29/10/2015

1

DISEÑO DE

MÁQUINAS ELÉCTRICAS

1.INTRODUCCIÓN

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 2

- Principales consideraciones en Diseño de Máquinas Eléctricas

- Materiales de Ingeniería Eléctrica

- Factor de espacio

- Elección de cargas eléctrica y magnética específicas

- Consideraciones térmicas

- Flujo de calor

- Elevación de temperatura

- Rango de las máquinas eléctricas

- Especificaciones de Normas

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 3

DISEÑO puede definirse como una realización físicacreadora de los conceptos teóricos.

DISEÑO DE INGENIERÍA es la aplicación de la ciencia, latecnología y los inventos para producir varias máquinas pararesolver tareas específicas con eficiencia y economía óptimas.

El problema de diseño y fabricación de maquinaria eléctrica esconstruir, lo más económicamente posible, una máquina quecumple con un determinado conjunto de especificaciones ygarantías.

Principales consideraciones en Diseño de Máquinas Eléctricas

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 4

Las principales consideraciones para desarrollar un buen diseño son:

Costo .

Durabilidad.

Cumplimiento de los criterios de eficiencia establecidos en las especificaciones.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 5

Factores de Diseño

Fuerza mecánica necesaria para el movimiento en las máquinaseléctricas rotativas puede ser producido por los camposelectrostáticos y electromagnéticos ya que ambos camposalmacenan energía.

En las máquinas electrostáticas, la densidad de energía estálimitada por la rigidez dieléctrica del medio utilizado.

En las máquinas electromagnéticas, el efecto magnético es usadopara la producción de la fuerza y no hay restricción comparable encampos magnéticos.

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 6

29/10/2015

2

Los voltajes pueden ser desarrollados y utilizados pormedios normales, las fuerzas producidas por efectoselectrostáticos son muy débiles.

Una pequeña corriente puede producir fuerzas mecánicasgrandes por medios electromagnéticos y por lo tanto todaslas máquinas eléctricas modernas son del tipoelectromagnético.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 7

CARTA DE FLUJO DE DISEÑO

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 8

PROCESO DE DISEÑO: CIRCUITO MAGNÉTICO, CIRCUITO ELÉCTRICO, MECÁNICA Y DISEÑO TÉRMICO MODIFICACIÓN DE

SUPOSICIONES

BA

INICIO

ESPECIFICACIONES DADAS

ELECCIÓN DE MATERIALES:

MAGNÉTICOS, CONDUCTORES,AISLANTES, etc.

SUPOSICIÓN DE CANTIDADES BÁSICAS  TALES COMO  DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO,AMP‐COND/m,  etc.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 9

A

CÁLCULO DE RENDIMIENTO

BCOMPARAR CON LASESPECIFICACIONES DADAS

NO

SI

FIN

ES SATISFACTORIO?

IMPRIMIR HOJA DE DISEÑO

PARTES ESTRUCTURALES BÁSICAS DE UNA MÁQUINA ROTATIVA

ELECTROMAGNÉTICA

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 10

CIRCUITO MAGNÉTICO:

Proporciona la ruta de flujo magnético.Consta de espacio de aire, dientes del estator y rotor, estator y rotor, núcleos (yugos).CIRCUITO ELÉCTRICO:Consta de los bobinados del estator y el rotor.

CIRCUITO DIELÉCTRICO:Consta del aislamiento. CIRCUITO TÉRMICO:Considera el modo y medio para la disipación del calor.

PARTES MECÁNICAS:Carcasa, rodamientos y eje.

Limitaciones en el Diseño

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 11

i. Saturación.

ii. Elevación de temperatura.

iii. Aislamiento.

iv. Eficiencia.

v. Partes mecánicas.

vi. Conmutación.

vii. Factor de potencia.

viii. Especificaciones de consumo

ix. Especificación de las normas.

SATURACIÓN:

La máxima densidad de flujo permisible esta determinada por el nivel de saturación del material ferromagnético.

ELEVACIÓN DE TEMPERATURA:

La vida útil de una máquina eléctrica depende del tipo de material aislante utilizado.

La vida del material aislante a su vez depende de la elevación de la temperatura de la máquina.

Se requieren técnicas apropiadas de refrigeración y ventilación para mantener el aumento de la temperatura dentro de límites seguros.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 12

29/10/2015

3

AISLAMIENTO:

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 13

El material aislante debe soportar tensiones eléctricas,mecánicas y térmicas que se producen en la máquina.

El tamaño del aislamiento no sólo se decide por el esfuerzomáximo de tensión, sino también por los esfuerzosmecánicos producidos.

Por ejemplo. Para la misma tensión, aislamiento másgrueso tiene que ser utilizado para los conductores detamaños grandes que para los tamaños más pequeños.

EFICIENCIA:

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 14

Debe ser tan alta como sea posible para reducir el costo operativo.

