CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA
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Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computadoras Universidad Nacional del Sur CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Código 2553 Añ 2011 – 2º C Año Cuatrimestre ti t CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Profesor Ing. José Hugo Argañaraz Asistente Ing. Hernán Berón Ayudantes de Docencia Ing. Eduardo Galliano Ing. Javier Lusarreta Ing. Marcelo Ríos Mg.Leandro Steffanazi Sr. Matías Ardiles CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Clases teórico - prácticas (Ejercicios, Simulaciones y Explicación E li ió de d los l Trabajos T b j Prácticos P á ti d de Laboratorio.) M t d Martes de 10 a 13 h hs Jueves de 10 a 13 hs Clases experimentales p (Trabajos ( j Prácticos de Laboratorio) Martes de 18 a 20 hs ((C1)) y 20 a 22 hs ((C2)) Miércoles de 18 a 20 hs (C3) y 20 a 22 hs (C4) Jueves de 18 a 20 hs ((C5)) y 20 a 22 hs ((C6)) Viernes de 18 a 20 hs (C7) y 20 a 22 hs (C8) CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Bibliografía Básica Fitzgerald – Kingsley - Umans Electric Machinery 6a Ed - 2003 Mc Pherson-Laramore Electrical Machines and Transformers 2a Ed – 1990 J. Fraile Mora Maquinas Electricas 5a ed. ed Manuales y Folletos Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuitos Magnéticos Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Simplificación básica: Ecuaciones de Maxwell: v∫ B.dA = 0 v∫ C H dl = v∫ JJ.dA H.dl dA forma magneto-cuasi-estática para los tamaños y frecuencias normales en máquinas eléctricas e éct cas S S J: densidad de corriente ds: diferencial de área dl: diferencial de longitud B: inducción magnética g H: excitación magnética Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA ûr La Inducción Magnética B (también denominada Densidad de Campo Magnético), se define como el Flujo Magnético é Φ por unidad de área á (de una sección normal a la dirección del flujo. j Su unidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI), es el tesla [T]. Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Por definición la relación entre B y H se permeabilidad p magnética g denomina absoluta µ y representa la capacidad de un medio material para concentrar un campo magnético, siendo variable con el fenómeno de la magnetización magneti ación (saturación) (sat ación) del material. mate ial La permeabilidad magnético del vacío (aire) g a: se considera constante I y en el SI es igual µ0 = 4π.10-7 Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA ûr El valor de B en el vacío, a una distancia r de una carga q que se mueve a una velocidad v, v está dado por: G G μ0 q.v × uˆr B= 2 4π r B r dl B B i Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA ûr Expresado en función de la corriente y del desplazamiento (Ley de Biot Biot-Savart) Savart) → G μ0 i.dl× uˆr B= 2 4π r B: inducción B i d ió en [T] i: corriente en [A] s: área en [m2] l: longitud en [m] B r dl B B i Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Para un circuito magnético con una bobina ideal de N espiras i + Líneas de Flujo Rozamiento del M émbolo Magnético éti ffld Longitud Media Longitud Media DC del Núcleo Área AC de Sección Trans ersal del Transversal del Núcleo e − Devanado N vueltas Permeabilidad µ del Núcleo Magnético Núcleo Magnético Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Se define la fuerza magnetomotriz como: F = N.i N i = v∫ H H.dl dl Rozamiento del émbolo Φ ffld i + DC e − N µ AC N.i ⎡ A − v ⎤ Ni H= DC ⎢⎣ m ⎥⎦ B μ= H Φ B= AC Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuitos magnéticos - formas: Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Ci Circuito i magnético é i simple i l i Líneas de Flujo Rozamiento del M émbolo Magnético éti + λ − Devanado N vueltas ffld Longitud Media Longitud Media DC del Núcleo Área AC de Sección Trans ersal del Transversal del Núcleo Permeabilidad µ del Núcleo Magnético Núcleo Magnético Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Ci Circuito i magnético é i con entrehierro hi i Líneas