nominal entre las siguientes terminales:
Terminales: 3 a 7:
V c.a.
Terminales: 3 a 8:
V c.a.
Terminales: 4 a 7:
V c.a.
Terminales: 4 a 8:
V c.a.
90
Terminales: 5 a 9:
V c.a
Terminales: 6 a 9:
V c.a.
La carátula del modulo de Transformador EMS 8341, se presenta a continuación para
las actividades siguientes:
120 V
1
2
104 V
3
76 V
28 V
7
8
60 V
5
4
60 V
6
9
c).- Determina la corriente nominal de las principales conexiones, apóyate con lo
siguiente :
IN 
S  I N (VL )
S
VL
Donde:
S: Potencia Aparente (VA).
IN: Corriente Nominal (Amp).
Terminales: 1 a 2:________Amp. C-A
VL: Voltaje de Línea (Volts).
Terminales: 3 a 7:________Amp. C-A
Terminales: 3 a 4:________Amp. C-A
Terminales: 8 a 4:________Amp. C-A
Terminales: 5 a 6:________Amp. C-A
3).-Colocando en la escala más baja el Ohmìmetro, mide y anota la resistencia de cada
devanado:
Terminales: 1 a 2:
Ω
Terminales: 3 a 7:
Ω
Terminales: 3 a 8:
Ω
Terminales: 3 a 4:
Ω
Terminales: 7 a 8:
Terminales: 5 a 9:
Ω
Terminales: 5 a 6:
Ω
Terminales: 9 a 6:
Ω
Ω
EFECTO DE SATURACIÓN DEL NÚCLEO DE HIERRO DEL TRANSFORMADOR
4).- Una de las formas de aumentar el voltaje obtenido en el devanado secundario es a
través del incremento de la llamada corriente de excitación que se le aplica al devanado
primario, a continuación se podrá ver el efecto que esta acción tiene en el núcleo de
“hierro” (laminaciones de acero) en el Transformador.
91
a).- Conecta el siguiente circuito:
Nota que se ocuparan las terminales 4 y 5 de la Fuente de Alimentación (0-208 V-c.a.).
NOTA: Recuerda que un Voltímetro “siempre” se conecta en “paralelo” con los
elementos.
4
A
I1
1
5
0-0.5
A-c.a.
0-208
V-c.a.
5
V
V
E1
0-250
V-c.a.
2
E2
0-250
A-c.a.
6
FIGURA: 5.2.4
b).- Enciende la Fuente de Alimentación y ajústala a 25 V-c.a., tomando esta
lectura del Voltímetro E1.
c).- Incrementando gradualmente el voltaje aplicado al devanado primario, E1 en
múltiplos de 25 V-c.a. toma la lectura de la corriente de excitación I1 y el
voltaje de salida E2 y escríbelas en la siguiente tabla:
E1
I1
E2
V-c.a.
A-c.a.
V-c.a.
25
50
75
100
125
150
175
200
d).-Reduce el voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación.
e).-En base a los valores de la Corriente de excitación I1 y al Voltaje obtenido E2,
gràfica la relación que se desarrolla entre estas, en el siguiente plano
cartesiano:
92
Observa, que el Voltaje Obtenido “E2” guarda cierta proporcionalidad con el Voltaje
de entrada “E1” y por tanto con la Corriente de excitación “I1”.
Sin embargo después de alcanzar un cierto nivel de excitación, el núcleo se satura
magnéticamente dando un límite al Voltaje de Salida “E2” que se nota gráficamente
en el Voltaje de salida con un decaimiento .
PRUEBA DE CIRCUITO ABIERTO EN UN TRANSFORMADOR:
6).- Aplicando 120 V-c.a. al devanado primario mide y anota el voltaje de los
devanados secundarios sin carga.
a).-Para hacerlo, conecta el circuito de la figura 5.2.1:
4
A
I1
1
3
0-0.5
A-c.a.
0-120
V-c.a.
V
5
7
9
E1
0-250
V-c.a.
8
2
N
4
V
E2
0-250
V-c.a.
6
FIGURA: 5.2.1
b).- Enciende la Fuente de Alimentación, calíbrela a 120 V-c.a., apoyandote con el
voltímetro conectado a las terminales 4 y N.
c).- Toma la lectura de E2 correspondiente a cada devanado y anote:
7)
Devanado: 3 a 7 =
V-c.a.
Devanado: 3 a 8 =
V-c.a.
Devanado: 3 a 4 =
V-c.a.
Devanado: 7 a 8 =
V-c.a.
Devanado: 5 a 9 =
V-c.a.
Devanado: 9 a 6 =
V-c.a.
Devanado: 5 a 6 =
V-c.a.
a).-¿Concuerdan los voltajes medidos a los marcados en la carátula del
93
módulo? R:________.
Sí difieren ¿a qué se debe esto?
b).-¿Puedes medir el valor de la corriente de excitación?
R:__________. ¿Por qué?_________________________________________
______________________________________________________________
______________________________________________________________
8).- Dado que los devanados 1 a 2 y 5 a 6 están constituidos por 500 vueltas de alambre
y el devanado 3 a 4 por 865 . Determina las siguientes relaciones:
a).-Devanado 1 a 2
Devanado 5 a 6
_______Vueltas
Vueltas
=
b).-Devanado 1 a 2
_______Vueltas =
Devanado 3 a 4
Vueltas
Estos valores obtenidos son conocidos como: Relación de Transformación, y
juegan un papel importante en cálculos de los Transformadores
PRUEBA DE CORTOCIRCUITO EN EL TRANSFORMADOR:
9)
a).-Conecta el siguiente circuito, Note que el Amperímetro I2, pone en
cortocircuito el devanado secundario 5 a 6.
NOTA: Recuerda, que un amperímetro “siempre” se conecta en “serie” con
los demás elementos del circuito ¡¡¡NO!!!, en paralelo.
En este experimento usamos el Amperímetro “I2” a manera de barra
cortocircuitante y para registrar la Corriente de Cortocircuito.
4
A
I1
1
5
0-0.5
A-c.a.
0-120
V-c.a.
N
V
A
E1
0-100
V-c.a.
2
I2
0-0.5
A-c.a.
6
FIGURA: 5.2.2
b).- Enciende la Fuente de Alimentación y aumenta gradualmente el voltaje hasta
que el Amperímetro I2, esto es, la corriente de cortocircuito sea 0.4 A-c.a.
c).- Mide y anota la lectura del Amperímetro I1 y del Voltímetro E1 conectados al
devanado primario.
I1.-________A-c.a
E1.-_________V-c.a.
d).-Reduce el voltaje acero y apaga la fuente de alimentación.
e).-Determina la Relación de Transformación, mas ahora con las corrientes
obtenidas en estado de cortocircuito:
94
I2 =______
I1
f).-¿Es igual la Relación de Transformación (a) obtenida por las corrientes en
condiciones de cortocircuito que la obtenida por las vueltas de alambre
(procedimiento:8)? ______________Sí su respuesta es: No, explica por
qué:____________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
10) a).-Conecta el siguiente circuito,
Nota que el Amperímetro I3 cortocircuita al Devanado Secundario 3 a 4:
4
A
I1
1
3
0-0.5
A-c.a.
0-120
V-c.a.
V
A
E1
0-100
V-c.a.
2
N
I3
0-0.5
A-c.a.
4
FIGURA: 5.2.3
b).- Enciende la Fuente de Alimentación e incremente el voltaje hasta que la
corriente que fluye por el devanado primario I1 sea 0.4 A-c.a.
c).- Toma la lectura de la corriente de cortocircuito en I3, de igual forma el voltaje
que se aplica en el primario para obtener esta corriente en E1:
I3:__________A-c.a.
E1:___________V-c.a.
d).- Reduce el voltaje a cero y apague la Fuente de Alimentación.
e).- Determina la Relación de Transformación entre las corrientes obtenidas:
I3 =_________
I1
f).-Considera esta Relación de Transformación obtenida por corrientes, ¿es la
misma que la obtenida por las vueltas de alambre de los devanados?
_______ ¿Por qué?________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
Ahora puedes confirmar que:
a
N 1 E1 I 2


N 2 E 2 I1
95
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FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ
OBJETIVOS:

TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES
PRÁCTICA: III
LA POLARIDAD EN EL TRANSFORMADOR
Que el alumno sea capaz de determinar las marcas de polaridad en los
devanados de un Transformador.
Que el alumno aprenda a conectar los devanados del Transformador en las
modalidades Serie Aditiva y Serie Substractiva.
Que el Alumno comprenda las propiedades de estos arreglos.


Otra de las pruebas que se le realizan a un transformador antes de que este salga incluso de la
fábrica es la determinación de la polaridad de los devanados del transformador y es vital en la
determinación de flujos de corrientes dentro del transformador. Por definición, el voltaje de
C.A. cambia continuamente su polaridad más no su magnitud, por tanto el voltaje aplicado al
devanado primario cambia constantemente la polaridad de un extremo de la bobina al otro, lo
que nos indica que ambos extremos del devanado primario no tendrán jamás la misma
polaridad, un extremo de la bobina siempre debe ser más positivo que el otro. Cuando se
habla de polaridad de los devanados de un transformador, se trata de identificar todas las
terminales que tengan la misma polaridad (positiva ó negativa) en el mismo instante,
comúnmente se usan marcas como puntos negros, cruces, señales u etiquetas que nos
permitan identificar qué terminales tienen la misma polaridad, tomando el nombre dichas
marcas como: marcas de polaridad.
El significado físico de las marcas de polaridad en un transformador es que, al aplicar una carga:

Sí una corriente fluye hacia el lado de un devanado con marca de polaridad, esta
producirá una fuerza magnetomotriz positiva (F ).

Caso contrario si la corriente fluye hacia fuera del lado del devanado con marca de
polaridad, producirá una fuerza magnetomotriz negativa (- F ).
P
La dirección que toman las corrientes por los devanados del transformador (entrar ó salir) es
sumamente importante, ya que a través de estas se determinara sí los campos magnéticos
(fuerza magnetomotriz) de los devanados se
sumen ó se resten.
¤ Sí las corrientes entran ó salen al mismo
tiempo de las marcas de polaridad, sus
campos magnéticos (fmm) se sumaran
(caso 1 y 2).
¤ Sí una corriente se dirige a la marca de polaridad y
la otra se aleja de su respectiva marca de polaridad,
los campos magnéticos se opondrán y el campo
96
magnético resultante (fmm R ) será una resta de
estos (caso 3 y 4).
COMPONENTES A OCUPAR
EQUIPO
Módulo de Transformador
CÒDIGO
EMS-8341
Modulo de Fuente de Alimentación (0-120 V c-a,0-120 V c-d)
EMS-8821
Modulo de Medición de C.A. (250/250/250 V)
EMS-8426
Modulo de Medición de C.D. (20/200 V)
EMS-8412
Cables de Conexión
EMS-8941
1.- a).-Conecta un Voltímetro de C.D. del Modulo EMS-8412 a la terminales 7-N de la Fuente
de Alimentación (salida variable 0-120 V c-d.).
b).-Enciende la Fuente de Alimentación y calíbrala lentamente a 10 V c-d.
c).-Sin tocar la perilla de control de voltaje. Apaga la Fuente de Voltaje y desconecta el
Voltímetro de C.D.
d).-Conecta el siguiente circuito, utiliza los Módulos de Transformador, Fuente de
Alimentación y Medición de C.D.:
7
1
5
3
+
V
10
V-c.d.
N
0-20
V-c.a
-
2
6
4
FIGURA: 3.1
e).- Observa cuidadosamente el movimiento de la aguja del voltímetro de C.D. al instante
de cerrar el interruptor de la fuente de alimentación. Sí la aguja del voltímetro se
desplaza a la derecha, las terminales 1 y 3 tienen la Misma Marca de Polaridad.
Esto se debe a que la terminal 1 se conecta al positivo de la Fuente, mientras que la
terminal 3 al positivo del voltímetro.
97
f).-De los devanado 1-2 y 3-4 ¿Qué terminales de estos presentan marcas
positivas?:_______________.
g).- Apaga la Fuente de alimentación sin mover la perilla calibradora y desconecta el
Voltímetro de C.D. del devanado 3-4 y conéctalo al devanado 5-6.
Enciende la Fuente de Alimentación y repite la operación (e).
h).-¿Qué terminales son positivas en los devanados 1-2 y 5-6?_________________.
i).-Reduce el voltaje a cero y apaga la fuente de alimentación.
2.- A continuación, conectaremos en serie dos devanados del Transformador, lo cual te
Permitirá comprehender la importancia de la polaridad, generando los arreglos de Serie
Aditiva y Serie Sustractiva.
a).- Conecta el siguiente circuito, utilizando además el modulo de medición de C.A.,
EMS-8426. Nota que el devanado 1-2 está en paralelo con el devanado 5-6.
4
3
1
V
104
V-c.a.
N
5
4
2
0-250
V-c.a
0-250
V-c.a
V
0-250
V-c.a
6
V
FIGURA: 3.2
b).- Enciende la Fuente de Alimentación y calíbrala a 104 V c-a.
(1/2 VNOM del devanado 3-4).
c).- Toma las lecturas de los voltímetros en los devanados secundarios y anótalas a
continuación:
E1-2: __________V c-a.
E5-6:__________V c-a.
E2-6:__________V c-a.
d).- Reduzca el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación.
98
e).- Retira la conexión entre 1 y 5. Ahora, conecta 1 y 6 y luego un Voltímetro a las
terminales 2 y 5, para cerrar el circuito del secundario, como se indica en el
siguiente circuito:
4
3
1
V
104
V-c.a.
N
5
4
0-250
V-c.a
2
V
0-250
V-c.a
6
V
0-250
V-c.a
FIGURA: 3.3
f).- Enciende la Fuente de Alimentación y ajústala a 104 Vc-a.
g).-Toma las lecturas de los Voltímetros y anota:
E1-2:__________Vc-a.
E5-6:__________Vc-a.
E2-5:__________Vc-a.
h).-Reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación.
i).- ¿Por qué crees que el Voltaje Resultante en uno de los arreglos es casi cero y 120 V ca. en el otro?__________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
j).-¿Qué Terminales presentan la misma Polaridad? Positivas:______________
Negativas:______________
A la configuración de los Devanados Secundarios en el Procedimiento “2-a”, se le
llama: “Serie Sustractiva”, pues como vez el Voltaje Resultante es la Resta de los
Voltajes Nominales de ambos devanados.
No Obstante, la configuración del Procedimiento “ 2-e” ofrece resultados inversos al
anterior, llamándose “Serie Aditiva” el Voltaje Resultante es la Suma de los Voltajes
Nominales en los devanados que componen al Secundario.
3.- a).- Observa el siguiente circuito. Nota que el devanado 3-4 está siendo alimentado con
104 V c-a ¡¡No conectes el circuito aun!!:
99
4
3
1
4
2
104
V-c.a.
N
FIGURA: 3.5
b).-¿ Qué Voltaje Inducido se obtiene en el devanado 1-2 ?____________V c-a.
c).- Sí se conectan en Serie los devanados 1-2 y 3-4
¿Cuáles son los Voltajes de salida que podemos obtener?
___________V c-a.
___________V c-a.
d).- Conecta el siguiente Circuito. Observa que ambos devanados están en Serie, analízalos
bien:
4
3
1
4
2
104
V-c.a.
N
V
0-250
V-c.a
FIGURA: 3.6
e).- Determina el Voltaje que ofrece este arreglo, tomando la lectura del Voltímetro entre
las terminales 2 y 4:
E2 a 4:____________V c-a.
f).- Reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación.
100
g).-Retira la conexión entre las terminales 1 y 3. Conectando ahora las terminales 1 y 4,
como se ilustra en el siguiente circuito:
4
3
V
1
V
104
V-c.a.
N
0-250
V-c.a
4
0-250
V-c.a
2
FIGURA: 3.7
h).- Encienda la Fuente de Alimentación y calíbrala a 104 V c-a., toma la lectura de ambos
Voltímetros y escríbelas:
E2-3:____________V c-a.
E1-2:_____________V c-a.
i).-Reduce el Voltaje a Cero y Apaga la Fuente de Alimentación.
j).-¿Coinciden los resultados obtenidos en los Procedimientos “3-e” y “3-h”, con lo
previsto en “3-c”?__________
¿Por qué? :___________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________ ________________________________________
_____________________________________________________________________
k).-¿Cuáles Terminales tienen la misma polaridad? Positivas:________________
Negativas:________________
101
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ
TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES
PRACTICA: IV
LA REGULACIÓN DE VOLTAJE
EN EL TRANSFORMADOR
OBJETIVOS:
 Que el Alumno, comprenda la importancia del Cálculo de la Regulación de
Voltaje de una Máquina eléctrica.
 Conocer las características que presenta el Transformador a diversos tipos
de Cargas.
 Apreciar gráficamente el comportamiento del Transformador a los efectos
de las cargas.
La regulación de voltaje es uno de los aspectos más importantes y que caracterizan a un
transformador pues, no obstante de ser una máquina estática este logra estabilizar los niveles
de voltaje a los que trabaja (gracias a los cambiadores de taps). Usualmente la carga de
cualquier transformador de distribución tiende a variar a lo largo del día, por lo que es
importante mantener el voltaje de salida a niveles equilibrados a cualquier hora, ya que los
cambios bruscos de voltaje afectan los electrodomésticos de los usuarios. Dado que un
transformador real tiene cierta resistencia (R) en su núcleo y devanados , además de requerir
de potencia reactiva (VAR para establecer el campo magnético), produciendo reactancias (X)
en los devanados, el voltaje de salida en el secundario variara según el factor de potencia
(cos θ) de la carga aun, cuando el voltaje de alimentación en el primario sea constante,
definiendo la Regulación de voltaje como:
Una medida de la diferencia del voltaje de salida, cuando la corriente de carga varia de
cero, a un valor “nominal”.
Por tanto para una carga cuyo factor de potencia es atrasado (inductiva normalmente) se
genera un diagrama fasorial como el mostrado
en la figura izquierda, en la cual se muestra
como el voltaje que se suministra Vp/a es
considerablemente mayor que el voltaje que
se obtiene Vs, lo que nos indica que para este
tipo de cargas la regulación de voltaje es
mayor que el 0%.
102
Por otro lado para una carga más comúnmente encontrada con un factor de potencia igual a la
unidad (cargas resistivas), se produce un
diagrama fasorial como el mostrado a la
derecha, en el que se muestra que al igual,
pero en menor magnitud que una carga
inductiva, el voltaje suministrado es mayor
que el voltaje obtenido, lo que nos indica
que la regulación de voltaje para un
transformador conectado a una carga
resistiva también será mayor del 0%, pero menor a la de una carga inductiva.
Sin embargo, lo anterior no ocurre cuando se tiene una carga con un factor de potencia
adelantado
(cargas
capacitivas,
extremadamente difíciles de encontrar), pues
esta produce un efecto magnetizante en el
transformador conocido como efecto ferranti,
el cual incrementa el voltaje de salida con
poco voltaje de alimentación, apreciándose
esto en el diagrama fasorial de la izquierda,
dando por resultado que el transformador
tenga una regulación de voltaje negativa,
aspecto que es beneficioso, pues se tiene una disminución en las pérdidas.
COMPONENTES A OCUPAR
EQUIPO
Módulo de Transformador
CÒDIGO
EMS-8341
Módulo de Fuente de Alimentación (0-120 V c-a)
EMS-8821
Módulo de Medición de Voltaje de C.A. (250/250/250 V)
EMS-8426
Módulo de Medición de Corriente de C.A. (0.5/0.5/0.5 A)
EMS-8425
Módulo de Resistencia
EMS-8311
Módulo de Inductancia
EMS-8321
Módulo de Capacitancia
EMS-8331
Cables de Conexión
EMS-8941
103
EFECTOS EN EL TRANSFORMADOR POR CARGAS RESISTIVAS:
1.-Conecta el siguiente circuito, haz uso de los Módulos de Transformador, Fuente de
Alimentación, Resistencia y Medición de C.A.:
I2
I1
A
4
1
5
0-0.5
A-c.a.
0-120
V-c.a.
N
V
A
0-0.5
A-c.a.