Las cargas magnéticas y eléctricas utilizadas deben ser pequeñas y esto requiere gran cantidad de material.

Por lo tanto, el costo de capital de una máquina diseñada para una alta eficiencia es alto, mientras que su costo de operación es bajo.

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 15

La construcción de una máquina debe satisfacer numerosos requisitostecnológicos.

En M. I. la longitud del entrehierro es pequeña con el fin de tener unalto FP.

En las máquinas grandes, el tamaño del eje se decide considerandola velocidad crítica, que depende de la deflexión de la eje.

Tipo de cojinetes a utilizar depende de las fuerzas de inercia debido arotores desequilibrados y atracción magnética desbalanceada, y altipo de construcción de la máquina si se monta vertical uhorizontalmente.

PARTES MECÁNICAS:

COMMUTATION:

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 16

Las condiciones de conmutación limita la potencia máxima de salida de la máquina.

POWER FACTOR:

Bajo F. P. causa valores más grandes de la corriente para la mismapotencia, por lo tanto secciones de conductor más grandes deben serutilizadas.

El problema de F.P. es particularmente importante en el caso de M I.

La longitud del entrehierro es determinada por consideraciones de F.P.

El valor de la densidad de flujo depende del factor de potencia, y portanto F.P. se convierte en un factor limitante.

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 17

ESPECIFICACIONES DE CONSUMO:

Las especificaciones establecidas en el pedido del consumidordeben de cumplirse.

Un diseño evolucionado o moderno, también debe de satisfacer laslimitaciones económicas impuestas por el fabricante.

ESPECIFICACIONES ESTÁNDAR:

Las especificaciones de las Normas son las de mayor exigencia enel diseño, ya que tanto el consumidor, así como el fabricante nopuede escapar de ellas sin satisfacerlas.

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 18

Las máquinas modernas se caracterizan por una muy amplia gama de salidas de potencia.

El rango de potencia varía de una fracción de vatios hasta varios cientos de megavatios en una sola unidad.

Así, la relación de potencia de salida de la máquina más pequeña a la de la máquina más grande es 1: 1010.

TÉCNICAS DE FABRICACIÓN DE LA MÁQUINA MODERNAS

29/10/2015

4

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 19

El rango de velocidades de rotación de las máquinas eléctricas esmuy amplio.

Una máquina puede tener una velocidad de pocas revoluciones porsegundo, mientras que otra puede ser de varios miles derevoluciones por segundo.

Las gran variedad de campos de aplicación, y una amplia gama detanto la potencia y velocidad de funcionamiento de las máquinaseléctricas ha conllevado a una gran variedad de tipos deconstrucción.

CLASIFICACIÓN EN LA BASE A LA FABRICACIÓN

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 20

1. Máquinas de pequeña potencia (hasta 750W).

2. Máquinas de mediana potencia (pocos kW-250kW).

3. Máquinas de grandes potencias (250kW-5000kW).

4. Máquinas de muy grandes potencias (cientos de MW).

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 21

Máquinas de pequeño tamaño: Máquinas eléctricas que tienen potencia de salida de hasta 750 W pueden ser llamadas máquinas pequeñas.

Máquinas de tamaño medio: Las máquinas eléctricas tienen potencias que van desde unos pocos kilovatios hasta aproximadamente 250 kW, pueden clasificarse como máquinas de tamaño medio.

Máquinas de gran tamaño: Las máquinas eléctricas con potencias de salida en el rango de 250 kW hasta aproximadamente 5000 kW se clasifican como máquinas de mayor tamaño.

Las máquinas están generalmente diseñadas y fabricadas como una serie y tienen un rango de potencia de salida definitiva.

Las máquinas más grandes están diseñadas en forma individual. La potencia de salida de estas máquinas son del orden de cientos de megavatios.

La acción de las máquinas electromagnéticas se puede relacionar con 3 PRINCIPIOS BÁSICOS a saber,

(i) Inducción (ley de Faraday).

(ii) Interacción (ley de Biot Savart).

(iii) Alineación (Producción de la fuerza debido aalineación en Motores de reluctancia).

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 22

PRINCIPIOS BÁSICOS

Ley de Faraday:

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 23

Esta ley establece que la f.e.m. inducida en un circuito eléctrico cerrado es igual a la razón de cambio del flujo concatenado.

La dirección de f.e.m. inducida es tal que la corriente producida por ella se opone al cambio en el flujo concatenado.

El cambio en el flujo concatenado puede ser causado de tres formas:

La bobina es estacionaria con respecto al flujo y el flujo varía enmagnitud con respecto al tiempo, la fem inducida es llamada fem detransformación o fem de pulsación, es utilizada en transformadores.

