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• Manuel Dzib

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UNIDAD 1. Fundamentos de Electromagnetismo y Transformador eléctrico. 1.1. Leyes fundamentales de electromagnetismo 1.2 Variables magnéticas. 1.3 El circuito magnético.

1.4 Principio operacional del transformador 1.5 Partes constitutivas del transformador 1.6 Análisis del transformador ideal. 1.7 Análisis del transformador real y su circuito Equivalente. 1.8 Análisis de la regulación de tensión con Diferentes tipos de cargas. 1.9 Eficiencia de los transformadores a diferentes Factores de potencia. 1.10 Autotransformadores monofásicos. 1.11 Conexiones de transformadores

Monofásicos en arreglos trifásicos. 1.12 Conexiones de autotransformadores Monofásicos en arreglos trifásicos.

UNIDAD 2. Máquinas de Corriente Directa. 2.1.- Componentes de las máquinas de CD. 2.2.- Principio operacional de las máquinas de C.D., como generador y como motor. 2.3.- Tipos de generadores (excitación separada,

Derivación, serie y compuesto) y sus curvas 2.4.- Tipos de motores (derivación, excitación Separada, serie y compuesto) y sus curvas Características. 2.5.- Ecuaciones de par electromagnético para los

Motores de CD 2.6.- Condiciones de arranque para los diferentes Tipos de motores de CD 2.7.- Control de los motores de CD 2.7.1.- Arranque. 2.7.2.- Velocidad.

2.7.3.- Inversión de giro. 2.7.4.- Frenado. 2.8.- Aplicaciones de los motores de CD.

UNIDAD 3. Máquinas Síncronas 3.1.- Componentes de las máquinas sincrónicas. 3.2.- Principio operacional de las máquinas Sincrónicas como generador y como motor. 3.3.- Fuerza electromotriz inducida y frecuencia.

3.4.- Circuito equivalente y diagramas fasoriales. 3.6.- Regulación de tensión con diferentes tipos de Carga. 3.7.- Operación en paralelo de los generadores sincrónicos.

3.8.- Métodos de arranque de los motores sincrónicos. 3.9.- Análisis fasorial del motor sincrónico bajo Diferentes condiciones de carga y de Excitación. 3.10.- Potencia, par electromagnético y

Rendimiento.

UNIDAD 4. Motores de Inducción 4.1.- Principio y análisis del motor jaula de ardilla. 4.2.- Principio y análisis del Motor con rotor Devanado 4.3.- Arranque y control de velocidad de los

Motores de inducción 4.4.- Aplicaciones de los motores de inducción Trifásicos

UNIDAD 5. Motores Especiales 5.1.- Elementos básicos de los motores Monofásicos 5.2.- Principio de operación del motor monofásico De inducción 5.3.- Arranque de los motores monofásicos de Inducción

5.4.- Devanados de fase partida 5.5.- Arranque por capacitor 5.6.- Operación continúa por capacitor 5.7.- Motor universal 5.8.- Motor de polos sombreados

5.9.- Motor de pasos 5.10.- Servomotores 5.11.- Motores lineales 5.12.- Aplicación de los motores especiales

1. Fundamentos de electromagnetismo y Transformador eléctrico. 1.1.- Leyes fundamentales de electromagnetismo 1.2.- Variables magnéticas. 1.3.- El circuito magnético.

1.4.- Principio operacional del transformador 1.5.- Partes constitutivas del transformador 1.6.- Análisis del transformador ideal. 1.7.- Análisis del transformador real y su circuito Equivalente.

1.8.- Análisis de la regulación de tensión con Diferentes tipos de cargas. 1.9.- Eficiencia de los transformadores a diferentes Factores de potencia. 1.10.- Autotransformadores monofásicos. 1.11.- Conexiones de transformadores Monofásicos en arreglos trifásicos. 1.12.- Conexiones de autotransformadores Monofásicos en arreglos trifásicos.

1.1. Leyes fundamentales de electromagnetismo El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la mecánica cuántica. El electromagnetismo es considerado como una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente conocido. LEYES FUNDAMENTALES DEL ELECTROMAGNETISMO Ley de Ampere: En física del magnetismo, la ley de Ampere, modelada por André-Marie Ampere en 1831,1 relaciona un campo magnético estático con la causa que la produce, es decir, una corriente eléctrica estacionaria. James Clerk Maxwell la corrigió posteriormente y ahora

es una de las ecuaciones de Maxwell, formando parte del electromagnetismo de la física clásica.

La ley de Ampere explica, que la circulación de la intensidad del campo magnético en un contorno cerrado es igual a la corriente que recorre en ese contorno.

El campo magnético es un campo angular con forma circular, cuyas líneas encierran la corriente. La dirección del campo en un punto es tangencial al círculo que encierra la corriente.

El campo magnético disminuye inversamente con la distancia al conductor. Ley de Lorentz: En física, la fuerza de Lorentz es la fuerza ejercida por el campo electromagnético que recibe una partícula cargada o una corriente eléctrica. Para una partícula sometida a un campo eléctrico combinado con un campo magnético.

1.2 Variables magnéticas.      

.Flujo Magnético .Inducción Magnética .Reluctancia .Permeabilidad Magnética .Excitación Magnética .Inductancia

El flujo magnético, representado con la letra griega O, es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. La unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional de Unidades es el weber y se designa por Wb (motivo por el cual se conocen como weberímetros los aparatos empleados para medir el flujo magnético). En el sistema cegesimal se utiliza el maxwell (1weber =108 maxwells). Si el campo magnético B es normal a la superficie de áreas, el flujo que pasa a través de dicha área es simplemente el producto del valor absoluto de ambos vectores

Inducción Magnética La inducción magnética o densidad de flujo magnético, cuyo símbolo es B, es el flujo magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo, y en algunos textos modernos recibe el nombre de intensidad de campo magnético, ya que es el campo real. La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el tesla.

Reluctancia Magnética La reluctancia magnética de un material, es la resistencia que éste posee al verse influenciado por un campo magnético. Se define como la relación entre la fuerza magneto motriz (f.m.m.) (SI: amperio) y el flujo magnético (SI: weber). El término lo acuñó Oliver Heavisideen 1888. La reluctancia R de un circuito magnético uniforme se puede calcular como: R=l/uA Dónde: R - reluctancia, medida en amperio vuelta por weber (A v/Weber). Esta unidad es equivalente al inverso del Henrio (H-1) multiplicado por el número de espiras. l - longitud del circuito, medida en metros. u –permeabilidad magnética del material, medida en H/m (henrio/metro). A - Área de la sección del circuito (sección del núcleo magnético), en metros cuadrados.

Permeabilidad Magnética En física se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través suyo los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la intensidad de campo magnético existente y la inducción magnética que aparece en el interior de dicho material. La magnitud así definida, el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético, se denomina permeabilidad absoluta y se suele representar por el símbolo µ

µ=B/H

Excitación Magnética La excitación magnética (también fuerza o campo magnetizante) es uno de los tres campos que describen el magnetismo desde el punto de vista macroscópico, y está relacionado con el movimiento de cargas libres y con los polos magnéticos .También se le llama por razones históricas intensidad de campo magnético aunque para evitar confusiones con el auténtico campo magnético (la inducción magnética B) se le ha dado este nombre y otros como campo H. Desde un punto de vista físico, H y B son equivalentes en el vacío, salvo en una constante de proporcionalidad que depende del sistema de unidades

Inductancia En un Inductor o bobina, se denomina inductancia, L, a la relación entre el flujo magnético, y la intensidad de corriente eléctrica,El flujo que aparece en esta definición es el flujo producido por la corriente I exclusivamente. No deben incluirse flujos producidos por otras corrientes ni por imanes situados cerca ni por ondas electromagnéticas. Desgraciadamente, esta definición es de poca utilidad porque es difícil medir el flujo abrazado por un conductor. En cambio se pueden medir las variaciones del flujo y eso sólo a través del voltaje V inducido en el conductor por la variación del flujo. L=Φ/

1.3 El circuito magnético. Se denomina circuito magnético a un dispositivo en el cual las líneas de fuerza del campo magnético se hallan canalizadas trazando un camino cerrado. Para su fabricación se utilizan materiales ferromagnéticos, pues éstos tienen una permeabilidad magnética mucho más alta que el aire o el espacio vacío y por tanto el campo magnético tiende a confinarse dentro del material, llamado núcleo. El llamado acero eléctrico es un material cuya permeabilidad magnética es excepcionalmente alta y por tanto apropiado para la fabricación de núcleos.

Un circuito magnético sencillo es un anillo o toro hecho de material ferromagnético envuelto por un arrollamiento por el cual circula una corriente eléctrica. Esta última crea un flujo magnético en el anillo cuyo valor viene dado por:

iΦ=F/R

El circuito magnético se encuentra en los lugares donde se presente un flujo magnético, digamos un imán, un solenoide, un electroimán, un toroide, un motor, un generador un transformador eléctricos, las inmediaciones del planeta en que vivimos, etc.

El circuito magnético como su nombre lo indica es una trayectoria cerrada en la que se encuentra confinado un flujo magnético. Es un medio o está formado por un conjunto de

medios donde se localiza un flujo magnético cerrado. Estudiamos éste porque el conocimiento de su comportamiento nos ayudará a entender mejor cómo funcionan los motores, generadores y transformadores eléctricos, conduciéndonos a hacerlos más eficientes.

El circuito magnético elemental, semejante al eléctrico, está compuesto de:

1. Un medio donde circula el flujo producido por una fuerza magneto motriz: este medio recibe el nombre de reluctancia (R), cantidad que se puede definir como la oposición que presentan los materiales a la circulación del flujo magnético en su interior, su unidad de medición es el A/Wb y corresponde en el circuito eléctrico con la resistencia .

2. Una fuerza magneto motriz (fmm) productora del flujo magnético en la reluctancia, ésta corresponde en el circuito eléctrico con la fuerza electromotriz (fem), es decir causa el flujo magnético y tiene como unidad al Ampere ò Ampere-vuelta.

3. El flujo magnético ( F ) en el interior de una reluctancia que aparece cuando se aplica a ésta una fmm, en el circuito eléctrico corresponde con la corriente eléctrica y su unidad es el Weber.

Analogías:

Concepto

Circuito Eléctrico

Causa

fem

Efecto

Corriente

Medio

Resistencia

Circuito Magnético

fmm

Flujo

Reluctancia

En el circuito eléctrico elemental se puede controlar la corriente para que al pasar por una resistencia produzca más o menos calor; de manera semejante, la fuerza magneto motriz, en el circuito magnético, se controla para producir mayor o menor flujo y este a su vez mayor o menor magnetismo, para utilizar éste último en un dispositivo en estudio.