V
E1
0-250
V-c.a.
2
E2
Z-L
0-250
V-c.a.
6
FIGURA: 4.1
a).- Abre todos los interruptores del Módulo de Resistencia (posición hacia abajo).
b).- Enciende la Fuente de Alimentación y calíbrala a 120 V c-a., apoyándote el el
Voltímetro “E1”.
c).- Variando los valores de la Resistencia (Impedancia de carga “ZL”), mide y
anota los valores correspondientes a I1 , I2, y E2 en la tabla siguiente:
ZL
[Ω]
∞
1200
600
400
300
240
I1
[mA c-a.]
I2
[mA c-a.]
E2
[V c-a.]
Tabla: 4.1
d).-Reduce el Voltaje a Cero y Apaga la Fuente de Alimentación.
2.- a).-Determina la Regulación de Voltaje del Transformador para este tipo de carga,
apoyándote de la siguiente expresión y de los valores obtenidos anteriormente:
%
NOTA: Cabe señalar que entre menor sea el valor porcentual de la
Regulación de Voltaje, será Mejor; pues esto nos indica, que NO se
necesita calibrar muchas veces la Fuente de Voltaje a las
variaciones de la carga (ZL) para obtener casi el mismo Voltaje de
entrada, esto es:
.
104
b).- ¿Permanecen iguales los Voltajes “E1” y “E2” en cada valor de “ZL”?:_______
¿A qué se debe esto?_______________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
c).- Traza la Curva de Regulación de Voltaje para una Carga Resistiva, graficando
“E2” en función de “I2”, en el Plano Cartesiano siguiente:
EFECTOS EN EL TRANSFORMADOR POR CARGAS INDUCTIVAS:
3.- a).- Conecta el siguiente circuito. Nota que es el mismo circuito que el de la
Figura 4.1, con la variante en que la carga que ahora ocuparemos será Carga
Inductiva:
I2
I1
A
4
1
5
0-0.5
A-c.a.
0-120
V-c.a.
N
V
A
0-0.5
A-c.a.
V
E1
0-250
V-c.a.
2
E2
0-250
V-c.a.
L-L
6
FIGURA: 4.2
b).- Repite los Procedimientos del “1-a”, al “1-c”, con la variación de que se trata
de Cargas Inductivas, anota en la siguiente tablas las lecturas tomadas:
ZL
I1
I2
E2
[Ω]
[mA c-a.]
[mA c-a.]
[V c-a.]
∞
1200
600
400
300
240
Tabla: 4.2
105
c).-Reduce el Voltaje a Cero y Apaga la Fuente de Alimentación.
d).-Calcula la Regulación de Voltaje del Transformador para Cargas Inductivas:
%
e).- ¿Es alta ó baja la Regulación de Voltaje?______________
Explica el comportamiento de esta carga para con el Transformador:
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
f).- Gráfica el comportamiento del Transformador con la Carga
Inductiva, proyectando “E2” con respecto a “I2”.
Une los puntos marcados con una línea, apóyate en el siguiente Plano
Cartesiano:
EFECTOS EN EL TRANSFORMADOR POR CARGAS CAPACITIVAS:
4.- a).-Conecta el siguiente circuito. Nuevamente el circuito es similar al de la
Figura 4.1 mas ahora la Carga se cambia por Capacitancias.
106
I2
I1
A
4
1
5
0-0.5
A-c.a.
0-120
V-c.a.
N
V
A
0-0.5
A-c.a.
V
E1
0-250
V-c.a.
2
E2
0-250
V-c.a.
C-L
6
FIGURA: 4.3
b).- Repite los Procedimientos “1-a” al “1-c”, estando conscientes que se trata de
Cargas Capacitivas, anota en la siguiente tabla los valores obtenidos:
ZL
I1
I2
E2
[Ω]
[mA c-a.]
[mA c-a.]
[V c-a.]
∞
1200
600
400
300
240
Tabla:4.3
c).-Reduce el Voltaje a Cero y Apaga la Fuente de Voltaje.
d).- Determina la Regulación de Voltaje del Transformador para
Cargas Capacitivas:
%
e).-¿Cómo consideras el comportamiento de esta carga, con respecto a su
Regulación de Voltaje?__________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
f).- Gráfica el Comportamiento de “E2”, con respecto a “I2”, por el efecto de la
Carga Capacitiva. Une los puntos con una Línea:
107
5.- De los Procedimientos anteriores, ¿Cuál crees que de todas la Cargas tenga Mejor
Regulación de Voltaje, qué beneficios crees que se pudieran obtener de esta?
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
108
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FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: MTRO. URIEL GARCIA ORTIZ
TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES
PRACTICA:V
EL
AUTOTRANSFORMADOR
OBJETIVOS:
 Estudiar la relación de voltaje y corriente de un autotransformador.
 Aprender cómo se conecta un transformador estándar para que
trabaje como autotransformador.
Existen transformadores de propósito, que son aplicables en casos muy especiales, uno de
estos (ocupado para transmitir grandes potencias)se caracteriza por tener sólo un devanado,
que funciona como primario y secundario a la vez, en efecto se trata de un inductor con
derivación y se le atribuye el nombre de: autotransformador. El autotransformador al igual
que un transformador ocupa la inducción electromagnética para transportar la energía,
elevando ó reduciendo el voltaje según se requiera.
Dado que se trata de un transformador de propósito, la nomenclatura de sus voltajes,
corrientes e incluso la del devanado no es la misma que la de un transformador común, pues
para el autotransformador la sección del devanado que está entre la derivación y la terminal
común (aparece en ambos lados) se le conoce como devanado común, mientras que la sección
más pequeña del devanado se le conoce como devanado en serie, esto, por el mismo hecho de
que se encuentra en serie con el devanado común. De la misma forma la relación de
transformación (a) se modifica a esta nomenclatura, pero guardando el orden que se tiene en
la de un transformador común, quedando:
109
En relación a esto, cabe señalar que sí un transformador común se conecta como
autotransformador (tomando las precauciones necesarias), este podrá operar a una
capacidad (KVA) mucho mayor a la que a modo transformador operaba, así por ejemplo, un
transformador que maneja 5 KVA cuya relación de voltajes (VP/VS) es “127/220” al ser
conectado como autotransformador y reforzando su aislamiento podrá llegar a manejar hasta
11 KVA, lo que es el doble de la potencia que a la que fue diseñado como transformador.
Es de suma importancia recalcar que el empleo del autotransformador no es tan común como
el de un transformador pues su uso se remite a transformaciones por ejemplo de 120V a 75V
ó de 13.2KV a 13.8KV, en circunstancias, donde la puesta de un transformador sería una
opción demasiado cara.
Sin embargo, a pesar de las considerables ventajas que tiene un autotransformador, este
elemento presenta también inconvenientes; empecemos por cuando un transformador
ordinario se conecta como autotransformador, esta acción debe realizarse con sumo cuidado
y después de una rigurosa inspección del aislamiento de los devanados, esto porque el
aislamiento existente en el devanado de bajo voltaje del transformador, no es lo
suficientemente fuerte como para resistir el elevado voltaje de salida ó de entrada que
manejara el aparato en modo autotransformador. Al construir una unidad de transformación
predispuesta como autotransformador el aislamiento de ambos devanados (común y serie) es
igual de fuerte, esto con el fin de soportar los niveles de tención a los que operará.
COMPONENTES A OCUPAR
EQUIPO
Módulo de Transformador
CÒDIGO
EMS-8341
Módulo de Fuente de Alimentación (0-120 V c-a)
EMS-8821
Módulo de Medición de Voltaje de C.A. (250/250/250 V)
EMS-8426
Módulo de Medición de Corriente de C.A. (0.5/0.5/0.5 A)
EMS-8425
Módulo de Resistencia
EMS-8311
Cables de Conexión
EMS-8941
110
EL AUTOTRANSFORMADOR MODO DE CONEXIÓN: 1:
1.-Conecta el siguiente circuito.
Nota que el devanado 5-6 del Módulo de Transformador se toma como primario,
mas, de este mismo se obtiene una derivación central ( terminal 9 ), la cual se conecta a la
carga junto con la terminal 6; esta derivación 9-6 es considerada como devanado
secundario:
I1
A
4
5
0-0.5
A-c.a.
I2
E1
0-120
V-c.a.
V
0-250
V-c.a.
9
A
0-0.5
A-c.a.
N
E2
V
0-100
V-c.a.
RL
6
FIGURA: 5.1
a).- Abre todos los interruptores del Módulo de Carga Resistiva (todos los interruptores
hacia abajo).
b).- Enciende la Fuente de Alimentación, gira la perilla calibradora hasta tener 120 V c-a.,
(Voltaje Nominal del devanado 5-6) apóyate del Voltímetro “E1”.
c).- Calibra los elementos del Módulo de Resistencias, para obtener una Carga de 120Ω
RESISTENCIA REQUERIDA
DEL MÓDULO
PRIMERA SECCIÓN
SEGUNDA SECCIÓN
TERCERA SECCIÓN
120 Ω
300 Ω
600 & 300 Ω
NINGUNA
d).- Toma las lecturas de los Amperímetros “I1”, “I2” y el Voltaje del Secundario “E2”:
I1:____________Amp c-a.
I2:____________Amp c-a.
E2 :______________V c-a.
e).- Reduce a Cero el Voltaje y Apaga la Fuente de Alimentación.
f).-El Transformador, más que para elevar ó reducir Voltajes, su función principal es ser
un “puente” para la Potencia, por tanto, Determina la Potencia Aparente (S) en los
devanados Primario y Secundario:
S1 = [E1 x I1]
S1 =[________V c-a][________Amp c-a]
S1=___________VA
S2 = [E2 x I2]
S1 =[________V c-a][________Amp c-a]
S2=___________VA
111
g).-¿Son casi iguales ambas Potencias?_________
Además de la explicación dada en “f” ¿Qué otra razón puedes dar?
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
h).-¿ Es un Autotransformador reductor ó elevador?___________________________
EL AUTOTRANSFORMADOR MODO DE CONEXIÓN: 2:
2.- a).- Conecta el siguiente Circuito.
Date cuenta que ahora alimentamos la derivación 9-6 con 60 V c-a (Voltaje Nominal de
esta sección), tomando esta sección del devanado como Primario, mientras la carga
es conectada a las terminales 5-6, que son la sección del Secundario:
I2
5
A
0-0.5
A-c.a.
RL
E2
I1
A
4
E1
0-60
V-c.a.
V
V
9
0-250
V-c.a.
0-0.5
A-c.a.
0-100
V-c.a.
N
6
FIGURA: 5.2
b).-Abre todos los interruptores del Módulo de Resistencias.
c).- Enciende la Fuente de Alimentación y apoyándote del Voltímetro “E1”
calíbrala a 60 V c-a.
d).- Ajusta los interruptores del Módulo de Resistencias para una carga de 600 Ω.
e).-Toma las lecturas de los Amperímetros “I1”, “I2” y del Voltaje obtenido a través de
“E2”:
I1:_____________Amp c-a.
I2:______________Amp c-a
E2:______________V c-a.
f).-Reduce el Voltaje a Cero y Apaga la Fuente de Alimentación.
g).-Determina la Potencia Aparente (S) presente en los Devanados Primario y Secundario:
S1 = [E1 x I1]
S1 =[________V c-a][________Amp c-a]
S1=___________VA
S2 = [E2 x I2]
S1 =[________V c-a][________Amp c-a]
S2=___________VA
h).-¿Son casi iguales ambas Potencias?__________.
112
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FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ
TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES
PRÁCTICA: VI
CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES EN PARALELO
OBJETIVOS:
 Que el Alumno conozca cómo se conectan los Transformadores en paralelo.
 Que aprecie las ventajas de este tipo de conexión.
 Que el Alumno se relacione con el concepto de la Eficiencia (η) de una Máquina
Eléctrica.
 Que determine los efectos nocivos del sobrecalentamiento en un Transformador.
Se dice que dos ó más transformadores operan en paralelo, cuando sus devanados primarios
son alimentados por una misma fuente, mientras sus secundarios suministran a una misma
carga.
La decisión para conformar un banco de transformadores en paralelo viene a raíz de las
necesidades que se tienen en el suministro, sin embargo, la puesta de transformadores en
paralelo no es una acción que se realiza a la ligera, pues, los transformadores que conformaran
el banco deben cumplir ciertas condiciones, que son:
 Tener la misma relación de transformación (operar con mismos voltajes de entrada y
mismos voltajes de salida).
 Los devanados deben tener la misma polaridad, esto es, las marcas de los devanados
primarios estarán en un mismo lado, mientras las de los secundarios en su lado
respectivo.
 Iguales tensiones de cortocircuito.
Siendo la primera condición un factor lógico e importante, ya que sí hace caso omiso a esta
regla se pueden producir
corrientes (en condiciones de
gran demanda ó falla) tan
elevadas que pueden quemar
e incluso hacer explotar al
banco de transformación,
siendo esto evitable al tener la
misma
relación
de
transformación (a) en cada
transformador del banco.
113
En base a la segunda condición, se logra que al conectar el banco a la ó las cargas, las
corrientes que circulan por los devanados secundarios se encuentren en fase entre ellas y con
la corriente de la carga.
La tercera condición es vital para el buen funcionamiento del banco bajo carga, esto, una vez
cumplidas las dos primeras. Pues, sólo cuando se cumple la tercera condición, la repartición
para la ó las cargas, será de manera proporcional a la capacidad (VA) de cada transformador.
Pues sea una carga de 125 KVA, la que se alimenta por dos transformadores en paralelo, el
primero de 100 KVA y el segundo de 200 KVA, se tendrá un funcionamiento en paralelo
correcto sí, el primer transformador otorga 50 KVA, mientras el segundo aporta los 75 KVA
restantes. La operación en paralelo es eficiente sí la ó las cargas se reparten
proporcionalmente, según las capacidades nominales de cada transformador.
El hecho de conectar una carga en un transformador implica varios conceptos, uno de ellos es
la eficiencia (η) ó rendimiento que es un concepto global para cualquier tipo de máquina
eléctrica y se define como: Expresándose matemáticamente como:
La relación entre la Potencia activa (Watts) que sale con respecto a la que entra, que
presenta una máquina al conectarle una carga.
COMPONENTES A OCUPAR
EQUIPO
Módulo de Transformador (2 Unidades)
CÓDIGO
EMS-8341
Módulo de Fuente de Alimentación (0-120 V c-a)
EMS-8821
Módulo de Wattímetro Monofásico (750 W)
EMS-8431
Módulo de Medición de Voltaje de C.A. (250/250/250 V)
EMS-8426
Módulo de Medición de Corriente de C.A. (0.5/0.5/0.5 A)
EMS-8425
Módulo de Resistencia
EMS-8311
Cables de Conexión
EMS-8941
114
PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LA CONEXIÓN:
1.- a).-Conecta el siguiente circuito.
Nota que el arreglo entre ambos Transformadores es en Paralelo, en modo elevador .
Aplicamos 120 V c-a, determinando la Potencia de entrada por los devanados
primarios 1-2 a través del Wattímetro monofásico, estos devanados también
conectados en paralelo uno respecto al otro. Los Devanados Secundarios 3-4
conectados en paralelo entre sí y con la Carga Resistiva (RL); los Amperímetros “I1, I2”
proporcionan las corrientes en los Secundarios mientras que “IL” nos indica la
Corriente en la Carga:
I1
I2
A
4
1
1
0-120
V-c.a.
2
W
3
0-0.5
A-c.a.
E1
3
V
4
A
I-L
A
1
0-0.5
A-c.a.
0-250
V-c.a.
E-L
Z-L
N
0-0.5
A-c.a. 3
2
V
0-250
V-c.a.
4
4
FIGURA: 6.1
b).-Con la finalidad de tener una Corriente de Carga “IL” igual a cero. Abre todos los
interruptores del Módulo de Resistencia (Posición Abajo).
c).-Enciende la Fuente de Alimentación
Gira lentamente la perilla calibradora de Voltaje, ¡¡ Pon atención que los
Amperímetros “I1 , I2” así como “IL”, marquen cero. !!
Esta lectura en los Amperímetros nos indicara si los devanados están debidamente
faseados.
d).- Calibra la Fuente de Alimentación a 120 V c-a, apoyándote en el Voltímetro “E1”.
e).-Sube los interruptores del Módulo de Carga Resistiva gradualmente, hasta obtener una
“IL” igual a 500 mA c-a. Revisa “E1”, para verificar que el Voltaje de entrada siga
siendo 120 V c-a.
f).- Mide y anota el Voltaje de Carga “EL”, la Corriente en la Carga “IL”, las
Corrientes que circulan en los devanados Secundarios “I1 é I2”, así como la Potencia de
entrada.
EL:_______________V c-a
IL:_______________Amp c-a.
I1:_______________Amp c-a.
I2:_______________Amp c-a.
PENTRADA:___________Watts
g).-Reduce el Voltaje a Cero y Apaga la Fuente de Alimentación.
115
2
2.- a).-Determina la Potencia Real absorbida por la carga:
(Ten siempre en cuenta que en Cargas Resistivas el Factor de Potencia, es: 1)
PL= EL(IL)[F.P.]
PL=__________V c-a x (_________Amp c-a)( 1)
PL=____________Watts
b).-Obtén la Eficiencia del Circuito:
η=
η=______________%
c).-Calcula las Perdidas (Potencia Real disipada en calor) en el Transformador:
PPERDIDA= PENTRADA - PSALIDA
PPERDIDA=_____________W - _____________W
PPERDIDA=_____________W
d).-Determina la Potencia entregada por el Transformador 1:
PENTREGADA T-1= I1[EL][F.P.]
PENTREGADA T-1=__________Amp c-a[__________V c-a][ 1 ]
PENTREGADA T-1=______________W
e).-Ahora determina la Potencia entregada por el Transformador 2:
PENTREGADA T-2= I2[EL][F.P.]
PENTREGADA T-2=__________Amp c-a[__________V c-a][ 1 ]
PENTREGADA T-2=______________W
f).-¿Se distribuye la Potencia de Carga casi equitativamente entre ambos
Transformadores?___________.
¿A qué crees que se3 deba esto?
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
116
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ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ
TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES
PRACTICA: VII
EL TRANSFORMADOR EN LA RED DE DISTRIBUCIÓN
OBJETIVOS:
 Que el Alumno conozca el funcionamiento del Transformador de
Distribución estándar con Voltaje de salida 240/120 Volts.
 Que comprehenda la importancia del Hilo Neutro para la red de suministro
domestico.
Al andar por la calle podemos ver transformadores de diversos tipos y formas, tanto los de
poste como los de pedestal y podemos ver que no todos trabajan con la misma capacidad
(VA), no obstante, todos los transformadores de la red eléctrica pública se encuentran
conectados en paralelo, cumpliendo
a lo menos dos de las condiciones
descritas en la práctica anterior,
siendo la primera condición la que
siempre se debe cumplir, pues
aunque todos los transformadores
del orden público no operan a la
misma capacidad, sí lo hacen a la
misma relación de transformación
(a), la cual es: 13800 / 220/120
Volts, siendo 13800 V, la tensión
media que existe en los cables de
mayor altura en los postes, de la cual
se conectan los transformadores
para ofrecer así 220V (línea-línea)
“trifásica” ó 120 V (línea –neutro)
“monofásica”.
Figura de transformador tipo poste,
donde: A, B, C, D y E, son
longitudes normalizadas.
Mientras: 1 y 2 son los conductores
de fase, con su respectivo
apartarayo
117
COMPONENTES A OCUPAR
EQUIPO
Módulo de Transformador
CÓDIGO
EMS-8341
Módulo de Fuente de Alimentación (0-120/208 V c-a)
EMS-8821
Módulo de Medición de Voltaje de C.A. (250/250/250 V)
EMS-8426
Módulo de Medición de Corriente de C.A. (0.5/0.5/0.5 A)
EMS-8425
Módulo de Resistencia
EMS-8311
Módulo de Inductancia
EMS-8321
Cables de Conexión
EMS-8941
TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN BAJO CARGAS VARIABLES:
1.- a).-Conecta el siguiente circuito
Date cuenta que el Devanado Primario ( 3-4 del Módulo Transformador ) se conecta a
las terminales 4 y 5 de la Fuente de Alimentación ( 0 - 208 V c-a.). Mientras el
Devanado Secundario, constituido por los Devanados en serie 1-2 y 5-6 proporcionan
240 V c-a., a la carga Resistiva:
I1
2
4
A
3
120 V
c-a.