El flujo es constante con respecto al tiempo y estacionario y unabobina se mueve a través de este, a fem inducida es llamada fem demovimiento, y es utilizada en máquinas rotativas como máquinas d.c.,de inducción y máquinas síncronas.

Los cambios mencionados anteriormente ocurren al mismo tiempo, esdecir, la bobina se mueve a través de un campo variable en el tiempo,este proceso involucra tanto la transferencia y conversión de energíapor lo tanto se utiliza en las máquinas de conmutación.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 24

29/10/2015

5

La fuerza electromagnética esta dada por:

fe= ilB sinα, Newton, dondeB= densidad de 

flujo, Wb/m2;

l = longitud del conductor, m;

i = corriente transportada por el conductor, A;

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 25

α = ángulo entre la dirección de la corrientey el campo magnético.

Cuando el conductor y el campo magnético son perpendiculares el uno al otro,

α = 90 grados.

Así , fe= ilB newton

DISEÑO ELECTROMAGNETICO

ESTATOR & ROTOR

ESTACIONARIAS

Núcleo & bobinado

MAQUINAS ROTATIVAS

Núcleo

Dimension del diente

Bobinado y entrehierro

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 26

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 27

MATERIALES ELECTRICOS DE INGENIERIA

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 28

Estos consisten de

1.

2.

3.

Materiales conductores

Materiales magnéticos

Materiales aislantes

Los materiales eléctricos conductores consisten de

1.

2.

Materiales de alta conductividad utilizado para la fabricación de todo tipo de bobinados

requeridos en máquinas eléctricas, aparatos, dispositivos.

en transmisión y distribución.

Materiales de alta resistividad (aleaciones). Se utiliza para la fabricación de resistencias y aparatos de

calefacción.

MATERIALES  ELECTRICOS  DE  INGENIERIA

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 29

MATERIALES ELECTRICOS CONDUCTORES:

Materiales de alta conductividad. Cobre, Aluminio, Hierro & Acero, Aleaciones de cobre.

Materiales de alta resistividad (aleaciones).

Niquel, Plata & Hierro

REQUISITOS FUNDAMENTALES DE LOS MATERIALES CONDUCTORES:

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 30

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Alta conductividad como sea posible.

El coeficiente de temperatura de resistencia lo menor posible.

Una adecuada resistencia mecánica es decir, ausencia de fragilidad

Laminabilidad y Embutibilidad.

Buena soldabilidad y Soldabilidad que garantiza una alta fiabilidady baja resistencia eléctrica en las uniones.

Adecuada resistencia a la corrosión.

29/10/2015

6

ALEACIONES DE COBRE:

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 31

1. Aleaciones a base de cobre bronce que contienen estaño, cadmio, berilio y algunos otros metales son generalmente llamadas bronces.

Cobre berilio

Cobre cadmio

2.

3.

Latón - contiene 66% Cu, 34% Zn.

Aleación de cobre plata - contiene 99.1% Cu, 0.06 to 0.1% plata.

MATERIALES DE ALTA RESISTIVIDAD:Estos pueden clasificarse en 3 categorías:GRUPO I: (MATERIALES USADOS PARA TRABAJOS DE PRECISIÓN)

Consiste de materiales usados en instrumentos de precisión demedición & en la fabricación de resistencias estándar y cajas deresistencia.

Material importante usado es la Manganina(composición de 86%Cu, 12%Mn, 2%Ni)

GRUPO II: (MATERIALES USADOS PARA REOSTATOS)

Consta de materiales con los que se fabrican elementos deresistencia para todo tipo de reóstatos y dispositivos decontrol similares.Aleación Principal es constantan consistente de 60 a 65% Cu y de 40 a 35% Ni).

GRUPO III: (MATERIALES USADOS PARA DISPOSITIVOS DECALEFACCIÓN)

Consta de materiales adecuados para la fabricación deelementos de alta temperatura para hornos eléctricos, aparatosde calefacción y reóstatos de carga.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 32

Aleaciones de níquel, cromo y hierro denominadoNichrome.

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 33

Aleaciones de aluminio, hierro y cromo.

MATERIALES ELECTRICOS DE CARBONO:

fabricado a partir de grafito y otras formas del carbono, etc.

Los escobillas de carbono son a menudo grafitado es decir, tratado térmicamente para aumentar el tamaño de los cristales.

Esto aumenta la conductividad de las escobillas y reduce sudureza.

Las escobillas de carbono deben adquirir una superficie lisaespejo con el fin de no causar el desgaste del conmutador.

CLASIFICACION DE MATERIALES MAGNÉTICOS

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 34

Basados en la permeabilidad relativa, los materiales pueden clasificarse como,

1.

2.

3.

Materiales ferromagnéticos. (µr mucho>1)

Materiales paramagnéticos. (µr ligeramente>1)

Materiales diamagnéticos. (µr ligeramente <1)

Basados en el ancho del lazo de histéresis,1.

2.