La relación matemática entre la fuerza magneto motriz, la reluctancia y el flujo se obtiene del estudio del anillo Rowland (toroide).

Suponga un toroide con núcleo de hierro al que se suministra una corriente eléctrica en el devanado; esta corriente eléctrica produce en el interior del núcleo un flujo perpendicular a cualquier sección transversal del toroide, cuyo modelo matemático es:

En la que B es la inducción magnética para un toroide en Tesla, cuyo modelo matemático es:

y A el área interior transversal en metros cuadrados.

Sustituyendo 2 en 1 tenemos:

Reacomodando la ecuación 3.

Haciendo la consideración que 2 p rm es la longitud del toroide, denominada L, nos queda

Y al compararla con la ley de Ohm tenemos

“El flujo magnético en el interior de un circuito magnético elemental, es directamente proporcional a la

fuerza magnetomotriz e inversamente proporcional a su reluctancia.”

En la última ecuación notamos que la reluctancia depende de cantidades mecánicas como el área y la longitud, además de su naturaleza como se puede observar en la expresión:

y en cuanto a unidades tenemos:

1.4 Principio operacional del transformador Para poder comprender el principio de funcionamiento del transformador eléctrico, se examinará el de construcción más elemental. Un circuito magnético simple, constituido por dos columnas y dos culatas, en el que han sido arrollados dos circuitos eléctricos: – Uno, constituido por una bobina de N1 espiras, es conectado a la fuente de corriente alterna y recibe el nombre de primario. – Otro constituido por un bobinado de N2 espiras, permite conectar a sus bornes un circuito eléctrico de utilización (la carga) y recibe el nombre de secundario. Al alimentar el bobinado primario con una fuente de voltaje alterno, por él (el bobinado) circulará una corriente eléctrica alterna (I1), que produce una fuerza magneto motriz que causa que se establezca un flujo de líneas de fuerza alterno (Ф1) en el circuito magnético del transformador. El flujo Ф1, al estar canalizado en el núcleo, induce en las espiras del bobinado secundario una fuerza electromotriz (E2). Las espiras del bobinado primario también están en la influencia del Ф1. por lo tanto en ellas se va a inducir una fuerza contra electromotriz (E1), que se opone al voltaje de alimentación, dando como resultado una disminución de la intensidad de corriente I1.

Cuando se le aplica carga (R) al bobinado secundario, circula por él la intensidad de corriente I2, la cual produce el flujo magnético Ф2, opuesto al Ф1, por lo tanto reduce el flujo resultante en el núcleo dando como resultado que la fuerza contra electromotriz disminuya y la intensidad de corriente I1 aumente.

e observa como un aumento de la corriente en el secundario (I2) provoca un aumento de la corriente en el primario (I1), sin que exista conexión eléctrica entre ambos bobinados. Dado que la fuerza contra electromotriz (FCEM) es directamente proporcional al flujo inductor (Ф1), al disminuir éste, por la contraposición del Ф2, se da un incremento en la corriente I1.

1.5 Partes constitutivas del transformador Los transformadores están construidos de distintas partes cada una con características específicas, una descripción breve de algunas de estas se da a continuación:

El área de disipación de los radiadores sumada al área del tanque propiamente dicho debe ser suficiente para disipar todo el calor generado por las pérdidas internas del transformador, el espesor mínimo de los tubos radiadores es de 16 mm para transformadores normalizados.

El tanque de los transformadores está sujeto a un proceso acelerado de corrosión, principalmente cuando están cercanos al mar, en estos casos se usan chapas de acero apropiadas con recubrimientos adecuados a las condiciones ambientales, es decir, con acabados anticorrosivos.

EL TANQUE CONSERVADOR DE LÍQUIDO AISLANTE Este tanque consiste de un recipiente fijo a la parte superior del transformador sobre el tanque o carcaza. Está destinado a recibir el aceite del tanque cuando éste se expande, debido al efecto del calentamiento por pérdidas internas. Por lo tanto, algunos transformadores de potencia necesitan una cámara de compensación de expansión del líquido aislante.

En unidades en general superiores a 2000 kVA el tanque se construye para permanecer completamente lleno, lo que

implica la utilización del conservador de líquido. En unidades de menor potencia, generalmente el tanque recibe el líquido aislante hasta aproximadamente 15 cm de su nivel o borde, dejando un espacio vacío destinado a la cámara de compensación.

Los transformadores que no poseen el tanque de expansión se denominan transformadores sellados.

Los transformadores sellados son aquellos que tienen una capa de gas inerte entre la tapa y el nivel del líquido aislante, y cuando éste se expande, como consecuencia de un calentamiento debido a la carga, la capa de gas se comprime ejerciendo un gran esfuerzo sobre el tanque. El límite práctico para la construcción de 2000 kVA, son propios para operar en ambientes agresivos o extremadamente húmedos, donde el uso de secador de aire no es recomendable.

La penetración de la humedad en el interior del transformador reduce sustancialmente las características dieléctricas del líquido aislante, dando como resultado pérdida de aislamiento de las partes activas, y en consecuencia, quema de equipo. Para evitar la penetración de aire húmedo en el interior del transformador, se instala un recipiente que contiene silica-gel, que sirve de comunicación entre el interior del tanque y el ambiente exterior, de manera que durante el proceso de respiración del transformador, la humedad del aire que penetra en el secador es absorbida por la silica-gel, que es un producto químico con una gran capacidad de absorción de humedad.

SECADOR DE AIRE Los transformadores operan normalmente con un ciclo de carga variable, produciendo calentamiento del líquido aislante en los periodos de carga máxima y de enfriamiento del mismo en periodos de carga ligera, de esta manera siempre que el líquido aislante se ha calentado, se expande, expulsando el aire que queda contenido en la cámara de compensación o en el conservador de aceite. Por el contrario, durante el periodo de baja carga, el líquido se enfría provocando la entrada de aire en el interior del tanque, excepto en los transformadores sellados que son en baja potencia, de esta forma se puede decir que respira el transformador.

EL NÚCLEO El núcleo de un transformador de potencia consiste básicamente de un laminado de acero al silicio, los devanados primario y secundario, los accesorios para cambio de tensión (cambiador de derivaciones) y básicamente las siguientes partes:

a) Núcleo de acero Este núcleo está constituido de una gran cantidad de placas de acero al silicio de granos orientados, montadas en superposición, estas chapas de acero tienen un espesor variable y se fabrican de acuerdo con estándares internacionales, cuya nomenclatura más común es la de la Armco, que presentan códigos dados por los números 5, 6, 7 y 8. El número más bajo expresa placas que requieren menor

corriente de excitación y menores pérdidas por histéresis. Las placas de acero al silicio son aleaciones que contienen alrededor del 5% de silicio, cuya función es reducir las pérdidas por histéresis y aumentar la resistencia del acero, permitiendo con esto reducir las corrientes parásitas.

Las placas de acero al silicio son laminadas en frío, seguidas de un tratamiento térmico adecuado que permite que los granos magnéticos se orienten en el sentido de la laminación, están cubiertas por una fina capa de material aislante y se fabrican dentro de los límites máximos de pérdidas electromagnéticas, que varían entre 1.28 W/Kg y una densidad de flujo de 1.50 Tesla a 1.83 W/Kg, que corresponde a una densidad de flujo de 1.7 Tesla a la frecuencia industrial (60 Hz).

En la tabla siguiente, se muestran las pérdidas específicas de las placas de acero al silicio de Armco usadas en la fabricación de transformadores y referidas a una inducción magnética de 15000 Gauss (15000 líneas/cm2) o bien 1.5 T. La eficiencia magnética del transformador depende en mucho de la calidad de la mano de obra en el armado del núcleo, el corte de la laminación y de las uniones. En transformadores de gran potencia se aplica un baño de un compuesto de resina epóxica para reducir las vibraciones magnéticas que pueden producir daños a la fina capa aislante que cubre a las placas; las vibraciones se detectan por lo general por un ruido intermitente en el interior del transformador.

Cuando el aislamiento de las placas se ve afectado, las pérdidas del transformador aumentan en forma significativa debido a las corrientes de Foucault.

Las dimensiones del núcleo magnético se deben hacer equilibrando el número de espiras de la bobina con las dimensiones del núcleo de fierro. Si se usan bobinas con pocas espiras, entonces se debe emplear un núcleo magnético de grandes dimensiones. Por el contrario, si se usan bobinas con muchas espiras entonces el núcleo de acero reduce sus dimensiones.

DEVANADOS Estos devanados están formados por bobinas primaria y secundaria, y en algunos casos de terciarias. Los conductores son normalmente de cobre electrolítica, aislados con esmalte y cubiertos con cintas de algodón o papel especial, eventualmente se usa conductor de aluminio.

De acuerdo con la clase de aislamiento pueden ser: Clase A – Límite 105°C Clase E – Límite 120°C Clase B – Límite 130°C Clase F – Límite 155°C Clase H – Límite 180°C

EL CAMBIADOR DE DERIVACIONES

El cambiador de derivaciones (Taps) tiene la función básica de elevar o reducir la tensión secundaria del transformador de acuerdo al nivel de tensión en el primario. El cambiador de derivaciones no corrige la falta de regulación de un sistema, cuando la variación de tensión es muy grande en una red, considerando los distintos puntos de la curva de carga diaria, el cambio de derivación se debe tomar con cautela, para que no se tenga en un determinado momento niveles de tensión intolerables en el secundario del transformador. Por lo tanto, la utilización correcta del cambiador de derivaciones, se hace cuando la tensión está permanentemente baja. Los cambiadores de derivación se clasifican como: con carga y sin carga. Los cambiadores con carga sólo se usan en transformadores de gran potencia en las redes de transmisión, en tanto que los cambiadores sin carga se usan en los transformadores de potencias bajas usados en las redes de distribución o en aplicaciones industriales.

TERMÓMETRO Normalmente los transformadores de potencia con potencias mayores de 500kVA disponen de un termómetro localizado en su parte superior, para que se tenga información de la potencia instantánea y de la máxima que se registre en el período de operación.

Los termómetros tienen contactos auxiliares que posibilitan el accionamiento de la señalización de advertencia o de la

apertura del interruptor cuando la temperatura supera los niveles preestablecidos.

