máquinas electricas

MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Jorge Luis JaramilloFundamentos de la ElectricidadPIET EET UTPL septiembre 2011

Créditos

Esta presentación fue preparada estrictamente como material de apoyo a la jornada presencial del curso de Fundamentos de la Electricidad, del programa de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones que se imparte en el Universidad Técnica Particular de Loja.

La secuencia de contenidos corresponde al plan docente de la asignatura, y, para la elaboración se han utilizado aportes propios del docente, y, una serie de materiales y recursos disponibles gratuitamente en la web.

Contenidos

•Transformadores•Máquinas rotatorias• Discusión y análisis

Contenido

•Transformadores

El primer sistema de distribución de energía eléctrica fue diseñado por Edison en 1880. Se diseñó en DC y de bajo voltaje, lo que originó un alto porcentaje de pérdidas de energía.

La siguiente generación de sistemas de distribución (que aún utilizamos) fue introducida por Tesla, y, se basa en el uso de AC cuyo voltaje se “eleva” o “reduce” a un nivel conveniente a través de transformadores.

Un transformador es un dispositivo que convierte un sistema de voltaje AC en otro sistema AC de igual frecuencia.

El transformador tuvo su origen en los trabajos de Faraday (1831), y, Yablochkov (1876).

Transformadores

Algo de historia

La invención del transformador puede atribuirse a Faraday, quien en 1831 lo utilizó para la demostración de la inducción electromagnética.

En 1876, el ingeniero ruso Yablochkov, inventó un sistema de iluminación basado en “anillos de inducción”, registrados como transformador.

En 1882, en Londres, Gaulard y Gibbs, fueron los primeros en exhibir lo que llamaron “generador secundario”, idea vendida a la empresa Westinghouse. En Turín, en 1884, ellos presentaron esta idea, acoplada en un sistema de iluminación.

En 1885, William Stanley, ingeniero de la Westinghouse, construyó el primer transformador comercial luego de la compra de la patentes de Gaulard y Gibbs. La armadura se construyó de placas de acero intercaladas, en forma de E. Este diseño se empezó a comercializar en 1886.

En 1885, lo ingenieros húnagaros Zipernowsky, Bláthy, y, Déri, crearon el eficiente diseño de armadura cerrada "ZBD“, basados en los diseños de Gaulard y Gibbs. Esta patente permitió el uso de los verdaderos primeros transformadores.

En 1889. el ingeniero ruso Dolivo-Dobrovolsky, desarrolló el primer trasnformador trifásico. En 1891, Nikola Tesla inventó el “anillo de Tesla”, transformador de resonancia para alto voltaje de alta frecuencia.

Transformadores

Algo de historia

.

Transformadores: Tipos y construcción

Un transformador esta constituido por varios “enrollados” de alambre alrededor de una armadura magnética común.

Los enrollados no suelen estar conectados eléctricamente entre sí, pero si tienen un referencia magnética común.

Consideraciones preliminares

.


Los transformadores tienen dos terminales. Uno de ellos, denominado primario, se conecta a la fuente AC. En el otro, llamado secundario, se conectan las cargas.

Consideraciones preliminares

Tipos y construcción

Core form

Tipos de transformadores

Shell form


Tipo de laminado

Laminated steel coresToroidal steel cores


Algunos transformadores de fuerza

Los transformadores de fuerza son utlizados en redes AC de alta tensión, y entre otros, puede ser:

Unit transformer, es la unidad conectada en la salida de un generador y utlizado como paso para levantar el voltaje desde el nivel de generación al nivel de transmisión.

Substation transformer, es la unidad utilizada en una subestación para adecuar el nivel de transmisión al nivel de distribución.

Distribution transformer, es la unidad que lleva el voltaje de distribución al nivel más bajo.