de Flujo Rozamiento del M émbolo Magnético éti + λ − Devanado N vueltas ffld Longitud Media Longitud Media DC del Núcleo Entrehierro de Longitud g y Longitud y Permeabilidad µ0 Permeabilidad µ del Núcleo Magnético Núcleo Magnético Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Abombamiento b b i del d l campo magnético é i Núcleo Entrehierro de Entrehierro de Longitud g y Permeabilidad µ0 Permeabilidad g Líneas de Flujo Magnético Campos de Abombamiento Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuito magnético é con dos entrehierros Permeabilidad de los entrehierros µ0 Permeabilidad de los entrehierros Áreas i A1 + λ g1 A2 Entrehierros g2 − Devanado N vueltas Permeabilidad µ del Núcleo Magnético → ∞ Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuito magnético é con doble excitación ó Longitud Media lC del Núcleo Longitud Media del Núcleo i1 + λ1 i2 + Área AC de Sección Sección Transversal del Núcleo λ2 − D Devanado d N1 vueltas lt − Devanado N1 vueltas Permeabilidad µ del Núcleo Magnético Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuito magnético é con doble excitación ó y entrehierro Permeabilidad del entrehierro µ0 Permeabilidad del entrehierro i1 + λ1 − D Devanado d N1 vueltas lt Longitud Media lC del Núcleo Longitud Media del Núcleo i2 g + Entrehierro Área AC de Á d Sección Transversal del Transversal del Núcleo λ2 − Devanado N1 vueltas Permeabilidad µ del Núcleo Magnético → ∞ Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuito magnético g con desplazamiento p lineal Permeabilidad del entrehierro µ0 Permeabilidad del entrehierro i + λ Núcleo magnético fijo g x Rozamiento nulo ffld É b l Émbolo magnético móvil éti ó il − Permeabilidad µ del Núcleo Magnético → ∞ Magnético → ∞ C.E.E. – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuito magnético g con desplazamiento p rotativo Permeabilidad del entrehierro g µ0 Devanado N vueltas i Líneas de Flujo Magnético + λ estator t t − rotor Área AE de Sección Transversal del Estator l Longitud Media C d l Nú l del Núcleo Área AR de Sección Área de Sección Transversal del Rotor Á Área Ag de la Cara Polar del Rotor Permeabilidad µ del Estator y Rotor → ∞ Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuitos magnéticos é y circuitos eléctricos - equivalencias: Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuito magnético é simple Circuito eléctrico Circuito magnético Φ = F/RC I = U/R + + RC R F U − − Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuito magnético é con entrehierro Circuito eléctrico Circuito magnético Φ = F/(RC + RG) I = U/(R1 + R2) + R1 + RC F U − R2 − RG Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuito magnético é con dos entrehierros Ci c ito Circuito eléctrico Ci c ito Circuito magnético Φ = F/(R ( C + RG1//RG2) I = U/(R ( 1 + R2-1//R2-2) R1 + Φ1 F U − R2-1 RC + R2-2 − RG1 Φ2 RG2 Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuito magnético é con doble excitación ó y un entrehierro Circuito eléctrico lé t i Circuito magnético éti Φ = (F2 − F2)/(RC + RG) Φ I = (U1 – U2)/(R1 + R2) I R1 + U1 RC R2 + − + F1 U2 − RG + F2 − − Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuitos magnéticos – excitación con corriente i t continua: ti Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Curva de magnetización g Se excita el devanado con una UDC creciente. La corriente en la bobina crecerá desde 0 A hasta un valor máximo p permisible p por el arrollamiento . Densidad de Flujo Magnético B i + vs Relación intensidad de Campo Magnético H Líneas de Flujo Magnético ffl d u − Devanado N vueltas UDC IDC = Rbob Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Curva de magnetización g ((histéresis)) Si se disminuye ahora la corriente en la bobina hasta 0 A, el material quedará con un magnetismo remanente y será necesario invertir el sentido de la corriente para llevar la inducción a 0 T Densidad de Flujo Magnético B i + Relación intensidad de Campo Magnético H vs B Líneas de Flujo Magnético + BMAX ffl d u − + HMAX ─ Devanado N vueltas UDC IDC = Rbob H HMAX ─ BMAX Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Curva