INDICADOR DE NIVEL DE ACEITE Los indicadores magnéticos de nivel tienen como finalidad indicar el nivel de los líquidos y también cuando están previstos de contactos para alarma sirve también como protección para los transformadores con los que operan los transformadores de potencia están generalmente dotados de dispositivos externos que permiten indicar el nivel de aceite en el tanque, por lo general se construyen con cubierta de aluminio con las partes móviles de latón, las agujas establecen dos contactos, siendo uno para el nivel mínimo y el otro para el nivel máximo.

BASE PARA ARRASTRES Los transformadores de distribución tienen una base con las laterales dobladas de manera que no permita que el fondo del mismo toque el piso. Los transformadores de potencia tienen unas trabes transversales fijas a su base, permitiendo con esto que se puedan arrastrar sin afectar su base.

BASE CON RUEDAS BIDIRECCIONALES Con el fin de permitir el desplazamiento de los transformadores de potencia elevada (Mayores de 1000kVA) estos equipos se dotan de ruedas orientables hechas de acero y cuyo propósito es facilitar los movimientos

bidireccionales sobre gatos, cuya distancia entre centros está normalizada.

DISPOSITIVO PARA TOMA DE MUESTRA DE ACEITE Los transformadores generalmente están dotados por medio de un dispositivo para retirar muestras de aceite, este dispositivo está localizado en la parte inferior, que es donde se concentra el volumen de aceite contaminado este dispositivo consta de una válvula de drenaje.

VÁLVULA DE ALIVIO DE PRESIÓN Los transformadores de potencia deben poseer un dispositivo que sea accionado cuando la presión interna del equipo alcance un valor superior al límite máximo admisible, permitiendo una eventual descarga del aceite.

Las válvulas utilizadas para esta finalidad deben tener contactos eléctricos auxiliares con el fin de permitir la desconexión del interruptor de protección. La diferencia entre un relevador de súbita presión y una válvula de alivio de presión, es que el primero actúa durante la ocurrencia de una variación instantánea de presión interna, en tanto que la segunda opera en la eventualidad de que la presión rebase un límite establecido.

Las válvulas de alivio de presión de cierre automático se instalan en transformadores inmersos en líquido aislante Con la finalidad de proteger los contra posibles deformaciones o

ruptura de tanque, en casos de fallas internas con presencia de presión elevada, son muy rápidas y operan aproximadamente en 2 m segundos, cerrándose en forma automática después de su operación e impidiendo así la entrada de cualquier agente externo al transformador.

PLACA DE CARACTERÍSTICAS Todos los transformadores deben tener una placa que identifique sus principales características eléctricas y funcionales, esta placa de características en general tiene un formato rectangular con un espesor de 0.8 mm y debiendo tener los datos impresos bastante legibles, debe ser resistente a la corrosión, por lo que pueden ser de aluminio anodizado o de acero inoxidable y estar montadas en una base que impida su deformación. Las características preferentes para transformadores monofásicos y trifásicos para transformadores de distribución y de potencia.

1.6 Análisis del transformador ideal. Un transformador ideal es un artefacto sin pérdidas, con una bobina de entrada y una bobina de salida. Las relaciones entre los voltajes de entrada y de salida, y entre la corriente de entrada y de salida, se establece mediante dos ecuaciones sencillas. La figura l muestra un transformador ideal

Figura 1. a) Esquema de un transformador ideal. b) Símbolos esquemáticos de un transformador ideal.

En el transformador que se muestra en la figura 1 tiene NP espiras de alambre sobre su lado primario y NS de espiras de alambre en su lado secundario. La relación entre el voltaje

VP(t) aplicado al lado primario del transformador y el voltaje VS(t) inducido sobre su lado secundario es

VP(t) / VS(t) = NP / NS = a En donde a se define como la relación de espiras del transformador

a = NP / NS

La relación entre la corriente ip(t) que fluye en el lado primario del transformador y la corriente is(t) que fluye hacia fuera del lado secundario del transformador es

NP * iP(t) = NS * iS(t)

iP(t) / iS(t) = 1 / a En términos de cantidades fasoriales, estas ecuaciones son

VP / VS = a

IP / IS = 1 / a Nótese que el ángulo de la fase de VP es el mismo que el ángulo de VS y la fase del ángulo IP es la misma que la fase del ángulo de IS. La relación de espiras del transformador

ideal afecta las magnitudes de los voltajes y corrientes, pero no sus ángulos.

Las ecuaciones anteriores describen la relación entre las magnitudes y los ángulos de los voltajes y las corrientes sobre los lados primarios y secundarios del transformador, pero dejan una pregunta sin respuesta: dado que el voltaje del circuito primario es positivo en un extremo especifico de la espira, ¿cuál seria la polaridad del voltaje del circuito secundario?. En los transformadores reales seria posible decir la polaridad secundaria, solo si el transformador estuviera abierto y sus bobinas examinadas. Para evitar esto, los transformadores usan la convección de puntos. Los puntos que aparecen en un extremo de cada bobina en la figura1 muestran la polaridad del voltaje y la corriente sobre el lado secundario del transformador. La relación es como sigue:

1.- Si el voltaje primario es positivo en el extremo punteado de la bobina con respecto al extremo no punteado, entonces el voltaje secundario será también positivo en el extremo punteado. Las polaridades de voltaje son las mismas con respecto al punteado en cada lado del núcleo.

2.- Si la corriente primaria del transformador fluye hacia dentro del extremo punteado de la bobina primaria, la corriente secundaria fluirá hacía afuera del extremo punteado de la bobina secundaria.

Potencia en un transformador ideal

La potencia suministrada al transformador por el circuito primario se expresa por medio de la ecuación

Pent = VP * IP * cos q P En donde q p es el ángulo entre el voltaje y la corriente secundaria. La potencia que el circuito secundario suministra a sus cargas se establece por la ecuación:

Psal = VS * IS * cos q S

En donde q s es el ángulo entre el voltaje y la corriente secundarios. Puesto que los ángulos entre el voltaje y la corriente no se afectan en un transformador ideal, q p=q s=q . Las bobinas primaria y secundaria de un transformador ideal tienen el mismo factor de potencia. ¿Cómo se compara la potencia que va al circuito primario del transformador ideal, con la potencia que sale por el otro lado?

Es posible averiguarlo por medio de las ecuaciones de voltaje y corriente. La potencia que sale de un transformador es:

Psal = VS *IS* cos q

Aplicando las ecuaciones de relación de espiras nos resulta Vs = Vp / a y Is = a * Ip así que

Psal = (VP/a) * a * IP * cos q

Psal = VP * IP * cos q = Pen

Una de las propiedades interesantes de un transformador es que puesto que cambia los niveles de voltaje o corriente, también cambia la relación entre el voltaje y corriente y por consiguiente, la impedancia aparente de un elemento. Para entender mejor esta idea véase la siguiente figura 2.

Si la corriente secundaria se llama Is y el voltaje secundario Vs, entonces la impedancia de la carga total se expresa por

ZL = VS / IS

La impedancia aparente del circuito secundario primario del transformador es

Z¢ L = VP / IP

Como el voltaje primario se puede expresar VP = a * VS

Y la corriente primaria

IP = IS / a Z¢ L = VP /IP = (a * VS) / (IS /a) = a² * (VS / IS)

Z¢L = a² * ZL Con un transformador es posible acoplar la magnitud de la impedancia de la carga con la magnitud de la impedancia de la fuente escogiendo sencillamente la relación apropiada de espiras.

Análisis de los circuitos que contienen transformadores ideales

Si un circuito contiene un transformador ideal, entonces la forma más fácil de calcular los voltajes y corrientes del circuito es reemplazar la porción del circuito de uno de los lados del transformador por uno equivalente con las mismas características terminales. Después que el circuito equivalente se ha sustituido por un lado, el circuito resultante (sin transformador) puede calcularse por sus voltajes y corrientes. En la porción del circuito que no se modificó, los resultados obtenidos serán los valores correctos de los voltajes y corrientes del otro lado del transformador. El proceso de reemplazar un lado de un transformador por su nivel de voltaje equivalente del otro lado se llama reflexión o referencia del primer lado al segundo lado.

¿Cómo se forma un circuito equivalente?

Su forma es exactamente la misma que la del circuito original. Los valores de los voltajes en el lado que se está reemplazando se escalonan por medio de la ecuación ( VP/VS = a ) y los valores de la impedancia, por medio de la ecuación ( ZL¢ =a² * ZL). Las polaridades de las fuentes de voltaje del circuito equivalente se invertirán en su dirección en el circuito original, si el punteado de las bobinas de un lado del transformador está al contrario del punteado de las bobinas del otro lado.

1.7 Análisis del transformador real y su circuito equivalente

Circuitos equivalentes de un transformador

Normalmente en los diseños y análisis donde se utilizan transformadores, es muy común utilizar las características de éste como si fuera transformador ideal. Esto significa que: – No tiene pérdidas por calor – No hay caídas de voltaje en los bobinados de los arrollados – No hay capacitancias debido a los bobinados – No hay pérdidas por histéresis en el núcleo, etc.

Lo anterior no siempre es conveniente y a veces es necesario tomar en cuenta estos parámetros. Para esto se utilizan circuitos equivalentes de un transformador.

Para transformadores de potencia o de audio

Los valores son:– Rp: es la resistencia del bobinado primario medida directamente con un multímetro. – Rs: es la resistencia del bobinado secundario medida directamente con un multímetro.

En este caso el efecto piel se puede despreciar (el efecto piel causa que el valor de la resistencia se incremente dependiendo de las dimensiones del conductor). Lp y Ls (los bobinados primario y secundario) se comportan como en un transformador ideal.

Esto significa que: – Cualquier tensión que haya en el bobinado primario aparecerá en el secundario modificado en un factor 1/n. – Cualquier corriente que haya en el bobinado secundario aparecerá en el secundario modificada en un factor n. – Una impedancia a través de Ls se refleja en Lp multiplicada por un factor igual a 1/n2. (ver transformador ideal)

Donde n: es la razón de transformación o razón de vueltas entre los bobinados primario y secundario.

La resistencia Rh representa las pérdidas por histéresis en el núcleo. Usualmente es varias veces mayor en magnitud que la reactancia XLp. (reactancia del bobinado primario). Dependiendo de su magnitud se podría despreciar.

1.8 Análisis de la regulación de tensión con Diferentes tipos de cargas. Un regulador tiene como función mantener la tensión de salida “Vo” en un valor predeterminado, sobre el rango esperado de corriente de carga, independientemente de las variaciones de la corriente de la carga, la tensión de entrada al regulador Vi y la temperatura T.

