UNIDAD I TRANSFORMADORESPrincipio de funcionamiento. Nos basaremos en la siguiente figura (experimento de Faraday):

Al cerrar el conmutador o interruptor (switch) que conecta el devanado primario “P” a la batería, el galvanómetro que se haya conectado al devanado secundario “S” da una variación en un sentido, y otra variación opuesta al abrir el switch, al permanecer abierto o cerrado en el conmutador no hay corriente circulante en el devanado secundario “S”.

Esto se debe a que la corriente circulante en el devanado primario origina en el núcleo de hierro un flujo magnético creciente, que corta al devanado secundario, induciendo en él una corriente opuesta la flujo inductor, lo que está de acuerdo con la ley de Lenz, que establece que una corriente inducida se opone siempre a la causa que la produce, en forma análoga.

Al abrir el switch vuelve a haber una variación de flujo ya que ésta desaparece, obligando automáticamente a la corriente invertida en el devanado secundario a tender a mantener el flujo en su sentido primitivo u original.

De lo anterior se deduce que el principio de transformación de energía se debe a la variación de flujo magnético que enlaza los devanados primarios y secundarios ocasionando la transferencia de energía.

Es evidente que para que la transferencia de energía sea continua se debe alimentar al devanado primario con una fuente de corriente alterna.

Resumiendo lo anterior, diremos que un transformador es un dispositivo que transfiere energía eléctrica de un circuito a otro sin cambios de frecuencia, lo hace bajo el principio de inducción electromagnética y tiene circuitos eléctricos aislados entre sí que son eslabonados por un circuito magnético común.

TIPOS DE TRANSFORMADORESReductor de energía.Elevador de energía.

IDENTIFICACIÓN DE POLARIDAD (POLARIDAD DE LOS TRANSFORMADORES)La polaridad de los transformadores indica el sentido relativo instantáneo de flujo de corriente en las

terminales de altea tensión (devanado primario) con respecto a la dirección del flujo de corriente en las terminales de baja tensión (devanado secundario).

La polaridad del transformador de distribución monofásico puede ser aditiva o sustractiva.Una simple prueba para determinar la polaridad del transformador es conectar dos bornes de los devanados

es mayor que el voltaje en el devanado de alta tensión (fig. A) La polaridad es sustractiva si el voltaje es medido entre los dos bornes de los devanados es mayor que el voltaje en el devanado de baja tensión (fig. B).

De acuerdo con las normas industriales todos los transformadores de distribución monofásica de hasta 200KVA (Kilo Volt Ampere) con voltaje de alta tensión hasta 8.66KV (voltaje en el devanado) tiene polaridad aditiva. Todos los demás transformadores monofásicos tienen polaridad substractiva.

Los transformadores se clasifican en:A) Potencia: Los de mas de 500KVA o mas de 69KV.B) Distribución: Los que no pasan de 500KVA y de 69KV.

Dentro de la última clasificación, conviene distinguir un tercer grupo:C) Utilización: Los de 200KVA o menos y 15KV o menos.

La especificación de un transformador consiste en los siguientes datos fundamentales:

1.-Numero de fases.2.- Capacidad en KVA.3.-Frecuencia.4.-Voltaje y nivel de aislamiento de cada circuito.5.-Conexión interna o externa de cada devanado.6.-Derivaciones (Taps).7.-Elevación de temperatura.8.-Altura de operación.9.-Medio aislante.10.-Método de refrigeración.11.-Características eléctricas.12.-Características mecánicas.13.-Dimensiones y peso limites.14.-Equipo complementario.

La selección de un transformador es la determinación de las características enumeradas anteriormente.

CONEXIONES ENTRE TRANSFORMADORESLas conexione de los transformadores monofásicos o de los devanados trifásicos pueden realizarse de la

siguiente manera, básicamente en combinaciones de estrella-delta de acuerdo a características de los circuitos o las cuales deseamos alimentar.

Así podemos tener las siguientes conexiones:

1.- Estrella-Estrella Y-Y

2.- Estrella-Delta Y-Δ

3.- Delta-Delta Δ-Δ

4.- Delta-Estrella Δ- Y (muy común)

PRUEBAS DE RESISTENCIA DE AISLAMIENTO

*Pruebas efectuadas a transformadores

Las pruebas que se deben realizar a un transformador son las siguientes:a) Alta tensión contra baja tensión.b) Alta tensión contra baja tensión a tierra.c) Alta tensión a tierra contra baja tensión.

DIAGRAMA DE ALTA TENSION VS. BAJA TENSION

DIAGRAMA DE ALTA TENSION VS. BAJA TENSION A TIERRA

DIAGRAMA DE ALTA TENSION A TIERRA VS BAJA TENSION

Resistencia del aislamiento es el término utilizado para definir la opción que presenta un aislamiento al paso de una corriente directa, cuando se aplica el voltaje, se mide en MEGAOHMS y el instrumento utilizado para la prueba se denomina Megger.

Esta prueba sirve para dar una idea en la que se encuentran los aislamientos y decidir en un momento dado si se energiza o no un momento dado. El obtener valores bajos no indica que el aislamiento sea malo, ya que existen factores que afectan la prueba, como lo son:-La suciedad-Humedad-Temperatura

A la corriente resultante de la aplicación de un voltaje de corriente directa a un aislamiento se le llama “corriente de aislamiento” y consta de tres componentes principales:

1) Corriente capacitiva.2) Corriente de absorción dieléctrica.3) Corriente de Fuga

Como se dijo antes la temperatura afecta las lecturas de resistencia del aislamiento, por lo que es conveniente referirlas a un valor; para transformadores se considera una temperatura de referencia de 20º C y los factores de corrección son los siguientes:

49 5.750 651 652 653 654 655 655 8.156 8.157 8.158 8.159 8.160 1161 1162 1163 1164 1165 14.866 14.867 14.868 14.868 14.869 14.870 2071 2072 2073 2074 2075 26.376 26.877 26.878 26.879 26.880 36.281 36.2

º C Factor de Corrección15 0.7316 0.7817 0.8318 0.8919 0.9420 121 1.0522 1.1123 1.11624 1.2325 1.326 1.427 1.528 1.629 1.730 1.831 1.932 2.0533 2.234 2.2535 2.536 2.6637 2.8438 3.039 3.1640 3.542 3.7543 4.044 4.2545 4.546 4.847 5.148 5.4

Las lecturas de resistencia del aislamiento deberán considerarse como relativas y su resultado no solo debe servirnos para comprobar que los valores se mantengan arriba de un mínimo recomendado.

Su mayor beneficio es cuando se comparan con pruebas anteriores efectuadas al equipo. Observando su comportamiento a través del tiempo, una gráfica nos sería de gran utilidad.

A continuación se da un listado de los diferentes valores mínimos de resistencia de aislamiento utilizados para transformadores sumergidos en aceite a una temperatura de 20º C.

La selección de los voltajes de prueba en corriente directa para determinar la resistencia de aislamiento será de acuerdo al voltaje de operación de los transformadores: Para transformadores de baja tensión utilizar el Megger en la escala de 500 V de corriente directa para transformadores de alta tensión utilizar la escala de 2500 V de corriente directa.

El procedimiento para la prueba es la siguiente:a) Verificar que no exista voltaje en las terminales del transformador.

b) Descargar a tierra las cargas estáticas.

c) Verificar que el tanque del transformador esté aterrizado.

d) Desconectar eléctricamente el transformador.

e) Limpiar completamente las boquillas del transformador.

f) Colocar puentes en el devanado primario y en el devanado secundario.

g) Anotar la temperatura de prueba utilizando para esto el indicador de temperatura del aceite del transformador.

TIPOS DE TRANSFORMADORES

º C Factor de Corrección82 36.283 36.284 36.285 4986 4987 4988 4989 4990 6691 6692 6693 6694 6695 89

Voltaje (KV) Resistencia de Aislamiento en M

1.2 322.5 685 1358.66 23015 41025 67034.5 93046 124031 186092 2830112 3130

- Elevadores de energía 13.2KV/34.5KV --------------------Potencia

- Reductores de energía 13.2 KV/440 – 220 V --------------------Distribución

Los transformadores de baja tensión tienen los siguientes voltajes:- 127V

Los transformadores de alta tensión tienen los siguientes voltajes:- 13.2 KV - 110 KV - 110 V- 34.5 KV - 220 V

Los circuitos de utilización usuales son los siguientes:Voltaje Nominal Voltaje Secundario Voltaje Nominal

del del VAparato de utilización Transformador Volts

220 ó 250 V 240 V 230 V440 ó 460 V 480 V 460 V

550 V 600 V 575 V

El voltaje del secundario del transformador es mayor para compensar la caída y asegurar el voltaje nominal en el punto de utilización

CONEXIÓN DE LOS DEVANADOSSon recomendables algunas conexiones en ciertos casos. Bancos transformadores trifásicos para subtransmisión o distribución primaria con los devanados de 34.5

KV o más. La alta tensión suele conectarse en estrella por las siguientes razones:a) Reducción gradual del aislamiento entre la Terminal de línea el neutro y por consiguiente en el tamaño del

transformador, economía que es apreciable especialmente por tensiones superiores a 69 KV.b) Economía de un aislador de alta tensión, cuando se trata de un transformador monofásico. El aislador en el

neutro suele ser de la clase de 15 KV.c) Neutro disponible para conectarlo a tierra y poder obtener protección y control de tallas a tierra. La

instalación de reactores en el neutro, limita corriente en las tallas a tierra hasta si se desea aunque generalmente se reduce a valores suficientes para obtener una operación sensible de los relevadores a tierra.

