Tema19.Maquinas eléctricas rotativas

CIDEAD.2º Bachillerato. ELECTROTECNIA. 3ª Evaluación.
Tema 19 .- Máquinas Eléctricas Rotativas.
Desarrollo del tema.1. Introducción.
2. Estructura de una máquina eléctrica. Su funcionamiento
y el número de polos.
3. La clasificación de las máquinas eléctricas rotativas.
4. La potencia.
5. El balance de energía y las pérdidas.
6. La característica del par- velocidad de un motor.
7. Las protecciones.
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1. Introducción.
Una máquina eléctrica es aquella que es capaz de generar, aprovechar y transformar la
energía eléctrica .
Se pueden clasificar en tres grandes grupos:
a. Los generadores.- Su misión es transformar cualquier tipo de energía (normalmente
mecánica) en energía eléctrica. Pueden ser dinamos o alternadores, si la corriente generada
es DC o AC.
b. Motores.- Su misión es transformar la energía eléctrica en energía mecánica .
c. Transformadores.- Tienen como misión la modificación de las variables eléctricas, como
es el caso de la tensión o la intensidad, permitiendo un mejor transporte y distribución.
Aquellas máquinas eléctricas que poseen elementos mecánicos en rotación se las denominan
rotativas; aparecen en los generadores y en los motores. En este caso una misma máquina puede
funcionar como generador y como motor, por lo tanto presentan reversibilidad.
Generador
S istema
mecánico
Medio de
acoplamiento
S istema
eléctrico
Motor
2. Estructura de una máquina eléctrica. Su funcionamiento y el
número de polos.
Las máquinas eléctricas se clasifican en :
a. Estáticas.-No poseen partes móviles . Son los transformadores.
b. Dinámicas.- Poseen partes móviles y giratorias. Dentro de este grupo se encuentran los
generadores y los motores.
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Una parte de la máquina recibe el nombre de estátor, que es la parte fija, y la parte móvil,
recibe el nombre de rotor.
Entre ambas partes se encuentra una capa de aire que recibe el nombre de entrehierro. Este
espacio ha de ser lo más estrecho posible para evitar las pérdidas del flujo magnético. El sistema
está formado por un conjunto magnético y dos circuitos eléctricos (el del rotor y el del estátor) . Al
pasar la corriente magnética por uno de los devanados, produce una f.m.m. (N.I1) que crea un flujo
magnético Φ; es el arrollamiento inductor o excitador. El otro devanado se denomina inducido, en
donde se origina una fuerza electromotriz inducida que, si es un motor, aparece un par, produciendo
una rotación en el eje, o bien aparece una f.c.e.m. produciendo una intensidad de corriente eléctrica,
actuando como generador. En las ranuras del rotor y del estátor se colocan los arrollamientos
En toda máquina rotativa hay que distinguir tres tipos de materiales:
a. Materiales activos .- Constituyen el asiento del campo magnético, poseen alta
permeabilidad magnética (acero al silicio, Fe) o poseen fuerzas electromotrices inducidas , con
resistencia eléctrica baja( Cu o Al).
b. Materiales pasivos.- Son materiales aislantes que canalizan las corrientes eléctricas y
evitan fugas y permiten la existencia de diferencias de potencial elevadas.
c. Materiales estructurales.- Desempeñan funciones de sustentación, lubrificación,
accionamiento mecánico, ventilación, etc.
Para explicar el funcionamiento de un motor eléctrico, hay que tener en cuenta que existen
devanados por donde circula una corriente eléctrica y se encuentran en el interior de un campo
magnético. En el esquema inferior, se representa un polo norte magnético y en la parte inferior
existen dos conductores cuya corriente entra en el plano de la figura y que forman parte del rotor.
Según la teoría electromagnética, se originará una fuerza dirigida hacia la izquierda. En el polo
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contiguo, ocurre lo contrario, la corriente es saliente y el polo magnético es el sur , el sentido de la
fuerza sería hacia abajo y así sucesivamente. El par resultante será el producto del momento de un
par de polos por el número de pares de polos.
Corriente
entrante
Para que todas las fuerzas puedan ser sumadas, es necesario que todas ellas tiendan a hacerlo
girar en el mismo sentido. Por ello, el sentido de las corrientes que se encuentran debajo del polo
norte, ha de ser contraria a las corrientes que se encuentran debajo del polo sur. En el motor
anterior, el sentido de giro del rotor es contrario a las agujas del reloj.