Si se quisiera plasmar un regulador en un diagrama de bloques lo más próximo a lograrlo en líneas generales seria lo siguiente:

Cada uno de estos bloques serán explicados posteriormente, antes se quiso hablar de los parámetros más importantes que caracterizan un regulador de tensión; estos son la regulación de carga, la regulación de línea y el coeficiente de temperatura.

Regulación de carga

Es el cambio de tensión de salida para un cambio específico de la corriente de carga, manteniendo constantes la tensión de entrad y la temperatura, la formula general es:

REG-CARGA (%) = (Vo, cargamin - Vo, cargamáx) x 100% / (Vo, cargamin); donde Vo, cargamin es la tensión de salida con carga mínima (tensión nominal) y Vo, cargamáx es la tensión de salida con carga máxima.

Regulación de línea

Es el cambio en la tensión de salida para un cambio dado a la tensión de entrada, manteniendo constantes la corriente de salida y la temperatura la formula general es:

REG-LINEA (%) = "Vo / ("Vi x Vo) x 100%; donde "Vo es el cambio en la tensión de salida para un cambio en la entrad "Vi y vo es la tensión nominal de salida. La regulación de

línea es comparable a otras especificaciones como el rechazo al ripple o a la regulación de entrada

Coeficiente de temperatura

Es el cambio promedio en la tensión de salida para cada 1º Celsius de cambio en la temperatura del regulador, usualmente se especifica como:

T.C. (% / º C) = +/- (Vomáx - Vomin) / (Vo ref. x Tmáx -Tmin) x 100%

Siendo Vomáx la tensión de salida a la máxima temperatura especificada Tmáx, Vomin la tensión de salida a la temperatura mínima Tmin y Vo ref. la tensión nominal de salida especificada a un temperatura predeterminada, en la mayoría de los casos 25º C.

Como se dijo un regulador de tensión está constituido por una serie de bloques funcionales que permiten estabilizar la tensión de salida, el diagrama que se mostró antes está formado por referencia, circuito de muestreo , amplificador de error y un elemento de control, en teoría una variación de la tensión de salida Vo es detectada por el amplificador de error al comparar la referencia de tensión y el circuito de muestreo, este amplificador opera sobre el elementote control en serie para restaurar la Vo. Antes de adentrarnos en el tema se

debe hacer mención de algunas de estos bloques constituyentes de un regulador en serie.

Voltaje de referencia: esto constituye una parte fundamental de los reguladores de tensión al proporcionar una tensión de continua, muy precisa y estable con la temperatura y con el tiempo, para minimizar los errores debidos al auto calentamiento, las referencias de tensión proporcionan una corriente de salida moderada, típicamente en el orden de unos pocos miliamperios, están referencias están basadas en diodos zener y transistores bipolares o de salto de banda,

Un diodo zener es el dispositivo más barato y simple para obtener una tensión de referencia más o menos estable, sin embargo, hay que adaptarse a los valores de tensiones zener presentes en el mercado, además estos presentan fuertes deriva térmica y el ruido de avalancha es muy elevado; estas limitaciones pueden ser resueltas en parte co0n la ayuda de un amplificador operacional, resultando un circuito con características de autorregulación. Ejemplo de esta mejora lo constituye el siguiente circuito.

Existen circuitos integrados monolíticos con características similares a la estructura anterior como el REF102 de BurrBrown que proporcionan una tensión de referencia de tensión de 10 V compensado térmicamente que utiliza un diodo Zener de Vz = 8.2 V, la corriente máxima de salida es de 10mA su estructura interna es lago similar a lo siguiente:

Reguladores lineales en serie. Estos controlan la tensión de salida ajustando continuamente la caída de tensión en un transistor de potencia conectado en serie entre la entrada no regulada y la carga. Puesto que el transistor debe conducir corriente continuamente, opera en su región activa o lineal, esto ocasiona que este tipo de reguladores sea muy poco eficiente pues existe en todo momento una potencia consumida por su elemento en serie, esta eficiencia está alrededor de 20%, y su utilidad se ve limitada a potencias

menores de 5W. Un regulador e serie básico es el que se muestra a continuación.

Si hacemos un pequeño análisis de este circuito tenemos que el transistor es la etapa de control y RL es la carga , la corriente dela carga IL es igual a la corriente de emisor IE; siendo esta la suma de la corriente de colector y de base ,el diodo zener se alimenta a través de la resistencia R suministrando una tensión constante de referencia a la base del transistor, al aumentar la corriente consumida por la carga IL; la tensión VL sube e incrementa el valor de VBE pues la tensión del zener se mantendrá constante llevando el emisor a un potencial más positivo con respecto a la base por tanto la polaridad directa base-emisor se reduce y la corriente de colector disminuye, disminuyendo así la corriente de carga IL. Es de notar que el aumento de la corriente IL corresponde al efecto de control que logrará disminuirla, existiendo entonces un efecto de compensación o de regulación. El circuito detector de error, en este regulador, actúa por la característica base-emisor del circuito, y el mismo transistor hace las veces de amplificador de error.

Otro ejemplo de un regulador lineal lo establece el circuito que se muestra a continuación

El elemento de paso lo constituye el transistor , cuya base es gobernada desde el amplificador de error o Amplificador Operacional , a este llega un a señal de referencia , proveniente del diodo zener y una muestra de la tensión de salida tomada desde el divisor de tensión constituido por las resistencias R1 y R2 , haciendo la consideración de idealidad del Amp. Operacional, la tensión de salida viene dada por la expresión: Vo = Vref (1 + R1/R2) independientemente del valor de la resistencia de carga.

La potencia disipada en el elemento de paso puede ser considerable, especialmente con grandes corrientes, o con grandes diferencias de tensión entrada-salida. Así, la potencia disipada en el elemento de paso viene dada por

Preg = (Vi x Ii) - (Vo x Io); como Ii = IQ + Io y siendo Io >>> IQ por tanto Ii"Io Preg " Io (Vi - Vo)

Esta potencia puede ser destructiva, especialmente durante un cortocircuito en la salida del regulador. La eficiencia de conversión de potencia será: = Po/Pi = (Vo x Io)/ (Vi x Io) = Vo/ Vi

Para obtener eficiencias de conversión más cercanas al 100% es necesario que Vi sea muy cercana a Vo, siendo esto casi imposible, especialmente para Vo pequeñas, pues el elemento lineal debe estar activo y mantener una tensión Vce cercana a los 2 voltios como mínimo, es decir para una tensión regulada de 5 V se necesitaría de otra tensión de 7 V mínimo a la entrada.

Existen muchas otras topologías circuitales de reguladores transistorizados lineales, y si nos referimos a los más básicos tenemos los siguientes circuitos:

1.9 Eficiencia de los transformadores a diferentes Factores de potencia. El rendimiento de un transformador tiene el símbolo “η”, es variable y depende varios factores como son: – el valor de la potencia suministrada al transformador – la forma del transformador y – la calidad de los materiales con los que fue construido (núcleo y bobinados).

El rendimiento, por ser un dato relativo (un dato de potencia medida depende del otro dato de potencia medido), se expresa en porcentaje.

Procedimiento para determinar el rendimiento de un transformador:

Se alimenta el bobinado primario con el voltaje nominal. Se coloca la carga nominal en el bobinado secundario Se mide la potencia de entrada Pa (potencia absorbida por el transformador) y … Se mide la potencia de salida Pu (potencia útil). Estos valores medidos se reemplazan en la siguiente fórmula: Rendimiento = (Pu x 100) / Pa, donde: Pu = potencia útil (potencia de salida – bobinado secundario) Pa = potencia absorbida. (potencia de entrada – bobinado primario) Una manera más exacta de obtener el rendimiento de un transformador se logra, sacando el cociente de la potencia de salida (Pu) y la suma de las potencias de: la entrada (Pa, Pu en la fórmula), las pérdidas en el cobre (Pcu) y las pérdidas en el hierro (Pfe).

1.10 Autotransformadores monofásicos. Autotransformadores monofásicos reversibles. Indicados para aquellos casos donde se requiera una adaptación de tensiones de forma económica sin necesidad de obtener una separación galvánica ni una reducción de las perturbaciones de red. Bajo demanda pueden fabricarse con otras tensiones, con tomas de regulación, protector térmico, etc.

1.11 Conexiones de transformadores Monofásicos en arreglos trifásicos. Conexión de transformadores monofásicos

A menudo, cuando se requiere aumentar la potencia de un transformador monofásico, se le acopla otro transformador en paralelo. Para implementar ésto, se debe respetar los valores del voltaje en el bobinado primario, voltaje en el bobinado secundario, la impedancia de los bobinados y que guarden una relación de 4:1 como máximo entre primario y secundario.

a) La conexión de los bobinados primarios se hace normalmente y en forma definitiva, H1 con H1 y H2 con H2 b) En el secundario, la conexión que une los bornes intermedios de estos bobinados y que corresponden al neutro (N) también se puede hacer en forma definitiva. c) Se hace un puente provisional en los bornes del lado izquierdo y se intercala un voltímetro en los bornes del lado derecho. d) Luego se alimenta el banco. Si los transformadores tienen polaridad distinta, el voltímetro indicará algún valor de voltaje. Si los transformadores tienen la misma polaridad, el voltímetro no indicará ningún voltaje. Conexión de transformadores trifásicos

Para obtener una corriente eléctrica trifásica es necesario la implementación de un banco de transformadores trifásico. El valor de la corriente es determinado por el tipo de conexión de transformadores que se utilice. El tipo de conexión en los bobinados primarios de los transformadores dependerá del valor del voltaje de la red y de los mismos bobinados primarios de los transformadores. El tipo de conexión secundaria está determinado por el valor de voltaje que se desee. Hay las siguientes opciones de bancos trifásicos:

Conexión Estrella

Conexión Delta

Conexión Estrella renca (solamente en el primario)

Conexión Delta abierta (solamente en el primario)

2. Máquinas de corriente directa. 2.1.- Componentes de las máquinas de CD 2.2.- Principio operacional de las máquinas de C.D., como generador y como motor. 2.3.- Tipos de generadores (excitación separada, Derivación, serie y compuesto) y sus curvas

2.4.- Tipos de motores (derivación, excitación Separada, serie y compuesto) y sus curvas Características. 2.5.- Ecuaciones de par electromagnético para los Motores de CD 2.6.- Condiciones de arranque para los diferentes Tipos de motores de CD 2.7.- Control de los motores de CD 2.7.1.- Arranque. 2.7.2.- Velocidad. 2.7.3.- Inversión de giro. 2.7.4.- Frenado. 2.8.- Aplicaciones de los motores de CD.

