Maqui elect

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  • 1. Fsica Mquinas ElctricasMAQUINAS ROTANTESNota: este es un extracto del apunte del ing. Narciso Beyrut Ruiz (Universidad Veracruzana, Mxico) est resumido y adaptado al programa de Diseo Industrial.2.1 GENERALIDADES.Las mquinas elctricas rotantes tienen la particularidad de convertir energa elctrica en mecnica o viceversa.Una primera clasificacin que puede hacerse es por su funcin: Generador, mquina que produce energa elctrica por transformacin de la energa mecnica. Motor, mquina que produce energa mecnica por transformacin de la energa elctrica. Convertidor rotativo que convierte energa elctrica de una forma a otra (cambiando frecuencia, convirtiendo corriente alterna en continua etc.) mquina muy utilizada en el pasado.Si se clasifican por la fuente de energa que las alimenta o que representan se tiene: mquinas de corriente continua mquinas de corriente alternaEstas ltimas por sus caractersticas constructivas y de velocidad se clasifican en: Mquinas asincrnicas Mquinas sincrnicasA partir de este captulo nos ocuparemos de tres mquinas rotantes en las que se renen todos los conceptos principales de proyecto de cualquier otra, y en el siguiente orden: iniciaremos con el alternador como ejemplo de mquina sincrnica, continuaremos con el motor asincrnico, y finalmente la mquina de corriente continua (generador o motor).Las mquinas rotantes utilizadas en los sistemas elctricos tienen caractersticas que son objeto primero de especificacin, luego de garantas y finalmente de comprobacin mediante ensayos.- 1 -

2. Fsica Mquinas Elctricas2.2 PARAMETROS NOMINALES.Son datos que en base a las condiciones de servicio definen las prestaciones que puede entregar la mquina en condiciones especificadas.Se presentan como el conjunto de valores numricos de las magnitudes elctricas y mecnicas asignadas a la mquina por el constructor e indicadas en la chapa de caractersticas.2.2.1 Potencia nominalEste valor establece las bases de diseo, de construccin y de garantas.Generalmente cuando no se especifica otra cosa se supone que la mquina es de servicio continuo, es decir, puede funcionar con carga constante un tiempo ilimitado en el cual alcanzar un equilibrio trmico aceptable y no perjudicial para la vida til de la mquina. Esto tambin incluye el funcionamiento permanente a potencia mximaPara las mquinas rotantes se establecen dos regmenes extremos de funcionamiento, en vaco y a plena carga.Funcionamiento en vaco es la condicin de funcionamiento de una mquina con carga nula (el resto de condiciones de operacin son las nominales).Funcionamiento a plena carga es cuando se tiene el mayor valor de carga indicada para una mquina funcionando a la potencia nominal.2.2.2 Momento de inerciaEl momento de inercia (dinmico) de un cuerpo alrededor de un eje es la suma (integral) de los productos de sus masas elementales por el cuadrado de sus distancias radiales al eje.2.2.3 Constante de tiempo trmica equivalenteLa constante de tiempo trmica equivalente es la constante de tiempo que, en reemplazo de otras individuales, determina aproximadamente la evolucin de la temperatura en un arrollamiento a consecuencia de una variacin de corriente en escaln.- 2 - 3. Fsica Mquinas ElctricasProduccin de corriente alterna (senoidal)Si hacemos girar una espira en el interior de un campo magntico, se inducir en cada conductor una fuerza electromotriz inducida de valor:e = L v sen Siendo el ngulo entre la induccin magntica y la velocidad o sentido del movimiento que, como se ve en la figura, vara de 0 a 360 a cada vuelta del conductor. es la densidad de campo, L es la longitud de la espira, v es la velocidad de rotacin.Si la espira est formada por un conductor de ida y otro de vuelta, en la espira se induce una f.e.m.:e = 2 L v sen Si la bobina tiene Ne espiras:e = 2 Ne L v sen Para evitar el enrollamiento de los conductores es necesario dotar al conjunto de unos anillos rozantes.Si mantenemos constante la induccin del campo y la velocidad de giro, sindolo tambin el nmero de conductores y la longitud de los mismos, tendremos:2 Ne L v = emax Constantee = emax sen Como puede deducirse de la frmula la f.e.m. resultante tendr forma senoidal.Si adems expresamos el ngulo girado en funcin de la velocidad angular: = / t = te (t) = emax sen tDonde t representa el ngulo girado en radianes, siendo la velocidad angular en rad/s.- 3 - 4. Fsica Mquinas ElctricasGeneracin de CA trifsicaHaciendo girar una espira en un campo magntico se puede conseguir una corriente alterna senoidal (monofsica).Si en vez de unanica espira hacemos girar tres espiras a 120 (360/3) unas de otras, se consiguen tres tensiones alternas senoidales de igual frecuencia y amplitud pero desfasadas 120 entre s:Para sacar las tensiones al exterior sera necesario un sistema de anillos rozantes y escobillas colectoras que a las tensiones usuales, de 10 a 20 kV, generan ciertos problemas elctricos y mecnicos.En los alternadores modernos se sitan las bobinas en el estator dotando al rotor de un potente electroimn que, al ser alimentado por una corriente continua, genera el campo magntico. Se evita de esta forma el complejo sistema de anillos colectores.Existen dos formas bsicas de conexin de estas bobinas a las lneas exteriores: conexin en estrella y conexin en tringulo.