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Unidad 2.- Motores, transformadores y aplicaciones Los motores eléctricos son máquinas utilizadas en transformar energía eléctrica en mecánica. Son los motores utilizados en la industria, pues combinan las ventajas del uso de la energía eléctrica (bajo, costo, facilidad de transporte, limpieza y simplicidad de la puesta en marcha, etc.) con una construcción relativamente simple, costo reducido y buena adaptación a los más diversos tipos de carga. De acuerdo a la fuente de tensión que alimente al motor, podemos realizar la siguiente clasificación: Motores de corriente directa (DC) Motores de corriente alterna (AC) 2.1 Motores de corriente alterna y corriente directa. En primera instancia y antes de iniciar con la explicación de los motores, es necesario conocer el funcionamiento de un generador. Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener un voltaje entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos enrollados sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M. es el trabajo que el generador realiza para pasar la unidad de carga positiva del polo negativo al positivo por el interior del generador). Los generadores se clasifican en primarios y secundarios, según sus características: a) Son generadores primarios los que convierten en energía eléctrica la energía de otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente. b) Mientras que los secundarios entregan una parte de la energía eléctrica que han recibido previamente. Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se establece o se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André Marie Ampere. Si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica sobre el conductor. Tipos de generadores eléctricos. Existen diferentes tipos de generadores eléctricos, se pueden encontrar los que funcionan a base de gas natural, gas lp, gasolina, diesel, etc. A continuación se muestra un modelo de cada tipo de generador. A gasolina A diesel A gas Funcionamiento básico de un generador. El movimiento de una turbina hace girar una bobina conductora situada entre imanes. De esta forma se induce en los hilos conductores de la bobina una corriente eléctrica. Es el generador usado para producir electricidad a gran escala. El principio básico de producción de electricidad es el mismo en muchas centrales: mediante combustible, radiación solar, el viento, etc., se genera el movimiento de unos grandes imanes, lo cual produce la corriente eléctrica. CORRIENTE ALTERNA Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, de alternating current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. La forma de oscilación de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una oscilación sinusoidal (figura 1), puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilación periódicas, tales como la triangular o la cuadrada. Utilizada genéricamente, la CA se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la CA. CORRIENTE DIRECTA La corriente continua o corriente directa (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna (CA en español, AC en inglés), en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es decir, los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos). Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad. También cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, el flujo se denomina corriente continua y va del polo positivo al negativo. Motores de corriente contínua Los motores de corriente continua, son máquinas que convierten energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica. La mayoría las máquinas de corriente continua son semejantes a las máquinas de corriente alterna ya que en su interior tienen corrientes y voltajes de corriente alterna. Las máquinas de corriente continua tienen corriente continua sólo en su circuito exterior debido a la existencia de un mecanismo que convierte los voltajes internos de corriente alterna en voltajes corriente continua en los terminales. Este mecanismo se llama colector, y por ello las máquinas de corriente continua se conocen también como máquinas con colector. 1.- Partes básicas de las máquinas de corriente continua Inductor: Es la parte de la máquina destinada a producir un campo magnético, necesario para que se produzcan corrientes inducidas, que se desarrollan en el inducido, este inductor consta de las partes siguientes: Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar. Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor. Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica. Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro. Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia. Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina. El Inducido es la parte giratoria de la máquina, también llamado rotor y consta de las siguientes partes: Devanado inducido: Es el devanado conectado al circuito exterior de la máquina y en el que tiene lugar la conversión principal de la energía. Colector: Es el conjunto de láminas conductoras (delgas), aisladas unas de otras, pero conectadas a las secciones de corriente continua del devanado y sobre las cuales frotan las escobillas. Núcleo del inducido: Es una pieza cilíndrica montada sobre el cuerpo (o estrella) fijado al eje, formada por núcleo de chapas magnéticas. Las chapas disponen de unas ranuras para alojar el devanado inducido. Las escobillas son piezas conductoras destinadas a asegurar, por contacto deslizante, la conexión eléctrica de un órgano móvil con un órgano fijo. El entrehierro es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el inducido; suele ser normalmente de 1 a 3 mm, lo imprescindible para evitar el rozamiento entre la parte fija y la móvil. Los cojinetes son las piezas que sirven de apoyo y fijación del eje del inducido. 2. Diagrama de una máquina de corriente continua: 1. Culata 2. Núcleo polar 3. Pieza polar 4. Núcleo de polo auxiliar 5. Pieza polar de polo auxiliar 6. Inducido 7. Arrollado del inducido 8. Arrollado de excitación 9. Arrollado de conmutación 10. Colector 11. Escobillas positivas 12. Escobillas negativas La parte partes 2 y de 1 a la 5 forman parte del inductor. En conjunto las 3 se designan por polo inductor. La parte 6 constituye el inducido, al que va arrollado un conductor de cobre formando el arrollamiento del inducido. Alrededor de los núcleos polares, va arrollando, en forma de hélice, el arrollamiento de excitación (8). Análogamente cada núcleo de los polos La de parte conmutación lleva un arrollamiento de conmutación (9). 10 representa el conmutador o colector, que está constituido por varias láminas aisladas entre sí, formando un cuerpo cilíndrico. El arrollamiento del inducido está unido por conductores con las láminas del colector; inducido y colector giran conjuntamente. Sobre la superficie del colector rozan unos contactos a presión mediante unos muelles. Dichas piezas de contacto se llaman escobillas. El espacio libre entre las piezas polares y el inducido se llama entrehierro. Aplicaciones Los motores de corriente continua en derivación son adecuados para aplicaciones en donde se necesita velocidad constante a cualquier ajuste del control o en los casos en que es necesario un rango apreciable de velocidades (por medio del control del campo). El motor en derivación se utiliza en aplicaciones de velocidad constante, como en los accionamientos para los generadores de corriente continua en los grupos motogeneradores de corriente directa. El motor devanado en serie se usa en aplicaciones en las que se requiere un alto par de arranque, como en la tracción eléctrica, grúas, malacates, etcétera. En los motores en compound, la caída de la característica velocidad-par se puede ajustar para que se adecue a la carga. En aplicaciones en las que tradicionalmente se emplean motores en compound, podría considerarse el motor PM en los casos en que se necesiten una eficiencia un poco más alta y una mayor capacidad de sobrecarga. En las aplicaciones de motores devanados en serie, la consideración del costo puede influir en la decisión de hacer el cambio. Por ejemplo, en tamaños de armazón menores de 5 pulgadas de diámetro, el motor devanado en serie es más económico; pero en tamaños de más de 5 pulgadas, este motor cuesta más en volúmenes grandes, y el motor PM en estos tamaños más grandes desafía al motor devanado en serie con sus pares altos y su baja velocidad en vacío. Los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones industriales el torneado y taladrado de materiales, trefilación, extrusión de materiales plásticos y goma, ventilación de horno, retroceso rápido en vacío de ganchos de grúas, desenrollado de bobinas y retroceso de útiles para serrar. Los motores de excitación en derivación tienen aplicaciones como ventiladores, bombas, máquinas. Herramientas además de los citados para el motor de excitación independiente. Entre las aplicaciones del motor serie cabe destacar tracción eléctrica, grúas, bombas hidráulicas de pistón y en general en aquellos procesos donde lo importante sea vencer un par de gran precisión en la velocidad. El mayor uso del motor compound aditivo es en estrujadoras, grúas tracción, calandras, ventiladores, prensas, limadores, etcétera. El motor compound diferencial presenta el peligro de embalarse para fuertes cargas, por lo que su empleo es muy limitado. Los motores de imán permanente se emplean para el movimiento de maquinaria (tornos) en procesos de fabricación automática, arrastres de cintas de audio y video, movimiento de cámaras, etc. 2.2.Transformadores Monofásico y trifásico. Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores. El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario. Transformador monofásico Básicamente está formado por un núcleo compuesto de láminas de hierro y dos bobinados, a los cuales denominaremos primario y secundario. El bobinado primario con “N1” espiras es aquel por el cual ingresa la energía y el secundario con “N2” espiras es aquel por el cual se suministra dicha energía. Transformador monofásico ideal Para analizar un transformador, vamos a iniciar su estudio suponiendo que el mismo es ideal, por lo que debe presentar las siguientes características: • Las bobinas primaria y secundaria no tienen resistencia óhnmica. • Todo el flujo magnético se encuentra en el núcleo de láminas de acero. • El núcleo no tiene reluctancia. • El núcleo no tiene pérdidas por corrientes parásitas ni por histéresis. Transformadores trifásicos A partir de ciertas potencias, los transformadores son trifásicos, pudiéndose armar un conjunto o “banco” trifásico, mediante el uso de tres transformadores monofásicos o bien un solo transformador trifásico, el cual se forma mediante un núcleo magnético y las bobinas necesarias para armar tres fases, tal como se observa en la figura Conexiones normalizadas De acuerdo a la forma en que se conectan los bobinados, los conjuntos trifásicos, están definidos por un grupo de conexión que los identifica mediante una nomenclatura que se determina por dos letras y un número según el siguiente detalle: • La primera letra mayúscula, define la forma de conexión de los bobinados de alta tensión, la cual puede ser D (Triángulo) o Y (Estrella). • La segunda letra minúscula, define la forma de conexión de los bobinados de baja tensión, la cual puede ser d (Triángulo) o y (Estrella). • El número multiplicado por 30, define el ángulo de desfasaje entre la tensiones de fase equivalentes de alta y baja tensión. Las conexiones normalizadas más utilizadas pertenecen a los grupos 0 (0°), 5 (150°), 6 (180°) y 11 (330°) 2.3. Reglamento de obras e instalaciones eléctricas (R.O.I.E.). INSTALACIONES ELÉCTRICAS. DEFINICIÓN: A.01.- Sistemas de tuberías, ductos, conductores, dispositivos y equipos, instalados en un edificio para la alimentación y distribución de energía eléctrica. A.02.- A titulo enunciativo, pero no limitativo, los elementos que componen las Instalaciones Eléctricas, podrán ser: A).- Ductos, tuberías conduit y sus conexiones. B).Cajas y registros. C).- Conductores eléctricos. D).- Empalmes y terminales. E).- Centros de carga. F).- Interruptores termomagneticos. G).- Interruptores de navajas. H).- Controles y arrancadores. l).- Accesorios diversos. J).- Unidades de alambrado. K).- Acometidas y subestaciones. MATERIALES. El proyecto fijara en cada caso la capacidad, dimensiones y demás características de las unidades de iluminación, equipos, accesorios, controles y arrancadores, centros de carga, interruptores termomagneticos e interruptores de navajas que se utilicen. Durante las cargas, transportes, descargas y almacenamientos el Supervisor deberá tener especial cuidado de no dañar los materiales, equipos y accesorios, los cuales deberán llagar a la obra con sus empaques e identificación originales del fabricante. se estibaran en bodegas cerradas, evitando la humedad, polvo y cualquier otro fenómeno que pueda dañarlos. EQUIPOS. Los equipos y dispositivos que se coloquen, para el funcionamiento correcto de las Instalaciones Eléctricas, deberán cumplir con los requisitos y características que fije el proyecto. A titulo enunciativo, pero no limitativo, podrán ser: A).- Motores. B).- Bombas. C).-Centros de carga. D).- Tableros de alumbrado y distribución. E).- Interruptores termomagneticos. F).Interruptores de navajas. G).- Interruptores a presión. H).- Interruptores de flotador. l).Alternadores para bombas. J).- Arrancadores manuales. K).- Arrancadores magnéticos. L).Unidades de alumbrado. M).- Lamparas. N).- Balastaras y reactores. Ñ).- Transformadores. REQUISITOS DE EJECUCIÓN. Las Instalaciones Eléctricas se ejecutaran de acuerdo con el proyecto y cumplirán con lo fijado en el Reglamento de Obras e Instalaciones Eléctricas de la Comisión Federal de Electricidad. Los ductos que se utilicen para alojar los conductores, serán de lamina de acero, de forma rectangular, protegidos convenientemente en su interior y exterior contra la corrosión, en tal forma que el aislamiento de los conductores no sufra raspaduras. En su instalación se observara la siguiente: A).- Deberán construirse e instalarse en tal forma, que se asegure la continuidad mecánica y eléctrica de todo el sistema de canalización. B).- Estarán soportados por colgadores a intervalos no mayores de uno punto cincuenta ( 1.50 ) metros. C).Se utilizaran para ampliar espacios de alambrado en concentraciones de medidores, tableros de distribución o de control, o en puntos similares, en instalaciones de no mas de 600 voltios entre conductores. D).-Deberán cubrir totalmente los conductores que contengan y el espesor mínimo de la lamina será de uno punto cincuenta y nueve ( 1.59 ) milímetros ( calibre 16 ). E).- No contendrán interruptores, arrancadores u otros dispositivos de protección o control. F).- Llevara ménsulas en su interior cada sesenta ( 60 ) centímetros, en las que apoyaran los conductores, debiendo conservar estos la misma posición relativa dentro y a lo largo del ducto. G).- Cuando atraviesen muros o pisos, deberán pasar en tramos completos sin uniones. H).