Teniendo un lado estrella (Y), es recomendable conectar el otro en Delta (Δ), para eliminar armónicas en los voltajes y corrientes de línea y evitar los calentamientos adicionales que producen en los equipos y los efectos que causan en los circuitos de comunicación y también para equilibrar las tensiones en lado de estrella.

Bancos o transformadores de subestación alimentadora de servicio industrial.La conexión delta - delta (Δ – Δ), presenta aquí las siguientes ventajas:a) En lado delta (Δ) de alta, impide que el banco actúe como banco de tierra para el sistema que lo alimenta,

en cuyo caso se estará expuesto a corrientes no controlables por el usuario y que pueden ser peligrosas para los transformadores.

b) En el lado de baja, reduce considerablemente las corrientes. Cuando la tensión secundaria es de 480 Volts y la potencia de 1000 Kva o más, esto produce una economía en el costo del transformador y otra más apreciable en conductores para distribución y equipo asociado a ellos, como interruptores y transformadores de corriente.

c) En casos de bancos de transformadores, permite operar dos unidades en delta (Δ) abierta con 58% de la capacidad total en caso de defecto en la tercera unidad.

Transformadores de utilización.En estos la conexión indicada es delta (Δ) en lado de alta tensión y estrella (Y) en lado de baja, por las razones siguientes:a) La delta (Δ) del lado de alta estabiliza, el neutro de lado de baja e impide efectos perjudiciales en los

circuitos de comunicación paralelos a los de fuerza debido a terceras armónicas.b) La estrella (Y) en baja tensión permite cargas monofásicas de alumbrado.

UNIDAD II GENERADORES DE CORRIENTE DIRECTA A CCPrincipio de funcionamiento de generadores de corriente continua.Definición. 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 unos conductores eléctricos dispuestos sobre una armazón. Si mecánicamente se produce un movimiento relativo de los conductores y el campo, se generará en los primeros una fuerza electromotriz, de modo que, si se enlazan, a un circuito exterior, le suministrarán energía eléctrica.

Fuerza Electromotriz GeneradaEl funcionamiento del generador está fundado en este principio. El flujo que abrazan las espiras del inducido

se hace variar haciéndolo girar en el campo inductor.

Fuerza Electromotriz Generada por la Rotación de una EspiraLa figura representa una espira que gira en sentido contrario al de las agujas de un reloj y su velocidad es

constante, en un campo magnético. Según la posición de la espira, la f.e.m. inducida en ella cambia de valor. Cuando está en la posición 1, no se genera f.e.m. porque ningún conductor activo corta líneas magnéticas, ya que se mueven paralelamente a ellas. Cuando la espira alcanza la velocidad 2, sus conductores activos cortan oblicuamente las líneas y la f.e.m. tiene valor indicado. Al llegar a 3, los conductores cortan las líneas perpendicular mente y, por consiguiente, el máximo número de ellas. En la posición 4, la f.e.m. disminuye porque el número de líneas cortadas se va reduciendo. En la posición 5 ya no corta ninguna línea y, como en la 1, la f.e.m. es nula. En la posición 6 la dirección de la f.e.m. se invertirá. Puesto que se encuentran ahora frente a un polo de signo contrario y correspondiente a las posiciones 1 a 5 la f.e.m. crece hasta un máximo negativo que se alcanza en la posición 7, y luego decrece hasta que la espira ocupa de nuevo la posición número 1.

Esta f.e.m. inducida es alterna y sigue una ley de variación sinusoidal. Esta f.e.m. puede actuar sobre un circuito exterior conectado.

Es por lo tanto necesario rectificar dicha corriente por medio de un colector con escobillas, como se ve en la figura. En lugar de 2 anillos, como en la figura anterior, se utiliza solamente uno solo, pero cortado según una generatriz en dos posiciones diametralmente opuestas, y empalmando cada una de las mitades a uno de los extremos de la espira.

La figura muestra cuando que cuando se invierte la dirección de la corriente en la espira, las conexiones con el circuito externo se invierten también. Por lo tanto, la dirección de circulación de la corriente en el circuito exterior es invariable.

Inducido. Ha quedado explicado en lo que antecede que en un dínamo debe haber conductores que corten un campo magnético y un colector que invierta las corrientes inducidas en el momento adecuado para utilizarlas en el circuito exterior. Para una velocidad de rotación del inducido y un flujo inductor constantes, la tensión entre las escobillas permanecerá constante, si se prescinde de las pequeñas fluctuaciones debidas a la toma y cede de contacto de las sucesivas delgadas con las escobillas.

Arrollamiento de Tambor Las dos ventajas principales del arrollamiento de tambor son que exceptuando los conductores frontales, todo el cobre del inducido es activo, es decir, corta flujo y actúa, por lo tanto, como generador de f.e.m., y que, salvo

en los generadores pequeños y en inducidos con ranuras semicerradas, las bobinas pueden confeccionarse antes de colocarlas en el inducido, lo que reduce el costo del bobinado.

Para que la f.e.m. inducida en las espiras sea la máxima deben cumplirse otras nuevas condiciones. El ancho de las espiras debe ser igual al paso polar, sin embargo, pueden reducirse a los 8/10 de este paso sin gran reducción de la f.e.m. inducida, en cuyo caso los arrollamientos se llaman de paso fraccionario. Las tres condiciones fundamentales que deben llenar un devanado imbricado son:

1. El paso debe elegirse de manera que los lados opuestos de una misma bobina se encuentren frente a polos de signo contrario.

2. En el devanado debe aparecer cada elemento solamente una vez.3. El devanado debe cerrarse sobre sí mismo.

Cada conductor es un manantial de Fuerza Electromagnética y en un generador bien construido las F.E.M. son iguales al estar produciendo C.D.

Los conductores se pueden conectar de distintos modos de tal manera que formen 2, 4 o más circuitos para el paso de la corriente al inducido. Para determinar el número de circuitos en paralelo a través del inducido se comienza en una de las terminales del dínamo, por ejemplo el negativo, y se miran los distintos caminos que se pueden seguir a través del inducido para alcanzar el terminal positivo. El montaje más sencillo es el de arrollamiento de anillo. En todo arrollamiento siempre hay tantos circuitos en el inducido como polos.

Generadores de CC Los generadores de cc son las mismas máquinas de cc cuando funcionan como generadores. Tal que no hay diferencia entre un motor y un generador solo el sentido de la potencia. Los generadores se clasifican en cinco tipos principales de acuerdo con la forma en que provea el flujo de campo.

Generador de excitación independiente. En este generador el flujo es provisto por una fuente separada, independiente del mismo generador.Generador en derivación (“shunt”). Se provee el flujo conectando el circuito de campo directamente sobre las terminales del generador.Generador serie. El flujo del generador serie se consigue conectando el circuito de campo en serie con la armadura del generador.Generador con excitación compuesta acumulativa. En el generador de excitación compuesta acumulativa están presentes los campos serie y derivación, y sus efectos son aditivos.Generador con excitación compuesta diferencial. Este modelo tiene simultáneamente campos en serie y derivación, pero sus efectos son sustractivos.Los generadores de cc difieren en sus características terminales (voltaje – corriente) y, pero tanto, en el tipo

de utilización.

Generador con excitación en serie Este generador tiene conectado el campo en serie con la armadura.

Dado que la armadura conduce corriente mucho más elevada que la de un campo en derivación, el campo del generador serie necesita pocas espiras de alambre cuya sección debe ser muy superior a la de un alambre de campo en derivación.

Característica terminal del generador en serie En vacío no hay corriente de campo de tal manera que Vt alcanza solamente el valor correspondiente al flujo remanente de la máquina. Cuando la carga aumenta, también lo hace la corriente de campo, de tal manera que Ea aumenta rápidamente. La caída Ia(Ra + Rs) también se incrementa, pero al comienzo es mayor el aumento de Ea

que el de la caída Ia(Ra + Rs), así que Vt aumenta. Después de la máquina se aproxima a la saturación y Ea permanece casi invariable, a partir de ese punto predomina la caída de tensión resistiva, y Vt comienza a disminuir.

En deducción la máquina sería pésima como fuente de voltaje constante.El generador serie solamente se utiliza en algunos pocos casos especiales en los que pueda explotarse lo

pronunciado de su característica de voltaje. Una de tales aplicaciones se presenta en la soldadura de arco. En este caso el generador serie se diseña con gran efecto de reacción de armadura, con lo cual se consigue que la característica Terminal adopte la forma que indica. Nótese que cuando los electrodos se juntan antes de comenzar a soldar, circula una gran corriente, cuando el operario separa los electrodos, rápidamente aumenta el voltaje del generador mientras se mantiene el alto valor de la corriente. El voltaje sostiene el arco entre los electrodos permitiendo el proceso de soldado. Generador con excitación independiente El generador de cc de excitación independiente es un generador cuya corriente de campo es suministrada por una fuente separada de voltaje. El circuito equivalente de la máquina, allí Vt es el voltaje medio en las terminales del generador, e Il es la corriente que circula por las líneas a las cuales sean conectados dichas terminales. La fuerza electromotriz generada es Ea e Ia es la corriente de la armadura. En este generador Ia = Il.