de magnetización g ((histéresis)) La curva también puede expresarse el términos de flujo y fuerza magnetomotriz Flujo Magnético Φ = B.A BA i + Fuerza Magnetomotriz F = H.l H l = N.i Ni vs ϕ Líneas de Flujo Magnético + ΦMAX ffl d u − + FMAX ─ Devanado N vueltas UDC IDC = Rbob F FMAX ─ ΦMAX Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Curva de magnetización g ((histéresis)) Ó en términos de flujo y corriente Flujo Magnético Φ = B.A BA i + Líneas de Flujo Magnético ffl Intensidad de Corriente I vs ϕ + ΦMAX d u − + IMAX i ─ IMAX Devanado N vueltas UDC IDC = Rbob ─ ΦMAX Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Ciclo de histéresis p para distintas excitaciones Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Circuitos magnéticos – excitación con corriente alternada: Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Curva de magnetización g ((histéresis)) La bobina se alimenta con una fuente de corriente alterna de tensión u(t) = UMAX.cos(ωt). La corriente varía cíclicamente desde 0 A hasta los valores máximos + y -, siguiendo la curva de histéresis Flujo Intensidad de vs Magnético i Líneas de Flujo Magnético ffl Φ Corriente I ϕ + ΦMAX d u + IMAX i ─ IMAX Devanado N vueltas UaC IAC = Zbob ─ ΦMAX Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Curva de magnetización g ((histéresis)) Si se considera una bobina de impedancia nula, el flujo atrasará 90 90º con respecto a la tensión. La forma de corriente será no-senoidal u(t) = UMAX.cos(ωt) ϕ(t) = ΦMAX.sen(ωt) sen(ωt) Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Curva de magnetización g ((histéresis)) La f.e.m. inducida atrasa a su vez 90º respecto al flujo, ya que: dΦMAX .sen(ωt) dϕ e(t) = −N = −N = dt dt e(t) ( ) = −2.π.f.N.ΦMAX .cos((ωt)) = −EMAX .cos((ωt)) Para ondas de tensión senoidales: EMAX = 2.E E = 4,44.f.N. , ΦMAX = 4,44.f.N.B , MAX .A C Circuitos Magnéticos – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Pérdidas en el hierro debido a la histéresis Área del Ciclo de Histéresis Pérdidas é en el hierro en función de la densidad de flujo B Introducción – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Introducción Máquinas Eléctricas Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Cl ifi ió Clasificación: Má i Máquinas estáticas Transformadores Electroimanes Máquinas de desplazamiento lineal Contactores Motores Lineales Máquinas rotantes Motores M t Generadores Máquinas eléctricas – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Clasificación: Monofásicos Transformadores Trifásicos 2.4 mts Máquinas eléctricas – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Clasificación: Monofásicos Corriente Alterna Sincrónicos Polifásicos Asincrónicos Generadores y Motores Corriente Continua Máquinas eléctricas – Ing. José Hugo Argañaraz – Profesor Adjunto – DIEC - UNS CONVERSION CONVERSION ELECTROMECÁNICA ELECTROMECÁNICA DE DE LA LA ENERGÍA ENERGÍA Particularidades: Transformadores Se utilizan para elevar/reducir los niveles de tensión y consecuentemente los de corriente. No hay una conversión electromecánica de la energía y, salvo las pérdidas internas y la corriente necesaria para establecer el campo magnético, toda la potencia eléctrica activa (reactiva) se transmite (intercambia) entre los bornes de entrada y los de salida I1 PElec.1 I2 U1 U2 PElec.2 PElec.Perd Máquinas Máquinas eléctricas eléctricas –– Ing. Ing. José José Hugo Hugo Argañaraz Argañaraz –– Profesor Profesor Adjunto Adjunto –– DIEC DIEC -- UNS UNS CONVERSION CONVERSION ELECTROMECÁNICA ELECTROMECÁNICA DE DE LA LA ENERGÍA ENERGÍA Particularidades: Generadores y Motores PElec. En las máquinas rotantes existe una conversión de energía eléctrica en energía mecánica (motores), y viceversa (generadores). La 1ª ingresa/egresa de sus bornes y la 2ª sale/entra por el eje. Parte de la energía se emplea para suplir las pérdidas internas. Ib Ub CEje PElec. PMec. Generadores PMec. Motores PPerd. Máquinas Máquinas eléctricas eléctricas –– Ing. Ing. José José Hugo Hugo Argañaraz Argañaraz –– Profesor Profesor Adjunto Adjunto –– DIEC DIEC -- UNS UNS