Transformador ideal

Entre el voltaje del primario y el secundario se cumple que:

En dónde a, es el coeficiente de amplificación del transformador (turn ratio)

Contenido

•Máquinas eléctricas rotatorias

Máquinas eléctricas rotatorias

Clasificación


Clasificación


Clasificación

Clasificación


Principio de funcionamiento




Principio de funcionamiento: fuerza electromotriz

Colector de delgas Colector de anillos




Principio de funcionamiento: motor DC


Principio de funcionamiento: motor AC


Principio de funcionamiento: generador AC

Conservación de la energía electromecánica

Sistema Eléctrico

Maquina Eléctrica

Sistema Mecánico

Flujo de energía como MOTORMOTOR

Flujo de energía como GENERADORGENERADOR

Las máquinas eléctricas son convertidores electromecánicos capaces de transformar energía desde un sistema eléctrico a un sistema mecánico o viceversa.


Conservación de la energía electromecánica


• Los generadores sincrónicos (síncronos) o alternadores son utlizados para convertir energía mecánica (derivada del vapor, del gas, o de turbinas hidráulicas) en energía eléctrica AC.

• Los generadores sincrónicos son la fuente principal de energía eléctrica

actualmente.

• Los motores sincrónicos se construyen para aplicaciones industriales que exigen gran potencia y velocidad constante.

Máquinas sincrónicas




• Un generador sincrónico tiene dos partes activas:

• Un rotor , excitado por DC. • Un estator con devanado trifásico, en el que una fuerza

electromotriz AC es generada.

• La manera en que las partes activas de una máquina sincrónica se enfrían, determina su tamaño y su estructura.



Los generadores sincrónicos son de dos tipos:

• De polos salientes (salient-pole synchronous machine)

• De rotor cilíndrico o redondo (cylindrical or round-rotor synchronous machine)



En aquellas turbinas hidráulicas que giran a baja velocidad (entre 50 y 300 rpm), se requiere de un gran número de polos en el rotor.

Turbine

Hydro (water)

D » 10 m

Non-uniform air-gap

N

S S

N

d-axis

q-axis

Hidrogenerador de polos salientes



Hidrogenerador de polos salientes



L » 10 m

D » 1 mTurbine

Steam

Stator

Uniform air-gap

Stator winding

Rotor

Rotor winding

N

S

Estas máquinas son de alta velocidad: 3600 rpm para 2 polos, y, 1800 rpm para 4 polos.

Los conductores se enfrían con hidrógeno o con agua.

Generan sobre los 2000 MVA

d-axis

q-axis

Turbogenerador de rotor cilíndrico



Turbogenerador de rotor cilíndrico



• El rotor del generador es accionado por un motor primario

• Una corriente continua que fluye en el devanado del rotor, produce un campo magnético que rota dentro de la máquina

• El campo magnético rotatorio induce una tensión trifásica en el estator del generador

Puesta en marcha



La frecuencia eléctrica del sistema de voltaje producido, está bloqueada o sincronizada con la velocidad mecánica de rotación del generador síncrono, a través de la expresión:

En dónde, fe , es la frecuencia eléctrica, Hz

P , es el número de polos del generador nm , es la velocidad del rotor, rpm

120m

enP

f

Frecuencia del voltaje generado



El voltaje generado esta dado por la expresión:

En dónde,Ф, es el flujo en la máquina (función de If)

fe , es la frecuencia eléctrica

Kc, , es una constante constructiva de la máquina sincrónica

La relación entre el voltaje generado y la corriente de excitación If, se conoce como característica de saturación del generador:

ec fKE

If

E

Voltaje generado



Una forma práctica de comparar el comportamiento de la tensión generada por dos máquinas sincrónicas, es a través de la comparación del factor denominado regulación de voltaje (VR).

El VR de un generador síncrono para una determinada carga, factor de potencia, y, velocidad nominal, se define como:

En dónde, Vfl , es la tensión a la salida del generador a full cargaEnl, (equivalente a Ef) es la tensión en los bornes sin carga (tensión interna),

a velocidad nominal, cuando se quita la carga sin necesidad de cambiar el campo actual.

En los generadores con factor de potencia rezagados, el VR es altamente positivo. Para factores de potencia medios, VR es positivo, y, para factores de potencia altos, el VR es negativo.