En las máquinas rotativas de DC se observan núcleos de hierro rodeados de bobinas
conductoras, que se conocen con el nombre de polos que se incrustan en una pieza de hierro
denominada culata , quedando libre el extremo de cada polo. Como en el polo norte, sale el flujo
magnético y en el polo sur entra, es necesario que los polos vayan alternando N-S-N-S,etc,
existiendo un número de polos par, la mitad son polos norte y la otra mitad son polos sur.
El número total de polos es 2p, siendo p, el número de pares de polos. Las máquinas
eléctricas se clasifican en:
Bipolares (2p =2)
Tetrapolares (2p =4)
Hexapolares (2p = 6)
Octopolares (2p = 8)
Decapolares (2p = 10 )
3. La clasificación de las máquinas eléctricas rotativas.
Las máquinas eléctricas se clasifican, según la corriente generada :
a. Máquinas de corriente continua
b. Máquinas de corriente alterna, que a su vez pueden ser Síncronas, si la corriente
excitadora es continua y asíncronas (también llamadas de inducción o de colector) si la corriente
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excitadora es alterna.
En el siguiente esquema se resume los diferentes tipos de máquinas eléctricas:
4. La potencia.
La potencia de una máquina se define como la energía desarrollada por la unidad de tiempo.
La potencia eléctrica depende de las siguientes condiciones exteriores:
a. Depende de las exigencias del circuito que alimenta.
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b. Vendrá condicionada la potencia mecánica, por la resistencia que ofrecen los mecanismos
accionados por el motor.
De entre todos los valores de la potencia útil que puede actuar una máquina eléctrica, existe
uno que caracteriza a la máquina y recibe el nombre de potencia nominal. El conjunto de
condiciones de servicio, bajo las que va a actuar una máquina eléctrica, teniendo en cuenta la
tensión aplicada, la corriente , el par, la velocidad, que han sido previstas por el fabricante y que
definen el régimen de marcha conocido como nominal. Éste régimen aparece grabado en la plavca
de características de la máquina eléctrica. Si la máquina trabaja a la potencia nominal, diremos que
está funcionando a plena carga . Puede trabajar a carga inferior a la nominal o en sobrecarga .
Un factor limitante importante de la potencia en las máquinas eléctricas es su calentamiento,
a la que se somete los distintos elementos del motor y los aislamientos. No se debe de sobrepasar
ciertos limites para evitar que la máquina se queme . Si se facilita la evacuación del calor, es posible
forzar una máquina, aunque en este caso aumentarían las pérdidas.
5. El balance de energía y las pérdidas.
Parte de la energía absorbida se convierte en calor. La potencia útil de una máquina es
siempre menor que la potencia absorbida.
Las pérdidas de potencia, que resultan inevitables, se pueden clasificar:
Las pérdidas en los conductores que constituyen los circuitos eléctricos. Generalmente son
de cobre, por lo que suelen denominar pérdidas en el cobre. Estas pérdidas de cobre se
deben al efecto Joule. Al circular la corriente, la energía eléctrica se convierte en calor, a
causa de los continuos choques de los electrones contra los iones metálicos del conductor,
produciéndose intercambio de energía cinética entre unos y otros, aumentaría la
temperatura del conductor (efecto Joule).
El valor de esta energía calorífica producida será:
U2
Calor = 0,24 W = 0,24 U.I. t (calorías) = 0,24 I2 . R . t = 0,24
.t (calorías)
R
Potencia calorífica de la corriente, vendrá dada por:
U2
Pcal = 0,24 U . I (cal/s) = 0,24 I2 R (cal/s) = 0,24
cal/s
R
L
U2
vatios. ;; R = ρ
, ρ, es la resistividad , L la
S
R
longitud y S la sección, siendo R = R0 ( 1 + α ΔT), siendo α el llamado coeficiente de variación de la
resistencia con la temperatura.
Pcal = U . I = I2 R =
Problema 1.- Un hilo de cobre de 0,5 Ω a 20º C se encuentra formando parte del bobinado
de una máquina eléctrica. Si la corriente que lo recorre es de 50 A y el incremento de
temperatura es de 40ºC , en las condiciones de funcionamiento, calcular:
a. La resistencia del hilo caliente.
b. Las pérdidas por efecto Joule
αCu = 0,0043 ºC-1
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Resolución.-
R = R0 ( 1 + α ΔT) = 0,5 ( 1 + 0,0043 . 40 ) = 0,586 Ω
P = I2 R = 502 . 0,586 = 1465 W
Pérdidas en el hierro del circuito magnético . La variación del flujo magnético puede
deberse a que el flujo sea alterno, que exista un movimiento relativo de la parte considerada
del circuito respecto al campo magnético, aunque el flujo sea constante.