Materiales magnéticos blandos .Materiales magnéticos duros.

MATERIALES MAGNETICOS SUAVES:

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 35

i) Materiales de núcleo sólidoii) Lámina eléctrica y cintaiii)Aleaciones para fines especiales.

i)

ii)

iii)

MATERIALES DE NÚCLEO SÓLIDO:Hierro, acero al silicio de bajo carbono, hierro fundido, fundición gris, acero fundido, acero blando, ferro-cobalto.METALES LAMINADOS (CHAPAS):Chapas de acero eléctricos (de acero no orientado) y acero laminado en frío de grano orientado (CRGO).ALEACIONES PARA FINES ESPECIALES:Mumetal, Permalloy, Súper permalloy, Perminvar, Permendur.

MATERIALES DE AISLAMIENTO (o) AISLANTES

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 36

PROPIEDADES ELECTRICAS:

Un material aislante ideal debe tener;

i)alta rigidez dieléctrica, sostenida a temperaturas elevadas,

ii) alta resistividad o resistencia específica,

iii)bajas pérdidas dieléctricas,

iv)buena conductividad térmica,

v) alto grado de ESTABILIDAD térmica es decir, no debe deteriorarse a altas temperaturas.

29/10/2015

7

CLASIFICACIÓN:

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 37

i.

ii.

Clase Y - algodón, seda, papel, celulosa, madera, etc no impregnados ni sumergidos en aceite.Clase – materiales de clase Y impregnados adecuadamente.

iii.

iv.

v.

vi.

Clase E- Esmaltes de resina sintética, algodón, papel laminado con unión de formaldehído, etc.Clase B- mica, fibra de vidrio, asbestos, etc, con materiales de unión adecuados.Clase F- materiales de la clase B con materiales de unión adecuados de mayor estabilidad térmica (25 ° C por encima de la clase B).Clase H- fibra de vidrio, asbestos y mica construidos, con materiales de unión adecuados como resinas de silicona.

vii. Clase C‐ Mica, cerámica, vidrio, cuarzo sin aglutinantes o con resinas de silicio de mayor estabilidad térmica.

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 38

MATERIALES AISLANTES USADOS EN MAQUINAS ELECTRICAS MODERNAS:

Mica, Micafolium, fibra de vidrio, asbesto, fibra de algodón, poliamidas,esmaltes de resina sintética, materiales revestimiento-ranura, madera,siliconas, resinas epoxicas termoestables, resina sintética, aceites minerales abase de petróleo, askareles.

a.

b.

c.

Conductores para bobinas magnéticas y bobinados de máquinas.Laminaciones

Máquinas y transformadores.

APLICACIONES:

SIMBOLO SIGNIFICADO UNIDAD

aNumero de caminos paralelos en el

bobinado de la armadura.

azArea de la sección transversal del

conductormm2

ac Carga específica eléctrica Amp.cond./mB

av Carga específica magnética Wb/m2 o tesla

Bgm

Máxima densidad de flujo en el entrehierro bajo condiciones de carga.

Wb/m2 o tesla

b Arco polar m

bp Ancho del cuerpo del polo M

Co Coeficiente de salida Kva/m3-rps

c coeficiente de refrigeración °C W-m2

D Diámetro de armadura m

LISTA DE SÍMBOLOS

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 39

ds Profundidad de la ranura mm

E Fem generada o fuerza contraelectromotriz V

Ecm

Tensión máxima entre segmentos adyacentes

V

Eph FEM inducida por fase V

f frecuencia Hz

I Corriente nominal A

Ia Corriente de armadura A

Iz Corriente por cada conductor A

Iph Corriente por fase A

L Longitud de armadura m

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 40

N velocidad rpm

n velocidad rps

ns Velocidad síncrona Rps

P Capacidad de la máquina kW

Pa Potencia desarrollada por la armadura kW

p Número de polos -

Q kVA de la máquina kVA

Ql Pérdida disipada por unidad de área kW/m2

R resistencia ohm

S Superficie de disipación m2

Tc Espiras por bobina -

Tph Espiras por fase -

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 41

Va Velocidad periférica m/sec

Ws Ancho de la ranura mm

ys Paso de ranura mm

Z Nro. Total de conductores de la armadura o estator -

φ Flujo magnético Wb

ψ Relación de arco polar a paso polar -

τ Paso polar m

η eficiencia -

θ Elevación de temperatura °C

δ Densidad de corriente A/mm

ρ Resistividad ohm-m

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 42

29/10/2015

8

ELEMENTOS DE CONSTRUCCIÓN DE MÁQUINASROTATIVAS

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 43

Cada máquina rotativa tiene las siguientes tres cantidades. La presencia de dos cantidades cualesquiera, producirá la

tercera cantidad. Campo magnético-I (campo) Campo magnético-II (armadura) Fuerza mecánica.