Característica Terminal

del generador de excitación independiente. En un generador de cc las variables de salida son la tensión en terminales y la corriente de línea. La característica Terminal del generador de excitación independiente es una gráfica de Vt contra Il a la velocidad constante w. por la ley de voltajes de Kirchoff la tensión Terminal es: Vt = Ea – IaRa Como la fuerza electromotriz generada internamente es independiente de Ia, la característica teminal del generador de excitación independiente es una línea recta, de la forma indicada en la figura. En generadores sin arrollamiento compensador el aumento de Ia incrementa la reacción del inducido y la reacción de armadura debilita el flujo, disminuyendo la tensión generada lo cual disminuye aún más el voltaje en terminales del generador como se muestra en la gráfica.

Característica terminal del generador de excitación independiente con Arrollamiento de compensación y sin arrollamiento de compensación

Control de voltaje de terminalEl voltaje en terminales del generador de excitación independiente puede controlarse variando a tensión

generada interna Ea de la máquina.1. Modificar la velocidad de rotación.2. Variar la corriente de campo.

Generador con excitación en derivación

Es un generador que suministra su propia corriente de excitación mediante la conexión directa del campo sobre las terminales de la máquina. Su ventaja principal es que no requiere fuente adicional para alimentar su excitación. El proceso de autoexcitación de estos generadores necesita de la existencia de un fllujo residual en los polos de la máquina. La característica terminal del generador en derivación es que cuando aumenta la carga del generador, Il aumenta y también lo hace Ia = Il + If. El incremento de Ia aumenta la caída de voltaje Ia Ra en la resistencia de la armadura ocasionando la disminución de Vt, lo que disminuye la corriente de excitación de generador en derivación, disminuyendo Ea. Si Ea disminuye, produce una mayor disminución del voltaje terminal Vt = Ea – Ia Ra. Por tanto, la regulación de voltaje en el generador shunt es inferior a la que presentaría la misma máquina conectada con excitación independiente. Para controlar el voltaje que produce este generador, se puede variar la velocidad de su eje o variando la resistencia de campo.

Generador con excitación compuesta acumulativa El generador con excitación compuesta acumulativa es un generador de cc provisto de campos en serie y derivación conectados de tal manera que sus fuerzas magnetomotrices se refuerzan.

Los puntos que aparecen sobre las dos bobinas de campo tienen el mismo significado que en el transformador: las corrientes que penetran por un punto producen fuerza magnetomotriz positiva. La corriente del inducido penetra por el extremo punteado de la bobina serie, y que la corriente If también entra por el extremo punteado de la bobina del campo en derivación. Por consiguiente, la fuerza magnetomotriz total de esta máquina es: Fnet = Fsh + Fse – Far

La corriente efectiva equivalente del campo en derivación de la maquina se expresa:Nshlºa = Nshlf + Nsela – FarIºf = If + (Nse / Nsh)a – Far/Nsh

Las otras relaciones de voltaje y corriente del generador sonIa = If + IlVt =Ea – Ia(Ra + Rs)If = Vt/Rf

Otra forma de conectar el generador con excitación acumulativa es la conexión en derivación corta, en la cual el campo serie queda por fuera del circuito de campo en derivación. En este caso, por la bobina del campo serie circula la corriente Il en lugar de Ia.

Característica terminal del generador con excitación compuesta acumulativa Supóngase que se sumenta la carga del generador, por lo tanto aumenta la Il. Como Ia = Il(incrementada) + If, también aumenta la corriente del inducido Ia. En este momento ocurren dos fenómenos.

1. Cuando Ia aumenta, también lo hace la caída de tensión Ia(Ra+Rs), lo cual tiene a disminuir el voltaje terminal Vt=Ea-Ia(incrementada)(Ra+Rs).

2. Cuando Ia aumenta, la fuerza magnetomotriz del devanado serie también aumenta. Fse=Nsela. Con esto también aumenta la fuerza magnetomotriz total de la máquina Ftot=Nflf+Nsela(incrementada) y por lo tanto el flujo. El incremento del flujo aumenta Ea lo cual, a su vez, tiene a hacer subir el voltaje terminal Vt=Ea(incrementada)-Ia(Ra+Rs).

Estos dos efectos son opuestos entre sí, uno tiene a elevar Vt y el otro a disminuir Vt. ¿Cuál de los dos predomina en una máquina dada? Todo depende del número de espiras del arrollamiento serie de la máquina. La pregunta puede responderse tomando algunos casos particulares.

1. Pocas Espiras Serie (Nse pequeño). Si son pocas las espiras predomina la caída del voltaje resistiva. Este tipo contractivo en el que el voltaje terminal a plena carga es menor que el voltaje en vacío, suele llamarse tipo compuesto o sub compuesto.

2. Más Espiras Serie (Nse mayor). Si se adicionan unas pocas espiras serie por polo, al principio predomina el efecto de reforzamiento del campo, y la tensión se eleva al aumentar la carga. En esta máquina el voltaje terminal sube al comienzo y luego a medida que aumenta la carga. Si Vt sin carga es igual a Vt a plena carga el generador se llama compuesto normal.

3. Aún más espiras serie (Nse grande). Si se adiciona todavía un mayor número de espiras serie por polo, el efecto de refuerzo del flujo predomina durante más tiempo antes de que se manifieste el efecto de la caída de tensión resistiva. El resultado es una característica con voltaje terminal mayor a plena carga que en vacío. Si Vt a plena carga es mayor que Vt sin carga se tiene un generador hiper compuesto o sobre compuesto.

Control de voltaje del generador con excitación compuesta acumulativa Los métodos utilizados para regular el voltaje terminal del generador con excitación compuesta acumulativa son exactamente los mismos que se emplearon en el generador derivación.

Generador con excitación compuesta diferencial Este generador de cc está dotado de un campo en derivación y uno en serie de manera que sus fuerzas magnetomotrices sean opuestas entre sí. Característica terminal del generador El generador con excitación compuesta diferencial presenta el generador con excitación compuesta acumulativa pero en este caso ambos efectos son de igual sentido(Vt=Ea-Ia(Ra + Rs)). CuandoI aumenta también lo hace la caída de tensión y por consecuencia el voltaje entre terminales tiende a disminuir.

Formas para controlar el voltaje del generador Aún cuando se pueda pensar que la característica descendente de voltaje del generador es mala es posible regular el votaje a cualquier carga de las siguientes dos maneras.

1. Variar la velocidad de rotación Wm.2. Variar la corriente de campo.

La característica de voltaje de un generador con excitación compuesta diferencial se deduce exactamente de la misma forma que para el generador con excitación compuesta acumulativa. La corriente efectiva del campo en derivación correspondiente para este generador sigue la relación Vt/Rf, ya que está circulando por dicho campo. La parte restante de la corriente efectiva corresponde a la sumatoria de los efectos del campo en serie y la reacción de la armadura. Para este tipo de generadores el efecto de magnetización es de suma importancia puesto que nos hace variar las características de funcionamiento y respuesta del generador, también se involucra un efecto llamado histéresis el cual nos indica los puntos máximos y mínimos de magnetización.

Características generales de los generadores de corriente directa

Hay 3 tipos de generadores de corriente directa y subtipos de cada uno(existiendo variaciones de la intensidad del campo de la armadura)

Características:

Forma externa Forma interna Velocidad de rotación Flujo de campo Curva de magnetización del generador La polaridad del voltaje de salida La dirección del flujo de campo La dirección real del devanado

Descripción

El voltaje de saluda se puede controlar en la forma externa y variando el flujo de campo por polo.La velocidad de rotación está dada por las características de la máquina que genera el movimiento, no por el

generador.El flujo de campo está dado por las características de trayectoria magnética total.La polaridad del voltaje de salida depende de la dirección de rotación y dirección de la corriente de campoLa dirección del flujo del campo depende de la dirección absoluta de rotación del devanado.Tipos de generadores básicos

Con el conocimiento de que el voltaje generado depende del flujo magnético del campo, puede ahora entenderse de qué manera este flujo de campo puede ser suministrado por el generador mismo. Las formas básicas son:

a) Las conexiones del campo se pueden tomar en forma directa de la armadura. De este modo el voltaje que excita la corriente a través de la bobina de campo es el del circuito completo de la armadura. La corriente se puede reducir mediante una resistencia en serie en el circuito de campo, si se desea. A esta conexión se le llama generador en derivación autoexcitado.

b) Las conexiones del campo se pueden poner en serie con el circuito de la armadura. De esta manera los ampere – vueltas del campo serán controlados primordialmente por la resistencia de la carga conectada. No habrá excitación del campo si no fluye corriente hacia una carga. A esto se le conoce como generador en serie.

c) El tercer tipo combina un campo en derivación y uno en serie y se llama generador compuesto. Hay todavía otra subdivisión, según si el campo en derivación se conecta a través de la sola armadura, en cuyo caso se le llama compuesto en derivación corta, o si se conecta a través tanto de la armadura como del campo en serie, en cuyo caso recibe el nombre de compuesto en derivación larga.

Acumulación y polaridad en el generador en derivación La autoexcitación implica un proceso que se lleva a cabo dentro del generador. Este proceso comienza cuando la máquina efectúa sus rotaciones en su sentido normal a, o cerca de , su velocidad nominal.