- Se utilizaran las conexiones especiales que requieran en sus uniones entre tramo y tramo, bajadas y cambios de dirección. El espacio ocupado por los conductores no será mayor del cuarenta por ciento ( 40%) de la sección interior del ducto. J).- Deberán llevar preparaciones para hacer derivaciones o conexiones de tubería conduit a interruptores o arrancadores, así como tapas que los hagan fácilmente registrables. 2.4. Elementos eléctricos de Control industrial (Relevadores). RELEVADORES ELECTRICOS El relé o relevador (del francés relais, relevo) es un dispositivo electromecánico, que funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835. Ya que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, una forma de amplificador eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la función de repetidores que generaban una nueva señal con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Se les llamaba “relevadores”. De ahí “relé”. Los contactos de un relé pueden ser Normalmente Abiertos (NA o NO (Normally Open)), por sus siglas en inglés), Normalmente Cerrados (Normally Closed)(NC) o de conmutación. Los contactos Normalmente Abiertos conectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se desconecta cuando el relé está inactivo. Este tipo de contactos son ideales para aplicaciones en las que se requiere conmutar fuentes de poder de alta intensidad para dispositivos remotos. Los contactos Normalmente Cerrados desconectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se conecta cuando el relé está inactivo. Estos contactos se utilizan para aplicaciones en las que se requiere que el circuito permanezca cerrado hasta que el relé sea activado. Los contactos de conmutación controlan dos circuitos: un contacto Normalmente Abierto y uno Normalmente Cerrado con una terminal común. RELEVADOR DE LÁMINAS Este tipo de relé se utilizaba para discriminar distintas frecuencias. Consiste en un electroimán excitado con la corriente alterna de entrada que atrae varias varillas sintonizadas para resonar a sendas frecuencias de interés. La varilla que resuena acciona su contacto; las demás, no. El desarrollo de la microelectrónica y los PLL integrados ha relegado estos componentes al olvido. Los relés de láminas se utilizaron en aeromodelismo y otros sistemas de telecontrol. Los núcleos de todas las máquinas de corriente alterna son laminados para reducir las pérdidas por corrientes 2.5.Aplicaciones. comunes una gran los automóviles Más tarde dónde en los hay automóviles, 12V demotor entrada fabricantes yuna casi todo empezaron necesita combinando hacer elelectrónico más fácil relevador el mantenimiento. con forma de tableros en la caja de fusibles para En en el general, electroimán, objetivo un bajo del poder relevador el circuito es usar electrónico--para una pequeña cantidad mover una de energía armadura Por ejemplo, que usted puede podría cambiar querer una elcantidad electroimán mucho para más dar grande energía de energía. usando 5 120V voltios CA ycorriente. aen 50 2elel amperios milliamps (240 (250 vatios). milliwatts), mientras lalos armadura puede soportar mando Los relevadores son que bastante enciende comunes algo como en aparatos un de o una la casa luz. dónde También hay un general, objetivo del relevador es usar una pequeña cantidad deson energía en el electroimán, un bajo poder el circuito electrónico--para mover una armadura que puede cambiar una cantidad mucho más grande de energía. Por ejemplo, usted podría querer el electroimán para dar una energía usando 5 voltios y 50 milliamps (250 milliwatts), mientras la armadura puede soportar 120V CA a 2 amperios (240 vatios). Los relevadores son bastante comunes en aparatos de la casa dónde hay un mando electrónico que enciende algo como un motor o una luz. También son comunes en los automóviles dónde hay 12V de entrada y casi todo necesita una gran corriente. Más tarde en los automóviles, los fabricantes empezaron combinando el relevador con forma de tableros en la caja de fusibles para hacer el más fácil el mantenimiento. En general, el objetivo del relevador pequeña cantidad es usar una de energía poder electrónico--para el circuito mover una cambiar mucho más una grande cantidad de energía. querer para dar el una electroimán energía usando (250 la armadura milliwatts), puede soportar (240 vatios). bastante aparatos de comunes la casa en dónde un enciende motor o una algo luz. como También un son automóviles 12V de entrada dónde y casi hay todo necesita tarde los fabricantes en los automóviles, empezaron con forma de tableros caja de fusibles para mantenimiento. relevador pequeña cantidad es usar una de energía poder electrónico--para el circuito mover una cambiar mucho más una grande cantidad de energía. querer para dar el una electroimán energía usando (250 la armadura milliwatts), puede mientras soportar (240 vatios). bastante aparatos de comunes la casa en dónde hay un enciende motor ohay una algo luz. como También unen son automóviles 12V de entrada dónde ymientras casi hay todo necesita tarde los fabricantes en los automóviles, empezaron