ELEMENTOS DE CONSTRUCCIÓN DE MÁQUINAS DE C.C.

ESTATOR - yugo o marco- polo de campo- zapata polar- devanado de campo- interpolo

ROTOR - núcleo del inducido- devanado de inducido- conmutador

OTROS - cepillo- porta escobillas

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 44

ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LA MÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS SALIENTES

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 45

ESTATOR - yugo o marco- núcleo del inducido- devanado de inducido

ROTOR - polo campo- zapata polar- devanado de campo- devanado amortiguador

ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DE LA MÁQUINA SÍNCRONA DE ROTOR CILÍNDRICO

ESTATOR - yugo o marco- núcleo del inducido- devanado de inducido

ROTOR - rotor sólido- conductores de campo o barras

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 46

ELEMENTOS DE CONSTRUCCIÓN DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN DE ANILLOS

ROSANTES

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 47

ESTATOR - yugo o marco- núcleo del estator- devanado del estator

ROTOR - núcleo del rotor- rotor bobinado- anillos rosantes

Factor de espacio

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 48

Factor de espacio (Sf) es la relación del área del conductor desnudo al área total de la ranura.

29/10/2015

9

ELECCIÓN DE LA CARGA ELECTRICA Y MAGNÉTICA ESPECÍFICAS.

CARGA MAGNÉTICA ESPECÍFICA (Bav):

Definida como la densidad del flujo medio sobre el entrehierro de la máquina.Flujo total alrededor del entrehierro

en el entrehierro πDL

pBav

Periferia del inducido en el entrehierro πD

CARGA ELÉCTRICA ESPECÍFICA (ac):

Se define como el número de amperios conductores de la armadura (o estator) por metro de armadura (o estator) en la periferia del entrehierro.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 49

Área de la trayectoria

Amper conductor totales de la armadura IzZac

ϕ

FACTORES DECISIVOS EN LA ELECCIÓN DE LA CARGA MAGNÉTICA ESPECÍFICA:

Densidad de flujo máxima en partes de hierro de la máquina,

Corriente de magnetización, y Pérdidas en el núcleo.

FACTORES DECISIVOS EN LA ELECCIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA ESPECÍFICA:

Aumento de la temperatura admisible, Tensión nominal de la máquina, Tamaño de la máquina, y Densidad de corriente.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 50

ELECCIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA ESPECÍFICA (ac)

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 51

i) Temperatura admisible (θ)θ depende de Q (pérdidas), que a su vez depende de los ac. θ admisibledepende del material de aislamiento.

Coeficiente de refrigeración (C)θ es también proporcional al coeficiente de enfriamiento;una máquina con mejor ventilación tiene un bajo C y por tanto altosvalores de ac pueden ser usados.

iii)Voltaje de operación (V)En las máquinas de alta tensión, el factor de espacio de ranura, Sf es menor y

por lo que sólo valores más pequeños de ac pueden ser utilizados. Esto también depende de la forma de los conductores, sección transversal circular o rectangular.

iv) Densidad de corriente (δ)La elección de δ depende del enfriamiento; alto C → altos valores de acson elegidos.

CONSIDERACIONES TÉRMICAS

MODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR: Conducción. Convección.

Radiación. ECUACION DE CALOR POR CONDUCCION:

Qcon = θ1- θ2

Rθ

donde,Qcon =calor disipado por conducción, W;θ 1,θ2 = temperaturas de dos superficies de delimitación,°C;Rθ = resistencia térmica del medio de conducción, ohm térmico.

Natural

Artificial

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 52

LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON :

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 53

Q = Qrad + Qconv

Q = λradθS+ λconv θS

Q = λ θS [watt]

donde λ= λrad + λconv

es la disipación de calor específico o emisividad

debido a la radiación, más convección.

RESISTENCIA TERMICA:

Se define como la resistencia que causa una caída de 1°C por vatio de flujo de calor.

CONSTANTE DE TIEMPO DE CALENTAMIENTO:

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 54

Es el índice de tiempo empleado por la máquina para alcanzar el aumento de temperatura hasta un valor final constante.

CONSTANTE TIEMPO DE ENFRIAMIENTO: Se define como tiempo empleado por la máquina para que su

temperatura caiga a 0.368 de su valor inicial.

CLASIFICACIÓN O RANGO DE LAS MÁQUINAS: Clasificación de las máquinas se refiere a todos los valores

numéricos de cantidades eléctricas y mecánicas con su duración ysecuencias asignadas a las máquinas por los fabricantes indicada en laplaca de características, la máquina cumplirá con los datosespecificados.