A
0-0.5
A-c.a.
E1
V
0-250
V-c.a.
R-1
I-N
1
0-208
V-c.a.
A
6
0-0.5
A-c.a.
120 V
c-a.
5
E3
V
0-250
V-c.a.
E2
V
0-250
V-c.a.
R-2
I2
4
5
B
A
0-0.5
A-c.a.
FIGURA: 7.1
118
2.- a).- Enciende la Fuente de Alimentación y gira la Perilla calibradora hasta tener un Voltaje
de 208 V c-a., apoyándote del Voltímetro de la Fuente de Alimentación.
b).-Toma las lecturas del Voltaje Total de salida “ET”, los Voltajes en cada Carga “E1, E2”,
así como el valor de las Corrientes de Línea “I1 , I2” con la Corriente del Hilo Neutro
“IN” y anótalas en las Tablas 7.1.1 y 7.1.2, según los siguientes Casos:

CASO: “ α ” (Alfa)
- Abre todos los interruptores de los Módulos de Resistencias (Interruptores hacia
Abajo).
-Toma las lecturas, anótalas, reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de
Alimentación.
-¿Por qué no se registran corrientes en los devanados secundarios del Transformador?
______________________________________________________________________

CASO: “ β ” (Beta)
-Ajusta los Módulos de Resistencia “R1 y R2” a los valores requeridos.
- Enciende la Fuente de Alimentación y ajústala a 208 V c-a.
-Toma las lecturas, anótalas en la tabla, reduce Voltaje a Cero y apaga la Fuente.
-¿A qué se debe que la Corriente del Hilo Neutro sea cero en este caso?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________

CASO: “ γ ” (Gama)
-Ajusta la Carga a los valores requeridos “R1 y R2”.
-Enciende la Fuente de Alimentación, ajústala a 208 V c-a.
- Toma las lecturas, anótalas en la tabla, reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente.
-¿Es igual la Corriente en el Hilo Neutro a la diferencia ente las Corrientes de Línea
“ I1 – I2 ” ?_________
CASO
α
β
γ
R1
“Ω“
R2
“Ω“
∞
∞
300
300
300
1200
I1
“A“
I2
“A“
IN
“A“
E1
“V c-a”
E2
“V c-a”
ETOTAL
“V c-a”
TABLA: 7.1.1
119

CASO: “δ ”(Delta)
-Retira el Hilo Neutro de los Devanados Secundarios, quitando el cable que se
encuentra en una de las terminales 1 ó 6 y el Amperímetro “IN”.
-Ajusta la Resistencia de Carga a los Valores requeridos.
-Enciende la Fuente de Alimentación y ajústala a 208 V c-a. Apoyándote del Voltímetro
en la Fuente.
-Mide, anota en la tabla, reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente.
-Sí R1 y R2 fueran lámparas incandescentes
¿Con qué intensidad brillarían estas al efecto producido en este caso?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________

CASO: “ε ” (Épsilon)
-Reconecta el Hilo Neutro con su respectivo medidor de corriente.
-Cambia el Módulo de Carga Resistiva “R2”, por el Módulo de Inductancia.
-Usa la siguiente combinación para obtener 400 Ω del Módulo de Carga Resistiva.
RESISTENCIA REQUERIDA
DEL MÓDULO
PRIMERA SECCIÓN
SEGUNDA SECCIÓN
TERCERA SECCIÓN
400 Ω
1200 y 600 Ω
NINGUNA
NINGUNA
-Usa la misma combinación para obtener una Reactancia Inductiva “XL” de 400 Ω
-Enciende la Fuente de Alimentación y Ajústala a 208 V c-a.
-Mide, anota en la tabla, reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente.
-Es igual la Corriente que circula en el Hilo Neutro a la diferencia entre las Corrientes
de Línea “I1 – I2”:___________
¿Por qué? _____________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
CASO
δ
ε
R1
“Ω“
300
400
R2
“Ω“
1200
400
I1
“A“
I2
“A“
IN
“A“
E1
“V c-a”
E2
“V c-a”
ETOTAL
“V c-a”
TABLA: 7.1.2
120
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ
TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES
PRÁCTICA: VIII
TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS Y SUS CONEXIONES
OBJETIVOS:
 Que el Alumno conozca las conexiones [Y-Δ] que se hacen con los Devanados
de un transformador Trifásico.
 Que aprenda a diferenciar entre un Voltaje de Línea y uno de Fase.
 Que aprehenda los Procedimientos de Seguridad en la operación de un
Transformador Trifásico con una conexión en el Secundario en Delta [Δ].
 Que conozca las características de las conexiones Delta y Delta abierta, esto
en el Secundario del Transformador.
Un equipo de transformación trifásica puede presentarse de dos maneras; la primera se
compone por tres transformadores monofásicos con los cuales se hacen arreglos de conexión,
mientras cada uno actúa sobre una fase y se le llama
banco trifásico. Mientras la segunda manera se
conforma por el transformador trifásico como tal, que
es una unidad con tres pares de bobinados enrollados
sobre un núcleo común.
Las unidades monofásicas a conectar, no pueden variar
entre sí, si no para que estas se conecten
correctamente, garanticen su funcionamiento y el
suministro eléctrico
deben cumplir ciertas
características que son:
 Tener la misma capacidad (KVA-MVA).
 Operar a los mismos niveles de voltaje
(primarios y secundarios).
 Mismas marcas de polaridad.
 Que los transformadores monofásicos a ocupar
sean del mismo fabricante.
Cualquiera de las formas de transformación trifásica son efectivas. Así, existiendo en ambas
formas tres devanados primarios y tres secundarios, se tienen dos formas de conexión para
cada trió, la conexión estrella ó “Y” ( Y ) y la conexión delta ó triángulo ( Δ ).
121
De las cuales se tienen cuatro tipos de conexiones conjugadas posibles en una unidad de
transformación trifásica, que son:
Estrella (Y) – Estrella (Y)
Estrella (Y) – Delta (Δ)
Delta (Δ) – Estrella (Y)
Delta (Δ) – Delta (Δ)
122
La conexión (Y-Y) es adecuada y económica para el manejo de tensiones elevadas
(transmisión), se caracteriza por brindar un buen servicio a sistemas en que se requiera
disponer de 4 hilos (tres líneas vivas y el neutro). Es ideal para sistemas de transmisión ya
que en estos, no existen grandes desequilibrios entre los voltajes de fase, ya que esta conexión
sólo admite un 10% I2n como máximo de desequilibrio para operar correctamente, pues
tiende a desequilibrarse severamente, sí las cargas alimentadas por fase varían; por otra parte
la conexión (Y-Δ), debido a las características de la delta (Δ), en el secundario, esta conexión
es ideal para reducción de tensiones e incremento de corrientes, siendo posible su aplicación
más en sistemas de potencia, además de poder operar sin ningún problema con cargas
desbalanceadas. La conexión (Δ-Y) es la más empleada en la industria eléctrica, debido a que
sirve como unidad elevadora de tensiones y limitadora de corrientes, su aplicación e
importancia va desde los grandes sistemas de potencia hasta sistemas de distribución, opera
correctamente a un con cargas desequilibradas y es conveniente de igual manera para
sistemas de alumbrado y fuerza, por otra parte la conexión (Δ- Δ) es empleada en
transformadores ó bancos trifásicos que no manejan elevados voltajes, además, de aplicarse
en instalaciones donde la continuidad del suministro trifásico debe estar garantizada. Las
principales ventajas de esta conexión radican en la estabilidad de sus voltajes y en la nula
presencia de armónicos ante cargas desequilibradas.
Es importante mencionar, que sin hacer distinción entre conexiones, el arreglo secundario a la
hora del armado debe de hacerse con sumo cuidado (especialmente en una delta), buscando
guardar las correctas relaciones de fase entre los devanados.
Siendo el caso para una unidad de transformación trifásica con su secundario en Y, se mide el
voltaje entre los puntos A y B, el
Vab=v3(Van)=v3(Vbn)
cual debe ser √3 veces mayor que
Vab=Van=Vbn
el
voltaje
obtenido
entre
V
A
B
A
B
cualquier línea y el neutro (esto es
el voltaje de un devanado), si la
lectura no corresponde a lo
N
N
V
indicado, es necesario invertir uno
de los devanados; este mismo
hecho
debe
cumplirse
al
C
Vbc=Vac=v3(Van)=v3(Vbn)=v3(Vcn)
incorporar el devanado de la línea
Vbc=Vac=Van=Vb
C.
n=Vcn
En el caso de una unidad de transformación trifásica con su secundario dispuesto a conectar
en delta (Δ), se mide el voltaje de los dos primeros devanados de extremo a extremo, tal
lectura debe ser la misma a la que se obtiene al medir el voltaje de uno de los devanados,
si esta lectura entre A y C difiere, se debe invertir uno de los devanados.
Al cerrar la delta, con el tercer devanado se conecta primeramente una de sus terminales,
midiendo ahora entre las terminales C y C1 se debe obtener una lectura de 0 Volts; si se
detecta un voltaje en estos bornes, se debe de invertir el bobinado C, evitando cerrar la delta
en tales condiciones.
123
B
B
a
A
a
b
V
C
b
C
A
c
Vac =Va=Vb
Vac =v3(Va)=v3(Vb)
C1
V
Vc-c1 = 0 Volts
Vc-c1 = X Volts
Es importante mencionar que jamás se debe de cerrar un secundario en delta (Δ), antes de
verificar que el voltaje dentro de esta es cero, ya que sí se cierra la delta y no se toma en
cuenta esta condición, la corriente desarrollada será tan elevada que alcanzará la magnitud de
un cortocircuito, dañando al transformador y en algunos casos haciéndolo estallar.
COMPONENTES A OCUPAR
EQUIPO
Módulo de Transformador (3 Unidades)
CÓDIGO
EMS-8341
Módulo de Fuente de Alimentación (0-120/208 V c-a 3φ)
EMS-8821
Módulo de Medición de Voltaje de C.A. (250/250/250 V)
EMS-8426
Cables de Conexión
EMS-8941
124
EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO CON CONEXIÓN: [Y-Y]
ESTRELLA-ESTRELLA
1.- a).-Conecta el siguiente circuito.
Haz las conexiones tal y como se te indican y observa cómo cada Devanado de la
configuración del Primario, se acopla magnéticamente con su respectivo Devanado de
la configuración del Secundario.
E6
V-Línea
4
1
1
V-Linea
0-120
V-c.a.
5
V
5
0-250
V-c.a.
2
V
2
6
2
E2
V-Fase
V
0-250
V-c.a.
6
E3
V-Línea
0-250
V-c.a.
5
V-Línea
0-120
V-c.a.
E1
V-Fase
6
V
0-250
V-c.a.
0-250
V-c.a.
E5
V-Fase
0-250
V-c.a.
V
E4
V-Fase
V
1
5
PRIMARIOS
SECUNDARIOS
6
FIGURA 8.1
b).- Dado que:
Determina los valores esperados en todos los Voltímetros y anótalos a continuación:
PRIMARIOS
E1V-Fase=__________V c-a
E2V-Fase=__________V c-a.
V-Línea
E3
=__________V c-a
SECUNDARIOS
E4V-Fase=__________V c-a
E5V-Fase=__________V c-a.
E6V-Línea=__________V c-a
c).-Enciende la Fuente de Alimentación, gira la perilla calibradora hasta tener un Voltaje
de 120 V c-a.
125
d).- Toma las lecturas de los Voltímetros y anótalas a continuación:
PRIMARIOS
V-Fase
E1
V-Fase
=__________V c-a
E2
=__________V c-a.
E3V-Línea=__________V c-a
SECUNDARIOS
E4V-Fase=__________V c-a
E5V-Fase=__________V c-a.
E6V-Línea=__________V c-a
e).-Reduce el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación.
¿Concuerdan los valores que calculaste con los valores medidos?______________
Sí tu respuesta es “No”, toma atención en el diagrama y en la ecuación.
EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO CON CONEXIÓN: *Δ-Y]
DELTA-ESTRELLA
2.- a).-Conecta el siguiente circuito:
Observa, como cada devanado que conforma la configuración del Primario se acopla
magnéticamente con su respectivo elemento de la configuración del Secundario, aun
cuando no se trata de la misma configuración en ambas secciones.
E6
V-Línea
4
E1
V-Fase
V-Línea
0-90
V-c.a.
0-250
V-c.a.
V
1
E2
V-Fase
2
V
1
E3
V-Fase
0-250
V-c.a.
V
2
5
0-250
V-c.a.
2
5
V-Línea
0-90
V-c.a.
V
5
0-250
V-c.a.
6
6
6
E5
V-Fase
V
E4
V-Fase
0-250
V-c.a.
V
1
0-250
V-c.a.
4
5
SECUNDARIOS
PRIMARIOS
FIGURA 8.2
126
b).- Apoyándote de la expresión que aparece en el Procedimiento 1-b;
Calcula los Voltajes que crees registraran los Voltímetros y anótalos a continuación:
PRIMARIOS
E1V-Fase=__________V c-a
E2V-Fase=__________V c-a.
E3V-Fase=__________V c-a
SECUNDARIOS
E4V-Fase=__________V c-a
E5V-Fase=__________V c-a.
E6V-Línea=__________V c-a
c).- Antes de Energizar el Circuito, Pide al Instructor revise la conexión de los
elementos
RECUERDA QUE LA CONEXIÓN DELTA EN TRANSFORMADORES SE CARACTERIZA
TAMBIÉN POR SU PELIGROSIDAD EN LAS CORRIENTES QUE ESTA DESARROLLA.
“POR TÚ SEGURIDAD NO TE DISTRAIGAS EN ESTE NI EN LOS
PROCEDIMIENTOS SIGUIENTES.”
d).-Enciende la Fuente de Alimentación, aumenta lentamente el Voltaje de Salida hasta
obtener 90 V c-a.
e).- Toma las lecturas de cada Voltímetro y anótalas a continuación:
PRIMARIOS
E1V-Fase=__________V c-a
E2V-Fase=__________V c-a.
E3V-Fase=__________V c-a
SECUNDARIOS
E4V-Fase=__________V c-a
E5V-Fase=__________V c-a.
E6V-Línea=__________V c-a
f).-Reduce el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación.
¿Son aproximadamente iguales los valores medidos a los calculados?____________
EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO CON CONEXIÓN: [Y-Δ+
ESTRELLA-DELTA
3.- a).-Conecta el siguiente circuito:
Como puedes ver los Devanados del Primario y el Secundario mantienen el
acoplamiento magnético.
127
4
1
1
0-120
V-c.a.
6
2
V
2
0-250
V-c.a.
5
2
V
E3
V
E2
0-120
V-c.a.
5
E1
0-250
V-c.a.
E4
V-Fase
0-250
V-c.a.
V
5
V
0-250
V-c.a.
E5
V-Fase
0-250
V-c.a.
“A”
6
6
5
1
6
V
E6
V-Fase
0-250
V-c.a.
SECUNDARIOS
PRIMARIOS
FIGURA 8.3
b).-Considerando la expresión ya mencionada:
Determina los Voltajes que aparecerán registrados en los Voltímetros y anótalos a
continuación:
PRIMARIOS
V-Fase
E1
V-Fase
=__________V c-a
E3V-Línea=__________V c-a
SECUNDARIOS
E4V-Fase=__________V c-a
E2
=__________V c-a.
E5V-Fase=__________V c-a.
V-Fase
E6
=__________V c-a
c).- A CONTINUACIÓN REALIZARAS EL PROCEDIMIENTO PARA CERCIORARTE QUE ES
SEGURO CERRAR LA DELTA:
Abre el Secundario en el Punto: “A”, esto es retira la conexión entre 5-6.
Conecta un Voltímetro en estas terminales, tal y como se ilustra en la el siguiente
esquema:
128
E5
V-Fase
V
0-250
V-c.a.
6
5
5
E4
V-Fase
0-250
V-c.a.
“A”
V
V
0-250
V-c.a.
c’).- Enciende la Fuente de Alimentación,
y aumenta lentamente el Voltaje de
salida.
Sí los Devanados en Delta están
faseados correctamente, el
Voltímetro “A”, debe marcar un
Voltaje muy pequeño cercano a
Cero; esto, se debe a que no todos
los Voltajes de la Fuente trifásica
son iguales.
6
6
5
0-250
V-c.a.
V
E6
V-Fase
Si esta condición se cumple, es
posible cerrar la Delta sin temor a
que los Devanados Secundarios
provoquen un incendio.
SECUNDARIOS
c'’).- Baja el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación.
c'’’).- Desconecta el Voltímetro “A” y cierra la Delta conectando nuevamente 5 y 6.
d).-Enciende la Fuente de Alimentación, gira la perilla calibradora de Voltaje hasta obtener
120 V c-a Línea a Línea.
e).-Toma las lecturas de los Voltímetros y anótalas a continuación:
PRIMARIOS
E1V-Fase=__________V c-a
E2V-Fase=__________V c-a.
V-Línea
E3
=__________V c-a
SECUNDARIOS
V-Fase
E4
=__________V c-a
V-Fase
E5
=__________V c-a.
E6V-Fase=__________V c-a
f).- Reduce el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación.
¿Concuerdan los valores de Voltaje obtenidos a los calculados?________________
EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO CON CONEXIÓN:*Δ-Δ+
DELTA-DELTA
4.- a).-Conecta el siguiente circuito:
Nota el acoplamiento magnético entre los Devanados del Primario y el Secundario.
129
4
E1
V-Fase
V-Línea
0-208
V-c.a.
0-250
V-c.a.
V
1
2
V
5
1
V-Línea
0-208
V-c.a.
E3
V-Fase
0-250
V-c.a.
5
E2
V-Fase
2
V
E4
V-Fase
0-250
V-c.a.
6
0-250
V-c.a.
6
5
A
V
E6
V-Fase
0-250
V-c.a.
4
PRIMARIOS
0-250
V-c.a.
5
V
1
2
V
6
SECUNDARIOS
FIGURA: 8.4
b).-Obten los Voltajes que consideras registraran los Voltímetros, anotándolos a
continuación:
PRIMARIOS
E1V-Fase=__________V c-a
E2V-Fase=__________V c-a.
V-Fase
E3
V-Fase
E4
=__________V c-a
SECUNDARIOS
V-Fase
=__________V c-a
E5
=__________V c-a.
E6V-Fase=__________V c-a
c).-Repite el procedimiento “3-c con sus subdivisiones” para cerciorarnos que las marcas
de polaridad de los Devanados que componen la Delta Secundaria tengan un faseo
correcto y podamos cerrarlos con plena seguridad.
d).-Enciende la Fuente de Alimentación y aumenta el Voltaje de Salida hasta obtener
120 V c-a. Línea a Línea.
e).-Toma las lecturas correspondientes y anótalas a continuación:
PRIMARIOS
E1V-Fase=__________V c-a
E2V-Fase=__________V c-a.
V-Fase
E3
=__________V c-a
SECUNDARIOS
E4V-Fase=__________V c-a
E5V-Fase=__________V c-a.
E6V-Fase=__________V c-a
130
f).-Reduce el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación.
¿Concuerdan tus cálculos con las lecturas de los Voltímetros?___________________
EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO CON CONEXIÓN: *Λ -Λ+
DELTA ABIERTA-DELTA ABIERTA
5.- a).-Conecta el siguiente circuito tal y como se indica:
Nota el acoplamiento magnético entre los Devanados de los Transformadores.
4
E1
V-Fase
V-Línea
0-120
V c-a.
0-250
V-c.a.
V
1
6
E2
V-Línea
V
E4
V-Línea
2
V
5
1
V-Línea
0-120
V c-a.
E3
V-Fase
0-250
V-c.a.
V
5
V
0-250
V-c.a.
0-250
V-c.a.
6
0-250
V-c.a.
2
5
V
4
PRIMARIOS
E6
V-Fase
0-250
V-c.a.