2.1 Componentes de máquinas de CD El motor de corriente continua (denominado también motor de corriente directa, motor CC o motor DC) es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción del campo magnético. Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes. El estator da soporte mecánico al aparato y contiene los devanados principales de la máquina, conocidos también con el nombre de polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, alimentado con corriente directa mediante escobillas fijas (conocidas también como carbones). El principal inconveniente de estas máquinas es el mantenimiento, muy caro y laborioso, debido principalmente al desgaste que sufren las escobillas al entrar en contacto con las delgas. Algunas aplicaciones especiales de estos motores son los motores lineales, cuando ejercen tracción sobre un riel, o bien los motores de imanes permanentes. Los motores de corriente continua (CC) también se utilizan en la construcción de servomotores y motores paso a paso. Además existen motores de CD sin escobillas.

2.2 Principio de funcionamiento Según la ley de Fuerza simplificada, cuando un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha. Es importante recordar que para un generador se usará la regla de la mano derecha mientras que para un motor se usará la regla de la mano izquierda para calcular el sentido de la fuerza. F=BiL F: Fuerza en newtons i: Intensidad que recorre el conductor en amperios L: Longitud del conductor en metros B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo teslas Estructura

Estator: Formado por una corona de material ferromagnético denominada culata o yugo en cuyo interior, regularmente distribuidos y en número par, van dispuestos unos salientes radiales con una expansión en su extremo, denominados polos, sujetos por tornillos a la culata. Rodeando los polos, se hallan unas bobinas de hilo, o pletina de cobre aislado, cuya misión es, al ser alimentadas por corriente continua, crear el campo magnético inductor de la máquina, el cual presentará alternativamente polaridades norte y sur. Salvo las máquinas de potencia reducida, en general de menos de 1 kW, encontramos también en el estator, alternando los polos antes citados, otros llamados polos de conmutación.

Rotor: Formado por una columna de material ferromagnético, a base de chapas de hierro, aisladas unas de las otras por una capa de barniz o de óxido. La corona de chapa magnética presenta en su superficie externa un ranurado donde se aloja el devanado inducido de la máquina. Este devanado está constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre convenientemente aislados, cerrado sobre sí mismo al conectar el final de la última bobina con el principio de la primera. Colector: Constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la máquina. Escobillas: dispuestas en los portaescobillas, de bronce o latón, que retienen las escobillas que establecerán el enlace eléctrico entre las delgas y el colector y el circuito de corriente continua exterior.

Tipos de pérdidas en la máquina de CD PÉRDIDAS ELÉCTRICAS. Se presenta una pequeña pérdida de voltaje originada por una resistencia en el circuito de armadura, y que se reparte en los siguientes elementos: • Embobinado de armadura. • Conmutador. • Superficie de contacto conmutador-escobillas. • Escobillas. • Embobinado interpolar. • Embobinado de excitación en serie (para máquinas serie y compuestas). PÉRDIDAS MECÁNICAS. Las pérdidas mecánicas se deben a dos factores: La fricción y la ventilación. La fricción se presenta en los apoyos de la flecha (o cojinetes) y en la superficie de contacto conmutadorescobillas. En los apoyos tiene un valor relativamente alto cuando son de tipo chumacera, en cambio adquiere valores reducidos si son de tipo rodamientos. En el conmutador no es fácil reducir la fricción, ya que ahí se requiere un buen contacto que no acarree más pérdidas de las necesarias en la resistencia del circuito de armadura. Pequeñas inclusiones de grafito en las escobillas logran una lubricación adecuada sin impedir un buen contacto. El parámetro que servirá para evaluar las pérdidas será el par de fricción, cuyo sentido es siempre, opuesto a la dirección de rotación. Generalmente se trata de fricción viscosa debido a la lubricación, y por tanto el par de fricción es una función de la velocidad.

Las pérdidas por ventilación se presentan en aquellas máquinas que tienen un ventilador interno para ayudar al enfriamiento. También se evalúan por su par de oposición y éste es función de la velocidad. PÉRDIDAS MAGNÉTICAS. Las pérdidas magnéticas también se manifiestan por un par en oposición al sentido de rotación y tienen dos componentes que son la histéresis y las corrientes parásitas. PÉRDIDAS ROTACIONALES. Tanto las pérdidas mecánicas como las magnéticas se manifiestan como pares de oposición al movimiento y solo cuando hay rotación. Por estas razones, las agruparemos con el nombre de pérdidas rotacionales Tr.

Excitación en motores y generadores de CD A continuación se listan los distintos tipos de excitación  Generador con excitación independiente  Generador con excitación en paralelo (shunt)  Generador con excitación compound  Generador con excitación en serie Ecuación de Froelich El conocimiento de la curva de magnetización de la máquina es fundamental para el análisis de su respuesta.

Una función analítica que reprodujera rigurosamente esa gráfica resultaría complicado y poco práctico. La función de Froelich en cambio, establece una relación sencilla entre el flujo y corriente de excitación, y se aproxima a la curva de magnetización de una manera satisfactoria. Su expresión es: en donde c es una constante que gráficamente representa la altura de una asíntota horizontal, y b es otra constante que gráficamente representa la abscisa de otra asíntota vertical. El denominador b+Iex influye sobre la pendiente de la curva, haciéndola mas pequeña conforme crece la corriente de excitación, por lo que se le llamará factor de saturación Devanados El objetivo del devanado de estator es producir un campo en el entrehierro, constante en el tiempo y fijo en el espacio. Devanado del estator = devanado de campo. El devanado es del tipo concentrado, es decir que únicamente está formado por un paquete (bobina) constituido por "n" espiras.

El sentido de la corriente de estos bobinados deben ser de tal forma que origine polos alternados, en una maquina bipolar los polos están diametralmente opuestos. B. Devanados del rotor Las espiras del rotor se pueden conectar de diferentes maneras a las delgas del colector. La forma como se conecten determina el número de ramas en paralelo en que se divide la corriente del rotor, las magnitudes del voltaje final de salida y la cantidad y ubicación de las escobillas. La mayoría de los arrollamientos de los rotores están conformados por bobinas hexagonales que se colocan en las ranuras del rotor. Cada bobina consta de un cierto número de vueltas (espiras) de alambre, cada una aislada de las demás. Cada uno de los lados de una espira se denomina un conductor. El número total de conductores en la armadura de una máquina está dado por: Z = 2 C Nc Dónde: Z : # de conductores del rotor C : # de bobinas del rotor Nc: # de espiras de una bobina

Normalmente una bobina abarca 180 grados eléctricos. Esto significa que cuando un lado de la bobina está frente al centro de un polo, el otro lado está frente al centro del polo de polaridad contraria. Los polos físicos pueden encontrarse separados por una distancia diferente de 180 grados mecánicos, pero el campo magnético invierte su polaridad de un polo al siguiente.

Si una bobina abarca 180 grados eléctricos, los voltajes en los conductores de los dos lados de la bobina tendrán exactamente la misma magnitud y sentido opuesto en todo momento. Esta bobina se llama bobina de paso diametral o de paso total. En algunos casos las bobinas tienen menos de 180 grados eléctricos. Entonces se llaman bobinas de paso fraccionario, y el devanado del rotor que tenga estas bobinas se llama devanado de cuerda. El nivel de acortamiento de un devanado se puede describir mediante el factor de paso o factor de ancho de bobina, que está definido por la ecuación.

Con frecuencia se emplean, en máquinas de cc, los devanados con un pequeño acortamiento en el paso de bobina para mejorar la conmutación. C. Tipos de devanado del rotor Los inducidos generalmente tienen 2 tipos de arrollamientos o devanados; el imbricado y el ondulado. Para que el colector cumpla su función los arrollamientos de los inducidos de las máquinas de c.c debe ser tal que

partiendo de un punto, recorremos toda la periferia del rotor (a través de las espiras) llegaremos al punto de partida. La fem inducida en la bobina es mayor cuando el ancho de bobina es igual al paso polar (paso entero). Por esta razón el ancho de bobina se hace igual o prácticamente igual al paso polar. Además todos los elementos del devanado deben conectarse entre sí de tal manera que las f.e.m. de cada elemento se sumen, caso contrario la maquina simplemente no funciona. Que las f.e.m. de los elementos se sumen se consigue conectando la salida de un elemento con la entrada del siguiente elemento ubicados en polos opuestos o de distinta polaridad. 1) Devanado imbricado En este tipo de devanados sus 2 extremos están conectados a 2 delgas adyacentes. Si el extremo final de la bobina se conecta a la delga siguiente se tiene un devanado imbricado progresivo Yc=1, si el extremo final se conecta a la delga anterior se tiene un devanado imbricado regresivo Yc=-1

Figura 9.- (a) Bobina de un devanado progresivo (b) Bobina de un devanado regresivo Un aspecto interesante del devanado imbricado simple es que tiene tantas ramas en paralelo como polos tenga la máquina, este hecho hace que el devanado imbricado resulte

bastante favorable para máquinas de bajo voltaje y alta corriente.

P: # de polos de la maquina k: # delgas del colector; # de ranuras

Figura 10.- Arrollamiento progresivo máquina de 4 polos

Figura 11.- Diagrama del devanado imbricado del rotor

2) Devanado ondulado El devanado ondulado o serie es otra manera de conectar las bobinas a las delgas del colector, en este arrollamiento el final de la segunda bobina se conecta a una delga adyacente donde comenzó la primera. Es decir entre dos delgas adyacentes hay 2 bobinas en serie cada una de las cuales tiene un lado frente a un polo. El Voltaje final es la suma de los voltajes inducidos frente a cada polo y no puede haber desequilibrio de tensión. Si la conexión se hace a la delga siguiente el devanado es progresivo si se hace a la delga anterior el devanado es regresivo. En general si la maquina tiene "P" polos hay P/2 bobinas en serie entre delgas adyacentes. Se usan en voltajes elevados.

c: # de bobinas del rotor (+) Progresivo; (-) Regresivo P: # de polos de la maquina

Figura 12.- Devanado ondulado del rotor

Figura 13.- Diagrama del devanado ondulado del rotor

2.3 Tipos de generadores (excitación separada, derivación en serie y compuesta) Características GENERADOR ELÉCTRICO

Es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator).Si se produce mecánicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz ( FEM). Este sistema está basado en la ley de Faraday. Otros sistemas de generación de corrientes eléctricas: No sólo es posible obtener una corriente eléctrica a partir de energía mecánica de rotación sino que es posible hacerlo con

cualquier otro tipo de energía como punto de partida. Desde este punto de vista más amplio, los generadores se clasifican en dos tipos fundamentales:

Primarios: Convierten en energía eléctrica la energía de otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente, como alternadores, dinamos, etc.