%100

fl

flnl

V

VEVR

Regulación del voltaje



Sincronización

Varios generadores pueden alimentar una carga más grande, que la que se alimentaría de una sola máquina. Varios generadores funcionando en conjunto, incrementan la confiabilidad del sistema.

Varios generadores actúan simultáneamente conectados en paralelo. Para que dos generadores trabajen en paralelo, deben estar sincronizados.

Un generador se dice sincronizado, si cumple todas las condiciones siguientes:

• Deben de ser iguales los voltajes de línea rms. • Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase. • Los ángulos de fase de los dos fases deben de ser iguales. • La frecuencia del generador nuevo, llamado generador en aproximación,

debe ser un poco mayor que la frecuencia del sistema en operación.



Sincronización

Load

Generator 2

Generator 1

Switch

a

b

c

a/

b/

c/



• Un motor síncrono, físicamente es la misma máquina que un generador, salvo que la dirección del flujo de potencia se invierte.

• Los motores síncronos se utilizan para convertir energía eléctrica en mecánica.

• Los motores síncronos habituales se fabrican para la industria pesada, en potencias de entre 150 KW (200HP) y 15 MW (20000HP), y, tienen velocidades de giro de entre 150 a 1800 rpm.

• Los motores síncronos se utilizan generalmente en tamaños grandes, porque en tamaños pequeños son más costosos en comparación con las máquinas de inducción.

• El factor de potencia de la máquina sincrónica se puede controlar muy fácilmente mediante el control de la corriente de campo.

Motores sincrónicos



Se alimenta el rotor de un motor síncrono con DC, de tal manera que se produzca un campo magnético en estado estacionario BR.

Se aplica una tensión trifásica al estator del motor, lo que produce un flujo de corriente trifásica en las bobinas. Esta corriente origina en el devanado del estator, un campo magnético uniforme rotacional de magnitud Bs.

Por lo tanto, en el motor están presentes dos campos magnéticos, y, el campo del rotor tenderá a alinearse con el campo del estator, así como dos imanes tienden a alinearse si se colocan uno junto al otro.

Puesto que el campo magnético del estator está girando, el campo magnético del rotor (y el propio rotor) va a empezar a girar.

Cuanto mayor sea el ángulo entre los dos campos magnéticos (hasta cierto límite), mayor será el torque en el rotor de la máquina.

Principio de operación



Esquema de un motor asincrónico

Máquinas asincrónicas


Como ocurre en los motores DC, en los motores AC la corriente circula por la espira, y, genera un par en el bobinado. Dado que la corriente es alterna, el motor girará suavemente a la frecuencia de la forma senoidal.

El más común de los motores AC es el motor de inducción, en el que la corriente eléctrica es inducida en los bobinados del rotor, antes que alimentada directamente.

Alrededor del 65% de la energía eléctrica en EEUU es consumida por motores eléctricos.

En la industria, alrededor del 75% de energía eléctrica es consumida por motores, de los cuales el 90% de ellos son de inducción.



Estos motores asincrónicos no precisan de un campo magnético en el rotor, alimentado con CD como en el motor CD o el motor síncrono.

Una fuente de CA (trifásica o monofásica) alimenta al estator.

El estator está constituido por un núcleo, en cuyo interior existen p pares de arrollamientos colocados simétricamente en un ángulo de 120º. Estos son sometidos a AC, y, los polos del estator se trasladan continuamente creando un campo giratorio.





Campo magnético rotatorio de un sistema bifásico




Campo magnético rotatorio de un sistema trifásico



La densidad de flujo distribuida senoidalmente, generada por las corrientes del estator, realizan un barrido en los conductores del rotor, y, generan una tensión inducida en ellos. El resultado es un conjunto de corrientes distribuidas sinusoidalmente en las barras cortocircuitadas del rotor.

Esto induce una corriente muy elevada en las barras del rotor, que apenas ofrecen resistencia, pues están cortocircuitadas por los anillos finales.El rotor desarrolla entonces sus propios polos magnéticos, que se ven (por turnos) arrastrados por el campo magnético giratorio del estator.







El campo magnético giratorio origina un flujo que induce corrientes en el rotor que interactúan con el campo magnético del estator. En cada conductor se produce una fuerza F=ilB , que da lugar al par del motor.