SECUNDARIOS
FIGURA: 8.5
b).-Determina los Voltajes de Fase y Línea que registraran los Voltímetros y anótalos a
continuación:
PRIMARIOS
E1V-Fase=__________V c-a
E2V-Línea=__________V c-a.
V-Fase
E3
=__________V c-a
SECUNDARIOS
E4V-Línea=__________V c-a
E5V-Fase=__________V c-a.
V-Fase
E6
=__________V c-a
c).- Enciende la Fuente de Alimentación y ajústala a 120 V c-a Línea a Línea.
d).-Toma las lecturas de los Voltímetros y apuntalas a continuación:
PRIMARIOS
V-Fase
E1
=__________V c-a
E2V-Línea=__________V c-a.
V-Fase
E3
=__________V c-a
e).- Reduce el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación.
¿Concuerdan los resultados que obtuviste con las lecturas de los Voltímetros
tomadas?_________________
131
5.2.-EL ALTERNADOR:
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ
MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A.
PRÁCTICA: I
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO Y CONSTRUCCIÓN
DEL ALTERNADOR
OBJETIVOS:
 Que alumno, comprenda los principios que rigen el funcionamiento del
alternador, reforzando los conocimientos adquiridos en clase.
 Comprender el desarrollo de la onda, del voltaje generado.
 Conocer las piezas que constituyen el alternador.
La producción de un voltaje (Fuerza Electromotriz: “fem”) cuando un conductor en
movimiento corta las líneas de fuerza de un campo magnético, es uno de los principales
conceptos de la electricidad, pues es la segunda forma de inducir un voltaje, la cual también
fue descubierta por Michael Faraday en 1831 y cuya expresión matemática (caso ideal) es:
Donde B es densidad de flujo magnético (teslas), l es la longitud activa del conductor (m) y v es
la velocidad relativa del conductor (m/seg).
Sí un conductor se hace girar a una velocidad constante, en sentido contrario al de las
manecillas del reloj (por ejemplo), dentro de un campo magnético producido por una bobina
de campo T1 –T2. Se tendrá que en las posiciones 1 y 7, el voltaje inducido es de 0 Volts, ya que
el alambre se encuentra paralelo a las líneas de fuerza del campo magnético, produciedo que
no se induzca ningún voltaje en el conductor. Sin embargo, en las posiciones 4 y 10 (90° y 270°
de rotación) la fem inducida en el conductor llega a
un valor máximo, porque el alambre corta la mayor
cantidad de líneas de fuerza, no obstante, estas fems
tienen polaridades opuestas. Conforme el alambre
pasa por la posición 2 (30° en relación con el punto
de arranque), la fem inducida en el conductor será
exactamente la mitad ó 0.5 del voltaje máximo, al
pasar el conductor por el punto 3 (60° con respecto al
punto de arranque), la fem inducida será 0.866 del
valor máximo. En el punto 4, se induce el voltaje
máximo y al pasar al punto 5 (a 120° del punto de
arranque) la tensión inducida decae a 0.866 del valor
máximo. En 6 la fem sigue descendiendo a un valor de la mitad del valor máximo y en la
posición 7 llega a 0 volts. Conforme el alambre se mueve en sentido descendente atravesando
las mismas líneas de flujo magnético, el voltaje inducido nuevamente aumenta gradualmente
sólo que su polaridad se invierte. El comportamiento que toma el voltaje inducido se muestra
en la gráfica de la siguiente página:
132
En una revolución del alambre se induce un ciclo completo de voltaje alterno, que parte de
cero, aumenta a un máximo en una dirección, regresa a cero, se eleva a un máximo en la otra
dirección y retorna a cero. Sí se está familiarizado con la trigonometría, se dará cuenta que los
valores 0.5 correspondiente a 30°, 0.866 correspondiente a 60° y 1 a 90° son los valores del
seno de dichos ángulos, por lo que a la forma de onda de C.A. se le conozca como onda
senoidal.
La dirección de la fem inducida en un conductor que
se mueve en un campo magnético, se determina por
la regla de la mano derecha (para generadores), en
la cual, el pulgar, el índice y el medio se sostienen a
ángulos rectos; siendo que para esta regla el pulgar
toma el sentido de movimiento del conductor,
mientras el índice indica la dirección de las líneas del
campo magnético y el dedo medio señala la
dirección de la fem inducida.
Por tanto, el voltaje inducido analizado arriba tendrá, de
acuerdo con la regla de la mano derecha se moverá
con dirección al lector.
Es claro que en un generador de C.A. ó bien llamado alternador no se hace girar un solo
alambre, si no que se utiliza una bobina de muchas vueltas de alambre que es la que se hace
girar, por tanto no es posible obtener la magnitud del voltaje inducido con la expresión
primeramente mencionada, ya que tal expresión emplea componentes lineales, como la
velocidad; mientras que el movimiento que se da en el alternador de energía es rotacional,
además de que se debe tomar en cuenta el área efectiva de las bobinas además de otros
aspectos que modifican la expresión para determinar el voltaje inducido.
Así, un alternador se puede definir como:
Una máquina eléctrica rotatoria, capaz de transformar la energía mecánica en energía
eléctrica, a través del principio de inducción electromagnética.
Teniendo que la tensión inducida en este, se determina por:
Donde
es la velocidad angular (rpm),
es el flujo magnético dentro de la máquina
(webers). Estos puntos y un tercero que es una constante que representa la construcción de la
máquina son los aspectos fundamentales de los que depende la generación de voltaje en un
alternador.
133
Las piezas que conforman a la máquina como tal son:
COMPONENTE
ILUSTRACIÓN
Es la parte estática y la más compleja en su
construcción dentro del Generador alternador. Consta
de tres elementos: la carcasa, núcleo y devanado
estatoricos;
La carcasa, es el soporte y la parte externa de la
máquina, la cual aloja los demás componentes del
estator, se fabrica generalmente de hierro fundido de
alta resistencia a la vibración. El núcleo estatorico, es
un armazón de láminas de acero al silicio (chapa
magnética) de un grueso ligeramente mayor a las del
rotor, estas se ranuran para formar canaletas donde
estarán los devanados del estator.
Los devanados
inducidos, didácticamente se enseña
que los
devanados de cada fase se concentran en un solo par
de ranuras de la superficie del estator .Sin embargo, en
realidad, los devanados correspondientes a cada fase
se distribuyen en varios pares de ranuras adyacentes,
perfectamente espaciadas y aislados unos de otros y
del núcleo en sí, ya que sería difícil colocar todos los
conductores en una sola ranura. En estos devanados
se capta el voltaje inducido de C.A. y ya que estos
formulan tres fases, pueden ser conectados en delta (Δ)
ó estrella (Y).
Estator
[Inducido]
 vi
Rotor
[Inductor]

DESCRIPCIÓN
---------- o ---------
Es la pieza giratoria, que recibe la fuerza mecánica de
rotación, su eje de soporte principal (flecha) es una
barra cilíndrica, resistente. Sostenida en ambos
extremos por medio de cojinetes. El núcleo del rotor es
un sistema de laminas aisladas una de otra (reduce
pérdidas por corrientes parasitarías), cada lamina es de
un material altamente permeable (acero al silicio). El
devanado del rotor está elaborado de alambre
magneto y se excita con C.D para la producción del
campo magnético, el cual al girar el rotor varia con el
tiempo.
La disposición del devanado del rotor puede ser de dos
formas: De polos lisos ó cilíndrico: Para máquinas de 2 a
4 polos, que operan a elevadas
velocidades. Por su diseño este tipo
de núcleo soporta la presión de
elevadas
fuerzas
centrifugas.
Aplicable a generadores impulsados
por turbinas de gas ó vapor.-De polos
salientes: Diseño que se toma para
máquinas de 4 ó más polos. Este
tipo de rotor es especial para
alternadores que serán impulsados
a bajas velocidades como por
turbinas hidráulicas, pues por su
134
Anillos
Rozantes
¤vii
EscobillasPortaescobilla
¤
Excitador
ó
Excitatriz
 viii
velocidad se necesita un mayor número de polos para
alcanzar la frecuencia deseada.
También llamados anillos colectores, son anillos de
metal (generalmente bronce), que son instalados en el
eje del rotor pero aislados al mismo tiempo de este y
entre sí.
A estos llega la excitación de C.D. que pasa al devanado
del rotor, pues las terminales de entrada y salida de
este devanado se conectan a cada uno de estos
respectivamente.
Las escobillas ó también llamadas “carbones” son
cuerpos cúbicos de carbón grafitado ó de metales
pulverizados que se sujetan mediante portaescobillas;
estos últimos son simplemente “cubos” huecos de
metal del largo y ancho del carbón, con un resorte ó
una lámina tensora. Las escobillas se mantienen en
continuo contacto con los anillos colectores, logrando
una conexión continua entre la fuente excitadora (C.D.)
y el devanado del rotor.
Es un elemento que elimina el sistema de excitación de
campo por anillos rozantes y escobillas, se emplea para
suministrar la excitación de C.D. en los alternadores de
mayor capacidad. Se trata de un pequeño generador
de C.A., cuyo campo magnético se desarrolla en el
estator (contrariamente a la máquina mayor), que al
ser cortado por los devanados de inducido (instalados
en el mismo eje del alternador principal) produce una
corriente trifásica que se rectifica y se comunica
directamente a los devanados de campo del generador
más grande. A través de este componente es posible
controlar la corriente de campo de un generador de
gran capacidad sin anillos rozantes y escobillas.
135
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ
MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A.
PRÁCTICA: II
EL ALTERNADOR TRIFÁSICO
OBJETIVOS:
 Que el Estudiante interactué con un Generador de C.A. Trifásico y vea las
conexiones del Rotor y Estator de este.
 Que comprenda los efectos que trae la Saturación Magnética en el Rotor del
Generador
 Que comprenda las relaciones de Voltaje que guarda el Generador.
 Que comprenda e identifique los efectos del Cortocircuito en el Generador de
C.A.
Existen dos tipos, de máquinas rotatorias, capaces de producir un voltaje de C.A., y estas son
de inducción ó síncronos. No obstante y por una parte los generadores de inducción son
relativamente ineficientes y caros, mientras los generadores síncronos comúnmente llamados
alternadores, son máquinas más eficientes y baratas. Deben su nombre (síncronos) por que la
frecuencia (Hz) del voltaje que estas producen depende directamente de la velocidad que
alcancen estas maquinas. Otro factor que las identifica es que necesitan una fuente externa
de C.D., para producir el campo magnético interno, pues la magnitud que alcance el voltaje
generado depende en gran manera de la excitación de C.D.
Al aumentar la excitación de campo de C.D. de un alternador, manteniendo este su velocidad
de rotación constante, el flujo magnético y el voltaje de salida aumentan en proporción
directa a la corriente de excitación. Sin embargo, sí se sube indiscriminadamente la excitación
de C.D., llegará el momento en que el núcleo ferromagnético del rotor se sature. Tal
saturación se refleja en que aunque existan más incrementos en la excitación de C.D., el
voltaje generado tomara valores proporcionalmente constantes.
Cuando un alternador que está entregando voltaje nominal se pone en cortocircuito, se
engendraran dentro de la máquina generadora elevadas corrientes que fluirán en un sentido
contrario al sentido que tiene el voltaje generado, tal confrontación, produce un efecto
desmagnetizante en la máquina que abate el voltaje generado a valores nulos. En el instante
del cortocircuito, estas corrientes toman valores significativos, sin embargo, sí el cortocircuito
se mantiene decrecen a valores seguros.
136
COMPONENTES A OCUPAR
EQUIPO
Fuente Trifásica de Poder
CÓDIGO
EMS-8525
Motor / Generador Síncrono
EMS-8507
Módulo de Conexiones del Motor / Generador Síncrono
EMS-8508
Motor de Inducción Jaula de Ardilla
EMS-8503
Módulo de Conexiones del Motor Jaula de Ardilla
EMS-8504
Módulo de Sincronización
EMS-8518
Volt-amperímetro de C-D.
EMS-8513
Módulo de Medición de Voltaje de C.A.
EMS-8426
Módulo de Medición de Corriente de C.A.
EMS-8514
Cables de Conexión
EMS-8550
Acoplador
EMS-8943
137
FAMILIARIZACION CON LAS CONEXIONES ESTATOR-ROTOR DEL GENERADOR DE C.A.
1.- Acopla, El Alternador Trifásico al Motor de Inducción Jaula de Ardilla y conéctalos a sus
respectivos módulos de conexión, (guíate con los números de los Códigos EMS,
pues estos para cada Motor/Generador con su respectivo Módulo son
consecutivos).
a).-Conecta el siguiente circuito:
Usaremos el Motor con rotor Jaula de Ardilla como elemento impulsor para
el Alternador, esto, debido a su característica de mantener una velocidad
constante:
TIP DE CONEXIÓN: A manera de sugerencia, lo ideal en estas Prácticas, es iniciar la
Conexión a partir de la Fuente de Alimentación, esto es, conectar primeramente
aquellos elementos que tienen relación directa con la Fuente de Alimentación.
MOTOR DE INDUCCIÓN CON ROTOR JAULA DE
ARDILLA
1
208
V C-A
2
1
E1
2
208
V C-A
4
0-250
V V-c.a.
E3
0-250
V-c.a.
V
5
0-250
V-c.a.
3
E2
6
V
1
4
2
5
3
6
GENERADOR / MOTOR
TRIFÁSICO C-A
7
ROTOR
8
ESTATOR
3
I-F
0-2 A c-d
0-120
V C-D
7
2 Amp
A
+
-
N
FIGURA 2.1
-Nota que el Motor de inducción con Rotor Jaula de Ardilla se alimenta con 208 V c-a
Línea-Línea, voltaje que se obtiene de las terminales 1, 2 y 3 de la Fuente de
Alimentación.
-También nota que alimentamos el rotor del Generador con un Voltaje variable de C-D,
esto, con el fin de producir el Campo Magnético, que cortará las espiras en el Estator de
la máquina.
-Cabe señalar que las terminales 1,2 y 3 del Módulo de Generador / Motor de C.A. son
las terminales de donde se obtiene el Voltaje producido por el Generador.
b).-El Módulo de Conexiones del Generador / Motor de C-A., tiene un interruptor, con el
cual se energiza el Rotor, ábrelo (colócalo en posición hacia abajo).
c).-Revisa que la Perilla reguladora de Voltaje de la Fuente de Alimentación este en Cero
Volts.
138
EL MAGNETISMO REMANENTE DE UN GENERADOR
2.- a).-Cambia la conexión de los Voltímetros E1, E2 y E3 colocándolos en la escala de 100 V.
b).-Enciende la Fuente de Alimentación, el Motor de Inducción debe de arrancar, moviendo
al Generador.
c).-Considerando que no se debería tener ningún Campo Magnético cortando las espiras
en el Generador (El interruptor de la Corriente de excitación está abierto).
Toma las lecturas de los Voltímetros y anota a continuación:
E1.-___________V c-a
E2.- ___________V c-a
E3.- ___________V c-a
d).- ¿Existe un Voltaje Generado sin la presencia del Campo Magnético producido por la
excitación de C-D?___________
¿Por qué?___________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
e).- Apaga la Fuente de Alimentación.
EFECTO DE SATURACIÓN MAGNÉTICA EN EL NÚCLEO DEL GENERADOR DE C.A.
3.- a).-Reconecta los Voltímetros a la escala de 250 V c-a.
b).-Cierra el interruptor de excitación de C.D. en el Modulo de Conexiones del Generador /
Motor de C-A. (posición hacia arriba).
c).-Enciende la Fuente de Alimentación, el Motor arrancara.
d).-Para cada incremento en la excitación de C-D que aparece en la siguiente Tabla, toma
las lecturas de los Voltímetros y anota.
IF
Amp C-D
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
E1
Volts C-A
E2
Volts C-A
E3
Volts C-A
Voltaje
Promedio
TABLA: 2.1
e).-Baja el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación.
f).-Determina el Voltaje Promedio.
139
RELACIONES DE VOLTAJE EN EL GENERADOR DE C.A.
4.- a).-Enciende la Fuente de Alimentación y calibra la excitación de C-D, hasta que E1 registre
208 V c-a, Toma las lecturas de E2 ,E3 y anota:
E2.-_____________V c-a
E2.-_____________V c-a
b).- Sin tocar la perilla calibradora de voltaje, apaga la Fuente de Alimentación.
c).- Desconecta los Voltímetros y la conexión en estrella que se tiene en las terminales 4,
5 y 6. Ahora conecta un Voltímetro para cada Devanado del Estator.
d).-Enciende la Fuente de Alimentación, toma las lecturas y anota:
E1.-___________V c-a.
E2.-___________V c-a.
E3.-___________V c-a.
e).- Baja el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación.
f).- ¿Guarda el Generador de C-A, la misma relación de Voltajes entre Líneas-Fases que
una Fuente Trifásica ordinaria?____________
CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE C-A.,
EN ESTADO DE CORTOCIRCUITO
5.- a).-Conecta el siguiente circuito:
I-1
208
V C-A
2
208
V C-A
0-30 AMP
C-A
MOTOR DE INDUCCIÓN CON ROTOR JAULA DE
ARDILLA
1
1
4
2
5
+
-
A
30
Amp
E1
3
V
6
1
4
2
5
GENERADOR / MOTOR
TRIFÁSICO C-A
7
0-250
V-c.a.
3
6
ROTOR
8
ESTATOR
3
1
2
3
4
5
6
ON
OFF
MODULO DE SINCRONIZACIÓN
I-F
0-2 A c-d
7
2 Amp
0-120
V C-D
A
+
-
N
FIGURA 2.2
b).-Coloca el interruptor del Módulo de Sincronización en posición abierta (posición hacia
abajo).
c).-Enciende la Fuente de Alimentación y a través de la Perilla calibradora del voltaje de
salida, aumenta el Campo Magnético del Rotor en el Generador hasta que “E1” indique
208 V c-a. El Motor de Inducción debe estar operando y las tres lámparas del Modulo
de Sincronización deben estar encendidas.
140
d).-Toma la lectura del Amperímetro de C-D, que registra la Corriente de excitación en el
Rotor del Generador y anota:
IF .-_____________Amp C-D.
e).-A continuación el Instructor inducirá un Cortocircuito en el Generador de C-A., al cerrar
el interruptor del Módulo de Sincronización, mientras Tú y tus compañeros observen
detenidamente el comportamiento del Amperímetro “I1”, en el momento en que se
induce la falla.
f).-¿A qué magnitud llego la Corriente de Cortocircuito registrada por I1?___________
g).-¿A qué magnitud se estabilizo la Corriente de Cortocircuito en los devanados del
Generador?_____________________________
h).-¿A qué se debe que se produzca este efecto?
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
h).-¿Cómo se comportó la Corriente de Excitación, estable después del Cortocircuito ó
vario?_____________________________
i).-Baja a Cero el Voltaje y apaga la Fuente de Alimentación.
141
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FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ
MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A.
PRÁCTICA: III
EL GENERADOR DE C.A. BAJO CARGA
OBJETIVOS:
 Que el Alumno note y conozca las características de un Generador de C.A.
conectado a cargas Resistivas, Inductivas y Capacitivas.
 Que sepa los riesgos que se tienen al momento de retirar las cargas del
Generador de C.A. cuando este se encuentra funcionando.
 Que aprenda los enormes beneficios que ofrecen las cargas capacitivas a los
Sistemas de Generación Eléctrica.
 Que vea el efecto que produce una carga monofásica grande en en un
Sistema de Voltaje Trifásico.
Cuando un conjunto primotor-alternador, opera sin alimentar ningún sistema ó aparato
(operación en vacio), el voltaje en terminales del alternador “Vφ” es el mismo que el voltaje
interno generado en el inducido (estator) “Eg”.
Ambos voltajes (sólo en condición de vacio) son dependientes de la corriente de campo,
(excitación de C.D.) que se suministre al rotor del alternador, limitándose estos voltajes a los
niveles de saturación magnética que alcance el núcleo del rotor.
Cuando un alternador es conectado a una carga “Eg” comienza a diferir de “Vφ”, debido a que ,
comienza a circular una corriente por los devanados del inducido (estator), tal corriente
desarrolla un campo magnético (polos ficticios en el estator), el cual reacciona con el campo
magnético giratorio de campo del rotor, produciendo alteraciones en el voltaje de fase
resultante (Vφ). Este efecto desarrollado bajo condiciones de carga se conoce como “reacción
del inducido” y es la problemática más grande para el funcionamiento de cualquier generador.