Secundarios: Entregan una parte de la energía eléctrica que han recibido previamente, es decir, en primer lugar reciben energía de una corriente eléctrica y la almacenan en forma de alguna clase de energía. Posteriormente, transforman nuevamente la energía almacenada en energía eléctrica. Un ejemplo son las pilas o baterías recargables Se agruparán los dispositivos concretos conforme al proceso físico que les sirve de fundamento. Generadores ideales Desde el punto de vista teórico (teoría de circuitos) se distinguen dos tipos de generadores ideales:

Generador de voltaje o tensión: un generador de voltaje ideal mantiene un voltaje fijo entre sus terminales con Independencia de la resistencia de la carga.( Rc ). Que pueda estar conectada entre ellos.

Generador de corriente o intensidad: un generador de corriente ideal mantiene una corriente constante por el circuito externo con independencia de la resistencia de la carga que pueda estar conectada entre ellos. En la Fig. 4 se ve el circuito más simple posible, constituido por un generador de tensión constante E Conectada a una carga Rc y en donde se cumpliría la ecuación:

E = I×Rc

MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Fig.5 E = I×(Rc+Ri) En la Figura 5 se puede ver el mismo circuito anterior, pero donde la resistencia interna del generador viene representada por una resistencia Ri , en serie con el generador, con lo que la ecuación anterior se transforma en:

E = I×(Rc+Ri)

Así, un generador real puede considerarse en muchos casos como un generador ideal de tensión con una resistencia interna en serie, o bien como un generador ideal de intensidad en paralelo con una resistencia. Fuerza electromotriz de un generador

Una característica de cada generador es su fuerza electromotriz (F.E.M.), simbolizada por la letra griega épsilon

ε ,

y definida como el trabajo que el generador realiza para pasar la unidad de carga positiva del polo negativo al positivo por el interior del generador. La F.E.M.

ε

se mide en voltios y en el caso d

el circuito dela Fig. 5, sería igual a la tensión E, mientras que la diferencia de potencial entre los puntos a y b, Va-b, es dependiente de la carga Rc. La F.E.M.

ε

y la diferencia de potencial coinciden en

valoren ausencia de carga, ya que en este caso, al ser I = 0no hay caída de tensión en Ri y por tanto Va-b = E La propia corriente producida en la dinamo sirve para crear el campo magnético en las bobinas del inductor. Existen tres tipos de dinamo según sea la forma en que estén acoplados el inductor y el inducido: en serie, en derivación y en combinación. Los generadores de corriente continua se clasifican según el método que usan para proporcionar corriente de campo que excite los imanes del mismo. Un generador de excitado en serie tiene su campo en serie respecto a la armadura. Un generador de excitado en derivación, tiene su campo conectado en paralelo a la armadura. Un generador de excitado combinado tiene parte de sus campos conectados en serie y parte en paralelo. Los dos últimos tipos de generadores tienen la ventaja de suministrar un voltaje relativamente constante, bajo cargas eléctricas variables. El de excitado en serie se usa sobre todo para suministrar una corriente constante a voltaje variable. Un

magneto es un generador pequeño de corriente continua con un campo magnético permanente.

2.4 Tipos de motores (derivación, excitación Separada, serie y compuesto) y sus curvas Características.

INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES DC

Un motor de corriente continua es aquel que trabaja o se alimenta de corriente continua. Están formados generalmente por las siguientes partes: Inductor o estator (Arrollamiento de excitación): Es un electroimán formado por un número par de polos. Las bobinas que los arrollan son las encargadas de producir el campo inductor al circular por ellas la corriente de excitación. Inducido o rotor (Arrollamiento de inducido): Es una pieza giratoria formada por un núcleo magnético alrededor del cual va el devanado de inducido, sobre el que actúa el campo

EXCITACIÓN SEPARADA O INDEPENDIENTE: Son aquellos que obtienen la alimentación del rotor y del estator de dos fuentes de tensión independientes. Con ello, el campo del estator es constante al no depender de la carga del motor, y el par de fuerza es entonces prácticamente constante. Las variaciones de velocidad al aumentar la carga se deberán sólo a la disminución de la fuerza electromotriz por aumentar la caída de tensión en el rotor. Este sistema de

excitación no se suele utilizar debido al inconveniente que presenta el tener que utilizar una fuente exterior de corriente. EN DERIVACIÓN (SHUNT): Los devanados inducidos e inductor están conectados en paralelo y alimentados por una fuente común. También se denominan máquinas Shunt, y en ellas un aumento de la tensión en el inducido hace aumentar la velocidad de la máquina. MOTORES DC EXCITACIÓN EN SERIE Los devanados de inducido y el inductor están colocados en serie y alimentados por una misma fuente de tensión. En este tipo de motores existe dependencia entre el par y la velocidad; son motores en los que, al aumentar la corriente de excitación, se hace disminuir la velocidad, con un aumento del par. MOTORES DC EXCITACIÓN COMPUESTA (COMPOUND) También llamados compound, en este caso el devanado de excitación tiene una parte de él en serie con el inducido y otra parte en paralelo. El arrollamiento en serie con el inducido está constituido por pocas espiras de gran sección, mientras que el otro está formado por un gran número de espiras de pequeña sección. Permite obtener por tanto un motor con las ventajas del motor serie, pero sin sus inconvenientes. Sus curvas características serán intermedias

Entre las que se obtienen con excitación serie y con excitación en derivación. Existen dos tipos de excitación compuesta. En la llamada compuesta adicional el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos serie y paralelo es

el mismo, por lo que sus efectos se suman, a diferencia de la compuesta diferencial, donde el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos tiene sentido contrario y por lo tanto los efectos de ambos devanados se restan.

2.5 Ecuaciones de par electromagnético para los Motores de CD Cuando en los polos de la misma máquina de c.c se instala un derivado de excitación deriva con y otro en serie, la excitación en serie puede ser compoundada aditiva o diferencialmente. Sin embargo, independientemente del compoundaje, la corriente en el circuito de excitación en derivación y el flujo de exitacion, durante el arranque o la marcha es esencialmente constante. La corriente en la excitación serie es función de la corriente de carga absorbida por el inducido.

La ecuación del par para el funcionamiento del motor compuesto aditivo es T=K(Qf-Qs)I, en la que el flujo de excitación serie Qs, es función de la corriente del inducido I. Arrancando con un flujo igual al flujo de excitación derivación en vacío y con uno que aumenta con la corriente de inducido, el motor compuesto aditivo produce una curva par que siempre es mayor que la del motor derivación para la misma corriente del inducido.

Comparación de las características par-carga para una maq. De c.c

Sin embargo, para el motor compound, la ecuación anterior del par puede escribirse T=K(Qf-Qs)I, en la que Qf es aun función de I y Qf es probablemente constante. Arrancando con un flujo igual al flujo de excitación en derivación en vacío, cualquier valor de la corriente de inducido producirá una fmm de excitación en serie que reduce el flujo total en él entre hierro y en consecuencia el par. Por lo tanto, el motor compuesto diferencial produce una curva de par que es siempre menor que el motor de derivación.

Características de velocidad de los motores de corriente continua. La ecuación fundamental de velocidad, en la que S= (Va-Ia *Ra ) / K, proporciona un medio de predecir como varía la velocidad de cada uno de los motores indicado con la aplicación de carga. Se estudiara sucesivamente la característica Velocidad-Carga de cada motor. Para simplificar la discusión, se supone que la caída de tensión en las escobillas BD es 0.

Motores de derivación. Supongamos que el motor derivación a sido llevado hasta la velocidad nominal y funciona en vacío. Puesto que el flujo de excitación del motor (sin tener en cuenta la reacción de inducido) puede considerarse constante, la velocidad del motor puede expresarse según la expresión básica de la velocidad

S=(E/k*Qf)=K*(V-I*R/Qf) Cuando el eje del inducido se aplica carga mecánica la fuerza contraelectronotriz disminuye y la velocidad lo hace

proporcionalmente. Pero ya que la fuerza contraelectromotriz desde vacío hasta plena carga presenta una variación de aproximadamente el 20 % (o sea, desde 0.75 Va a plena carga hasta aproximadamente 0.95 Va en vacío), la velocidad del motor se mantiene esencialmente constante como se indica en la figura. Comparación de las características para una maq. De c.c. Motor serie. La ecuación básica de la velocidad, modificada para el circuito de motor serie, es evidentemente S= (( V-I( Ra-Rs ))/K En la que V es la tensión aplicada a los bornes del motor y puesto que el flujo en él entre hierro producido por la excitación serie es proporcional ala corriente del inducido solamente, la velocidad puede escribirse en la forma S=K` V-I (Ra+Rs)/ I

La ecuación nos proporciona una indicación de las características velocidad- carga de un motor serie. Si se aplica, una carga mecánica relativamente pequeña al eje del inducido del motor serie, la corriente de inducido es pequeña, lo que él hace que el numerador de la fracción en la ecuación sea grande y su denominador pequeño, determinando una velocidad anormalmente elevada. Por consiguiente, en vacío, con un flujo de excitación y una corriente de inducido pequeñas, la velocidad es realmente excesiva. Por esta razón, los motores serie siempre se accionan acoplados o engranados con una carga, como en ascensores, grúas o servicios de tracción de corriente continua. Sin embargo, al aumentar la carga, el numerador de fracción en (4-10) disminuye mas rápidamente que lo que aumenta el denominador y la velocidad diminuye rápidamente como se le indica en la figura anterior. La línea discontinua representa la parte de carga ligera de la característica en la que no se hacen funcionar los motores serie.