Al inicio, y durante un tiempo breve, habrá un voltaje Eg que es el resultado de mover los conductores de la armadura a través del pequeño campo magnético residual que queda en el circuito magnético después de la última operación anterior. Este voltaje existirá de manera persistente si el circuito del campo se deja en circuito abierto por cualquier razón. Con un circuito de campo cerrado, este pequeño voltaje existirá ahora a través del campo y fluirá una pequeña corriente. Si esta produce los suficientes ampere – vueltas y con la polaridad correcta, el magnetismo del campo aumentará y se generará un voltaje mayor. A este proceso se le conoce por acumulación. El voltaje creciente produce un flujo de campo creciente hasta que, debido a la curvatura de las líneas de magnetización más voltaje producirá menos y menos flujo adicional. El proceso de acumulación dura lo suficiente para poder ser observado mediante un voltímetro después de que se cierra el circuito del campo. A veces el proceso de acumulación toma varios segundos. Esto es más notorio cuando la resistencia del circuito del campo y la inductancia del campo tienen valores grandes. La acumulación no es un proceso invariante o automático. Si la máquina se desconecta en forma incorrecta o si se hace girar en reversa, no se llevará a cabo la acumulación. La condición opuesta, o empobrecimiento, ocurre cuando el voltaje que se alcanza es casi cero en vez de 3 o 15% del voltaje final que el el resultado del magnetismo residual en el campo. El empobrecimiento ocurre cuando el voltaje generado por el campo magnético residual en el devanado de la armadura tiene la polaridad opuesta para el circuito del campo según como está conectado. El campo magnético residual y la energización del campo. Puede ser que no se consiga la acumulación aún con la polaridad correcta en la conexión del campo, si el campo residual es débil o inexistente. Una máquina nueva que aún no se haya usado, o una máquina que haya sido desarmada o quizás golpeada, tendrá un campo insuficiente para la acumulación; por lo que se debe polarizar o energizar el campo en la polaridad correcta con una fuente aparte de excitación del voltaje correcto. Un generador puede efectuar la acumulación de manera satisfactoria hasta un voltaje útil, pero con la polaridad equivocada u opuesta con respecto a la polaridad deseable. La forma más fácil de corregir esto es detenerse e invertir las conexiones externas, y dejar inalteradas las conexiones internas. No obstante, tal vez esta solución no sea posible porque no lo permitirá la longitud de los alambres o porque uno de los extremos del circuito esté aterrizado internamente a la carcasa, como era común en los generadores de los automóviles. Generador en derivación (shunt) Siendo el dínamo shunt una máquina autoexcitada, empezará a desarrollar su voltaje partiendo del magnetismo residual tan pronto como el inducido empiece a girar. Después a medida que el inducido va desarrollando voltaje, éste envía corriente a través del inductor aumentando el número de líneas de fuerza y desarrollando voltaje hasta su valor normal. Puesto que circuito inductor y el circuito de la carga están ambos conectados a través de las terminales del dínamo, cualquier corriente engendrada en el inducido tiene que dividirse en esas dos trayectorias en proporción inversa a sus resistencias y, puesto que la parte de la corriente pasa por el circuito inductor es relativamente elevada, la mayor parte de la corriente pasa por el circuito de la carga, impidiendo así el aumento de la intensidad del campo magnético esencial para producir el voltaje normal entre las terminales. Características del voltaje del dínamo shunt El voltaje de un dínamo shunt varía en razón inversa de la carga, por la razón mencionada en el párrafo anterior. El aumento de la carga hace que aumente la caída de voltaje en el circuito de inducción, reduciendo así el voltaje aplicado al inductor, esto reduce la intensidad del campo magnético y por consiguiente, el voltaje del generador. Si se aumenta bruscamente la carga aplicada a un dínamo shunt la caída de voltaje puede ser bastante apreciable, mientras que si se suprime casi por entero la carga, la regulación de voltaje de un dínamo shunt es muy defectuosa debido a que su regulación no es inherente ni mantiene su voltaje constante. Adaptan bien a trabajos fuertes, pero pueden emplearse para el alumbrado por medio de lámparas incandescentes o para alimentar otros aparatos de potencia constante en los que las variaciones de carga no sean demasiado pronunciadas. El dínamo shunt funciona con dificultad en paralelo porque nos e reparte por igual la carga entre ellas.Características de operación del generador en serie

La pendiente se puede aumentar o disminuir ajustando el diversor hasta un punto máximo.

Ejemplo:

Una maquina típica de laboratorio muy utilizada es la hampden rem-1, que tiene un campo en derivación de 1200 vueltas y un campo en serie de 120 vueltas.

La curva de saturación de este tipo de maquinas, muestra que se pueden alcanzar 125 v con una corriente de 0.709 a en el campo de derivación al operar en vació. A primera vista, estas maquinas tienen una resistencia aproximada de 1.33 en la armadura, un campo de conmutación y escobillas de 8 a. El campo en serie tiene 1.04 .

Por lo tanto tenemos 1.33 + 1.04 = 2.37 en el circuito interior de la maquina.Determinar si esta puede entregar 125 v a 8 a, es decir, su potencia nomina de un 1 Kw., al operar solo en

serie.

SoluciónEsto producirá aproximadamente (2.37) (8) = 18.96 v, es decir, una caída aproximada de 19 v a la carga

nominal de 8 a.Así, para poder entregar 125 v a la carga de la maquina debe generar internamente:

125 v (que nos piden) + 19 v (la caída en el circuito interior) = 144 v.

(Eg = 144)

Este valor requiere aproximadamente 0.922 a en el campo en derivación.

Como el campo en serie tiene la décima parte de vueltas que tiene el campo en derivación, el campo en serie requerirá una corriente que sea 10 veces mayor, es decir 9.22 a, a fin de proporcionar los suficientes ampere-vueltas para producir 144 v.

Se ve que esta maquina no puede entregar su potencia nominal de carga de 1 Kw. A 125 v (125 v * 8 a = 1000 w) al operar como una maquina en serie.

Podría producir con facilidad 125 v a una corriente mayor como 10.5 a, por ejemplo, o exactamente 1 Kw. Para cargar a un voltaje menor de más de 116.7 v.

Perdida interna de voltaje en un generador en serie

Conviene reconocer que un generador en serie se presentan dos caídas de voltaje principales entre el voltaje generado Eg y el voltaje entre terminales Vt por lo tanto, se pueden emplear la siguiente. Ecuación.

Vt = Eg – Ia (Ra + res)

Ra incluye la armadura y las escobillas junto con los campos de conmutación y quizás los devanados de compensación.

Res incluye la resistencia del campo en serie, que puede estar en paralelo con un divisor en serie.

El generador en serie siempre tiene una regulación negativa de voltaje si se opera en su rango nominal. El voltaje de salida es entonces menor para una carga pequeña que para una grande, si esta dentro de su rango.

A sobrecargas elevadas la cercanía de a la saturación en la estructura magnética del campo reduce el voltaje aumentado por cada aumento de corriente de la corriente de carga.

El efecto de la reacción de la armadura con corrientes mas elevadas en realidad reduce el voltaje de salida, lo que ocasiona una nueva regulación positiva.

Este efecto sobrepasa el rango de estado estable de la maquina común. Antes esta característica se utilizo al operar tan lejos de la rodilla de la curva de saturación que la maquina tuvo una corriente casi constante.Generador en serie

Es cuando las bobinas principales de campo de un generador se conectan en serie con el circuito de la armadura y la carga.

Acumulación y polaridad en un generador en serie

Durante la operación inicial, cuando aun no fluye corriente, se genera un voltaje residual.

El voltaje residual hará que fluya una corriente a través de todo el circuito en serie si se cierra el circuito, habrá entonces una acumulación de voltaje hasta un punto de equilibrio análogo. Con un campo en serie solo no habrá una acumulación con un circuito de carga abierto y la maquina funcionara en vano.

Característica y ajuste de un generador en serie

En la práctica, es posible que no toda la corriente circule en el campo en serie, ya que este contiene cierto porcentaje de vueltas más que las necesarias. Por ello es común ajustar la corriente de campo mediante un resistor.

Polaridad y empobrecimiento de un generador en serie

Si el campo se conecta al revés, la maquina se empobrecerá, si la polaridad magnética del campo se invierte con respecto a la polaridad deseada, el voltaje que se obtenga tendrá la polaridad equivocada.Operación de un generador compuesto

Es una maquina de corriente directa que tiene campos conectados en serie y en derivación. La maquina usual compuesta tiene mas amperes-vuelta en el campo en derivación que en el de serie,. Pero aun así tiene la fuerza suficiente para producir la elevación de un voltaje al aumentar la carga.

En este generador se puede hacer que el campo en derivación se conecte entre la armadura y el campo en serie y la conexión es en derivación corta.

Tipos de generadores

Generador compuesto acumulativo: este generador es en el que cuando tiene el flujo de su campo en serie apoyando al flujo de su campo en derivación.

Generador compuesto diferencial: es en el que el campo en serie se conecta en inversa de modo que el flujo magnético de su campo se oponga al flujo magnético de su campo en derivación. Esta conexión es útil cuando se desea un voltaje significativamente menor en condiciones de carga aumentada, o cuando se requiere mantener una corriente casi constante.

Características de un generador compuesto

Un generador compuesto puede devanar y ajustarse para una gama muy alta de características externas. La regulación más negativa y disponible es la de un generador en serie puro; la regulación más posible es la que se obtiene con arreglo compuesto fuertemente diferencial. Entre ambos extremos es posible obtener prácticamente cualquier valor de regulación. Algunos tipos extremos pueden no ser útiles o deseables, pero se usan en forma amplia muchos de los ajustes más normales. Se pueden utilizar para compensar indeseables e inevitables condiciones del circuito debidas por ejemplo a líneas de conexión muy largas.

Ejemplo

Un generador sobre compuesto en derivación corta de 1100a está equipado con un diversor de campo de rdes = 0.0088ω.