Dependiendo del tipo de carga y su factor de potencia (F.P.) la reacción es diferente, pudiendo
visualizar el efecto de la carga en el alternador, a partir de un diagrama fasorial.
 Efecto de cargas resistivas [Factor de potencia unitario]
Este tipo de cargas (como las siguientes) produce tensiones en el inducido generadas por la
circulación de corriente en este (Ia), desarrollan un flujo magnetizante transversal, “φa” el cual
es máximo en la región interpolar y se retrasa con respecto al flujo principal “φR” en el
entrehierro por 90°; esto genera que se deba aumentar la tensión interna generada “Eg”,
para obtener la tensión nominal en bornes “Vφ”.
142
 Efecto de cargas inductivas [Factor de potencia en atraso]
La circulación de la corriente “Ia” por los devanados del inducido genera un campo magnético
(fmm) y un flujo “φa” que se opone al flujo inicial de excitación “φR” existente en el entrehierro
y producido por el rotor; tal flujo (φa) desarrolla un efecto desmagnetizante, pues sus polos
ficticios se ubican frente a los polos del inductor (rotor) con el mismo signo. El flujo del
inducido (estator) “φa” concatena los conductores del mismo inducido (autoinducción)
generando un voltaje de reacción de inducido “Egr” que se opone y reduce de manera
considerable la magnitud del voltaje interno generado “Eg”, llevando a una regulación de
voltaje muy pobre con este tipo de cargas. Se caracterizan por ser cargas inductivas. Motores y
todo tipo de aparatos con devanados; un estudio reciente ha confirmado que una
computadora es vista por la línea como una inductancia.
 Efecto de cargas capacitivas [Factor de potencia en adelanto]:
Esta carga afecta la corriente “Ia”, de manera que genera una fuerza
magnetomotriz
(campo magnético) y un flujo en el inducido “φa”, que se suma al flujo inicial del entrehierro
producido por el rotor “φR”, lo que produce un efecto magnetizante entre el rotor y estator de
la máquina, pues ubica los polos ficticios desarrollados por la reacción de inducido, frente a los
polos del inductor (rotor) de polaridad opuesta (figura. 3.6a). Tal efecto pone en fase los
voltajes “Eg” y “Egr”, permitiendo alcanzar el valor del voltaje nominal en terminales “Vφ” con
niveles relativamente bajos de excitación, mejorando así la regulación de tensión.
Por otro lado, sí una fase del alternador trifásico se sobrecarga, el voltaje de las tres fases
decaerá. Esta caída NO puede compensarse variando la corriente de excitación de C.D. Por
tanto es esencial que los alternadores no tengan cargas muy desbalanceadas.
143
COMPONENTES A OCUPAR
EQUIPO
Fuente Trifásica de Poder
CÓDIGO
EMS-8525
Motor / Generador Síncrono
EMS-8507
Módulo de Conexiones del Motor / Generador Síncrono
EMS-8508
Motor / Generador de C-D
EMS-8501
Módulo de Conexiones del Motor / Generador de C-D
EMS-8502
Módulo de Resistencia Variable
( 3 Unidades )
EMS-8509
Módulo de Inductancia Variable
( 3 Unidades )
EMS-8510
Modulo de Capacitancia Variable
( 3 Unidades )
EMS-8511
Reóstato de Campo
( 2 Unidades )
EMS-8524
Volt-amperímetro de C-D.
EMS-8513
Módulo de Medición de Voltaje de C.A.
EMS-8426
Módulo de Medición de Corriente de C.A.
EMS-8514
Cables de Conexión
EMS-8550
Acoplador
EMS-8943
Tacómetro de Mano
--------------
144
CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE C.A. CON CARGA RESISTIVA
1.- a).- Acopla el Motor /Generador de C.D. con el Motor /Generador de C.A. y estos con sus
respectivos Módulos de Conexión (apóyate de la Nomenclatura EMS, pues es
consecutiva de las Máquinas Rotatorias a sus Módulos de conexión).
b).-Conecta el siguiente circuito:
Nota como el Motor de C-D, será nuestro elemento impulsor y como este esta
conectado a la salida variable de 0-120 V c-d (terminales 7 y N). Además de que la
Corriente de excitación (IF - C.D. ) que suministraremos al Rotor del Generador de C.A.,
será calibrada por los dos reóstatos de campo que están conectados entre la salida fija
de 120 V c-d (terminales 8 y N) y el Rotor:
E1
V
0-250
V-c.a.
MOTOR / GENERADOR
DE C-D
7
4
3
5
6
4
2
5
GENERADOR / MOTOR
TRIFÁSICO C-A
7
I-1
0-5 A c-a
0-120
V C-D
+N
1
7
A
5 Amp
9
8
3
6
ROTOR
8
ESTATOR
I-F
0-2 A c-d
1
2
3
1
2
3
2 Amp
A
+
-
8
120
V C-D
N
FIGURA 3.1
-Date cuenta que la Carga Resistiva está conectada en estrella, a la salida de Voltaje
trifásico generado, en el Generador de C.A.
145
c).-Coloca los reóstatos de campo que calibran la excitación para el Rotor, para que
ofrezcan su máxima resistencia (posición completa en el sentido de las manecillas del
reloj).
d).-Cierra el interruptor de excitación del rotor en el Modulo de Conexiones del Generador
de C.A. (posición hacia arriba).
e).-La carga que alimentara el Generador de C.A., será balanceada primeramente, por
tanto, coloca una resistencia de 30 Ω en cada Modulo de Carga.
f).-Enciende la Fuente de Alimentación, gradualmente aumenta el Voltaje de salida de la
Fuente hasta obtener una velocidad en el Motor de 1800 rpm, para esto mide la
Velocidad de la Máquina con el Tacómetro Manual, pidiendo al Instructor te enseñe
el modo de uso de este.
Nota: Para obtener una velocidad aproximada a las 1800 rpm (sin los reóstatos), la
Perilla calibradora de Voltaje en la Fuente debe estar a un 62-64 %, realiza los
ajuste necesarios para obtener la Velocidad requerida pues esta no debe variar
por el resto del experimento).
g).-Calibra los reóstatos de la Corriente de excitación, disminuyendo la resistencia de
estos, hasta obtener un Voltaje generado por fase “E1” de 120 V c-a.
Nota II: Al bajar la resistencia de los reóstatos una mayor IF, pasara al rotor del
Generador, intensificando el campo magnético que corta a las espiras.
Este efecto hace más “pesado” al Generador, por tanto la Velocidad del Motor
de C.D., disminuirá.
Una calibración aproximada para obtener 1800 rpm del Motor y un Voltaje de
120 Vc-a en el Generador es ajustar la Fuente a un 96% del Voltaje de Salida,
con un reóstato a resistencia: 0 Ω y el otro a un 60% de su resistencia total.
h).-Toma las lecturas de ambos Amperímetros y anótalas a continuación:
IF.-_____________Amp. C-D
I1.-_____________Amp. C-A
¡¡¡PELIGRO!!!
EL PROCEDIMIENTO SIGUIENTE DEBE REALIZARSE CON EXTREMO CUIDADO Y MUCHA
VELOCIDAD:
VAMOS A QUITAR LA CARGA DEL GENERADOR, SIN EMBARGO, AL HACER ESTO, Y CON ESOS
NIVELES DE EXCITACIÓN, EL GENERADOR SERA EXTREMADAMENTE LIBIANO Y SE CORRE EL
RIESGO DE QUE ESTE SE DESBOQUE.
POR TÚ SEGURIDAD Y LA DEL EQUIPO DOS COMPAÑEROS ARAN LA OPERACIÓN; UNO
BAJARA LOS INTERRUPTORES DE CARGA RESISTIVA, MIENTRAS EL OTRO SIMULTANEAMENTE
BAJA EL VOLTAJE DE LA FUENTE A NIVELES CERCANOS A 0 VOLTS.
i).- Abre los interruptores de la carga resistiva, para que el Generador de C.A. opere sin
carga. Nuevamente Calibra la Velocidad de las Máquinas a 1800 rpm
(
). Mide y anota el Voltaje de salida del Generador por
fase: “E1” y la Corriente de excitación “IF”:
E1.-___________Volts C-A
IF.-___________Amp. C-D
146
j).- Baja el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación, de igual manera regresa
ambos reóstatos a su Resistencia Máxima (Ajustarlos a favor de las manecillas del
reloj).
k).-Determina la Regulación de Voltaje del Generador de C.A., para una Carga Resistiva
(Recuerda que entre menor sea la Regulación de Voltaje de una Máquina Eléctrica
Mejor y siendo excelente para valores negativos), por tanto dada la expresión:
CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE C.A. CON CARGA INDUCTIVA
2.- a).-Reemplaza la Carga del Generador, remueve los Módulos de Carga Resistiva
y cámbialos por los de Carga Inductiva (No los asegures al gabinete de la Fuente, ya
que se sacaran al terminar esta sección del experimento).
b).-Calibra los Módulos de Carga para que ofrezcan 30 Ω inductivos c/u.
c).-Enciende la Fuente de Alimentación y ajústala nuevamente, junto con los reóstatos para
obtener una Velocidad en el Motor de C.D. de 1800 rpm y un Voltaje Generado por
Fase “E1” de 120 V c-a.
( Para estas condiciones el Voltaje de la Fuente debe estar aproximadamente a un 52%,
mientras por el lado de la Corriente de excitación un reóstato deberá tener Resistencia
mínima, mientras el otro deberá tener un 50 ò 60 % de su Resistencia total; realiza las
correcciones pertinentes para obtener las condiciones requeridas).
d).- Toma la lectura de la Corriente que está absorbiendo la Carga inductiva y la Corriente
de excitación que se le proporciona al Generador:
I1.-____________Amp. C-A
IF.-_____________Amp. C-D
NUEVAMENTE RETIRAREMOS LA CARGA DEL GENERADOR MIENTRAS ESTE SE
ENCUENTRA FUNCIONANDO.
ASÌ UNO DE TUS COMPAÑEROS BAJARA LOS INTERRUPTORES DE CARGA INDUCTIVA
MIENTRAS OTRO, SIMULTANEAMENTE BAJA EL VOLTAJE DE LA FUENTE A NIVELES
CERCANOS A 0 VOLTS. (NO APAGUES LA FUENTE DE ALIMENTACIÒN Y BUSCA
REGRESAR AL CONJUNTO MOTOR DE C.D. Y GENERADOR A LA VELOCIDAD DE
1800 RPM (VOLTAJE DE LA FUENTE ≈ 44%)).
e).-Mide el Voltaje generado “E1” sin carga y la Corriente de excitación “IF”:
E1.-____________Volts C-A
IF.-_____________Amp. C-D
147
f).-Reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación, también regresa los
reóstatos a su posición de resistencia máxima (moviendo la perilla de estos a favor de
las manecillas del reloj).
g).-Determina la Regulación de Voltaje del Generador, bajo una carga inductiva:
h).-Una Carga inductiva, desarrolla una Fuerza Magnetomotriz en el Generador
¿Apoya esta Fuerza al Rotor de la Máquina ó lo hace más “pesado”?
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE C.A. CON CARGA CAPACITIVA
3.- a).- Remueve los Módulos de Carga inductiva y reemplázalos por aquellos de Carga
Capacitiva (No los asegures al Gabinete de la Fuente).
b).- Sube los interruptores de los Módulos de Carga para que ofrezcan una Reactancia de
30 Ω capacitivos.
c).- Enciende la Fuente de Alimentación y calíbrala para una velocidad en el conjunto de
1800 rpm, con un Voltaje Generado por fase de 120 V c-a.
(Para obtener estas condiciones de las máquinas, el Voltaje de la Fuente debe estar a
un 44% aproximadamente, mientras por el lado de la corriente de excitación para el
Generador, los reóstatos no requieren un ajuste significativo).
d).-Toma la lectura de la Corriente que consume la carga, así como la de la Corriente de
excitación que se le aplica al rotor del Generador:
I1.-___________Amp. C-A
IF.-___________Amp. C-D
e).- Quita la carga del Generador, mientras este está funcionando.
( Para este tipo de carga no se corre el riesgo de que el Generador desboque su
velocidad, como en los casos anteriores, por tanto baja confiadamente los
interruptores de Carga Capacitiva, veras como la velocidad del conjunto comienza a
disminuir.
Nuevamente ajusta el Voltaje de la Fuente de Alimentación para obtener las
1800 rpm del conjunto (Voltaje de la Fuente ≈ 34%)).
f).- Toma las lecturas del Voltaje Generado por fase sin carga y la Corriente de excitación:
E1.-___________Volts C-A
IF.-____________Amp. C-D
g).- Baja el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación.
148
h).-Determina la Regulación de Voltaje del Generador para una Carga Capacitiva:
i).-Igual que una carga inductiva, una carga capacitiva desarrolla una Fuerza
Magnetomotriz en el Generador:
¿Apoya esta Fuerza al movimiento del Rotor ó se opone?
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
EFECTOS DE LA CARGA CAPACITIVA EN EL GENERADOR DE C.A.
4.- a).-No retires los Módulos de Carga Capacitiva, mas cambia el rango del Amperímetro “I1”
a la escala de 10 Amp. C-A .
b).-Ajusta los Módulos de Carga a una reactancia capacitiva de 120 Ω c/u.
c).-Enciende la Fuente de Alimentación, calibrándola hasta obtener una Velocidad del
conjunto de 1800 rpm.
d).-Aumenta la carga, colocando reactancias capacitivas de 60 Ω en paralelo.
Explica lo que sucede con:
- La Velocidad del Conjunto:
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
- El Voltaje Generado:
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
-Corriente que consume la carga:
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
e).-Baja el Voltaje acero y apaga la Fuente de Alimentación.
EFECTO DE DESBALANCEO DEL SISTEMA TRIFÁSICO POR CAUSA DE UNA CARGA
MONOFÁSICA:
5.- a).- Manteniendo las conexiones del Motor de C.D y de la excitación del Rotor del
Generador, conecta el circuito siguiente a las salidas de Voltaje del Generador.
Te daras cuenta que se trata de un Módulo de carga resistiva, alimentado por una de
149
las Fases del Generador:
0-250
V-c.a.
MOTOR / GENERADOR
DE C-D
7
4
3
5
6
60 Ω
0-120
V C-D
N
E2
E1
V
V
7
9
8
E3
V
1
4
2
5
3
6
GENERADOR / MOTOR
TRIFÁSICO C-A
7
ROTOR
8
ESTATOR
0-250
V-c.a.
0-250
V-c.a.
I-F
0-2 A c-d
1
2
3
1
2
3
2 Amp
A
+
-
120 8
V C-D
N
FIGURA 3.2
b).-Ajusta la carga a 60 Ω
c).-Enciende la Fuente de Alimentación y aumenta el Voltaje hasta obtener una Velocidad
del conjunto de 1800 rpm. También ajusta los reóstatos de la excitación en C-D del
Generador hasta que el Voltímetro “E1” indique 208 V c-a.
d).-Toma las lecturas de “E2 y E3” (Los Voltajes de las fases del Generador restantes)
E2.-____________Vc-a
E3.- ____________Vc-a
e).-Apaga la Fuente de Alimentación, sin mover la calibración de la Perilla reguladora de
Voltaje de la Fuente y los reóstatos.
f).-Conecta los tres Voltímetros de manera que cada uno lea el Voltaje de cada fase.
No desconectes la Carga Resistiva (déjala en su lugar), ni tampoco la estrella que une
los devanados del estator en las terminales 4, 5 y 6 del Módulo de Generador de C.A.
g).-Enciende la Fuente de Alimentación.
Toma las lecturas de los tres Voltímetros (Voltajes de fase) y anótalos a continuación:
E1-4.-_____________Vc-a.
E2-5.-_____________Vc-a.
E3-6.-_____________Vc-a.
e).-Baja el Voltaje a cero y apaga la fuente de Alimentación.
f).-¿Cómo se comportaron los Voltajes de las dos Fases que no tenían carga conectada
con respecto al Voltaje de la Fase cargada?
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
150
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ
MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A.
PRÁCTICA: IV
SINCRONIZACIÓN DEL GENERADOR DE C.A A LA RED ELÉCTRICA
OBJETIVOS:
 Que el alumno aprenda y comprenda las condiciones requeridas para
sincronizar un Generador de C.A. a un Sistema de Potencia Eléctrico.
 Que vea los efectos de la subexcitación y de la sobrexcitación en un
Generador de C.A. (subido a la Red) con respecto a la Potencia entregada por
este.
 Que vea la relación directa que existe entre la Potencia Real útil que entrega
el Generador y el par desarrollado por el elemento impulsor.
La potencia requerida para abastecer la demanda eléctrica de la población es aportada, por la
red eléctrica nacional (C.F.E.), la cual en su división de generación esta constituida por cientos
de grandes alternadores distribuidos (en sus correspondientes plantas) a lo largo y ancho de la
República Mexicana. Estos a su vez no operan de manera aislada, sino que se conectan en
paralelo, conformando así la base de la red eléctrica nacional (bus infinito) cuya frecuencia
“ f ” es remarcablemente estable en cualquier punto (60 Hz).
No obstante, un alternador no puede conectarse a la línea y suministrar potencia al sistema,
de una manera tan simple; si no que debe cumplir ciertos requisitos; los cuales, para el
acoplamiento en paralelo de alternadores ó el acoplamiento de un alternador a la red son:
Ambos sistemas (alternador y red) deben operar a la misma frecuencia.
La magnitud de sus voltajes de línea (rms), debe ser la misma.
Operar bajo la misma secuencia de fases [a-a’, b-b’, c-c’].
Los ángulos de cada fase deben ser los mismos en ambos sistemas.
La máquina que busca adicionarse a la línea, es llamada generador en aproximación y debe
cumplir estas condiciones, ya que sí se adiciona a la línea de manera arbitraria y en cualquier
momento, sufrirá severos daños al grado de su inutilidad, además de ser un peligro para el
personal que este cerca; por tanto es necesario cumplir minuciosamente estas condiciones.
El primer aspecto es importante, ya que un alternador, sólo puede suministrar potencia a la
red eléctrica sí y sólo si opera a la misma frecuencia; la frecuencia de la red eléctrica nacional
es determinada por la velocidad de rotación “ω” de todos los alternadores en ella, por lo que
es muy difícil que esta oscile por sí misma, mientras que la frecuencia de la maquina en
aproximación también depende puramente de la velocidad de rotación desarrollada por el
primotor y por el número de polos que la constituyan. Por otro lado, sí la frecuencia del
alternador en aproximación difiere de la frecuencia de la red y estos son conectados, se
desarrollaran grandes potencias transitorias dentro del alternador hasta que la frecuencia de
este se estabilice con la frecuencia de la red.
151
El segundo punto es una condición lógica, pues como se sabe, la característica de los circuitos
en paralelo es su voltaje constante, por lo tanto la magnitud del voltaje de línea (rms)
producido por el alternador debe ser igual a la magnitud del voltaje de línea (rms) de la red a
la que se va a conectar (ejemplo: 208V “alternador” = 208V “red eléctrica”); sí el voltaje de la
máquina en aproximación no es el mismo al de la red y se conectan juntos, elevadas
corrientes fluirán por los devanados del estator quemando el alternador.
Los dos últimos puntos son de vital importancia ya que los principales daños catastróficos se
dan por no seguirlos. El tercer punto se escucha lógico y expresa orden debiendo llevarse a
cabo diligentemente, buscando que las fases A, B y C del alternador se acoplen a las
respectivas de la línea de suministro. Sí se acopla el alternador con un orden de fases distintos
al de la línea, se producirán y fluirán elevadas corrientes en los devanados del estator,
quemando el aislante de los devanados y por tanto la máquina.
El cuarto punto esta íntimamente relacionado con el tercero, y es muy importante, pero algo
difícil de percibir, y marca que la secuencia y el tiempo en que los voltajes (tanto del
alternador como del sistema) alcanzan sus valores pico deben ser los mismos. Ya que la
percepción de esta condición es muy difícil existen formas para hacer visible tal detalle; uno
de ellos es muy sencillo y se conoce como el procedimiento de las lámparas apagadas, el cual
se enseña y aplica en esta práctica.