La velocidad excesiva en los motores serie no determina una corriente de inducido elevada (como en los motores de inducción compuesto) que provocaría la fusión de un fusible o en disparo de un interruptor automático y separando el inducido de red. Debe utilizarse algún otro método de protección contra el empalamiento. En general los motores serie están equipados con interruptores centrífugos normalmente cerrados en la zona de funcionamiento y que se abren a velocidades de aproximadamente 150% de la velocidad nominal. Motor compuesto aditivo. La ecuación básica de la velocidad para este motor puede escribirse en la forma. S=K*((V-I(Ra-RS))/Qf-Qt Y simplificarse mas en la forma S=K((E/Qf-Qt) Al comparar el motor compuesto aditivo con S= KE / flujo para el motor derivación. Es evidente que, al aumentar la carga y la corriente de inducido, el flujo producido por la excitación serie también aumenta en tanto que la fuerza contraelectromotriz disminuye. Por consiguiente, el denominador aumenta mientras que el numerador disminuye proporcionalmente más que para un motor compuesto aditivo disminuirá más rápidamente que el motor shunt con la aplicación de carga, como se indica en la figura anterior Motor compuesto diferencial. Para el motor compuesto aditivo puede modificarse ligeramente para indicar el efecto de la fmm de excitación opuesta, con lo que la velocidad se expresa S= KE/ Kf-Ks

Al aumentar la carga e I, el numerador de la fracción disminuye ligeramente pero el denominador disminuye más rápidamente. La velocidad puede disminuir ligeramente con pequeñas cargas, pero al aumentar la carga la velocidad aumenta. Esta condición es causa de una inestabilidad dinámica. Al aumentar la velocidad, la mayoría de cargas mecánicas aumentan automáticamente determinando un aumento de corriente, una disminución de flujo total y una velocidad mayor, originando aún más carga. Debido a esta inestabilidad inherente, los motores diferenciales se usan en raras ocasiones. En un laboratorio de maquinaria en que se ensayan estos motores, el estudiante puede ocasionalmente observar una condición en la que un motor diferencial empieza a embalarse y súbitamente disminuye su velocidad e invierte su sentido. Al disminuir la fuerza electromotriz debido a la disminución del flujo mutuo, la corriente del inducido y el par aumentan de forma tal que el flujo de excitación serie supera al flujo de excitación derivación, con lo que el motor invierte su sentido. Es por esta razón que, cuando se arranca un motor diferencial, para finalidades de ensayo en el laboratorio, debe tenerse cuidado de eliminar la excitación serie de modo que la elevada corriente de arranque y de inducido no ocasione el arranque del motor en sentido opuesto.

2.6 Condiciones de arranque para los diferentesTipos de motores de CD

El arranque de un motor es el instante en que conecta a la red. En ese momento, el par motor debe ser mayor que el par resistente que opone la carga. En el instante del arranque, al estar parado el motor su velocidad es nula, por lo que la fuerza contraelectromotriz que es proporcional a la velocidad también es nula. Esto provoca que toda la tensión de alimentación cae en el devanado del inducido, por lo que en el instante del arranque la intensidad que recorre el motor es muy elevada, pudiendo alcanzar valores de hasta diez veces la intensidad nominal en régimen de funcionamiento estable y más aún para motores de gran potencia, que es cuando el motor ha alcanzado una velocidad que se mantiene constante, ya que el par motor y el par resistente de la carga están equilibrados. La intensidad que recorre el inducido tiene por expresión:

Como en el arranque E=0, ya que ω=0, la expresión anterior resulta:

Por lo que para limitar la corriente de arranque a valores compatibles con los requerimientos del trabajo, y que no provoque efectos perjudiciales para los devanados se introduce una resistencia en serie con el inducido, que consistirá en un reostato de arranque de varios escalones, que en el momento del arranque estará totalmente introducido y que durante el proceso de cebado del motor hasta alcanzar el régimen nominal se va extrayendo, bien manualmente, o bien automáticamente mediante dispositivos electrónicos, el número de saltos o “plots” que

presente el reóstato de arranque dependerá de la suavidad que precise el arranque y de la potencia del motor.

Además de estos reóstatos también se utilizan otros equipos, como variadores electrónicos de tensión, generalmente de tiristores (SCR), se alimentan con corriente alterna que convierten en tensión continua variable, permitiendo el arranque por aplicación creciente de tensión, limitando la corriente y el par de arranque.

El criterio para elegir el uso de los diferentes sistemas de arranque suelen ser soluciones de compromiso de tipo técnico-económica.

2.7 Control de los motores de CD 2.7.1.- Arranque. 2.7.2.- Velocidad. 2.7.3.- Inversión de giro. 2.7.4.- Frenado. Las técnicas de control de motores DC son herramientas que se utilizan para controlar la velocidad, el par y el suministro de potencia de los motores de corriente continua. El control de motores puede llevarse a cabo mediante tiristores y un conocimiento básico de electrónica de potencia.

La mayoría de motores utilizados en la industria se conectan directamente a las líneas de distribución eléctrica, y se alimentan con corriente alterna o corriente directa. Las terminales de los devanados del motor se conectan directamente a las líneas de suministro eléctrico, y sus características de operación se mantienen inalterables, al tener una tensión de entrada constante. El motor trabaja en condiciones nominales cuando se alimenta con la tensión indicada en la placa de operación, entregando potencia constante a la carga conectada en el eje.

La naturaleza de la carga que se acopla al eje del motor define el comportamiento de esta máquina. Para el caso de una carga liviana, el motor desarrollara una velocidad relativamente alta y un par de giro bajo. Por el contrario, si se dispone de una carga pesada o difícil de mover, el motor se moverá a una velocidad menor y entregara más par, pues una mayor carga lo exige. Sin embargo, si la carga se mantiene constante, la operación del motor también se mantendrá constante, sin posibilidades de controlar la velocidad debido a que la tensión de suministro no se ve modificada.

Existen casos en la industria que requieren el manejo de las características de operación de los motores. Este control se suele hacer mediante tiristores. La combinación del motor, los tiristores de control y demás componentes electrónicos asociados son conocidos como el sistema de control de velocidad, sistema de accionamiento o sistema de excitación de motor.

2.8 Aplicaciones de los motores de CD En ciertas condiciones de trabajo, un motor de corriente continua puede ser arrastrado por la carga y entonces funciona como generador. Esto es, el motor absorbe energía cinética de masa giratoria, de manera que la corriente circula ahora en sentido inverso, pues no la suministra la línea, sino que es devuelta a ella, por la F.e.m. mayor del motor funcionando como generador. Esto reduce la velocidad del motor, teniéndose así un método de frenado. Se puede tener frenado regenerativo cuando la energía retorna a la línea o frenado dinámico cuando la energía se disipa en una resistencia. Según la Ley de Lorentz, cuando un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha, con módulo Monografias.com F: Fuerza en newtons I: Intensidad que recorre el conductor en amperios l: Longitud del conductor en metros lineales B: Inducción en teslas

El rotor no solo tiene un conductor, sino varios repartidos por la periferia. A medida que gira, la corriente se activa en el conductor apropiado. Normalmente se aplica una corriente con sentido contrario en el extremo opuesto del rotor, para compensar la fuerza neta y aumentar el momento. Para controlar el sentido del flujo de la corriente en los conductores se usa un conmutador que realiza la inversión del sentido de la corriente cuando el conductor pasa por la línea muerta del campo magnético. La fuerza con la que el motor gira (el par motor) es proporcional a la corriente que hay por los conductores. A mayor tensión, mayor corriente y mayor par motor. Fuerza contra electromotriz inducida en un motor

Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia del corte de las líneas de fuerza, es el efecto generador de pines. La polaridad de la tensión en los generadores es inversa a la aplicada en bornes del motor. Las fuertes puntas de corriente de un motor en el arranque son debidas a que con la máquina parada no hay fuerza contra electromotriz y el bobinado se comporta como una resistencia pura del circuito. Número de escobillas Las escobillas deben poner en cortocircuito todas las bobinas situadas en la zona neutral. Si la máquina tiene dos polos, tenemos también dos zonas neutras. En consecuencia, el número total de escobillas ha de ser igual al número de polos de la máquina. En cuanto a su posición, será coincidente con las líneas neutras de los polos. Sentido de giro El sentido de giro de un motor de corriente continua depende del sentido relativo de las corrientes circulantes por los devanados inductor e inducido. La inversión del sentido de giro del motor de corriente continua se consigue invirtiendo el sentido del campo magnético o de la corriente del inducido. Si se permuta la polaridad en ambos bobinados, el eje del motor gira en el mismo sentido. Los cambios de polaridad de los bobinados, tanto en el inductor como en el inducido se realizarán en la caja de bornes de la máquina, y además el ciclo combinado producido por el rotor produce la fmm (fuerza magnetomotriz).

Aplicaciones y ventajas de los motores de corriente continua Aunque el precio de un motor de corriente continua es considerablemente mayor que el de un motor de inducción de igual potencia, existe una tendencia creciente a emplear motores de corriente continua en aplicaciones especiales. La gran variedad de la velocidad, junto con su fácil control y la gran flexibilidad de las características par-velocidad del motor de corriente continua, han hecho que en los últimos años se emplee éste cada vez más con maquinas de velocidad variable en las que se necesite amplio margen de velocidad y control fino de las mismas. Existe un creciente número de procesos industriales que requieren una exactitud en su control o una gama de velocidades que no se puede conseguir con motores de corriente alterna. El motor de corriente continua mantiene un rendimiento alto en un amplio margen de velocidades, lo que junto con su alta capacidad de sobrecarga lo hace más apropiado que el de corriente alterna para muchas aplicaciones. Los motores de corriente continua empleados en juguetes, suelen ser del tipo de imán permanente, proporcionan potencias desde algunos vatios a cientos de vatios. Los

empleados en giradiscos, unidades lectoras de CD, y muchos discos de almacenamiento magnético son motores en los que el rotor es de imán fijo y sin escobillas. En estos casos el inductor, esta formado por un juego de bobinas fijas, y un circuito electrónico

que cambia el sentido de la corriente a cada una de las bobinas para adecuarse al giro del rotor. Este tipo de motores proporciona un buen par de arranque y un eficiente control de la velocidad. Una última ventaja es la facilidad de inversión de marcha de los motores grandes con cargas de gran inercia, al mismo tiempo que devuelven energía a la línea actuando como generador, lo que ocasiona el frenado y la reducción de velocidad. Las principales aplicaciones del motor de corriente continua son: • Trenes de laminación reversibles. Los motores deben de soportar una alta carga. Normalmente se utilizan varios motores que se acoplan en grupos de dos o tres. • Trenes Konti. Son trenes de laminación en caliente con varios bastidores. En cada uno se va reduciendo más la sección y la velocidad es cada vez mayor. • Cizallas en trenes de laminación en caliente. Se utilizan motores en derivación. • Industria del papel. Además de una multitud de máquinas que trabajan a velocidad constante y por lo tanto se equipan con motores de corriente continua, existen accionamientos que exigen par constante en un amplio margen de velocidades. • Otras aplicaciones son las máquinas herramientas, máquinas extractoras, elevadores, ferrocarriles. • Los motores desmontables para papeleras, trefiladoras, control de tensión en máquinas bobinadoras, velocidad constante de corte en tornos grandes

3. Máquinas Síncronas 3.1.- Componentes de las máquinas sincrónicas. 3.2.- Principio operacional de las máquinas Sincrónicas como generador y como motor. 3.3.- Fuerza electromotriz inducida y frecuencia.

