II. Máquinas Eléctricas Estáticas y Rotatorias

Objetivo: Explicar principio de funcionamiento en que se basan los diferentes tipos de máquinas eléctricas

Profesor: Sebastián Díaz Azúa

Se clasifican en dos grandes grupos, según el tipo de red eléctrica a la que se encuentrenconectadas. Así, se tienen:

-Motores eléctricos de corriente alterna.

- Motores eléctricos de corriente continua; (normal y paso a paso)

CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS

CLASIFICACIÓN MÁQUINAS ROTATORIAS

CONCEPTOS PREVIOS

Magnetismo: Campo Magnético

La región del espacio donde se pone de manifiesto la acción de un imán se llama campo magnético. Este campo se representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarias, cerradas, que van del polo norte al polo sur, por fuera del imán y en sentido contrario en el interior de éste; se representa

con la letra B.

Magnetismo: Los imanes

Llamaremos polo norte del imán al que apunta cerca del Polo Norte geográfico y polo sur del imán al que apunta cerca del Polo Sur geográfico. De esta forma el Polo Norte geográfico está cerca del Polo Sur magnético de la Tierra y viceversa.

Campo Magnético (interacción)

Electromagnetismo:

El Experimento de Oersted

Hans Oersted estaba preparando su clase de física en la Universidad de Copenhague, una tarde del mes de abril de 1820, cuando al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica notó que la aguja se deflectaba hasta quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el magnetismo.

Electromagnetismo: El Experimento de Oersted

Del experimento de Oersted se deduce que ;

• Una carga en movimientocrea un campo magnético en el espacio que lo rodea.

• Una corriente eléctrica que circula por un conductor genera a su alrededor un campo magnético cuya intensidad depende de la intensidad de la corriente eléctrica y de la distancia del conductor.

PERMEABILIDAD

0µµµ =r

MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO

PERMEABILIDAD

MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO

PERMEABILIDAD

FLUJO MAGNÉTICO

INDUCCIÓN MAGNÉTICA

AB

φ=

CAMPO MAGNÉTICO EN UNA BOBINA

Creación de campos magnéticos

Bobina solenoide con núcleo de aire construida con alambre desnudo de cobre enrollado en forma de espiral y protegido con barniz aislante. Si a esta bobina le suministramos corriente eléctrica empleando cualquier fuente de fuerza electromotriz, como una batería, por ejemplo, el flujo de la corriente que circulará a través de la bobina propiciará la aparición de un campo magnético de cierta intensidad a su alrededor.

Electromagnetismo:Creación de campos magnéticos

Bobina solenoide a la que se le ha introducido un núcleo metálico como el hierro (Fe). Si comparamos la bobina anterior con núcleo de aire con la bobina de esta ilustración, veremos que ahora las líneas de fuerza magnética se encuentran mucho más intensificadas al haberse convertido en un electroimán.

Electromagnetismo :Corrientes Inducidas

En 1831, Michael Faraday observó que un imán generaba una corriente eléctrica en las proximidades de una bobina, siempre que el imán o la bobina estuvieran en movimiento. La explicación teórica fue:

• Es necesario un campo magnético variable (imán, bobina o cable en movimiento) para crear una corriente eléctrica en el cable o en la bobina.

• Esta corriente se conoce como corriente inducida, y el fenómeno, como inducción electromagnética. La corriente eléctrica inducida existe mientras dure la variación del campo magnético.

• La intensidad de la corriente eléctrica es tanto mayor cuanto más intenso sea el campo magnético y cuanto más rápido se muevan el imán o la bobina.

Electromagnetismo :Corrientes Inducidas

Condición para inducir una corriente eléctrica:1. La corriente eléctrica inducida existe mientras dure esta

variación, y su intensidad es tanto mayor cuanto más rápida sea dicha variación.

2. Una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético, y un campo magnético variable inducido, a su vez, una corriente eléctrica en un circuito.

3. El sentido de la corriente inducida (Ley de Lenz):“La corriente inducida tiende a oponerse a al causa que la produce”.

Aplicación de las corrientes inducidas

La inducción electromagnética es el fundamento del alternador y el dinamo, dispositivos que generan corriente, así como de los transformadores y motores eléctricos, que convierten la energía eléctrica en mecánica (movimiento).

Aplicación de las corrientes inducidas

TransformadorLos transformadores son

máquinas estáticas capaces de cambiar los valores de la tensión, lo cual, como hemos visto, es necesario.

• El transformador está formado por un núcleo de material sensible al campo magnético, con un bobinado primarioconectado a un generador y un bobinado secundarioconectado al circuito de utilización.