El campo en serie básico tiene una resistencia a temperatura de operación de rse = 0.0027ω. El campo en serie tiene 6 vueltas por polo.

a) Calcule los ampere-vueltas del campo en serie cuando está conectada la resistencia diversora.b) Calcule los ampere-vueltas con la resistencia diversota desconectada.

Calcule los ampere-vueltas con el campo en serie en corto circuito.Solución:

A)

B)Las condiciones de cortocircuito no sol las que aparentan, ya que es muy difícil hacer una buena unión muy por debajo de 0.001ω. Si esto es cierto, ¡las condiciones en cortocircuito son es realidad casi las mismas que con una resistencia diversota de 0.002ω! En tal caso

C)

Control de generadores

Se puede proyectar y producir un circuito de control para gobernar la maquina misma.Se puede decir que el esquema o sistema de control es el cerebro de la maquina.Es responsable de arrancar, parar, acelerar, retardar y poner en reversa a la maquina, así como la

protección de la misma.El control mas sencillo para un motor es un interruptor simple de encendido y apagado.

Control convencionalDispositivos primarios.

*interruptores mecánicos de operación manual.Puede tratarse de un interruptor de cuchilla, se mueve entre mordazas fijas de resorte que la sujetan o los

contactos se unen por presión.*interruptores giratorios.Uno o más segmentos metálicos giran para conectarse o desconectarse de contactos de resorte fijos.*contactores magnéticos.Son de resorte accionados en forma electromagnética, requiere de un relevador para el manejo de energía

eléctrica.*interruptor de arranque.Es una combinación de un contactor y dispositivos térmicos contra sobrecarga y puede accionarse en forma

manual o magnética.*resistores limitadores de corriente.Son dispositivos en virtud de que manejan la corriente del circuito principal de la armadura.*dispositivos de protección.Se usan para interrumpir el flujo de corriente hacia el motor como lo son fusibles o interruptores.

Dispositivos piloto.*interruptores de botón de presión.Solo cierra o abre un contacto contra la fuerza de un resorte ligero.*interruptores de flotador.Se accionan por un nivel de flujo en un tanque o un canal de proceso.

*interruptores de presión.Se accionan por presión creciente o decreciente.*interruptores de temperatura.Se acciona cuando hay cambios de temperatura.*interruptores de flujo.Pueden accionarse por flujos crecientes o decrecientes con relación a un punto fijo de flujo.*interruptores limite.Se detecta por medio de la ubicación, proximidad o posición de un objeto.*relevadores.*sensores, detectores o transductores.

Dispositivos semiconductores.*el control de motores se lleva acabo mediante el uso de dispositivos semiconductores de 2,3 o 4 capas,

capaces de manejar grandes cantidades de energía y de conectarse y empaquetarse de tal manera que ocupen menos espacio y sean más confiables que los dispositivos convencionales.

*una razón importante de la mayor confiabilidad es que, a diferencia de los dispositivos convencionales, los dispositivos de este estado sólido no tienen partes móviles.

Diodos de potencia,*es un dispositivo semiconductor de dos terminales que actúa en forma ideal como un corto circuito para el

flujo de corriente en un sentido y como un circuito abierto en el sentido opuesto.

Un diodo actúa como un interruptor, la condición de conectado o desconectado del interruptor se determina por la magnitud y polaridad de voltaje que se aplica a través del dispositivo. Las especificaciones mas criticas son la máxima corriente en directa de estado estable y el máximo voltaje inverso de ruptura.

Diodos de potencia en serieEn ciertos circuitos de control de conmutación se presentan voltajes muy elevados a través de diodos en

inversa, esta condición, si se utiliza un diodo, puede ocasionar avalancha y posible daño permanente o destrucción del diodo si se sobrepasa el voltaje inverso de ruptura especificado para dar cabida aun alto voltaje se conectan 2 o mas diodos en serie, por lo común de tipo especificaciones similares.

Diodos de potencia en paraleloCuando la especificación de un diodo no es adecuada para pasar sin peligro la corriente en directa, se

conectan 2 o mas diodos en paralelo para compartir la corriente en directa en forma equitativa.

TransistorDispositivo semiconductor de 3 terminales que se puede utilizar como un interruptor o una resistencia

variable.

Transistor de union bipolar bjtSe usan como interruptores, es importante recordar que, para que la corriente de base cause saturación, se

deben mantener todo el tiempo el interruptor del transistor cerrado.

Transistor mossfetSe utiliza para controlar niveles de voltaje o frecuencia hacia motores.

Transistor igbtEs similar a los otros, tiene una región completamente lineal, pero cuando se usa como interruptor en

convertidores se controla encendido y apagado.

Control de la velocidad por procedimientos mecanicosLos motores de inducción y sincronos polifásicos, que poseen características de la velocidad esencialmente

constantes a la tensión nominal, se construyen en grupos montados que accionan dispositivos mecánicos vareadores de velocidad, de engranajes, poleas cilíndricas y cónicas e incluso bombas hidráulicas para producir una salida de velocidad variable. Algunas de estas unidades emplean embragues de deslizamiento magnético y solenoides para controlar los diversos montajes mecánicos o hidráulicos, con los que puede conseguirse un control de velocidad relativamente suave, además de la inversión del giro.

Tipos principales de generadores dc, clasificados de acuerdo con la manera de producir su flujo de campo:

Generador de excitación separada. El flujo del campo se obtiene de una fuente de potencia separada del generador en sí mismo.

Generador en derivación. El flujo de campo se obtiene conectando el circuito de campo directamente a través de las terminales del generador.

Generador serie. El flujo de campo se produce conectando el circuito de campo en serie con el inducido del generador.

Generador compuesto acumulativo. Están presentes tanto un campo en derivación como un campo serie y sus efectos son aditivos.

Generador compuesto diferencial. Están presentes tanto un campo en derivación como un campo serie, pero sus efectos se restan.

Los generadores son comparados por sus voltajes, potencias nominales, eficiencias y regulaciones de voltaje. La regulación de voltaje (Vr) está definida por la ecuación:

Vr = vn! – Vf! 100% Vn

Generadores de cd

AplicacionesEl generador de CD alimenta de electricidad al motor de CD. En esencia, produce corriente libre de rizo y un

voltaje fijo de manera muy precisa a cualquier valor deseado desde cero hasta el valor de máximo nominal, lo que opera a cualquier velocidad desde cero hasta su máximo de régimen y mantenerla ahí de forma precisa.

Generadores especiales

La adaptabilidad del generador de CD para usos específicos ha llevado al desarrollo de muchos generadores especiales. La mayor parte de estas aplicaciones especiales se realizan con otros dispositivos como son los rectificadores controlados de silicio (scr) o el control programado de corriente de campo al generador de CD principal.

Convertidores sincrónicos: primeros convertidores. Aparato ingenioso que combinaba en una sola armadura y devanado un motor de CA que tomaba su corriente de las líneas a través de anillos deslizantes en la parte posterior, y un generador de CD que proporcionaba corriente directa de un conmutador en el extremo delantero.

Reguladores giratorios: tiene campos para inteligencia de retroalimentación, se obtenía mejor respuesta mediante el uso de campos en derivación auto excitados y sintonizados a la línea de entrehierro o por medio de magnetización cruzada desde reacción de armadura.

Aparatos de tres hilos: ya no son usados más que como reliquias en museos y escuelas.

Generadores de CD homo polares o acíclicos. El principio de la máquina monopolar fundamentalmente, consta de un solo conductor que se mueve en un flujo uniforme en una dirección con un colector en cada extremo del conductor. La salida es una corriente de CD constante y pura, libre de rizos y sin conmutación. Corrientes de 270 000 a 8 v fueron producidas por la unidad comercial como la que aparece en la figura.

Trabajos recientes se han encaminado principalmente al uso de metales líquidos para transportar las corrientes elevadas desde los colectores giratorios y para obtener voltajes más altos al conectar unidades en serie. Se ha obtenido un poco de éxito, pero la restricción del sodio y potasio en la zona del colector ha resultado difícil.

UNIDAD III MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Ó CORRIENTE DIRECTA

Está constituido por dos partes principales:4. El campo o inductor o arrollamiento de excitación (que para los motores de corriente alterna es el

estator).

5. La armadura o inducido (que para los motores de corriente alterna es el rotor).

La velocidad de un motor de C.C. ó C.D. se puede aumentar mediante la debilitación del campo o se puede disminuir reforzando el campo magnético. Además se puede ocasionar una variación de velocidad regulando la tensión (voltaje) aplicada al inducido.

Para cambiar el sentido de giro de rotación hay que cambiar el sentido de campo (cambiando los bornes ó terminales de campo) o bien la corriente del inducido (cambiando los bornes o las terminales de la armadura).

Clases o tipo de motores de C.C. ó C.D.Motor en Serie: Los arrollamientos de excitación del inducido están conectados en serie

Vt Vi = Voltaje del InducidoVc= Voltaje de Campo

Vi Vc It = Corriente en TerminalesVt = Voltaje en Terminales

It- +

Inducidos ó Armadura Bobina de Campo

NOTA: En un motor de corriente directa sólo tenemos dos terminales: positiva y negativa.

Como toda la corriente pasa a través del inducido y de las bobinas de campo del inductor, tiene un arranque fuerte, haciendo sumamente útil para trabajos que exigen un par – motor muy fuerte (arranque muy fuerte) en el momento de ponerlos en funcionamiento como en tranvías, ascensores o elevadores, grúas, etc.