29/10/2015

10

CARCASAS PARA MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

1. Máquina abierta

2. Maquina abierta de pedestal

3. Máquina de soporte de extremo abierto

4. Máquina protegida

5. Máquina protegida por pantalla

6. Máquina a prueba de goteo

7. Máquina a prueba de salpicaduras

8. Máquina a prueba de chorro

9. Máquina ventilada por tubo o ventilada por ducto

10. Máquina totalmente cerrada

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 55

FLUJO DE CALOR

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 56

Flujo de calor en dos dimensiones:

El calor no viaja por caminos paralelos y las superficies de disipación no son homogéneas.

En la práctica real el flujo de calor se da en diferentes direcciones y los devanados y núcleos cuentan con un aislamiento, además de cobre y hierro, respectivamente.

La resistividad térmica de los devanados y núcleos construidos depende de espesor relativo de aislamiento del cobre y del hierro.

Considere una bobina que tiene una longitud axial grande::

l - longitud de la bobina [m],

w- ancho de la bobina [m],

t - espesor de la bobina [m],ρy - resistividad térmica a lo largo de aa, [ohm-m]

ρx - resistividad térmica a lo largo de bb, [ohm-m]

q- calor producido por unidad de volumen.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 57

La resistencia térmica de las tiras primarias horizontales y verticalesDos caminos térmicos están en paralelo.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 58

La resistencia térmica total de las paredes

Q el calor total producido en la bobina

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 59

AUMENTO DE LA TEMPERATURA

Q = pérdidas de potencia (producidas por calor), [J/s] o [W]G = peso del material activo de la máquina, [kg] h = calor específico, [J/kg-◦C]

S = área de la superficie de enfriamiento, [m2]λ = disipación de calor específico, [W/ m2 -◦C]c = 1/ λ = coeficiente de refrigeración, [m2 -◦C / W]θm = aumento de temperatura constante final, [◦C]

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 60

29/10/2015

11

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 61

CURVA DE CALENTAMIENTO

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 62

CURVA DE ENFRIAMIENTO

Rango de las máquinas

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 63

Clasificación o rango de las máquinas se refiere a todoslos valores numéricos de cantidades eléctricas ymecánicas con su duración y secuencias asignadas a lasmáquinas por los fabricantes indicada en la placa decaracterísticas, la máquina cumplirá con los datosespecificados.

SOBREDIMENSIONAMIENTO DE MOTOR:

(utilizando un motor de rango más elevado que el requerido por la carga)conduce a mayores costos de capital y el aumento de las pérdidas debido ala menor eficiencia a con carga reducida.

En unidades de corriente alterna, motores que trabajan con cargas reducidasconducen a un mal factor de potencia a la carga antieconómica de loscircuitos de alimentación y aparatos.

DIAGRAMA DE CARGA (o) GRÁFICO DE SECUENCIA DE TIEMPO:que muestra la variación del par del motor, la potencia y la corriente de carga como función del tiempo.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 64

TIPOS DE SERVICIO Y CLASIFICACIÓN

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 65

Los siguientes son los tipos de servicio de acuerdo a la "Especificación para la rotación de maquinaria eléctrica":

S1: Servicio continuo

S2: Servicio de corta duración

S3: Servicio periódico intermitente

S4: Servicio periódico intermitente con arranque

S5: Servicio periódico intermitente con arranque y frenado

S6: Servicio continuo con carga periódica intermitente

S7: Servicio continuo con arranque y frenado

S8: Servicio continuo con cambios periódicos de velocidad.

En las descripciones y diagramas para tipos de servicio S1 a S9 se utilizan los siguientes símbolos:

P = potencia en kW

Pv = perdidas en kW

θ max = temperatura máxima en °C

n = velocidad en rpm

θ = temperatura en °C

JM = momento de inercia del motor en kg.m2

Jext = momento de inercia de la carga referida al eje del motor en kg.m2

tA = tiempo de arranque en s, min

tB = periodo de carga en s, min

tBr = tiempo de frenado en s, min

tS = duración de ciclo en segundos

tSt = periodo de parada en s, min, hr

tr = ciclo de trabajo relativo (%)

t = tiempo en s, min, u hr.

T = constante de tiempo de calentamiento en minutos

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 66

29/10/2015

12

SERVICIO CONTINUO (SERVICIO TIPO S1 ):

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 67

Duración de la carga es para un tiempo suficientemente largo de manera que todas las partes del motor alcanzan el equilibrio térmico.

(es decir,) El motor alcanzará su máximo aumento de temperatura en estado estacionario final.

Por ejemplo, en funcionamiento continuo de ventiladores, bombas y otros equipos que funcionan durante varias horas.

El diagrama de carga simplificado es una línea recta horizontal.

Calificación continua puede ser definida como la carga que puede ser movida por la máquina durante un tiempo infinito sin el aumento de la temperatura de cualquier parte que exceda el valor máximo admisible.

SERVICIO DE CORTA DURACIÓN (SERVICIO TIPO S2 ):

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 68

El motor funciona a una carga constante durante algún tiempo especificado que es seguido por un período de descanso.