Un aspecto interesante que se desarrolla en un alternador sincronizado con la red eléctrica es
que sí la corriente de excitación de C.D. varía, el alternador comenzará a intercambiar potencia
reactiva (Q+ ó Q- “VARS”) con el sistema al que esta acoplado. Pues sí la excitación es menor
que la requerida para tener el flujo magnético nominal, el estator demandará del sistema
potencia reactiva negativa para completar los niveles de flujo a los que opera la máquina. Por
otro lado sí la corriente de excitación en el rotor es mayor que la requerida, el estator tomará
potencia reactiva adelantada del sistema, comportándose como un capacitor.
El hecho de que un alternador este sincronizado con el sistema eléctrico no garantiza que
este aporte potencia útil (Watts) a dicho sistema. Pues un alternador sólo puede suministrar
potencia activa (Watts), sí se forza su rotor a moverse a mayor velocidad, aplicando un par
mecánico mayor para que dicho incremento pueda ocurrir y mantenerse. El par [τ]
multiplicado por la velocidad [ω] es una medida de la potencia mecánica que se le da al
alternador y por tanto, la potencia eléctrica (que idealmente) debe entregar. Poniendo en
claro que el primotor (máquina impulsadora del alternador) debe proporcionar un mayor par
para que la potencia activa entregada sea mayor.
Es importante señalar que las condiciones ya mencionadas para sincronizar un alternador a la
red eléctrica, sólo se aplican a unidades de generación de “gran tamaño”, excluyendo a los
alternadores portátiles (a gasolina ó diesel, montados en camiones), ó los que suministran
energía a un área remota (propio de la localidad) y los de uso de emergencia. No obstante, los
grandes alternadores que pertenecen a Sistemas de potencia, todo su proceso de conexión a la
red de alternadores en paralelo es automatizado, siendo una computadora la que lleva a cabo
este trabajo.
152
COMPONENTES A OCUPAR
EQUIPO
Fuente Trifásica de Poder
CÓDIGO
EMS-8525
Motor / Generador Síncrono
EMS-8507
Módulo de Conexiones del Motor / Generador Síncrono
EMS-8508
Motor / Generador de C-D
EMS-8501
Módulo de Conexiones del Motor / Generador de C-D
EMS-8502
Módulo de Sincronización
EMS-8518
Wattímetro/Varímetro Trifásico
EMS-8515
Reóstato de Campo
( 2 Unidades )
EMS-8524
Volt-amperímetro de C-D.
EMS-8513
Módulo de Medición de Voltaje de C.A.
EMS-8426
Módulo de Medición de Corriente de C.A.
EMS-8514
Cables de Conexión
EMS-8550
Acoplador
EMS-8943
Tacómetro de Mano
EMS-8920
153
SINCRONIZACIÓN DEL VOLTAJE GENERADO POR EL GENERADOR DE C.A. CON EL VOLTAJE DE
LA RED DE SUMINISTRO ELÉCTRICO
1.- a).-Acopla la máquina impulsora (Motor de C.D.) al Generador de C.A.
Conecta cada uno a su respectivo Módulo de Conexiones, guiándote de la
nomenclatura EMS ya que esta sigue una secuencia tanto en la Máquina rotatoria como
en su Módulo de Conexión.
b).-Conecta el siguiente circuito:
Te darás cuenta que los únicos instrumentos que se encuentran entre el Voltaje
obtenido por el Generador de C.A. y el Voltaje de la Línea de la Empresa
Suministradora (C.F.E.) son el Módulo de Wattmetro/Varmetro y el Módulo de
Sincronización:
E2
1
V
208
V C-A
0-250
V-c.a.
1
3
2
ON
I-1
0-5 A c-a
2
OFF
208
V C-A
4
5
6
+
-
3
A
5 Amp
MODULO DE SINCRONIZACIÓN
W
1
2
VAR
3
4
5
6
REÓSTATO: A
1
2
3
MOTOR / GENERADOR
DE C-D
7
1
2
SHUNT
0-120
V C-D
N
7
E1
9
8
CONM
4
2
5
3
REÓSTATO: B
1
2
3
GENERADOR / MOTOR
TRIFÁSICO C-A
7
V
0-250
V-c.a.
ARMADURA
8
1
6
ROTOR
8
ESTATOR
I-F
0-2 A c-d
2 Amp
A
+
-
120
V C-D
N
FIGURA 4.1
c).-Ajusta el Reóstato de campo “A” (Reóstato del Motor de C.D) en su posición extrema
hacia la izquierda. Así ofrecerá una resistencia mínima.
d).-Ahora, ajusta el Reóstato de campo “B” (Reóstato para el Rotor del Generador de C.A.),
colocándolo en su posición extrema hacia la derecha con la finalidad de que ofrezca su
resistencia máxima.
e).-Verifica que el interruptor del Módulo de Sincronización se encuentre hacia abajo
(abierto).
f).-Enciende la Fuente de Alimentación. Calibra la perilla de la Fuente a un Voltaje
de 120 V c-d., apoyándote del Voltímetro de la Fuente (colócalo en 7 y N).
154
g).-Un Motor de C.D. funciona con Voltaje, esto es, a medida que aumentamos el Voltaje
con que alimentamos el Motor, este tenderá a girar a mayor velocidad. Por tanto
considerando el Reóstato “A” unido al Motor de C.D. y apoyándonos de la Ley de ohm;
tenemos:
Aumenta la resistencia en el Reóstato “A” (gira el reóstato a favor de las manecillas del
reloj) hasta obtener una Velocidad en el Conjunto de 1800rpm.
h).-Toma la lectura del voltímetro “E2” y anótala a continuación:
E2.-________Vc-a
i).-Reduce la resistencia en el Reóstato “B” (Reóstato del rotor del Generador), con la
finalidad de que circule una mayor Corriente de excitación “IF” y se produzca un campo
magnético mayor en el Generador de C.A. (Gira el reóstato “B” en contra a las manecillas
del reloj), haz esto hasta que:
E1 = E2
Ahora tenemos una de las tres condiciones que se requieren para sincronizar el
Generador de C.A. al Sistema de suministro eléctrico, teniendo el Voltaje generado por
la máquina “E1” la misma amplitud de onda que el Voltaje suministrado por la empresa
electrificadora “E2”.
j).-Las tres lámparas del Módulo de sincronización deben estar encendiendo y apagando
simultáneamente.
Si su encendido y apagado es desigual, la secuencia de fases es incorrecta, esto es
puede que se tenga una secuencia en el Generador de C.A. de : A, C y B cuando la
secuencia de la empresa suministradora es: A, B y C.
Para solucionar esto, baja el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación.
Intercambia dos de las Fases (terminales 1, 2 y 3) del Módulo de conexiones del
Generador.
k).-Enciende la Fuente de Alimentación y repite desde el paso: f, hasta el paso: j
La segunda condición para sincronizar al Generador de C.A. se ha dado, ahora tanto el
Sistema de suministro como la máquina generadora operan con la misma secuencia de
fases.
l).-Cuidadosamente y a través del reóstato: A, calibra la velocidad del Motor de C.D. hasta
que el tiempo de encendido y apagado en las lámparas del Módulo de Sincronización
sea lenta.
Esto nos indica que la Frecuencia (Hz) de la Máquina Generadora se acerca a la
Frecuencia del Sistema de suministro eléctrico.
m).-
La senoide de Voltaje del Generador se acopla “perfectamente” con la senoide de
Voltaje del Sistema eléctrico solamente cuando las lámparas del Módulo de Sincronización
están apagadas.
155
Por el contrario, cuando las lámparas están encendidas, la onda de uno de los Voltajes
se desfasa 180° respecto a la onda del otro Voltaje. Es por eso que
¡¡NUNCA!! Se debe de subir el interruptor del Módulo de Sincronización cuando las
lámparas de este estén encendidas ya sea ligeramente ó completamente.
-(Verifica que el Voltaje “E1” permanezca igual al Voltaje “E2”, si no es así, ajusta
la excitación del Rotor del Generador de C.A. a través del reóstato B hasta cumplir
nuevamente con esta condición).
n).- Cuando las lámparas del Módulo de Sincronización estén completamente apagadas.
Cierra el interruptor de este Módulo, colocándolo hacia arriba.
Con esto hemos sincronizado el Generador de C.A. a la red de suministro eléctrico.
En este momento el Generador no absorbe ni suministra Potencia Real (P) y Reactiva
(Q) al Sistema, esto es la Máquina generadora se encuentra flotando en la línea de
Potencia del Sistema.
EL GENERADOR DE C.A EN EL PUNTO FLOTANTE DE LA RED ELÉCTRICA:
2.- El Módulo Watt/Varímetro funciona como un puente en el circuito, mas para que este
registre lecturas, debe ser alimentado con 24 V c-d. Por tanto, de la salida especial de la
Fuente de Alimentación conecta el Módulo y enciende el switch correspondiente a este
tipo de alimentación.
a).-A través del reóstato: “A”, calibra la velocidad del Motor de manera que el Wattímetro
indique: 0 (cero).
b).-Ahora con el reóstato: “B”, calibra la excitación del rotor del Generador de modo que el
Varímetro indique: 0 (cero).
c).- Toma la lectura de los siguientes instrumentos y anota:
E1.-___________Vc-a.
I1.-___________Ac-a.
IF.-___________Ac-d.
COMPORTAMIENTO DEL GENERADOR CON SUBEXCITACIÓN EN LA RED ELÉCTRICA
3. a).-Aumenta la resistencia en el reóstato: “B”, girándolo a favor de las manecillas del reloj,
esto, para reducir la Corriente de excitación en el rotor del Generador y debilitar el
campo magnético en este. Realiza esta acción hasta que el Amperímetro “I1”
marque 2.5 Amp. c-a. Toma las lecturas de los siguientes instrumentos y anota:
E1.-__________V c-a
I F .-__________A c-d
P.-__________W
Q.-__________VAR (+) ó (-)
¿A qué Potencia afecto la disminución de la corriente de excitación en el Generador?
______________________________________________________________________
156
¿Está esta Potencia siendo absorbida ó suministrada por el Generador de C.A?
______________________________________________________________________
b).-Calcula la Potencia Aparente (S) desarrollada por el Generador, así como el Factor de
Potencia en este, bajo estas condiciones:
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
COMPORTAMIENTO DEL GENERADOR CON SOBREEXCITACIÓN EN LA RED ELÉCTRICA:
4.-Ajusta nuevamente el reóstato: “B” hasta que el Varímetro marque: 0 (cero)
a).-Cuidadosamente reduce la resistencia del reóstato: “B”, girándolo en contra a las
manecillas del reloj, esto, con el fin de aumentar la corriente de excitación en el rotor
del Generador y fortalecer el campo magnético.
Haz esto hasta que el amperímetro: “I1” registre 2.5 Amp c-a., toma las lecturas de los
siguientes instrumentos y anota:
E1.-__________V c-a
I F .-__________A c-d
P.-__________W
Q.-__________VAR (+) ó (-)
¿A qué Potencia afecto el hecho de aumentar la corriente de excitación del Generador?
______________________________________________________________________
Visto desde la red de distribución eléctrica
¿Cómo se está comportando el Generador como una carga “pesada” ó como un
Capacitor?________________________________________________________
¿Por qué?________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
b).- Determina la Potencia Aparente (S) que desarrolla el Generador, así como su Factor de
Potencia:
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
157
EL GENERADOR DE C.A. SUMINISTRANDO POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA A LA RED
ELÉCTRICA
5.- Calibra el reóstato: “B”, de modo que el Varímetro indique: 0 (cero)
De igual manera verifica que el Wattímetro se mantenga en: 0 W, si no ajústalo con el
reóstato: “A” modulando la velocidad del Motor.
a).- Aumenta la velocidad en el conjunto, aumentando la resistencia del reóstato: “A” (que
es el reóstato conectado al Motor de C.D.), girándolo a favor de las manecillas del reloj,
hasta que el Generador suministre una Potencia Activa de: 900W.
b).-Reduce la resistencia del reóstato: “B” (reóstato de control de excitación del Generador)
girándolo en contra a las manecillas del reloj, hasta obtener del Generador una
Potencia Reactiva suministrada de: 900 VAR
c).- Toma las lecturas de los siguientes instrumentos y anota:
I1.-__________A c-a
I F .-__________A c-d
P.-__________W
Q.-__________VAR (+)
Calcula la Potencia Aparente del Generador bajo esta condición (sobreexcitado) y el
Factor de Potencia:
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
d).-Deja en su posición el reóstato: “A”, de manera que se sigan teniendo 900 W de
potencia activa. Por el contrario aumenta la resistencia del reóstato: “B” (gíralo a favor
de las manecillas del relog) hasta que el Generador absorba: 900 VAR de Potencia
Reactiva. Mide y anota:
I1.-__________V c-a
I F .-__________A c-d
P.-__________W
Q.-__________VAR (-)
Determina la Potencia Aparente del Generador en condición de subexcitado, así como
el Factor de potencia de este, bajo esta condición:
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
e).- Ajusta ambos reóstatos, de manera que el Generador regrese al punto flotante,
(0 Watts y 0 VARS).
f).- Saca el Generador de la línea de Suministro, abriendo el interruptor del Módulo de
.Sincronización.
g).-Reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación.
158
5.3.-MOTORES DE C.A
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ
MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A.
PRÁCTICA: V
FUNDAMENTOS DE OPERACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DEL MOTOR DE C.A.
OBJETIVOS:
 Qué el alumno aprenda los principios bajo los que opera un motor de C.A.
 Conozca los dos tipos principales de motores de C.A.
Un motor eléctrico se puede definir como:
Una máquina eléctrica rotatoria que transforma la potencia eléctrica en potencia
mecánica, a través de interacciones electromagnéticas
Este tipo de máquinas eléctricas se clásica de la siguiente forma:
SINCRONOS
JAULA DE ARDILLA
C.A
INDUCCIÓN
MOTORES
ELÉCTRICOS
ROTOR DEVANADO
C.D.
Los motores síncronos, se caracterizan por requerir de una fuente externa de C.D., la cual le
suministra la corriente que produce uno de los campos magnéticos, mientras los motores de
inducción, son máquinas cuya corriente del campo magnético del rotor es engendrada por
inducción magnética (efecto transformador). Los circuitos de campo de la mayoría de los
motores de C.A. están localizados en sus rotores.
La frecuencia en la corriente alterna es la cantidad de ciclos completos desarrollados en un
segundo, siendo esta característica de la C.A. el fundamento que produce la acción del motor,
esto, al producir un campo magnético giratorio en el estator de la máquina. Este campo
magnético giratorio se produce cuando un devanado trifásico, (tres bobinas espaciadas 120°),
es recorrido por un sistema de corrientes trifásicas, generando un campo magnético en el que
la orientación Norte-Sur de los polos va girando constantemente alrededor del eje del estator.
Este campo magnético se forma por la combinación de cada uno de los campos magnéticos de
159
los tres devanados monofásicos que conforman el devanado del motor. Para invertir el
sentido del giro del campo hay que cambiar el orden de alimentación de sus fases.
Este campo giratorio, induce en el devanado o barras del rotor una corriente, que es la
encargada de que se produzca la fuerza magnetomotriz que da origen al movimiento.
Cabe señalar que el par que desarrolla el rotor en un motor de C.A., se comporta de una forma
senoidal, de igual manera que el voltaje inducido en un alternador, definiéndose por el
producto cruz:
Donde “k” es un factor que depende de la construcción de la máquina, “Br” es la densidad de
flujo del campo magnético producido por el rotor y “BS” es la densidad de flujo del campo del
estator. En general el par en cualquier máquina de corriente alterna depende directamente de
cuatro factores que son:
 La intensidad del campo magnético del rotor.
 La intensidad del campo magnético giratorio en el estator.
 El seno del ángulo que se desarrolla entre las resultantes de estos.
 Una constante de proporcionalidad que representa la geometría y facilidad de
magnetización de los devanados de la máquina.
En el aspecto constructivo, el estator generalmente consiste en una carcaza de fundición, un
núcleo formado por chapas magnéticas, y un
arrollamiento constituido por bobinas
individuales alojadas en las ranuras del
núcleo, en máquinas trifásicas se tienen tres
devanados; estos tres devanados están
desfasados por 120° uno respecto a los otros,
Los extremos del devanado son conducidos al
tablero de bornes situado en la caja de
conexiones.
Por su parte, el rotor puede tomar diversas
formas (según las necesidades del par), pero
con el común denominador de que el núcleo
debe estar conformado de láminas de chapa
magnética (acero al silicio) ajustado a presión
sobre el eje, pudiendo ser del tipo jaula de
ardilla (a) ó rotor bobinado (b).
160
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: DR. ALFREDO RAMIREZ RAMIREZ
MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A.
PRÁCTICA: VI
EL MOTOR SÍNCRONO
SUS CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONAMIENTO
OBJETIVOS:
 Que el Alumno conozca directamente un Motor Síncrono, sus componentes,
así como las características de estos.
 Que el Alumno conozca las condiciones bajo las cuales nunca se debe
arrancar un Motor de este tipo.
 Capacitar al Alumno para el arranque correcto de este tipo de Motores.
 Que el Alumno aprenda cómo mejorar el Factor de Potencia de un Sistema a
través de uno ó varios Motores Síncronos y su excitación.
El motor síncrono es un tipo de motor eléctrico de corriente
alterna, cuya construcción es similar a la de un alternador; su
arrollamiento estatorico puede ser monofásico ó trifásico y
consiste en una serie de bobinas alojadas en ranuras de un núcleo
de “chapa magnética” (acero al silicio). La conexión de estas
bobinas puede ser en estrella (Y) ó en delta (Δ), de modo que se
forme un determinado número de polos.
El rotor suele ser de polos salientes, siendo esencial que tenga el
mismo número de polos que el estator. Las bobinas montadas en
los polos del rotor se conectan en serie de modo que formen polaridades alternadas y de estas
(bobinas) se extraen dos hilos que se conectan a dos anillos de toma, montados sobre el
mismo eje. Generalmente se provee al rotor
de un arreglo de jaula de ardilla, dispuesto a
su alrededor. Este arreglo auxiliar es
necesario para poner la maquina en marcha,
pues el motor síncrono no puede arrancar
por sí mismo, esto es, no tienen par de
arranque, llamándosele a esté arreglo como “
devanado amortiguador”, el efecto de
inducción de este proporciona el torque de
arranque, mantiene la aceleración, además
de amortiguar las oscilaciones durante la marcha.
El motor síncrono adquiere su nombre por la característica que tiene de operar a una
velocidad constante sin deslizamiento (“velocidad sincrónica”), tal velocidad es la velocidad
natural a la que gira el campo magnético del estator. Esta se determina por el número de polos
en la maquina y por la frecuencia de la línea de alimentación:
161
El rotor de un motor síncrono se excita con corriente directa (C.D.) ya sea por medio de una
fuente externa (unidades pequeñas) ó mediante una excitatriz montada en el mismo eje del
rotor (motores muy grandes), esto, con la finalidad de producir un campo magnético “fijo” en
el rotor, el cual se engancha con el campo magnético giratorio del estator llevando a la
máquina a la velocidad de sincronismo.
El efecto de variar la corriente de campo (excitación de C.D.) eleva ó reduce el factor de
potencia de la línea que lo alimenta. Si, se aumenta la corriente de campo, alimentando con
más de la necesaria, se tendrá una maquina sobreexcitada que tomará una potencia reactiva
adelantada (Q+) de la línea, sin consumir potencia activa (Watts); tales condiciones son
propias de un capacitor y por tanto, un motor síncrono bajo estas condiciones de es llamado
condensador síncrono.
Por otro lado, sí la corriente de campo es menor que la nominal, el motor se encuentra
subexcitado, lo que lleva a la maquina a consumir potencia reactiva negativa (Q-),
comportándose como un inductor, llamando a la máquina síncrona con estas características
inductor síncrono. Sin embargo, las maquinas insuficientemente excitadas
no ofrecen
ventajas, por lo que no tienen una aplicación útil conocida.