Los motores en serie deben utilizarse siempre directamente acoplados a las máquinas que deben accionar de manera que desde el instante en que reciben energía encuentren un trabajo que realizar y los frenen.

Los motores en serie no deben descargarse por completo, esto es en vacío (sin carga), sin el par resistente es nulo (sin carga) adquiere rápidamente velocidades peligrosas (el motor se embala), pudiendo suceder que los materiales que componen las partes giratorias no pueden resistir la acción de la fuerza centrífuga. Por consiguiente esta clase de motores nunca deben acoplarse mediante poleas (bandas).

La regulación de la velocidad en el motor serie, con carga constante se efectúa de las dos maneras siguientes:

Para cambiar el sentido del giro en corriente alterna hay que cambiar dos de las tres líneas.

L1

L2

L3

30

1. Intercalar entre la línea y el motor un reóstato de arranque (resistencia variable con selector. Esto es, está compuesta por varias resistencias en serie). Con lo que se suministra al inducido solo una parte de la tensión de la línea. Inicia el arranque con todas las resistencias. De velocidad nominal hacia abajo.

VR Vi VC

VR= Voltaje del Reóstato

Vi= Voltaje del Inducidoaaa

VC= Voltaje de Campoa

- + ReóstatodeArranque

2. En paralelo con el arrollamiento de campo se conecta una resistencia reguladora (Potenciómetro) por la que circula una parte de la corriente total (corriente del inducido). De este modo se puede debilitar o reforzar el campo magnético y con ello aumentar y disminuir la velocidad. De la velocidad nominal hacia arriba.

Ir

- + IC ES MENOR

Motor en Paralelo o en Shunt o en DerivaciónEl arrollamiento de excitación está conectado en paralelo con el inducido.

+ Bobina de Campo -

+ -

INDUCIDOLo que caracteriza esta clase de motores es que su velocidad permanece prácticamente constante aunque

varíe la carga en amplios límites. Se comprueba que entre girar en vacío a pasar a plena carga, la velocidad solo varía entre un 2 y un 5% de la velocidad nominal del motor.

El motor en derivación tiene su gran campo de aplicaciones cuando se requiere una buena uniformidad de movimiento a pesar que puede haber apreciables cantidades de carga.

El aumento de velocidad se hace debilitando el campo por medio de un reóstato regulador en serie con el campo, con valor mínimo de resistencia, al campo le llega la corriente de línea y el campo tiene su valor máximo que es el nominal y gira a su velocidad nominal, y al pasar el reóstato a su valor máximo de resistencia del campo recibe menos voltaje por lo que el campo se debilita y aumenta la velocidad. Bobina de Campo

Reóstato Regulador

- +

INDUCIDO

Motor de Doble Arrollamiento o Compound (compuesto) ó Motor con Excitación CompuestaEste tipo de motor tiene dos arrollamientos: uno en serie y otro en paralelo (derivación).Esta clase de motores se utiliza cuando hay muy bruscas variaciones de carga y se requiere una velocidad

constante. Tal sucede conciertas máquinas como limadoras, laminadoras, cizallas, etc.; y ciertos mecanismos que deben tener una marcha muy constante y puede cesar muy bruscamente el par resistente, como en el caso de bombas centrífugas, aspiradoras de aire, etc.

CAMPO EN PARALELO

Reóstato de Arranque - +

INDUCTOR CAMPO DE SERIE

UNIDAD IV MOTORES DE CORRIENTE ALTERNAMotores de inducción jaula de ardillaEl motor jaula de ardilla lleva este nombre debido a su construcción del rotor, que hace recordar una jaula de

ardilla, sin tener devanado de alambre.De acuerdo a los estándares de NEMA, los motores de C.A. deberán llevar anotado en su placa de datos

una letra de código como clave para mostrar los Kilovolt-amperes por HP que demanda el motor cuando el rotor está bloqueado.

TABLA PARA LETRAS DE CÓDIGO DE ROTOR BLOQUEADO

LETRA DE CÓDIGO KVA/HP A ROTOR BLOQUEADO LETRA DE CÓDIGO DVA/HP A

ROTOR BLOQUEADOA Hasta 3.14 L 9.0 a 9.99B 3.15 a 3.54 M 10.0 a 11.19C 3.55 a 3.99 N 11.2 a 12.49D 4.0 a 4.49 P 12.5 a 13.99E 4.5 a 4.99 R 14.0 a 15.99F 5.0 a 5.59 S 16.0 a 17.99G 5.6 a 6.29 T 18.0 a 19.99H 6.3 a 7.09 U 20.0 a 22.39J 7.1 a 7.99 V 22.4 y SuperiorK 8.0 a 8.99

Es con frecuencia necesario determinar el valor de la corriente de Rotor Bloqueado de un motor. Con bastante aproximación, esta corriente puede ser determinada sobre la base de un valor promedio de KVA’s por HP dentro del rango correspondiente a la letra de código anotada en los datos de placa del motor. Así, para un motor trifásico, la corriente de rotor bloqueado será igual al valor promedio de KVA’s multiplicado por los HP del motor y por 1000; y este producto dividido entre el resultado de multiplicar 1.732 por el voltaje entre fases, dará el valor de corriente en aperes de rotor bloqueado.

a. Velocidad del motorLa velocidad del motor jaula de ardilla depende del número de polos del devanado delmotor. En 60 ciclos, un

motor de 2 polos opera aproximadamente a 3450 RPM, uno de 4 polos a 1725 RPM, a 6 polos a 1150 RPM. Las placas del motor, son generalmente marcadas con velocidades a carga plena, pero frecuentemente los motores son referidos por sus “velocidades sincrónicas” -3600m 1800 y 1200 RPM, respectivamente.

RPMS= Velocidad Síncrona

RPMA = RPMS – S donde:

RPMS = velocidad síncronaRPMA = velocidad asíncrona

f = frecuencia en Hz o c.p.s.np = número de polos

S = deslizamiento

b. ParPar es la fuerza “giratoria” o de “contorsión” del motor usualmente medida en lbs-pie. Excepto cuando el

motor es acelerado a alcanzar su velocidad, el par es relacionado a la potencia del motor, por la fórmula siguiente:

PAR EN LBS-PIE =

El par de un motor de 25 HP a 1725 RPM sería calculado como sigue:

Par = Lbs-Pie aprox.

Si se requirieran 90 lbs-pie para mover una carga en particular, el motor arriba mencionado sufriría una sobrecarga y demandaría mayor corriente que la corriente de carga plena.

c. Factor de servicio del motorSi el fabricante ha dado al motor un factor de servicio, quiere decir que se le puede permitir desarrollar más

de los HP de placa, sin causar un deterioro indebido al material aislante. El factor de servicio es un margen de

seguridad. Si, por ejemplo, un motor de 10 HP tiene un factor de servicio de 1.15 se le puede permitir al motor desarrollar 11.5 HP. El factor de servicio depende del diseño del motor.

d. Pulsación (Jogging)Esta acción describe arranque y paro repetidos de un motor, a intervalos frecuentes por períodos de tiempos

cortos. Un motor podría ser sometido a estas condiciones de trabajo cuando una pieza de carga movida debe ser colocada en una posición adecuada de acercamiento; por ejemplo, cuando se pone en posición la mesa o banco de una cilidreadora o rectificadora horizontal durante su colocación. Si este movimiento debe ocurrir más de 5 veces por minuto, los estándares NEMA requieren que el arrancador sea reclasificado, disminuyendo los valores de sus características eléctricas nominales.

Un arrancador tamaño NEMA 1 tiene un rango normal de trabajo de 7 ½ HP a 220 V, polifásico. En aplicaciones de movimiento pulsatorio, este mismo arrancador tiene una capacidad máxima de 3 HP.

e. Paro del motor por inversión del par eléctrico (Plugging)Cuando un motor está operando en una dirección y momentáneamente se reconecta para invertir la

discreción de rotació, el motor rápidamente cesa su marcha. Si un motor se opera así más de 5 veces por minuto, será necesario reclasificar el controlador, debido al calentamiento de los contactos.

El cambio de par puede hacerse si la máquina movida y su carga no se vieran dañadas por la inversión del par del motor.

f. Clasificación de motores tipo jaula de ardillaLa Asociación de Manufactureros Eléctricos “NEMA” clasifica los motores de inducción jaula de ardilla como

sigue:

CLASE PAR DE ARRANQUE

CTE. EN EL ARRANQUE

DESLIZAMIENTO A PLENA CARGA NOTAS APLICACIÓN

A NORMAL NORMAL BAJO < 5%Pueden requerir arrancadores a voltaje reducido

Máquinas, herramientas, ventiladores,

bombas, compresores y transportadores arrancados sin

carga

B NORMAL BAJA BAJO < 5%Motores para

arranque directo sobre la línea

Igual que la Clase A con menor corriente

de arranque

C ALTO 200% de P.C. BAJA BAJO < 5%Motores para

arranque directo sobre la línea

Bombas de émbolo, transportadores arrancados con

carga

D ALTO 275% de P.C. BAJA ALTO 5-8 8-13% Rotores de alta resistencia

Elevadores, prensas

F BAJO MUY BAJA BAJO < 5%Motores de alta velocidad para ventiladores

Construcción del motor jaula de ardillaLos motores con rotores jaula de ardilla se pueden utilizar con ca monofásica utilizando varios dispositivos como

inductancia y capacitancia que alteren las características del voltaje monofásico y lo hagan parecido al bifásico. Estos motores se denominan multifásicos o motores de condensador, según los dispositivos que se utilicen. Los motores jaula de ardilla monofásicos no tienen un par de arranque grande y se utilizan motores de repulsión – inducción en las que se requiera el par de arranque.