El período de carga es tan corto que la máquina no puede alcanzar su equilibrio térmico es decir, el estado estable del aumento de la temperatura.

El período de parada es tan largo que la temperatura del motor que cae hasta la temperatura ambiente. Por ejemplo, placa giratoria en ferrocarriles, puertas de cerradura de navegación.

Calificación de corta duración de un motor se puede definir como la potencia de salida a la que puede funcionar por un tiempo determinado, sin exceder el valor máximo admisible de aumento de temperatura.

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 69

S2: Servicio de corta duraciónS1: Servicio continuo El período de funcionamiento es tan corto que el aumento de temperatura del motor no alcanza su valor final en estado estacionario.

Y el período de descanso es tan largo que el motor regresa a las condiciones de frío.

Los rangos de tiempo corto estándares son de : 10,30,60 y 90 minutos

RANGO DE CORTO TIEMPO:Calificación o rango de corta duración de un motor se puede definir como lapotencia de salida a la que puede funcionar durante un cierto tiempoespecificado sin exceder el valor máximo admisible de aumento detemperatura.

RANGO INTERMITENTE:Se aplica a una condición de operación durante la cual los períodos de cargacorto tiempo se alternan con períodos de descanso o sin carga sin que elmotor alcance el equilibrio térmico y sin que la temperatura máxima se elevesobre el valor máximo permitido.

FACTOR DE SERVICIO (o) FACTOR DE CARGA (o) FACTOR DE DURACIÓN DE CICLO):Se define como la relación entre el período de calentamiento (trabajo) y elperiodo de ciclo completo.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 70

SERVICIO INTERMITENTE PERIÒDICO (SERVICIO TIPO S3 ):

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 71

El período de carga constante y la máquina prima desenergizada.

Los períodos de carga son demasiado cortos para permitir que el motor alcance su valor final de temperatura en estado estacionario.

Los períodos de descanso también son demasiado pequeños para permitir que el motor se enfríe a temperatura ambiente.

Por ejemplo, grúas, ascensores y ciertas unidades de máquinas-herramienta de corte de metal

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 72

S3: Servicio periódico intermitente sin arranque

29/10/2015

13

SERVICIO PERIÓDICO INTERMITENTE CON ARRANQUE:Consiste de una secuencia de ciclos de trabajo idénticos, cada uno tieneun periodo de arranque, un periodo de operación a carga constante y unperiodo de descanso.

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 73

El periodo de operación y el periodo de descanso son también cortos, seobtiene el equilibrio térmico durante un ciclo de trabajo.

El rango intermitente del motor aplicado a una condición de operacióndurante el cual los periodos cortos de carga alternan con periodos dedescanso o sin carga sin que el motor alcance el equilibrio térmico y sin quela elevación máxima de temperatura sobrepase el valor máximo permitido.

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 74

S4: Servicio periódico intermitente con arranque

SERVICIO PERIÓDICO INTERMITENTE CON ARRANQUE Y FRENADO

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 75

Consiste de una secuencia de ciclos de trabajo idénticos cada unoconsiste de un periodo de arranque, un periodo de operación a cargaconstante, un periodo de frenado y un periodo de descanso.

El periodo de operación y el periodo de descanso son también cortos,obteniendo el equilibrio térmico durante un ciclo de trabajo.

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 76

S5: Servicio periódico intermitente con arranque y frenado eléctrico

SERVICIO CONTINUO CON OPERACIÓN PERIODICA  INTERMITENTE:

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 77

Consiste de una secuencia de ciclos de trabajo idénticos cada unoconsiste un periodo de operación a carga constante, y un periodo deoperación sin carga.

Las máquinas con devanados excitados en vacio por tanto la tensiónnominal es aplicada en los periodos de carga.

La operación y el voltaje de excitación de vacio durante el periodo de carga son demasiado cortos para alcanzar el equilibrio térmico durante un ciclo de trabajo.

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 78

S6: Servicio periódico de operación continua

29/10/2015

14

SERVICIO CONTINUO CON ARRANQUE Y FRENADO

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 79

Consiste de una secuencia de ciclos de trabajo idénticos, cada uno tienen periodo de arranque, un periodo de operación a carga constante y unperiodo de frenado eléctrico.

No hay descanso o periodo de desenergización.

El factor de servicio para este ciclo9 de trabajo es 1.

S7: Servicio de operación continua con arranque y frenado eléctrico

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 80

SERVICIO CONTINUO CON CAMBIOS PERIÓDICOS DE VELOCIDAD:

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 81

Consiste en una secuencia de ciclos de trabajo idénticos consistentecada uno en un período de funcionamiento a carga constantecorrespondiente a una velocidad predeterminada de rotación, seguidoinmediatamente por un período de funcionamiento con otra cargacorrespondiente a una velocidad diferente de operación.