Ya que el motor síncrono se aplica para mover cargas a una velocidad constante, es necesario
tener precauciones al operarlo en condiciones de sobrecarga, ya que sí la carga a conectar es
demasiado grande ó pesada, el motor puede perder velocidad y salir de su sincronía con el
campo giratorio, pararse y quizá quemarse, ya que el campo magnético rotatorio del estator
cortara los devanados del rotor (fabricados con menor cantidad de aislante que los del
estator), sí no se toman precauciones, se inducirán voltajes tan altos que consumen el aislante,
quemando la máquina internamente.
Comúnmente el motor síncrono encuentra aplicación en la industria para el movimiento de
cargas fijas a velocidades constantes; por ejemplo, compresores, sopladores, mezcladoras,
ventiladores, bombas, trituradores, molinos, diversos usos en la industria de la pulpa, papel,
caucho, sustancias químicas, y laminadoras de metales, etc.
A manera de síntesis las características de funcionamiento del motor síncrono son:
La velocidad nominal de rotación es la velocidad de sincronismo del campo magnético
giratorio del estator.
Se suministra corriente directa a los embobinados de campo del rotor, a través de
escobillas y anillos de deslizamiento.
Carece de par de arranque propio.
Es de velocidad constante.
Algunas maquinas cuentan con devanado amortiguador, para poder proporcionar el
par de arranque inicial y también para amortiguar las oscilaciones en el rotor
producidas por los cambios de carga.
Una maquina con excitación normal, sin carga no consume corriente.
Una maquina con sobreexcitación se comporta como condensador síncrono.
Una maquina con insuficiente excitación se comporta como inductor síncrono.
162
COMPONENTES A OCUPAR
EQUIPO
Fuente Trifásica de Poder
CÓDIGO
EMS-8525
Motor / Generador Síncrono
EMS-8241
Módulo de Electrodinamómetro
EMS-8911
Módulo de Wattímetro Trifásico
EMS-8441
Módulo de Interruptor de Sincronización
EMS-8621
Módulo de Medición de Corriente de C-D. (0.5/2.5 A c-d)
EMS-8412
Módulo de Medición de Corriente de C.A. (0.5/2.5 A c-a)
EMS-8425
Módulo de Medición de Voltaje de C.A.
EMS-8426
(250 V c-a)
Tacómetro de Mano
EMS-8920
Cables de Conexión
EMS-8941
Banda de Acoplamiento
EMS-8942
CARACTERÍSTICAS DEL MÓDULO MOTOR /GENERADOR SÍNCRONO: EMS-8241
1.- Analiza la estructura del Módulo EMS-8241 de Motor/generador Síncrono:
a).- Gira el Módulo y revisa la parte trasera de este:
Mira y toca los dos anillos colectores y las escobillas (te darás cuenta que los
primeros son de cobre, mientras las segundas son de carbón)
¿Es posible mover las escobillas como en una Maquina de C.D.?__________________
-Nota que las terminales de los dos devanados del Rotor (en el frente del Módulo)
son llevadas a los anillos colectores a través de las conexiones en los carbones
(escobillas).
b).-Revisa la piña del Rotor, te darás cuenta que esta seccionada por dos devanados;
estos, son los llamados devanados amortiguadores y operan con C.D. ( Aunque sólo
son dos sus conexiones están en tal forma que sus fuerzas magnetomotrices se
repelen una con respecto a la otra, desarrollando así la fuerza de cuatro polos).
-Bajo los devanados amortiguadores, en el área negra, encontraras cuatro puntos de
metal, estos, son los cuatro polos salientes que se le integran a la máquina para un
mejor desempeño.
c).-Analiza el devanado del estator.
Pide al instructor te muestre un Motor con rotor jaula de ardilla y uno con rotor
devanado, te darás cuenta que el devanado del estator es el mismo para los tres.
163
d).-Examina el frente del Módulo (caratula):
-¿Qué terminales en la caratula alimentan a los tres devanados independientes del
estator? ______ y ______ , ______ y ______ , ______ y ______ .
-¿Cuál es el Voltaje nominal con que funciona cada devanado del estator?
_____________
-¿Cuál es la Corriente nominal que absorbe cada devanado del
estator?________________
-Las terminales que alimentan al Rotor son: ______ y ______.
Sin embargo, con la finalidad de modular la corriente de excitación en C.D. que va a
este elemento de la máquina, se tiene conectado en serie un reóstato de 150 Ω.
-El voltaje nominal en C.D. de los devanados del rotor es:____________
-¿Cuál es la corriente nominal que absorben los devanados del rotor?
__________Amp. c-d
-¿Cuál es la velocidad nominal y la potencia que desarrolla este Motor?
________rpm.
________H.P. (Horse Power = Caballo de Fuerza)
164
CARACTERÍSTICAS DE ARRANQUE EN EL MOTOR SÍNCRONO:
2.-a).-Conecta el Motor Síncrono como se indica:
Notarás que la conexión entre los tres devanados del Estator es una estrella.
Además que estos devanados se alimentan con la salida trifásica fija de la Fuente
( 208 V c-a Línea-Línea, terminales: 1, 2 y 3):
MOTOR
SÍNCRONO
I-1
0-8
A c-a
1
208
V C-A
8 Amp
A
+
-
1
4
2
208
V C-A
2
5
3
3
ROTOR
S
6
7
8
ESTATOR
FIGURA: 6.1
b).-Enciende la Fuente de Alimentación. (Pon atención en el sentido de rotación).
El Motor arrancara y se moverá suavemente. Como no se tiene un campo Magnético
en el Rotor, el Motor está operando como un Motor de inducción.
¿En qué sentido está girando el Rotor del Motor?_____________________
Indica la lectura del Amperímetro “I1”: ______ Amp c-a.
c).-Apaga la Fuente de Alimentación, e intercambia dos de las tres fases que alimentan al
Motor.
d).-Enciende la Fuente de Alimentación, poniendo atención en el sentido de giro del Motor.
¿En qué sentido gira ahora el Rotor del Motor?_______________________
¿Qué lectura registra el Amperímetro: “I1”?_______Amp c-a.
e).-Apaga la Fuente de Alimentación.
165
ARRANQUE DE UN MOTOR SÍNCRONO CON CARGA:
3 a).-Conecta el siguiente circuito:
Sin embargo, antes de hacerlo, busca que el sentido de rotación del Motor sea horario.
Acopla el Motor Síncrono con el Electrodinamómetro a través de la banda.
1
208
V C-A
MODULO DE SINCRONIZACIÓN
1
2
MOTOR
SÍNCRONO
3
2
208
V C-A
3
O
N
O
F
F
ELECTRODINAMÓMETRO
ROTACIÓN
4
5
6
I-1
0-8
A c-a
8 Amp
A
+-
1
4
2
5
ROTOR
S
3
6
1
7
8
2
ESTATOR
8
120
V C-D
N
1
N
FIGURA: 6.2
Ocuparemos el Módulo de Sincronización a manera de interruptor para la alimentación
de los devanados del Estator. Cerciórate que el interruptor del Módulo se encuentre
abierto (Posición hacia la derecha).
Para producir el Campo magnético fijo en el Rotor del Motor Síncrono, este se
alimentara de la salida fija de 120 V c-d (terminales 8 y N).
Coloca la perilla del reóstato del Rotor a su posición extrema derecha, con el fin de que
ofrezca una resistencia de 0 Ω.
b).-Calibra la perilla de carga del electrodinamómetro a un 40% de su capacidad total.
Notaras que este instrumento sólo opera en el sentido de giro horario y que
se conecta a la salida fija de 120 V c-a (terminales 1 y N), esto, para desarrollar cargas
“pesos” para los Motores a partir de fuertes campos magnéticos en sus devanados.
c).- Cierra el interruptor “S” del Rotor del Motor Síncrono (colócalo hacia arriba).
d).-Enciende la Fuente de Alimentación. (El Motor permanecerá estático).
PRECAUCIÓN:
El siguiente procedimiento a realizar, puede producir daños considerables al Motor, pues
se producirá el Campo Magnético Giratorio del Estator después del Campo Magnético
Estático del Rotor, lo que “NO” se debe hacer cuando un Motor de esta clase tiene carga.
Sigue las instrucciones como se te indican, nota el comportamiento del Motor y pon
atención en la lectura de Amperímetro: “I1”
166
e).- Por no más de 10 segundos, cierra el interruptor del Módulo de Sincronización.
Esto es, alimenta los devanados del Estator para producir el Campo Magnético
giratorio.
¿Qué sucedió?
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
Indica la lectura del Amperímetro: “I1”:______Amp. c-a.
¿Debes arrancar un Motor Síncrono cuando este tenga carga y su Rotor este excitado
con C.D.?______
¿Por qué?
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
f).- Abre el interruptor “S” del Rotor del Motor Síncrono.
Enciende la Fuente y describe lo que sucede:
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
ALCANZANDO LA VELOCIDAD SÍNCRONA
(MODO CORRECTO DE ARRANCAR UN MOTOR SÍNCRONO)
4 a).-Cambia la conexión al Rotor del Motor Síncrono de una alimentación fija (120 V c-d,
terminales 8 y N) a una alimentación variable (0-120 V c-d, terminales 7 y N).
b).-Cerciórate que la perilla calibradora de Voltaje de la Fuente este en cero Volts.
c).-Enciende la Fuente de Alimentación y produce el campo magnético giratorio en el
Motor, cerrando el interruptor del Módulo de Sincronización.
-¿Funciona el Motor con vibraciones excesivas?______
-El Motor está operando como un Motor de Inducción, (no tenemos excitación de
C.D.) esto se debe al arreglo que tienen estos Motores en su Rotor pues por el efecto
del transformador(inducción electromagnética) las corrientes que circulan en los
devanados del Estator, inducen corrientes en los devanados y en la “jaula de ardilla” del
Rotor, lo que produce una interacción en los campos que genera el par.
d).-Calibra el Voltaje de la Fuente hasta suministrar 120V c-d en el Rotor del Motor.
(Apóyate del Voltímetro de la Fuente, ajustando su perilla de escala en 7-N).
¿Le es más fácil ó más difícil al Motor mover la carga?__________________
-Al aplicar la excitación de C.D., se desarrolla el campo magnético fijo en el Rotor,
(que se “ancla” con el campo giratorio del Estator), el cual al llegar la excitación a los
120V c-d, produce que el Motor alcance su velocidad síncrona.
e).-Baja el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación.
Además, abre el interruptor “S” del Módulo de Motor Síncrono
167
-Para el siguiente procedimiento puedes dejar el Motor Síncrono unido a través de la
Banda con el Electrodinamómetro, sólo desconecta a este último y reduce su carga
(a través de la perilla en este) a: 0 lb x in
RELACIÓN ENTRE LA EXCITACIÓN DEL MOTOR SÍNCRONO CON EL FACTOR DE POTENCIA:
5.-Cabe señalar que el Factor de Potencia de este tipo de Máquinas (Motor Síncrono) está
directamente relacionado con la excitación de C.D. que se le da al Rotor.
Una Forma de conocer el F.P. de un Motor Síncrono (y cómo ajustarlo) es por el método de
los dos Wattmetros, por tanto la siguiente Tabla muestra la relación entre el F.P. de la
Máquina, con el desplazamiento de las agujas de los Wattmetros:
Factor de Potencia
1
Indicación de las Agujas en los Wattmetros
Ambos Wattmetros indicaran la misma lectura.
0.5 - 1
Un Wattmetro marcará una Potencia mayor que la del otro.
Uno de los Wattmetros marcará 0 Watts, mientras el otro
indicará la Potencia total.
0.5
Uno de los Wattmetros indicará una Potencia Negativa,
mientras el otro una Potencia Positiva, la Potencia total es la
diferencia entre estas.
0.5 - 0
Ambos Wattmetros marcaran las lecturas idénticas pero de
signo contrario (esto es, una positiva y otra negativa).
Tabla: 6.1
0
a).-Conecta el circuito de la página siguiente:
Notaras que el Módulo de dos Wattmetros se encuentra conectado entre la Salida
Trifásica de la Fuente de Alimentación (208V c-a, Línea a Línea) y los devanados del
Estator de la Máquina Síncrona:
WATTÍMETRO TRIFÁSICO
W-1
I-1
0 - 8 A c-a
1
8 Amp
A
1
2
33
+
+
-
-
W-2
44
5
MOTOR
SÍNCRONO
66
+-
208
V C-A
22
208
V C-A
E1
V
1
4
2
5
ROTOR
S
0-250
V-c.a.
3
3
6
7
8
ESTATOR
I-1
0 - 8 A c-a
7
0 - 120V C-D
8 Amp
A
+-
8
FIGURA: 6.3
168
b).-Enciende la Fuente de Alimentación,
El motor comenzara a funcionar, sin embargo por la ausencia de una excitación
de C.D. ( un campo magnético A fijo), este, tomará potencia reactiva positiva (Q+)
y operara como un motor de inducción, el cual es visto desde la Línea de
suministro como un inductor.
c).-Cierra el interruptor “S” del Módulo de Motor Síncrono.
d).-Cuidadosamente, suministra voltaje de excitación, hasta que “I1” registre la
mínima corriente (esto es, se absorba la menor cantidad de corriente de la Línea
de Suministro). Ambos Wattmetros deben marcar la misma lectura positiva;
Bajo estas condiciones el Motor a alcanzado su velocidad síncrona, su Factor de
Potencia es: 1 y es visto desde la Línea de Suministro como una Resistencia.
-Toma las lecturas de los siguientes instrumentos y anota:
I1.-___________Amp. c-a
I2.-___________Amp. c-d
W1 = W2 .-__________Watts
e).-Incrementa el Voltaje de excitación de C.D., notaras que la corriente “I1” vuelve a
subir (esto es, el Motor nuevamente demanda más corriente de la Línea).
Aquí, en el estado de sobreexcitación, el Motor absorbe potencia reactiva negativa
(Q -), comportándose como un capacitor.
f).-Para cada valor de Corriente de excitación dado en la siguiente Tabla, toma las
lecturas de los instrumento que se indican y anota.
NOTA: Al llegar a una excitación de 0.5, apaga la Fuente de Alimentación y
Cambia la escala del Amperímetro “I1” a 2.5 Amp-c.a. hecho esto
reenciende la Fuente y toma las lecturas. Mantén esta escala para 0.6 y 0.7.
Para tomar las lecturas de 0.8 y 0.9 Amp-c.d, apaga la Fuente y reconecta el
Amperímetro a la escala de 8 Amp-c.a.
I2
Amp-c.d.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
E1
Volt-c.a
I1
Amp-c.d
W1
Watts
W2
Watts
PREAL
Watts
S=√3*[E1][I1]
VA
F.P.
Tabla: 6.2
g).- Apoyándote de los valores obtenidos:
-Determina la Potencia Reactiva (Q) para una Corriente de excitación en el Rotor
de 0 Amp-c.d:
169
S
P- real
Q
√3*V[I]
√3*V[I] F.P
√3*V[I] Sen(θ)
S
S [Sen(θ)]
S [ F.P ]
_______________________________________________________________________________
-¿Cómo es el Factor de Potencia, adelantado ó atrasado?_______________________
-Calcula la Potencia Reactiva para la máxima corriente de excitación en el Rotor:
_______________________________________________________________________________
-Para este caso: ¿Cómo es el Factor de Potencia?________________________________________
-¿Cómo es el Factor de Potencia?___________________________________
-Determina la Potencia Reactiva para la condición en que los Wattmetros teniendo
la misma polaridad, indican lo mismo y la corriente requerida de la Línea “I1” es
mínima:
_______________________________________________________________________________
-¿Qué Factor de Potencia obtuviste?_______________________________
(Recuerda que debe ser cercano ó 1, para este caso)
170
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ
MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A.
PRÁCTICA: VII
EL MOTOR DE INDUCCIÓN CON ROTOR JAULA DE ARDILLA
OBJETIVOS:
 Que el Alumno interactué con un Motor trifásico de inducción de este tipo.
 Comprenda el por qué de las características físicas de su Rotor.
 Conozca la operación de esta clase de Motores en condiciones de vacío y
carga.
El rotor de un motor de inducción jaula de ardilla está formado por un núcleo de hierro
laminado, con ranuras longitudinales, donde se incrustan barras de cobre o aluminio,
quedando en la periferia de las chapas magnéticas. Ambos extremos del cilindro se sujetan por
anillos cortocircuitantes que son soldados ó fundidos en conjunto con las barras, (esto es que
sea una misma pieza); la estructura de las barras del rotor con los anillos de los extremos,
semeja una jaula de ardilla, lo que da su nombre al motor.
Generalmente se busca que el núcleo laminado de chapa magnética (acero al silicio) presente
cierto ángulo de inclinación, ya que la posición inclinada de las ranuras mejora las propiedades
de arranque y disminuye los ruidos al estar el motor en marcha
Cuando fluye una corriente de en los devanados del estator, se produce un campo magnético,
el cual gira alrededor del rotor a una velocidad determinada por la frecuencia de la línea de
alimentación (velocidad sincrónica (3 600 rpm para una frecuencia de 60Hz)). Al empezar a
girar el campo del estator, sus líneas de flujo atraviesan las barras de la periferia del rotor,
apareciendo voltajes en estas engendrados por inducción electromagnética. Ya que las barras
del rotor están cortocircuitadas y con una resistencia muy baja (por su material), aparecen
elevadas corrientes que circulan en el circuito de la jaula en dirección opuesta al flujo de la
corriente en el estator (principio de Lenz), tales corrientes producen sus propios campos
magnéticos de gran intensidad, desarrollando fuerzas de atracción y repulsión en la misma
dirección (derecha o izquierda) con el campo del estator, tales las fuerzas actúan juntas y
ninguna trabaja contra la otra, el resultado de estas fuerzas produce torque y rotación.
171
A manera de síntesis, las características de de funcionamiento del motor de inducción jaula de
ardilla son:
 Es el motor industrial más sencillo.
 No hay conexión externa del rotor.
 El devanado del rotor, consiste en barras de cobre o aluminio conectadas en cada
extremo mediante un anillo continuo.
 El arreglo de jaula de ardilla hace que el motor trifásico arranque automáticamente.
 Es un motor de velocidad casi constante, pues el rotor nunca podrá alcanzar la
velocidad sincrónica.
 El rotor gira en la dirección de rotación del campo del estator.
 Su corriente de arranque, suele ser de 3 o 5 veces la intensidad nominal.
 Es fácil de fabricar y no requiere de mucho mantenimiento.
COMPONENTES A OCUPAR
EQUIPO
Fuente Trifásica de Poder
CÓDIGO
EMS-8525
Módulo de Motor de Inducción-Jaula de Ardilla
EMS-8221
Módulo de Electrodinamómetro
EMS-8911
Módulo de Wattímetro Trifásico
EMS-8441
Módulo de Medición de Corriente de C.A. (2.5/ 8 A c-a)
EMS-8425
Módulo de Medición de Voltaje de C.A.
EMS-8426
(250 V c-a)
Tacómetro de Mano
EMS-8920
Cables de Conexión
EMS-8941
Banda de Acoplamiento
EMS-8942
172
EL MOTOR DE INDUCCIÓN-JAULA DE ARDILLA,
MÓDULO [EMS-8221]
1.- Revisa la estructura del Módulo de Motor de Inducción-Jaula de Ardilla:
CONOCIENDO EL ESTATOR:
a).- Analiza los devanados del Estator.
Date cuenta que son bobinas de muchas vueltas con alambre magneto de
diámetro pequeño, espaciadas uniformemente alrededor del Estator.
(El Estator de los Motores de Inducción es el mismo para todos, ya sea con Rotor
Jaula de Ardilla ó con Rotor Devanado).
b).- Observa la caratula del Módulo:
Las terminales para alimentar los devanados del Estator son:
______ y ______ ,
-Estos funcionan con un Voltaje Nominal:___________.
______ y ______ ,
______ y ______ .
- Y con una Corriente Nominal de : ___________.
-Observa el entrehierro existente entre el Estator y el Rotor de la Máquina.
CONOCIENDO EL ROTOR:
a' ).- Identifica las paletas de enfriamiento; estas sobresalen del rotor.
b‘ ).-Revisa los anillos en los extremos del Rotor en los cuales están montadas las
paletas de enfriamiento, estos son los anillos cortocircuitantes.