- 4 - 5. Fsica Mquinas ElctricasTensin simple o de fase: Cada bobina del alternador trifsico se comporta como un generador monofsico, generando entre sus terminales una tensin denominada simple o de fase.Tensin compuesta o de lnea: De cada borne 1, 2 y 3 de la figura sale un conductor de lnea. A la tensin entre dos lneas se le denomina compuesta o de lnea.En el caso de la conexin estrella puede existir un cuarto conductor NEUTRO (saliendo del borne 0). Las tensiones de una lnea al neutro coinciden con las tensiones en cada bobina, siendo por tanto tensiones de fase.Factor de potenciaFACTOR DE POTENCIA: Coseno del ngulo que forman la intensidad de fase y la tensin de fase. Este ngulo ser igual al de la impedancia conectada.0 F.d.p. 1- 5 - 6. Fsica Mquinas ElctricasMotor asncrono trifsico. Principio de funcionamientoSe dispone de un imn en forma de U, de tal forma que pueda girar por su eje central mediante una manivela. Muy prximo a los polos se sita un disco de material conductor no magntico (cobre o aluminio), de tal forma que tambin pueda girar. Al hacer girar el imn permanente se puede observar que el disco tambin gira, pero a un poco menos velocidad que el imn. El imn en su giro corta el disco que es conductor induciendo f.e.m. y creando corrientes. Las corrientes interactan con el campo del imn dando lugar a fuerzas que provocan el giro del disco.En los motores asncronos el campo giratorio lo produce un sistema de C.A. trifsica, cuya velocidad de giro depender de la frecuencia de las corrientes y del nmero de pares de polos de que conste el motor:VELOCIDAD DE SINCRONISMOEn la figura de la izquierda puede verse el bobinado de una mquina de un slo par de polos. Cada ciclo de red el campo magntico giratorio da una vuelta completa.Para una frecuencia de la red de 50 Hz, el campo da 50 vueltas por segundo, esto es, 3000 r.p.m.- 6 - 7. Fsica Mquinas ElctricasA la derecha puede verse el bobinado de una mquina de dos pares de polos. Cada ciclo de red el campo magntico giratorio da media vuelta.Para una frecuencia de la red de 50 Hz, el campo da 50/2 vueltas por segundo, esto es, 1500 r.p.m.Como puede deducirse de la frmula, la velocidad de sincronismo, velocidad con la que gira el campo magntico, ser submltiplo de 60 f, es decir de 60x50 = 3000 r.p.m. en Europa, ya que la frecuencia de la red es de 50Hz. Para un nmero de pares de polos diferente de la unidad (siempre un nmero entero) surgirn velocidades inferiores.Velocidad para una frecuencia de 50 HzPares de polosPolosr.p.m.12300024150036100048750510600612500- 7 - 8. Fsica Mquinas ElctricasMotor asncrono de rotor en cortocircuitoESTATORParte fija del motor formada por paquetes de chapa magntica que alojan en ranuras a las bobinas que van a crear el campo magntico giratorio.Estas bobinas pueden estar conectadas en estrella o en tringulo.Por ejemplo un motor de 380/220 V se podr conectar a una red de 380 V en estrella o a otra de 220 V en tringulo. En cualquier caso cada bobina estar a la tensin de fase de 220 V.Esto es as porque la tensin que soporta cada bobinado conectado en estrella es raiz de tres veces menor que conectado en tringulo.ROTORParte del motor que va a girar y que est formada por paquetes de chapa magntica de forma cilndrica en torno a un eje, con ranuras en las que se alojan conductores de aluminio cortocircuitados en sus extremos por medio de anillos (Jaula de ardilla).DESLIZAMIENTOEl rotor nunca girar a la velocidad de sincronismo, ya que si iguala la velocidad de giro del campo del estator, las lneas de fuerza no cortaran a los conductores y no se generaran f.e.m., ni corrientes, ni par para mantener el movimiento.Se llama deslizamiento a la diferencia entre la velocidad a la que gira el rotor y la velocidad de sincronismo, normalmente dada en % de la de sincronismo.- 8 - 9. Fsica Mquinas ElctricasARRANQUEAl estar los conductores del rotor en reposo, son cortados por el campo giratorio a gran velocidad, lo que crea grandes f.e.m. inducidas que dan lugar a grandes intensidades en el arranque acompaadas de un fuerte par de arranque.CARGAGirando el motor en vaco, la velocidad del rotor es muy prxima a la del campo del estator siendo esta pequea diferencia la que permite al campo cortar los conductores del rotor induciendo pequeas f.e.m. y pequeas intensidades suficientes para crear el par necesario.Si aumenta el par que debe realizar el motor, ste baja su velocidad, aumentando el deslizamiento e induciendo mayores f.e.m. y corrientes, capaces de provocar el aumento de par necesario.CARACTERSTICA PAR-VELOCIDADLos motores asncronos trifsicos tienen aproximadamente las siguientes caractersticas: Par de arranque de 1