El período de funcionamiento es demasiado corto para alcanzar elequilibrio térmico durante un ciclo de trabajo, sin paradas ni periodosde desenergización.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 82

S8: Servicio de operación continua con cambios de la relación carga/velocidad.

Ing. G. Carpio R.29/10/2015 83

Elevación de temperatura

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 84

Q = potencia de pérdidas (calor producido), J/s or WG = peso del material activo de la máquina, kg h = calor específico, J/kg-◦C

S = área se la superficie de enfriamiento, m2

λ = disipación de calor específico, W/ m2 -◦Cc = 1/ λ = coeficiente de enfriamiento, m2 -◦C / Wθm = temperatura final estable en el proceso de calentamiento, ◦Cθn = temperatura final estable en el proceso de enfriamiento, ◦C θi = elevación de temperatura inicial sobre el medio ambiente, ◦C Th = constante de tiempo de calentamiento, STc = constante de tiempo de enfriamiento, S t = tiempo, S

29/10/2015

15

MÉTODOS PARA DETERMINAR LOS RANGOS DE MOTORES PARA ACCIONAMIENTOS DE CARGA VARIABLE:

I.

II.

III.

IV.

Método del promedio de perdidas, Método 

de la corriente equivalente,

Método del torque equivalente,

Método de la potencia equivalente.

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 85

MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA ELEVACIÓN DE TEMPERATURA:

i.

ii.

iii.

Método del termómetro.

Método de la resistencia.

Método de detector de temperatura embebido.

ENFRIAMIENTO DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS:

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 86

En la mayoría de los casos, las máquinas eléctricas de enfriamiento se lleva a cabo por el flujo de aire y a este enfriamiento se le llama ventilación..

En máquinas de alta velocidad, tales como turbo-alternadores, el hidrógeno es utilizado para enfriamiento.

i)

ii)

(1/14) de la densidad, por tanto las pérdidas por ventilación

y ruido son reducidas.

14 veces el calor específico y 1,5 veces la transferencia de

calor que conduce a una mejor refrigeración.

VENTAJAS DEL ENFRIAMIENTO POR HIDRÓGENO :

En comparación con el aire, el hidrógeno tiene las siguientes propiedades:

Conductividad térmica 7 veces mayor, lo cual

resulta en menor gradiente de temperatura,

Reducido efecto corona,

No favorece a la combustión siempre y cuando la

mezcla de hidrógeno / aire exceda la relación de 3/1.

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 87

En la operación, los ventiladores montados en el rotor circulan hidrógeno a través de los conductos de ventilación e internamente se montan los enfriadores de gas.

La presión de gas requerida es mantenida por un regulador.

La precaución que debe observarse es que la carcasa del estator debe ser estanco a los gases, y la película de aceite en los sellos de gas de los extremos del eje del rotor es imprescindible .

iii)

iv)

v)

VENTILACIÓN INDUCIDA Y VENTILACIÓN FORZADA:

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 88

En la ventilación inducida, el ventilador produce disminución de lapresión del aire en el interior de la máquina, haciendo que el aire seaaspirado hacia el interior de la máquina bajo la presión atmosféricaexterna.

En la ventilación forzada, el aire es forzado dentro del ventilador ya seapor los ventiladores montados internamente o externamente.

La ventilación puede también ser clasificada como,i) Radial,ii) Axialiii)Combinada, radial y axial.

Especificaciones estandarizadas

Rangos estándar de máquinas

Tipos de alojamiento

Dimensiones estándar de conductores que se utilizarán

Método de marcado de rangos y detalles nominales de placa

Las especificaciones del rendimiento que debe de cumplirse

Tipos de aislamiento y la pérdida por temperatura permitido

Pérdida admisible y rango de eficiencia

Procedimiento para la prueba de piezas de máquina y máquinas

Equipamientos auxiliares

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 89

Detal les Nominales de Placa

Rangos de KW o KVA de la máquina

Voltaje de trabajo nominal

Velocidad de operación

Corriente de plena carga

Clase de aislamiento

Tamaño de carcasa

Nombre del fabricante

Número de serie de la máquina

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 90

29/10/2015

16

Especificaciones Estandarizadas

29/10/2015 Ing. G. Carpio R. 91

IS 325-1966

IS 4029-1967

IS12615-1986

IS13555-1993

IS8789-1996

IS 12066-1986

: Especificaciones para motores de inducción 3ph.

: Guía para las pruebas de motores de inducción 3ph.: Especificaciones de eficiencia energética para motores de

inducción.

: Guía para la selección y aplicación de motor de

inducción 3ph para diferentes tipos de equipo accionado.

:Valores de características de rendimiento de motor de

inducción 3ph.

: Motores de inducción 3ph para máquinas herramienta.

29/10/2015 Ing. G. Carpio.R. 92

FIN