Velocidad y deslizamiento



rpmpf

ppf

ns 12060

La velocidad del flujo en el estator, o velocidad de sincronismo, se determina como:




El rotor intenta seguir en su movimiento al campo magnético del estator girando a velocidad nr (n).

La velocidad de giro nr (n) sólo se aproxima a ns, cuando el motor está en vacío, sin carga en el eje.

A medida que se carga el motor, este disminuye su velocidad girando a nr (n) < ns.




Torque

ns

1

0

ns

smax

TstTmax

s

s

s

s

ss n

nn

n

ns

Se conoce como deslizamiento a la diferencia entre la velocidad de sincronismo y la velocidad de giro.

La velocidad del motor para máxima carga, se determina como:

)()1(120)1( rpmspf

snn s

)( loads Tfnnn




Clasificación

De acuerdo a la forma de construcción del rotor, los motores asincrónicos se clasifican en:

• Motor asincrónico tipo jaula de ardilla

• Motor asincrónico de rotor bobinado



Construcción del motor asincrónico tipo jaula de ardilla



Construcción del motor asincrónico de rotor bobinado



Jaula de ardilla en ranuras rotor

Núcleo estator Bobinado en las ranuras

Entrehierro

VISTA AXIAL DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN

Núcleo rotor

Si rotor gira a una velocidad superior a la velocidad del campo magnético giratorio del estator, el rotor inducirá una gran corriente en el estator.

Cuanto más rápido gire el rotor, mayor será la potencia transferida al estator en forma de fuerza electromagnética.

www.windpower.org

Funcionamiento como generador




Máquinas DC



Máquinas DC



Máquinas DC



Máquinas DC



Máquinas DC


S

F

F

F

I

N

Brush

V

wRotorArmature

windings

http://e-www.motorola.com/collateral/MOTORTUT.html


Máquinas DC


Los distintos modos de conectar los arrollamientos de excitación de los motores de corriente continua constituyen la base para poder modificar ampliamente las formas de funcionamiento de estos motores. Según sea la conexión elegida, los motores reciben nombres especiales.

A continuación se exponen los sistemas de excitación más utilizados en la práctica:

• excitación por imanes permanentes.

• excitación independiente.

• auto excitación.

• excitación serie.

• excitación paralelo.

• excitación compuesta.

Tipos de excitación

Máquinas DC


M + B = I I K = M

I K + I R = E + I R = V

I K = EI R= V

Laextd

exvaaaaa

exv

exexex

E

Va

I aTd

I f

Zona de Par constante

Reg. Por tensión

Zona de Potencia constante

Regulación por reducción de campo

W

Excitación independiente

Máquinas DC


Se puede modificar la velocidad actuando sobre la alimentación de los devanados del motor.

Una opción consiste en modificar el flujo de excitación que crea el inductor, es decir, Vf, así, cambiará la velocidad y el par. Como los cambios de la velocidad y el par tienen tendencia contraria, la potencia, puede permanecer constante. (Regulación de campo o de potencia constante).

Otra opción consiste en mantener el flujo de excitación que crea el inductor y variar la tensión del inducido Va, en este caso se modificara la velocidad ya que la corriente de armadura Ia permanece prácticamente constante. El par permanecerá constante al no variar la corriente de armadura pero la potencia proporcionada variara como consecuencia del cambio en la velocidad. (Regulación del inducido o de par constante).

Control de velocidad

Máquinas DC


Circuito Tipo Frecuencia

de rizado

Cuadrante de

funcionamiento

Media onda 3fs

semiconvertidor 6fs

Convertidor

Totalmente

controlado

6fs

Convertidor

dual 6fs

Variadores monofásicos/ trifásicos CA/CC

Troceador Configuración Cuadrante funcionamiento

Tipo A

Tipo B

Troceadores o choppers CC/CC

Troceador Configuración Cuadrante funcionamiento

Tipo C

Tipo D

Tipo E

Troceadores o choppers CC/CC

DISCUSIÓN Y ANÁLISIS

Education

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