Las pérdidas del hierro pueden ser debidas a :
a. Pérdidas por histéresis, por la magnetización cíclica del núcleo de hierro.
b. Pérdidas por las corrientes parasitarias de Foucault, por las corrientes inducidas en el
hierro . Por la ley de Lenz, el sentido de estas corrientes es opuesto a las causas que la
producen. Por ello se crea un par resistente que debe ser vencido por el motor que hace girar
la masa de hierro.
Se debe de emplear chapa magnética de calidad garantizada para disminuir la histéresis
magnética. Para disminuir las corrientes parásitas, se deben utilizar núcleos de hierro de
varias chapas metálicas de reducido espesor aisladas entre si .
Pérdidas mecánicas. Se deben al movimiento de las partes móviles de las máquinas
eléctricas. Pueden ser:
a. Pérdidas por rozamiento de los cojinetes.
b. Pérdidas por el rozamiento de las escobillas . Son directamente proporcional al
coeficiente de rozamiento entre el colector y las escobillas.
c. Pérdida por rozamiento con el aire y la ventilación .- Las pérdidas por ventilación crecen
al aumentar la velocidad de rotación . Cuando la aportación de aire es elevada, la potencia
absorbida por el ventilador es elevada, disminuyendo el rendimiento. Un defecto de
aportación del aire, hace que la máquina eléctrica se caliente .El cálculo de la cantidad de
aire aportada se hace por vía empírica.
El rendimiento de una máquina eléctrica es la relación que existe entre la potencia útil P u ,
suministrada por la máquina y la potencia Pa , que absorbe el funcionamiento.
Pu
100 , el rendimiento es menor que el 100%
Pa
Problema 2.- El bobinado de un motor está constituido por 40 m de longitud de 1 mm 2 de
sección . Si durante su funcionamiento la temperatura se eleva 75ºC y produce una corriente de
40 A , hallar las pérdidas por el efecto Joule.
η=
40
L
= 2,275 10-8
= 0,90 Ω
S
10−6
R = R0 ( 1 + α ΔT) = 0,90 ( 1 + 0,0043 . 75) = 1,19 Ω
Resolución.- R0 = ρ
P = I2 R = 402 . 1,19 = 1904 W
Problema 3.- Un motor eléctrico de 1/5 CV de potencia eleva un cuerpo de 8 Kg de masa a
10 m de altura en 15 segundos ¿Cuál será el rendimiento del motor?
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Resolución.- P = 147 W
=
Pu
8.9,8 .10
.100=
.100 = 35,55 %
PT
15. 147
Problema 4.- Por un motor eléctrico conectado a una tensión de 220 V circula durante 6
minutos una corriente de 50 A de intensidad. Durante ese tiempo ha conseguido elevar un objeto
de 2500 Kg. a 50 m de altura . Calcular el rendimiento del motor.
Resolución.- W = I V . t = 220 . 6 . 60 . 50 = 3960000 J
=
Wu
2500. 9,8 .50
.100=
.100 = 30,93 %
WT
3960000
6. La característica del par- velocidad de un motor.
Sobre los conductores que forman el inducido de una máquina rotativa se desarrollan fuerzas
magnéticas que hacen girar al rotor de la máquina.
Cada una de estas fuerzas determina su correspondiente momento y dado que todas las
fuerzas deben ejercer su acción en el mismo sentido, el momento de rotación de la máquina vendrá
dado por la suma de todos esos momentos elementales.
La acción de este momento es diferente según el tipo de máquina rotativa . Si se trata de un
generador, el momento de rotación de la máquina se opone al movimiento de arrastre del motor o
turbina que lo acciona ; se conoce como par resistente del generador. Si es un motor, el momento de
rotación determina el giro del motor, se conoce como par motor.
La velocidad de giro es una magnitud que hay que tener en cuenta. La velocidad de
funcionamiento viene fijada por el punto para el cual el par que el motor puede suministrar
electromagnéticamente es igual al par que la carga necesita para su funcionamiento. Para determinar
la idoneidad de un motor es necesario conocer la característica par-velocidad del motor, igual que
la característica de la carga.
En el funcionamiento de un motor con su carga, considerando la variación de velocidad, se
pueden distinguir las siguientes tres fases:
a. Arranque.- Es la puesta en marcha, cuando se conecta el motor a la red de alimentación.
Para que pueda arrancar ha de vencer una resistencia que ofrecen los rozamientos y la inercia de las
partes móviles. El momento de rotación recibe el nombre de par de arranque . Este punto es la
ordenada en el origen de la representación par- velocidad del motor.
b. Aceleración.- Es el periodo que continúa a la puesta en marcha del motor , hasta que se
consigue la velocidad de régimen o nominal . Se exige al motor el máximo par que es capaz de dar.
c. Régimen nominal.- El motor alcanza su marcha de régimen permanente, cuando su
velocidad bajo la carga nominal permanece constante.