• La tensión del bobinado primario V1 crea un campo magnético que recorre el circuito magnético y que induce una tensión V2 en el secundario. La relación entre las tensiones se llama relación de transformación y viene dada por la expresión:

S

P

S

P

N

N

E

E =

Aplicación de las corrientes inducidasMotor Eléctrico de C.A.:

Un motor es una máquina motriz, esto es, un aparato que convierte una forma determinada de energía en energía mecánica de rotación o par. Un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en fuerzas de giro por medio de la acción mutua de los campos magnéticos.

Aplicación de las corrientes inducidasGenerador Eléctrico:

Un generador eléctrico, por otra parte, transforma energía mecánica de rotación en energía eléctrica y se le puede llamar una máquina generatriz de fem. Las dos formas básicas son el generador de corriente continua y el generador de corriente alterna, este último más correctamente llamado alternador.

Conversión de Energía

Principio de funcionamiento de las Máquinas eléctricas

Los dos principios en que se basa el funcionamiento de cualquier máquina eléctricarotativa son los siguientes:

• Cuando un conductor se mueve en el interior de un campo magnético cortando líneas de campo, se genera en él una fuerza electromotriz. (Generación – Faraday)

• Cuando un conductor, por el que circula unacorriente, se sitúa en el interior de un campo magnético actúa sobre él una fuerza de desplazamiento. (Motor – Lenz).

Principio de funcionamiento Generador

GENERADOR

En un conductor que se mueve en el seno de un campo magnético se crea una fuerza electromotriz inducida

Mano izquierda

M: Movimiento del conductor.

B: Dirección del campo

I : Dirección de la corriente inducida resultante.

Principio de funcionamiento Motor

Al hacer circular una corriente por un conductor que se encuentra en el seno de un campo magnético, actúa una fuerza sobre el mismo.

MOTORMano derecha

D: Desplazamiento, movimiento resultante.

B: Dirección del campo.

I : Dirección de la corriente aplicada al conductor.

Izquierda Generador y Derecha Motor

Movimiento del conductor

Regla mano derecha motores

Regla mano izquierda generadores

Dirección de la corriente inducida

Dirección del campo

Dirección de la corriente aplicada

Movimiento resultante

Funcionamiento motor Básico de C.A.

Funcionamiento motor Básico de C.A.

MOTOR SINCRONO

El Motor Sincrono

El motor Sincrono tiene la particularidad de que su velocidad de funcionamiento es constante en todas las condiciones de carga que haya hasta carga completa.

El Motor Sincrono

Esta velocidad constante de funcionamiento se puede conservar incluso en condiciones en las que el voltaje de línea sea variable. Por lo tanto, se trata de un motor útil para aplicaciones en donde se requiere conocer con precisión la velocidad de funcionamiento y donde ésta debe ser invariable.

Grupo motor generador 300 KW, 1200 rpm.

VELOCIDAD DEL CAMPO GIRATORIO.

La dirección del campo giratorio es unidireccional y de magnitud constante.

La velocidad del campo giratorio, es la velocidad

síncrona (ns), se determina como :

ns = 60 f / Pp

f = frecuencia (Hz.), Pp= No. de pares de polos de las bobinas.

Si el rotor esta en reposo, su velocidad nr es cero y la velocidad relativa entre campo giratorio y rotor, es máxima y no pueden acoplarse los polos opuestos del estator y rotor, es la razón por la cual no tiene par de arranque.

A. GARDUÑO GARCÍA

PAR DE ARRANQUE.

• El motor síncrono, tiene construcción idéntica al generador síncrono.

• No tiene par de arranque, por la diferencia de velocidad

entre el campo giratorio del estator (ns= 60f/ Pp) y la del

rotor (nr= 0), para el arranque se anexa un devanado jaula de ardilla (amortiguador) por lo que recibe el nombre de motor síncrono de inducción.

• Cuando no tiene devanado jaula de ardilla se arranca si se trabaja inicialmente como generador cumpliendo las condiciones de acoplamiento en paralelo, paso siguiente se trabaja como motor al desconectar de la fuente alimentación la maquina que lo impulso.

A. GARDUÑO GARCÍA

Importante

Una de las peculiaridades que hace del motor Sincrono un sistema cuya

manipulación íntima es solo apta para personal especializado es que, para

potencias elevadas, el arranque del motor ha de hacerse con ayuda de otros

dispositivos, pues mientras su rotor no alcanza la velocidad de sincronismo hay

que ayudarle con esmero.

COMPONENTES DEL MOTOR SÍNCRONO.

Componentes del motor síncrono de inducción.

A. GARDUÑO GARCÍA

COMPONENTES DEL MOTOR SÍNCRONO.

TIPOS DE MOTORES SÍNCRONOS.

MS 600 Hp. 1200rpm.para bomba centrifuga. MS 900 Hp. F.P. adelantado, 600 rpm,planta de cemento.