En general consta de dos partes principales, estator y rotor. El estator consiste en un armazón en cuyo interior se instala firmemente un núcleo denominado de ranuras. En ésta se coloca un devanado formado por varios grupos de bobinas. El rotor puede ser de dos tipos:

- Jaula de ardilla. Cuenta con una impedancia en su devanado que permite su conexión directa a la red sin peligro de destruir su devanado. Sin embargo, la corriente demandada si bien no perjudica al motor si ocasionara perturbaciones en la red de alimentación.

- Rotor devanado. Se devana de manera similar a su estator colocándose al final de su devanado anillos colectores que permitan la conexión del rotor hacia circuitos exteriores. Usualmente estos circuitos son reóstatos, los cuales pueden ser variados.

Motores de inducción de rotor devanadoa. CaracterísticasEl motor de inducción de rotor devanado puede duplicar las características de cualquier tipo de motor de

jaula de ardilla con excepción de los de la clase C. las ventajas relativas de los dos tipos de rotor pueden enumerarse como sigue:

Jaula de ardillaVentajas1. Menor costo inicial.2. Construcción del rotor más simple.3. Requiere espacio más reducido.4. No produce chispas que puedan provocar incendios.5. No necesita aparatos de control para el rotor.

Desventajas1. Toma alta corriente de arranque.2. El para de arranque en un motor dado está fijo.3. Para reducir la corriente de arranque se emplean aparatos costosos y que reducen mucho el par de

arranque, como el auto arrancador.4. La velocidad está fija.5. Para arranques repetidos se requiere una clase especial.

Rotor devanadoVentajas1. Pueden arrancar con carga tomando una corriente de arranque no mayor de la de plena carga.2. El control del estator es un desconectador simple.3. Se puede operar a velocidad reducida teniendo como límite aquella a la cual la regulación sea muy mala.4. Se puede disponer del par máximo en el arranque cuando se necesite.5. Puede arrancarse repetidamente con mucho menor calentamiento que el jaula de ardilla, debido a que

las pérdidas en el rotor se disipan en parte en la resistencia de arranque exterior al rotor, sin elevar la temperatura en el interior del motor.

Desventajas1. Costo inicial más alto que el jaula de ardilla aunque el control es más barato que un auto transformador

para éste.2. Necesidad de control en el rotor.3. Ocupa más espacio.4. Construcción más complicada del rotor, reparación más cara.5. Produce chispas en los colectores del rotor que pueden causar incendios.

Cuando el arranque es con cargas bajas e infrecuente, y la carga opera a velocidad constante y no hay restricciones acerca de perturbaciones en la línea, el motor de inducción jaula de ardilla es el indicado. Cuando hay que arrancar con cargas pesadas o demasiado frecuentes y las líneas de alimentación son afectadas por los disturbios, el motor de rotor devanado es preferible.

Una lista de aplicaciones del motor de inducción de rotor devanado es la siguiente:

Velocidad constanteCompresores.Molinos de harina.Transportadores de banda.Propulsión de navíos.Locomotoras.Trituradoras de piedra.Maquinaria para papel, calendereadores.Rodillos principales en laminadoras.

Velocidad variableGrúas.Elevadores.Motores – generadores con volante.

Descargadores de carbón y mineral.Palas eléctricas

Y en general todas las que requieran pares de arranque altos con corrientes de arranque pequeñas. El motor de rotor devanado tiene la eficiencia de par más algo de los de inducción (el mayor par de arranque por unidad de corriente de arranque), pudiéndose obtener el par de plena carga en el arranque con la corriente normal como corriente de arranque. Esto representa una eficiencia de 100% mientras que el motor jaula de ardilla clase B tiene una eficiencia de 25%.

b. Aplicaciones especiales Además del uso normal como motor, los motores de rotor devanado pueden ser usados como cambiadores de frecuencia. Si se alimenta el estator a voltaje y frecuencia normales y se hace girar el rotor desde el exterior, se tiene en los anillos colectores una frecuencia y voltaje que dependen de la velocidad y sentido de rotación. Operando en estas condiciones se tiene lo que se llama un cambiador de frecuencia, el cual tiene bastante aplicación en la industria de trabajos en metal o madera y en general en donde se requieren generadores que no excedan 100Kw.

La frecuencia que se obtiene es:

frecuencia normal.

A continuación tabulamos las frecuencias obtenibles con los ciclos en la línea, girando el motor en sentido contrario al normal.

Velocidad Polos2 4 6 8 10

120 180 240 300 36060 120 150 180 21080 100 120 140 16075 90 105 120 135

Gran parte de la potencia generada por un cambiador de potencia de inducción es transferida del primario por efecto del transformador. La otra parte viene de la fuente de energía eléctrica que produce la rotación.

La potencia transformada es:T x WS = T x 2 f1 = PT

donde :f1 = frecuencia de la líneaLa potencia total T x W = T x 2 f = Pdonde :f = frecuencia generada

Motores Síncronosa. CaracterísticasLos motores síncronos se usan para mover cargas a velocidad constante debido a las siguientes ventajas:

- Corrección de factor de potencia. Los Kva reactivos de un motor síncrono son menos costosos que los capacitares.

- Alta eficiencia. La eficiencia del motor síncrono es de 1 a 3% mayor que la del motor de inducción debido a la ausencia de deslizamiento y corriente de excitación. Las pérdidas de C.D. son de ½ a 1/5 de las del rotor del motor de inducción.

- Bajo costo. Las mayores tolerancias de entre hierro hace más económica su construcción. El entre hierro de un motor síncrono es dos a tres veces de un motor de inducción.

- Posibilidad de frenado dinámico. Este consiste en mantener el campo alimentado con el estator abierto, de tal manera que la reacción de las corrientes parásitas frena el rotor.

- Las características especiales de arranque no perjudican la eficiencia a carga normal como en el motor de inducción de alto deslizamiento.

En la especificación de motores síncronos, intervienen las características siguientes:

1. Par a rotor bloqueado. Este es el par mínimo que desarrolla estando parado, en todas las posiciones del rotor, cuando el estator está alimentado a frecuencia y voltaje normales.

2. Par de sincronismo. Este es el máximo par abajo el cual el motor puede llevar su carga a la velocidad de sincronismo, cuando con voltaje y frecuencia normales se le aplica excitación en el campo. El valor

nominal de este par es el que desarrolla como motor de inducción a 95% de la velocidad de sincronismo, a frecuencia y voltaje normales. Esta cantidad es útil para propósitos de comparación cuando no se conoce la inercia de la carga.

3. Par de salida. Este para es el máximo que el motor puede sostener durante un minuto a velocidad síncrona, con voltaje, frecuencia y excitación normales.

Características de motores síncronos(EN % DE LOS VALORES DE PLENA CARGA)

MOTOR No. DE POLOS PAR DE ARRANQUE PAR DE SINCR. PAR DE SALIDA CORRIENTE DE

ARRANQUEDE APLICACIÓN GENERAL

FP = 1.0 46-14

110110

110110

150175

550-750550-750

FP = 0.8 46-14

125125

125125

200250

500-700500-700

MOTORES GRANDES DE ALTA VELOCIDAD514 a 1200 rpm

FP = 1.0250 a 500 HP

600 HP y mayores4-144-14

11085

11085

150150

500-700500-700

FP = 0.8250 a 500 HP

600 HP y mayores4-144-14

11085

11085

200200

500-700500-700

MOTORES DE BAJA VELOCIDAD450 rpm y menores

FP = 1.0FP = 0.8

--

4040

4040

150200

275-500225-400

Motores para compresores - 40 30 140 275-500

Aplicaciones de los motores síncronosAlta velocidad: Molinos de hule( > 500 rpm) Ventiladores

BombasCompresores centrífugos y reciprocantes

Baja velocidad Laminadoras( > 500 rpm) Molinos de bolas

Generadores para galvanoplastiaJordansCompresores reciprocantesBombas reciprocantes y centrífugas

Aquellas aplicaciones que requieran alto par de arranque combinado con baja corriente de arranque, serán cubiertas con motores “especiales, de alto par”.

Los motores síncronos son arrancados generalmente con el circuito del campo en corto circuito en serie con la resistencia de descarga. Pleno voltaje o voltaje reducido es aplicado al estator, produciéndose el par de arranque del rotor en el campo y en el devanado amortiguador cuando existe éste.

A menos que los valores máximos o picos del par de una carga pulsante sean de muy corta duración (1/2 segundo o menos) no hay ventaja alguna en usar volante en conexión con el motor síncrono. Dado que la velocidad de un motor síncrono puede cambiar sólo durante un tiempo pequeño sin que se salga del sincronismo, los pares máximos son de apreciable duración, con el consiguiente incremento de la corriente de la línea. Si no son permisibles las variaciones en la línea, el motor síncrono no es adecuado a la carga en cuestión.

En cargas pulsantes como los compresores reciprocantes donde los del par son de corta duración, puede usarse un voltaje para reducir las variaciones de corriente. El volante debe ser cuidadosamente seleccionado para evitar que la frecuencia natural del motor y el volante coincida con la de las variaciones del par, lo cual produciría un efecto resonante que amplificaría las pulsaciones.