En estas condiciones , el par motor es igual al par resistente, estando el sistema funcionando
en el punto P de la representación Mi = Mr ( Mi , es el par motor; Mr es el par resistente de carga).
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En el funcionamiento de una máquina eléctrica, se pueden originar variaciones de diferentes
parámetros(velocidad, tensión en los bornes, la potencia útil, etc) , según su comportamiento, las
máquinas eléctricas pueden ser:
a. Una máquina eléctrica es estable, cuando frente a una variación de los valores
característicos de su régimen nominal, responde automáticamente con una acción correctora
encaminada a restablecer el régimen o marcha nominal.
B Una máquina es inestable cuando frente a una variación de los valores característicos de
su régimen nominal, responde automáticamente con una acción que refuerza la alteración
alejándose cada vez más de la marcha nominal o de régimen .
En el caso de un motor eléctrico, la alteración que puede haber se debe a:
Aumento de la velocidad.- Frente a esta acción, un motor estable, reduce el par motor para
que sea menor que el resistente, restableciéndose el equilibrio. Un motor inestable responde
con una elevación del par motor, aumentando la velocidad.
Disminución de la velocidad. En este caso en motor estable, aumenta el par motor frente al
resistente , para aumentar su velocidad. Un motor inestable, aumenta el par resistente, frente
al par motor, disminuyendo todavía más la velocidad hasta pararse.
De las dos gráficas siguientes, se aprecia que la de la izquierda corresponde a un motor
estable, el par resistente en el origen es inferior al par motor. La gráfica de la derecha es un
motor inestable.
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7. Las protecciones.
Los elementos interiores de una máquina eléctrica, deben de estar protegidos frente a
posibles alteraciones de funcionamiento en régimen y de las condiciones ambientales.
Las protecciones de una máquina eléctrica pueden ser:
a. Abiertas.- No disponen de ninguna protección especial. Solamente dispone de carcasa y
soportes. Son las máquinas más sencillas.
b. Protegidas contra goteo.- Se protegen los bobinados y elementos interiores de manera que
se impida la entrada de agua u otro liquido que descienda verticalmente.
c. Protegidas contra goteo y salpicaduras.- Impiden la penetración de cuerpos sólidos y la
entrada de agua u otros líquidos.
d. Cerradas.- La construcción impide el intercambio de aire entre el interior y el exterior .
Protegen a los bobinados y los elementos interiores frente a la entrada de agua u otros
líquidos distintos proyectados en cualquier dirección . No son máquinas totalmente
herméticas.
e. Antiexplosivas.- Se diseñan para que puedan funcionar en una ambiente cargado de gases
y polvos inflamables. Son totalmente cerradas y ademas evitan la propagación al exterior de
posibles detonaciones internas .
El grado de protección contra los contactos, contra el agua o cuerpos extraños se definen
según la norma UNE 20 324 , que se conoce con el nombre de índice de protección (IP) .
El primer dígito IP indica el grado de protección contra los contactos y cuerpos extraños. El
segundo dígito IP indica la protección frente al agua. El tercer dígito indica la protección contra
golpes.
Una máquina IP 134 determina:
Presenta protección contra contactos casuales de grandes superficies(la mano).Presenta
protección contra la penetración de cuerpos extraños sólidos de diámetro superior a los 12 mm.
Presenta protección contra el rociado de agua hasta un ángulo de 60º con la vertical. El tercer dígito
indica que presenta una gran protección contra los choques mecánicos muy fuertes.
Problema 5.- Las gráficas de la figura representan los pares motor y resistente de un
motor de DC . Calcular los valores de las velocidades de rotación estables.
Resolución.Como se puede observar el la gráfica siguiente, las velocidades de régimen estable para el
motor, son aquellas que el par motor esté por debajo del par resistente, concretando para los
puntos :
n = 550 rpm y n = 4000 rpm.
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Problema 6.- Determinar las dificultades de arranque que presenta un motor cuyo par
motor Mi aparece representado en la gráfica adjunta, sabiendo que el par resistente cumple la
siguiente ecuación:
Mr = 60 – 0,008 n
Mi
Mr
Resolución.- Representamos el Mr
Los puntos de la recta serán : (60, 0) y (2000, 44)
Nunca arrancará, puesto que el par motor ha de estar por debajo del par resistente a partir de
la velocidad de régimen que será de 1300 rpm
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