MS 1500 Hp , 277 rpm.MS 1000 H.p. 180 rpm, planta de cemento.

A. GARDUÑO GARCÍA

TIPOS DE MOTORES SÍNCRONOS.

Grupo motor generador 300 KW, 1200 rpm. MS de planta de refinación .

MS 597 KW 600 rpm 3.3 KV ,molino de papel.

A. GARDUÑO GARCÍA

CURVAS "V" DEL MOTORSÍNCRONO.

Línea de F:P unitario

Media carga

Sin carga

Plena carga a F.P= 1

Plena carga con F.P.= 0.8 +

ATRASO

ADELANTO

0 25 50 75 100 125

40

80

120

160

200

% de corriente de excitación

% d

e ca

rga

plen

a

100

CONDENSADOR SÍNCRONO.

Línea de F:P unitario

Sin carga

ADELANTO

0 25 50 75 100 125 150

40

80

120

160

200

% de corriente de excitación

% d

e ca

rga

plen

a

100

A. GARDUÑO GARCÍA

CONDENSADOR SÍNCRONO

Condensador síncronoenfriamiento con H2,

25 MVA 900 rpm, 60 Hz .

Condensador síncronoenfriamiento con H275 MVA, 750 rpm, 50 Hz .

Potencia de entradaCS

Potencia reactiva

A. GARDUÑO GARCÍA

Resumiendo

MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS

los motores asíncronosse clasifican de acuerdo a la forma de construcción del rotor.

Las bobinas del estator inducecorriente alterna en el circuito eléctrico del rotor (de manera algo similar a un transformador) y el rotor es obligado a girar.

El rotor consta de un cierto número de barras de cobre o de aluminio, conectadas eléctricamente por anillos de aluminio finales

Rotor de jaula de ardilla

Rotor bobinadoEl motor de jaula de ardilla tiene el inconveniente de que la resistencia del conjunto es invariable, no así el motor rotor devanado

Motor AsMotor As ííncrono o de ncrono o de InducciInducci óón:n:

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

Motor AsMotor As ííncrono o de ncrono o de InducciInducci óón:n:

Descripción física de unmotor asíncrono

• Los motores asíncronos constan de dos partes:

• El estator : la parte fija de la máquina, constituido por una corona de chapas magnéticas aisladas entre sí por medio de barniz, ranuradas interiormente y sujetas a una carcasa fabricada, por lo general, con fundición de hierro o aluminio. En las ranuras del estator se dispone un devanado, constituido por un número de fases igual al de la red eléctrica que alimenta el motor.

Descripción física de unmotor asíncrono

Descripción física de unmotor asíncrono

MOTOR ROTOR BOBINADO ASINCRONO

► Motor Asincrónicode Rotor Bobinado

Posee un rotor constituido, en vez de por una jaula, por una serie de conductores bobinados sobre él en una serie de ranuras situadas sobre su superficie. De esta forma se tiene un bobinado en el interior del campo magnético del estator, del mismo número de polos y en movimiento.

► Motor Asincrónico de Rotor Bobinado

siendo

► Motor Asincrónico de Rotor Bobinado

Este rotor es mucho más complicado de fabricar y mantener que el de jaula de ardilla, pero permite el acceso al mismo desde el exterior a través de unos anillos que son los que cortocircuitan los bobinados.

Arranque por Resistencias Rotóricas

Arranque por Resistencias Rotóricas (reóstato trifásico)

► Conexión Motor Asincrónicode Rotor Bobinado con Reostato

Este tipo de motor con rotor devanado tiene la posibilidad de utilizar un reóstato de arranque que permite modificar la velocidad y el par de arranque, así como el reducir la corriente de arranque.

Arranque Mediante resistenciasRotóricas, 3 etapas

MOTOR JAULA DE ARDILLA ASINCRONO

Rotor Jaula de Ardilla

Descripción física de unmotor asíncrono

Descripción física de unmotor asíncrono

Principio de Funcionamiento

Campo Magnético Giratorio:El Campo magnético giratorio se

obtiene con tres devanados desfasados 120º (acoplados en estrella o triángulo) y conectados a un sistema trifásico de c.a.

Principio de Funcionamiento

Principio de Funcionamiento

Principio de Funcionamiento

Doble jaula de ardilla

Rotor Ranura Profunda

Par Desarrollado en Motores Jaula

Resumiendo

Rendimiento

TORQUE

VARIABLES TECNICAS DE UN MOTOR

Velocidad de Sincronismo

Deslizamiento

VARIABLES TECNICAS DE UN MOTOR

Motor DC

Rotor bobinado

Jaula de Ardilla

Maquina Sincrona

Motor universal