-¿Existen terminales en la caratula del Módulo para conectar el Rotor?______.
c).-¿Cuál es la Potencia Nominal a la que opera esta Máquina?___________ H.P.
¿ Y la Velocidad Nominal? ____________Rev./min.
173
OPERACIÓN DEL MOTOR CON CARGA Y ALIMENTACIÓN VARIABLE:
2 a).-Conecta el siguiente circuito:
Notaras que la alimentación del Estator (conectado en estrella) se da a través del
Wattmetro trifásico y la salida trifásica variable de la Fuente de Alimentación
(terminales 4,5 y 6).
¡No acoples aun el Electrodinamómetro al Motor !
MOTOR DE INDUCCIÓN CON
ROTOR JAULA DE ARDILLA
0-250
V-c.a.
4
0 - 208
V C-A
E1
WATTÍMETRO TRIFÁSICO
V
W-1
5
0 - 208
V C-A
1
2
33
+
+
-
-
I-1
0 – 2.5 A c-a
W-2
44
5
A
2.5 Amp
66
+-
1
4
2
5
3
6
I-2
6
2.5 Amp
A
+-
I-3
2.5 Amp
A
+
-
ELECTRODINAMÓMETRO
ROTACIÓN
1
1
120 V C-A
N
2
FIGURA: 7.1
b).-Estando el Motor sin carga.
Enciende la Fuente la Alimentación y revisando que el sentido de rotación del
Motor sea horaria, calibra la salida de la Fuente a 208 V c-a., apóyate del
Voltímetro: “E1”.
Nota: Si el sentido de rotación de la Máquina no es horaria, apaga la Fuente
de Alimentación e invierte dos de las tres terminales de alimentación ( 4, 5 y 6).
c).- Toma las lecturas de las tres corrientes de entrada, de los Wattmetros así como la
Velocidad del Motor y anótalas en la Tabla: 7.1 para una carga de 0 lbf x in.
d).-Apaga la Fuente de Alimentación.
Acopla el Electrodinamómetro al Motor a través de la banda, hecho esto, gira la
perilla de control de carga (en el dinamómetro) a su posición extrema izquierda.
e).-Enciende la Fuente de Alimentación y ajústala a 208 V c-a.
Manteniendo este voltaje de entrada, calibra el electrodinamómetro para los
siguientes niveles de carga, anotando las lecturas requeridas en la Tabla 7.1 que se
muestra a continuación:
174
PAR
Lbf x in
0
3
6
9
12
I1
Amp. c-a
I2
Amp. c-a
I3
Amp. c-a
W1
Watts
W2
Watts
VELOCIDAD
Rev. / min
Tabla: 7. 1
f).-Baja el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación.
ARRANQUE DEL MOTOR BAJO CARGA :
3 a).-Conecta el siguiente circuito:
En este, alimentaremos al Motor con la salida trifásica fija de 208 V c-a
(terminales: 1,2 y 3 de la Fuente de Alimentación).
MOTOR DE INDUCCIÓN CON
ROTOR JAULA DE ARDILLA
ELECTRODINAMÓMETRO
I-1
0 – 8 A c-a
1
8 Amp
A
ROTACIÓN
+-
208
V C-A
1
4
1
2
208
V C-A
E1
V
0-250
V-c.a.
3
2
5
2
3
6
1
120 V C-A
N
FIGURA: 7.2
b).-Ajusta la perilla de control de carga del electrodinamómetro a su posición extrema
derecha. Esto, para que el Motor arranque con una carga máxima.
-A continuación tres compañeros apoyaran al Instructor, pues mientras este último
aplica potencia por no más de 10 segundos al Motor, un compañero estará
pendiente del Voltímetro “E1”, otro del Amperímetro “I1” y el tercero registrara el
par de arranque que desarrolla el Motor en el electrodinamómetro.
c).-Enciende la Fuente de Alimentación, toma rápidamente las lecturas requeridas y
anota:
E1.-_____________V c-a.
I1.- _____________Amp. c-a.
Par de Arranque [τ].- _____________Lbf x in
d).-Determina la Potencia aparente de la Máquina para el par [τ]de arranque obtenido:
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
175
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
ZONA XALAPA
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ
MAQUINAS ROTATORIAS DE C.A
PRÁCTICA: VIII
EL MOTOR DE INDUCCIÓN CON ROTOR DEVANADO
OBJETIVOS:
 Que Alumno conozca directamente un Motor de Inducción trifásico con Rotor
Devanado.
 Aprenda el funcionamiento de este tipo de Máquina Rotatoria.
 Analice como influye el Voltaje inducido en el Rotor con la Velocidad de
operación de la Máquina.
El rotor devanado de este tipo de motor de inducción, esta compuesto por un núcleo laminado
con tres devanados uniformemente espaciados, de un alambre magneto de diámetro
ligeramente mayor que el que compone las
bobinas del estator. Estos son generalmente
trifásicos y se conectan en estrella o en
delta, para luego sus tres extremos libres
conectarse uno a cada anillo colector (aros de
cobre o latón), situado sobre el eje del rotor y
aislado convenientemente del mismo. Por
este motivo también se llama rotor de anillos
rozantes. De esta forma, los tres extremos o
las fases del rotor se pueden sacar al exterior
por medio de unos frotadores o escobillas de
grafito que rozan sobre los anillos del rotor, llevando el circuito del devanado del rotor fuera
del motor, hasta un controlador, donde se varía la resistencia de dicho circuito, controlando
así la aceleración y la velocidad del motor una vez que está funcionando.
Al suministrar potencia trifásica a los devanados del estator, se produce un campo magnético
giratorio el cual induce un voltaje alterno en cada devanado del rotor. Cuando el rotor se
encuentra estático, la frecuencia del voltaje inducido en el rotor es la misma que la frecuencia
de la fuente que alimenta al estator. No obstante al iniciar su giro el rotor, en la misma
dirección que el campo y alcanza cierta velocidad, las líneas de flujo del campo giratorio del
estator cortaran cada ves menos los devanados del rotor, lo que produce que el voltaje y la
frecuencia inducidos en estos vallan disminuyendo hasta llegar a cero, esto ha razón de que la
máquina ha alcanzado la velocidad síncrona, condición en la que el rotor gira a la misma
velocidad que el campo magnético giratorio. Sin embargo, sí el rotor gira en sentido contrario
al campo giratorio del estator, alcanzando la velocidad síncrona, esto producirá que las líneas
del campo giratorio y los devanados del rotor se crucen, generando que el voltaje inducido y la
frecuencia en el rotor se dupliquen con respecto a los valores obtenidos cuando el motor esta
energizado y detenido.
176
Este motor se emplea para regímenes de arranque demasiado fuertes, tales como el caso de
las bombas que tienen una contrapresión extremadamente alta, o con maquinas que tienen
una inercia estática muy alta, también suele emplearse cuando se requiere una variación de
velocidad, en motores de corriente alterna, o bien un arranque progresivo, requerido por
maquinas de gran potencia o con un arranque difícil, combinando de esa manera la ventaja del
elevado par de arranque de un motor de alta resistencia con una menor corriente de arranque,
así como la característica de poder variar su velocidad .
El controlador de resistencia secundaria (tensión reducida) se emplea como arrancador para
obtener velocidad sin jalones o esfuerzos, y se utiliza, también, en operaciones de
funcionamiento normal, para ajustar el par y la velocidad a cualquier grado deseado.
De igual manera que en los otros apartados las características de funcionamiento
convenientes del motor de inducción rotor devanado son.:
 Devanado del estator estacionario.
 Los devanados del rotor terminan en anillos colectores.
 Adicion externa de resistencias al circuito del rotor (arranque por tensión reducida).
 El rotor puede girar: en la dirección contraria a la de rotación del campo del estator.
 Si se impulsa el rotor puede alcanzar la velocidad sincrónica.
 Buen par de arranque.
 Construcción robusta.
 Facil servicio y mantenimiento.
 Requiere circuitos de control el devanado del estator y del rotor.
 Puede servir como convertidor de frecuencia.
COMPONENTES A OCUPAR
EQUIPO
Fuente Trifásica de Poder
CÓDIGO
EMS-8525
Módulo de Motor de Inducción-Rotor Devanado
EMS-8231
Módulo Motor/Generador de C.D.
EMS-8211
Módulo de Wattímetro Trifásico
EMS-8441
Módulo de Medición de Corriente de C.A. (2.5 A c-a)
EMS-8425
Módulo de Medición de Voltaje de C.A.
EMS-8426
(250 V c-a)
Tacómetro de Mano
EMS-8920
Cables de Conexión
EMS-8941
Banda de Acoplamiento
EMS-8942
177
EL MÓDULO EMS-8231 DE
MOTOR DE INDUCCIÓN- ROTOR DEVANADO:
1.- Analiza el Módulo EMS-8231 de Motor de Inducción con Rotor Devanado:
EL ESTATOR:
a).- Mira y toca los devanados del Estator. Nota que estos tienen muchas vueltas de
alambre magneto de diámetro pequeño y se encuentran uniformemente
espaciados alrededor.
b).-¿Qué terminales en la caratula del Módulo, sirven para alimentar los tres devanados
independientes del Estator?
________ y ________ ,
¿Cuál es su Voltaje Nominal de operación? ___________.
________ y ________ ,
________ y ________ ,
¿ y su Corriente Nominal ? ___________.
c).- Observa la longitud del entrehierro existente entre el Rotor y el Estator.
EL ROTOR:
a').-Revisa los devanados del Rotor. Mira que están constituidos por muchas vueltas de
un alambre magneto ligeramente mayor que del que compone al Estator, de igual
manera veras que estos devanados están uniformemente espaciados.
b').- ¿Qué conexión presentan los devanados del Rotor (fíjate en la caratula del
Módulo)?_________________________.
c').-¿Cuáles son las terminales para alimentar al Rotor?
________ ,
¿A qué Voltaje Nominal opera de cada uno? ___________.
________ ,
________ ,
¿A qué Corriente Nominal ? ___________.
d).-Dale la vuelta al Módulo y revisa lo siguiente:
Identifica los tres anillos colectores acoplados al eje del Rotor, así como los
carbones (escobillas).
-¿Es posible mover las escobillas como en una Máquina de C.D.?_____________.
Mira que las terminales de conexión al Rotor en la caratula son llevadas hasta los
anillos colectores.
e).-Indica la Velocidad y la Potencia Nominal de la Máquina:
Velocidad Nominal: ____________Rev/min.
Potencia Nominal: ____________H.P
178
ARRANQUE DEL MOTOR DE INDUCCIÓN-ROTOR DEVANADO:
2 a).-Conecta el siguiente circuito:
Veras que el Estator del Motor/Generador de C.D. se conecta en un modo llamado
derivación y se alimenta con la salida fija de 120 V c-d (terminales 8 y N), mientras
que su Rotor (armadura en las Máquinas de C.D.) es conectado a la salida variable
de 0 – 120 V c-d (terminales 7 y N), esto con la finalidad de variar la velocidad del
conjunto.
MOTOR DE INDUCCIÓN CON
ROTOR DEVANADO
0-250
V-c.a.
1
208
V C-A
E1
WATTÍMETRO TRIFÁSICO
V
W-1
2
208
V C-A
1
2
+
+
-
-
33
I-1
0 – 2.5 A c-a
W-2
44
5
2.5 Amp
66
A
+-
1
4
7
2
5
8
3
6
9
I-2
3
2.5 Amp
A
+-
I-3
A
2.5 Amp
MOTOR DE C.D.
MODO DERIVACIÓN
0 - 120V C-D
2
1
ARMADURA
8
3
4
5
6
120V C-D
7
N
E2
0-250
V-c.a.
Observa que la alimentación trifásica
(208 V c-a. 3φ, terminales 1, 2 y 3) del
Motor de Inducción es a través del
Wattímetro y tres Amperímetros.
7
N
+-
V
8
Nota además que Estator de este
Motor se conecta en estrella.
FIGURA: 8.1
b).-Coloca el reóstato de campo del Motor/Generador de C.D. en su posición extrema
derecha, esto, para tener una resistencia mínima.
c).- Acopla el Motor de Inducción-Rotor Devanado con el Motor/Generador de C.D. a
través de la banda.
d).-Enciende la Fuente de Alimentación, dejando la perilla de control de voltaje de la
Fuente en cero volts.
Toma las lecturas de los siguientes instrumentos y anota:
E1.-__________V c-a.
E2.- __________V c-a.
W1.- __________Watts
I1.- __________Amp c-a.
W2.- __________Watts
I2.- __________Amp c-a.
I3.- __________Amp c-a.
e).-Apaga la Fuente de Alimentación.
179
f).-Determina lo siguientes valores:
-Potencia Aparente (S):
________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________=_________________VA.
-Potencia Real (PREAL):
________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________=__________________W.
-Factor de Potencia (Cos θ):
________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________=_____________________
-Potencia Reactiva (Q):
________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________=_______________VAR.
EL M.I-R. D.
ROTOR OPERANDO EN SENTIDO CONTRARIO AL CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO DEL
ESTATOR:
3 a).-Enciende la Fuente de Alimentación y apoyándote del tacómetro mano ajusta la
velocidad del Motor de C.D. exactamente a 900 Rev/min.
-Toma las lecturas de los instrumentos y anota:
NOTA: Si la magnitud del Voltaje “E2” es menor que la obtenida en la
sección: “d”, apaga la Fuente de Alimentación e intercambia dos de los
tres cables que alimentan al Estator (1,2 ó 3 de la Fuente de
Alimentación).
E1.-__________V c-a.
W1.- __________Watts
I1.- __________Amp c-a.
W2.- __________Watts
I2.- __________Amp c-a.
I3.- __________Amp c-a.
E2.- __________V c-a.
-¿Son casi equivalentes los valores calculados de la Potencia Real (PREAL) en (f) a los
obtenidos ?____________________
b).-Ajusta el Voltaje de la Fuente a una salida de 120 V c-d.
Calibra el reóstato de campo del Motor de C.D. para una velocidad del conjunto de
1800 Rev/min.
c).-Toma las lecturas y anota:
E1.-__________V c-a.
W1.- __________Watts
I1.- __________Amp c-a.
W2.- __________Watts
I2.- __________Amp c-a.
I3.- __________Amp c-a.
E2.- __________V c-a.
180
d).-Baja el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación.
-¿Es verdad que el Rotor del M.I.-R.D. esta girando en sentido contrario al campo
magnético giratorio desarrollado por el Estator?______________.
¿Por qué?_____________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
EL M.I-R. D.
ROTOR OPERANDO EN EL MISMO SENTIDO AL CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO DEL
ESTATOR:
4 a).-Intercambia las conexiones de la Armadura del Motor de C.D. (7 y N).
Esto, con la finalidad de cambiar el sentido de rotación del conjunto. Además
ajusta el reóstato del Motor de C.D. a su posición extrema derecha.
b).-Enciende la Fuente de Alimentación y apoyándote del tacómetro de mano calibra la
velocidad del conjunto a 900 Rev/min.
-Toma las lecturas y anota:
E1.-__________V c-a.
W1.- __________Watts
I1.- __________Amp c-a.
W2.- __________Watts
I2.- __________Amp c-a.
I3.- __________Amp c-a.
E2.- __________V c-a.
c).- Gira la perilla calibradora de Voltaje de la Fuente hasta tener 120 V c-d,
alimentando al Motor de C.D.
Ajusta la velocidad del conjunto a través del reóstato de campo del Motor de C.D.
hasta obtener 1800 Rev/min (busca ser lo más preciso posible).
-Toma las lecturas y anota:
E1.-__________V c-a.
W1.- __________Watts
I1.- __________Amp c-a.
W2.- __________Watts
I2.- __________Amp c-a.
I3.- __________Amp c-a.
E2.- __________V c-a.
d).-Baja el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación.
-¿Qué condiciones en las lecturas de los instrumentos, nos hace pensar que el Rotor del
M.I.-R.D. se encuentra girando en el mismo sentido que el campo magnético giratorio
del Estator?____________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
181
CONCLUCIONES
Y
BIBLIOGRAFIA
182
CONCLUCIONES
El estudio realizado a las máquinas eléctricas de C.A. y su aplicación en las prácticas ha
arrojado varios motivos a reflexionar, uno de ellos es el deber que tiene uno, como
personal técnico, de capacitarse aun más, y no sólo eso, si no la gran necesidad que se
tiene de ahondar en el conocimiento, esto se debe a la vasta información que cada
tema tiene inmerso. Haciendo menester informarse sobre diversas condiciones en las
que puede operar una máquina eléctrica (falla por ejemplo) y otros aspectos
importantes, ya que la información que aquí se expone sólo es una gota de un gran
vaso con agua, buscando entender mayor información, la cual nos ayudará a
mantener en optimas condiciones una máquina de este tipo, mejorar su eficiencia y
protegerla de posible fallas que pueden evitarse.
Este trabajo realizado, ha cumplido las expectativas personales que tenía desde el
principio, que era reforzar los conocimientos adquiridos en clase, aprendiendo más y
el ¿por qué? del funcionamiento de una máquina eléctrica, dígase transformador,
alternador (generador de C.A.) ó un motor eléctrico de inducción, comprendiendo
aspectos que a veces por falta de atención en clase no comprendí y que son vitales
para el análisis y diseño de este tipo de máquinas. Además deja en mí conocer,
normas de seguridad que una persona debe tener en cuenta al operar con este tipo de
aparatos. Otro punto que se cumplió, fue la reestructuración limpia y completa de las
prácticas de laboratorio, pudiendo ahora ser posible “subirlas” a internet, de donde el
alumno podrá descargarlas, sin apuros de último minuto. Retomando el tema de la
seguridad, se logró expresar los niveles óptimos de seguridad de niveles de tensión,
corriente, velocidad de giro y demás características para prácticas que presentan
riesgo tanto para el alumnado, como para la máquina en operación, esto debido a que
anteriormente, el instructor de prácticas debía sortear los niveles de tensión seguros a
los que opera sin riesgo el equipo. Ahora, sólo queda que el alumnado ó cualquier
persona interesado en estos temas logre el último objetivo, que es el voltear a ver las
fuentes bibliográficas, buscando reforzar y construir el conocimiento que nos hace
mejores profesionistas.
183
BIBLIOGRAFIA
 Stephen J. Chapman, Máquinas Eléctricas, Mc Graw Hill, 4° Edición.
 Irving L. Kosov, Maquinas Eléctricas y Transformadores, Prentice Hall, 2° Edición.
 Shrader, Eléctricidad fundamentos y aplicaciones, Mc Graw Hill, 1° Edición.
 Curso de Transformadores y Motores de Inducción, Gilberto E. Harper. Editorial
Limusa, 1° Edición
 Enrique Ras, Transformadores de potencia de medida y de protección, 7ā edición,
Alfaomega-Marcombo, México D.F.,1995, pp: 92-153
 Wildi, Theodore & De Vito Michael J, Experimentos con equipo eléctrico, Limusa, 6°
Reimpresión, México, 1987.
 Tesis:
Motores trifásicos de inducción para dos tensiones de servicio.
Luis Alberto Monge Rodríguez.
PÁGINAS DE INTERNET:
 http://www.scribd.com/doc/23683447/PRUEBAS-TRANSFORMADORES - 07/09/10
 http://www.delorenzogroup.com/dl/demo/DLelma/VirLab/A_teor_S/T_Tra/Tra_Gen.h
tm - 07/09/2010
 http://www.tuveras.com/maquinaselectricas.htm 10/12/10
 http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_electrica_y_electronica/regulaciondetensio
n/default.asp

¤

iv
v
i
Nombre que toma esta pieza sólo en Generadores de campo giratorio.
Piezas existentes en Alternadores de baja y mediana capacidad de generación.
iii
Componentes aplicados en Alternadores de gran capacidad de generación.
Ibídem: www.tuveras.com
Información a detalle en apoyo bibliográfico: [1], páginas: 234-238
vi
 Nombre que toma esta pieza sólo en Generadores de campo giratorio.
¤ Piezas existentes en Alternadores de baja y mediana capacidad de generación.

viii
Componentes aplicados en Alternadores de gran capacidad de generación.
184