Circuito equivalente de un motor de inducciónPara operar un motor de inducción depende de la inducción de voltajes y corrientes en su circuito rotor

desde el circuito del estator (acción transformadora). Debido a que la inducción de voltajes y corrientes en el circuito del rotor de un motor de inducción es en esencia una operación de transformación, el circuito equivalente de un

motor de inducción se produce de forma muy similar al circuito equivalente de un transformador. Un motor de inducción es llamado máquina de excitación única (a diferencia de la máquina sincrónica de excitación doble) puesto que la potencia es suministrada sólo al circuito del estator.

Modelo transformador de un motor de inducción con el rotor y el estator conectados por un transformador ideal de relación de vueltas aeff.

La resistencia del estator se llamará R1 y la reactancia de dispersión será llamada X1. estas dos componentes aparecen justo a la entrada en el modelo de la máquina.

Entonces, la reactancia de magnetización XM en el circuito equivalente tendrá mucho menor valor (o la susceptancia BM tendrá mucho mayor valor) que en un transformador normal.

El voltaje primario interno del estator EL está acoplado al secundario ER por un transformador ideal con relación efectiva de vueltas aeff.

Para que un motor de serie funcione con efectividad en un sistema de potencia alterna, sus polos de campo y la carcasa del estator deben estar laminados por completo. Si no fuera así sus pérdidas en el núcleo serían enormes. Cuando los polos y el estator están laminados, este motor se denomina motor universal ya que puede funcionar desde una fuente ac o desde una fuente dc.

Cuando el motor gira conectado a una fuente ac, la conmutación será mucho más pobre que cuando está conectado a una fuente dc. El chisporroteo adicional en las escobillas es ocasionado por la acción de transformador que induce voltajes en los devanados bajo conmutación. Estas chispas acortan bastante la vida de la escobilla y pueden ser fuente de radiointerferencia en ciertos medios.

En la figura 10-2 se muestra una característica típica par – velocidad de un motor universal. Esta característica difiere de la característica par – velocidad de la misma máquina que opera conectada a una fuente de voltaje dc por dos razones:

1. Los devanados del inducido y de campo tienen reactancia bastante grande a 50 ó 60 Hz. Una parte significativa del voltaje de entrada cae a través de estas reactancias; por tanto, EA es menor para un voltaje de entrada dado durante la operación ac que durante la operación dc.

2. Además, el voltaje máximo de un sistema ac es veces su valor rms, de modo que podría ocurrir saturación magnética cerca de la corriente máxima de la máquina. Esta saturación podría reducir significativamente el flujo rms del motor para un nivel de corriente dado y tiene a reducir el par inducido de la máquina. Recuérdese que una disminución en el flujo aumenta la velocidad de la máquina dc; en consecuencia, este efecto puede compensar de manera parcial la disminución de velocidad causada por el primer efecto.

Aplicaciones de los motores universalesSin embargo, por ser compacto y dar más par por amperio que cualquier otro motor monofásico, se utiliza en aplicaciones donde se requieren un peso ligero y alto par. Aplicaciones típicas de este motor son las aspiradoras eléctricas, los taladros y las herramientas manuales similares, así como los utensilios de cocina.

Circuito equivalente a un motor universal

Fig. 10 - 2 Comparación de la característica par – velocidad de un motor universal cuando opera conectado a fuentes ac y dc.

Motores de histéresisOtro motor de uso especial emplea el fenómeno de histéresis para producir un par mecánico. El rotor de un

motor de histéresis es un cilindro liso de material magnético sin dientes, protuberancias o devanados. El estator del motor puede ser monofásico o trifásico; si es monofásico, se debe utilizar un capacitor permanente con un devanado auxiliar para proveer un campo magnético tan uniforme como sea posible ya que esto reduce bastante las pérdidas del motor.

La figura 10 – 35 muestra la operación básica de un motor de histéresis. Cuando se aplica una corriente trifásica (o monofásica al motor con devanado auxiliar) al estator del motor, aparece un campo magnético rotacional dentro de la máquina. Este campo magnético rotacional magnetiza el metal del rotor e induce polos dentro de él.

Figura 10 – 35 Construcción de un motor de histéresis. La componente principal del par en este motor es proporcional al ángulo entre los campos magnéticos del rotor y el estator.

La característica par – velocidad de un motor de histéresis se muestra en la figura 10 – 36. puesto que la cantidad de histéresis en un rotor específico es función únicamente de la densidad de flujo del estator y del material del cual está elaborado, el par de histéresis del motor es aproximadamente constante para cualquier velocidad desde cero hasta nsinc. El para debido a las corrientes parásitas es aproximadamente proporcional al deslizamiento del motor.

Figura 10 – 36 Característica par – velocidad de un motor de histéresis.

Motores de polos sombreadosUn motor de inducción de polos sombreados es aquel que sólo tiene el devanado principal. En lugar de tener

devanado auxiliar, tiene polos salientes, y una parte de cada polo está envuelta por una bobina cortocircuitada llamada bobina de sombrero (véase figura 10 – 22ª). Un flujo variable con el tiempo se induce en los polos debido al devanado principal. Cuando el flujo del polo varía, induce un voltaje y una corriente en la bobina de sombreo, las cuales se oponen al cambio del flujo original.

El método de polos sombreados produce menor par de arranque que cualquier otro tipo de arranque de motores de inducción. Éstos son mucho menos eficientes y tienen mayor deslizamiento que otros tipos de motores de inducción monofásicos. Tales polos se utilizan sólo en motores muy pequeños (de menos de 1/20 HP), con requerimientos de par de arranque muy bajos. Donde sea posible utilizarlos, los motores sombreados son el diseño disponible más barato.

Comparación de los motores de inducción monofásicosLos motores de inducción monofásicos pueden ser clasificados de mejor a peor, en términos de sus

características de arranque y operación.

1. Motor de capacitor de arranque – capacitor de marcha.2. motor de arranque por capacitor.3. motor con capacitor dividido permanente.4. Motor de fase partida.5. Motor de polo sombreado.

El mejor motor es también el más costoso y el peor motor es el menos costoso. Así mismo, no todas las técnicas de arranque están disponibles en todos los rangos de tamaños del motor. Queda a discreción del ingeniero diseñador seleccionar el motor disponible más económico para una aplicación dada.

Motores síncronosEs posible que un generador de ca funcione como motor de cc y viceversa. Cuando un generador de ca o

alternador es impulsado por energía eléctrica, también produce potencia mecánica. En estas condiciones, el alternador funciona como motor síncrono.

El motor síncrono obtiene su nombre de la expresión velocidad síncrona, con la cual se ha descrito la velocidad natural del campo magnético rotatorio del estator. En el motor síncrono se produce un campo magnético rotatorio y se usa de manera que reaccione con un campo especialmente originado en el rotor. De hecho, en el efecto de motor que resulta, el rotor se fija sincrónicamente con el campo rotatorio del estator y es arrastrado a la velocidad síncrona del campo magnético rotatorio. Según se ha explicado en el estudio del campo magnético rotatorio, la velocidad de rotación está controlada estrictamente por la frecuencia de la potencia de ca aplicada y el

número de polos principales. Como la frecuencia de la potencia la regulan las compañías proveedoras de energía eléctrica, los motores síncronos tienden a mantener su velocidad con un alto grado de precisión. Por esta razón, los motores síncronos tienen aplicaciones importantes en relojes eléctricos y otros dispositivos de control de tiempo.

El motor síncrono usado como capacitorUna característica muy especial hace útiles a los motores síncronos en aplicaciones industriales que

requieren numerosos motores de inducción. Si se alimenta más corriente continua que la que necesita el campo de un motor síncrono, se dice que el motor está sobreexcitado y toma una corriente adelantada en fase de la línea de alimentación, igual que lo haría un capacitor conectado a la línea en un circuito resistivo.

Cuando se usan muchos transformadores y motores de inducción – por ejemplo, en plantas industriales grandes – las corrientes que tomasn tienden a atrasarse con la tensión impresa, lo cual es común en los circuitos inductivos. Cuanto mayor sea el atraso, más deficiente será el factor de potencia. Así pues, la potencia derivada de las líneas de alimentación no está efectuando el trabajo requerido. Puede mejorarse el factor de potencia aumentando capacitancia a los circuitos de carga. Así se vuelve práctico sustituir los motores de inducción en algunas de las maquinarias de plantas con motores síncronos, lo cual ayuda a tener mejor par de potencia, al mismo tiempo que se obtiene potencia mecánica útil. Con frecuencia se dice que cuando se usa un motor síncrono es esta forma, el motor funciona como capacitor síncrono.

EstructuraPrácticamente no existen diferencias estructurales entre un motor síncrono y un alternador. Por lo tanto, el

motor síncrono tendrá un estator y un rotor provisto con un dispositivo de anillos deslizantes y escobillas, lo mismo que el alternador.

La estructura del rotor depende generalmente de lo pesada que sea una carga para el motor y la velocidad a que deba trabajar. La mayor parte de los motores síncronos están construidos para funcionar a velocidades bajas y moderadas. Estos rotores tienen polos salientes o protuberantes, devanados sobre núcleos sujetos con pernos a una araña anular de acero fundido, con buenas propiedades magnéticas. Los motores diseñados para dar servicio a velocidad más alta tienen sus núcleos insertados en ranuras de cola de milano y sujetos rígidamente a la araña anular, generalmente hecha de acero laminado. En todos los motores, los anillos de fijación de la araña generalmente son extrapesados, con objeto de que el diseño sea adecuado para vencer la inercia y asegurar que la marcha sea lo más fácil posible.