3.4.- Circuito equivalente y diagramas fasoriales. 3.6.- Regulación de tensión con diferentes tipos de Carga. 3.7.- Operación en paralelo de los generadores sincrónicos.

3.8.- Métodos de arranque de los motores sincrónicos. 3.9.- Análisis fasorial del motor sincrónico bajo Diferentes condiciones de carga y de Excitación. 3.10.- Potencia, par electromagnético y

Rendimiento.

3.1 Componentes de las máquinas sincrónicas.

Introducción Las máquinas de corriente continua y de inducción tienen un amplio rango de aplicaciones industriales tales como tracción, bombeo, control y otros. Sin embargo, la operación del sistema eléctrico de potencia requiere la conversión de grandes cantidades de energía primaria (petróleo, gas natural, agua, carbón, uranio), en energía y potencia eléctrica. La energía eléctrica puede ser transportada y convertida en otras formas de energía en forma limpia y económica. La máquina sincrónica es hoy por hoy, la más ampliamente utilizada para convertir grandes cantidades de energía eléctrica y mecánica.

Dependiendo del sistema mecánico de accionamiento, las máquinas sincrónicas pueden construirse de rotor liso cuando deban operar en altas velocidades, o con rotor de polos salientes cuando son accionadas a menor velocidad. Aun cuando un gran porcentaje de máquinas sincrónicas son utilizadas como generadores en las plantas de producción de energía eléctrica, debido fundamentalmente al alto rendimiento que es posible alcanzar con estos convertidores y a la posibilidad de controlar la tensión, en numerosas ocasiones se emplea industrialmente como elemento motriz. Como otros convertidores electromecánicos, la máquina sincrónica es completamente reversible y se incrementa día a día el número de aplicaciones donde puede ser utilizada con grandes ventajas, especialmente cuando se controla mediante fuentes electrónicas de frecuencia y tensión variable. Para que la máquina síncrona sea capaz de efectivamente convertir energía mecánica aplicada a su eje, es necesario que el enrollamiento de campo localizado en el rotor de la máquina sea alimentado por una fuente de tensión continua de forma que al girar el campo magnético generado por los polos del rotor tengan un movimiento relativo a los conductores de los enrollamientos del estator. Las máquinas sincrónicas La máquina sincrónica es un convertidor electromecánico de energía con una pieza giratoria denominada rotor o campo, cuya bobina se excita mediante la inyección de una corriente continua, y una pieza fija denominada estator o armadura por cuyas bobinas circula corriente alterna. Las corrientes alternas que circulan por los enrollados del estator producen un campo magnético rotatorio que gira en el entrehierro de la

máquina con la frecuencia angular de las corrientes de armadura. El rotor debe girar a la misma velocidad del campo magnético rotatorio producido en el estator para que el torque eléctrico medio pueda ser diferente de cero. Si las velocidades angulares del campo magnético rotatorio y del rotor de la máquina sincrónica son diferentes, el torque eléctrico medio es nulo. Por esta razón a esta máquina se la denomina sincrónica; el rotor gira mecánicamente a la misma frecuencia del campo magnético rotatorio del estator durante la operación en régimen permanente. Se utilizan en mayor medida como generadores de corriente alterna que como motores de corriente alterna, ya que no presentan par de arranque y hay que emplear diferentes métodos de arranque y aceleración hasta la velocidad de sincronismo. También se utilizan para controlar la potencia reactiva de la red por su capacidad para, manteniendo la potencia activa desarrollada constante, variar la potencia reactiva que absorbe o cede a la red. Una máquina síncrona es una maquina eléctrica rotativa de corriente alterna cuya velocidad de giro en régimen permanente está ligada con la frecuencia de la tensión en bornes y el número de pares de polos.

f: Frecuencia de la red a la que está conectada la máquina (HZ) P: Número de pares de polos que tiene la máquina p: Número de polos que tiene la máquina n: Velocidad de sincronismo de la máquina (revoluciones por minuto)

Aspectos constructivos La máquina síncrona es una máquina reversible ya que se puede utilizar como generador de corriente alterna o como motor síncrono. Está constituido por dos devanados independientes: a) Un devanado inductor, construido en forma de arrollamiento concentrado o distribuido en ranuras, alimentado por corriente continua, que da lugar a los polos de la máquina y que se coloca en el rotor. b) Un devanado inducido distribuido formando un arrollamiento trifásico recorrido por corriente alterna ubicado en el estator que está construido de un material ferromagnético, generalmente de chapas de acero al silicio. La estructura del rotor puede ser en forma de polos salientes o de polos lisos como se ve en la figura 1 si el motor tuviese solo un par de polos.

Principio de funcionamiento Si a un alternador trifásico se le retira la máquina motriz y se alimenta su estator mediante un sistema trifásico de corriente alterna se genera en el estator un campo magnético giratorio, cuya velocidad sabemos que es N = 60 f/p donde f es la frecuencia de la red, y p es el número de pares de polos del rotor. Si en estas circunstancias, con el rotor parado, se alimenta el devanado del mismo con corriente continua se produce un campo magnético rotórico fijo, delante del cual pasa el campo magnético del estator. Los polos del rotor están sometidos ahora a atracciones y repulsiones en breves periodos de tiempo, por parte de los polos del estator pero el rotor no consigue girar, a lo sumo vibrará. Al llevar el rotor a la velocidad de sincronismo, haciéndolo girar mediante un motor auxiliar, al enfrentarse polos de signo opuestos se establece un enganche magnético que les obliga a seguir girando juntos, pudiendo ahora retirar el motor auxiliar. Este enganche magnético se produce ya que el campo giratorio estatórico arrastra por atracción magnética al rotor en el mismo sentido y velocidad.

CAJA REDUCTORA Se denomina caja reductora a un mecanismo que consiste, generalmente, en un grupo de engranajes, con el que se consigue mantener la velocidad de salida en un régimen cercano al ideal para el funcionamiento del generador. Usualmente una caja reductora cuenta con un tornillo sin fin el cual reduce en gran cantidad la velocidad. Generador síncrono Es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando la energía mecánica en eléctrica. El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator, el principio de funcionamiento de un generador síncrono se basa en la ley de Faraday. Para crear tensión inducida en el (estator), debemos crear un campo magnético en el rotor o circuito de campo, esto lo lograremos alimentado el rotor con una batería, este campo magnético inducirá una tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a través de él. PARTES DE UN GENERADOR SÍNCRONO Éstos se hallan formados por varios elementos, sin embargo, las partes principales son: el estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes. No obstante, un motor puede funcionar solo con el estator y el rotor.

Estator El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente. Existen dos tipos de estatores a) Estator de polos salientes. b) Estator ranurado.

Rotor El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos: a) Rotor ranurado b) Rotor de polos salientes c) Rotor jaula de ardilla

Carcasa La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material empleado para su fabricación depende del tipo de motor, de su diseño y su aplicación. Así pues, la carcasa puede ser: a) Totalmente cerrada b) Abierta c) A prueba de goteo

d) A prueba de explosiones e) De tipo sumergible Base La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación del motor, puede ser de dos tipos: a) Base frontal b) Base lateral Caja de conexiones Por lo general, en la mayoría de los casos los motores eléctricos cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los conductores que alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera dañarlos.

Tapas Son los elementos que van a sostener en la gran mayoría de los casos a los cojinetes o rodamientos que soportan la acción del rotor Cojinetes También conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes pueden dividirse en dos clases generales:

3.2 Principio operacional de las máquinas como generador y motor

La máquina de corriente continua puede ser utilizada tanto como generador o como motor, aunque en la actualidad su uso está dado como motor, ya que la generación de energía en corriente continua se logra mediante equipos rectificadores, de mejor eficiencia y menor costo. En cuanto a su uso como motor, tiene gran importancia en la industria automotriz ya que los vehículos, cuentan con un número importante de motores de pequeña potencia (limpiaparabrisas, motor de arranque, levanta vidrios, calefactor, etc.)

Generador de corriente continúa Esta máquina está conformada por dos partes, de las cuales una es fija o estator sobre la Cual se montan bobinas alimentadas con corriente continua, las que producen el campo magnético De excitación, tal cual se muestra en la figura 10.1. El estator se construye de material macizo, ya que en el mismo no se producen pérdidas de tipo magnético. En la figura se observan dos bobinas, las cuales se conectan en serie y

producen el campo magnético necesario. El consumo de energía de las mismas es pequeño con respecto a la que producirá como generador. El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente directa o continua se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán permanente cuando, de acuerdo con la Ley de Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de un electroimán que se encuentra montado en un eje. Este electroimán se denomina “rotor” y su eje le permite girar libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente situado dentro de la carcasa o cuerpo del motor.

Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio, el campo electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Si los polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético o par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience a girar sobre su eje en el mismo sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o en sentido contrario, de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito la pila o la batería.

Función del colector o conmutador en el motor de C.D.

En la siguiente figura se representa, de forma esquemática y simplificada, la vista frontal de un colector seccionado en dos partes, perteneciente a un motor de corriente directa (C.D.) muy simple. También se muestra el enrollado de la bobina del electroimán que gira a modo de rotor, diferenciada por un color diferente en cada una de sus mitades. Una de las mitades se representa por un círculo rojo y la otra por un círculo azul, identificados como “1” y “2”. Como se puede ver, uno de los terminales de dicha bobina se encuentra conectado a la sección “a” del colector y el otro terminal a la sección “b”.

En el motor de corriente directa el colector o conmutador sirve para conmutar o cambiar constantemente. el sentido de circulación de la corriente eléctrica a través del enrollado de la bobina del rotor cada vez. Que completa media vuelta. De esa forma el polo norte del electroimán coincidirá siempre con el también. polo. norte del imán permanente y el polo sur con el polo sur del propio imán. Al coincidir siempre dos polos magnéticos, que en todo momento van a ser iguales, se produce un rechazo constante entre ambos, lo que permite al rotor mantenerse girando ininterrumpidamente sobre su eje

durante. Todo el tiempo que se encuentre conectado a la corriente eléctrica. Tal como vemos, en “A” de la figura, la bobina del electroimán se encuentra colocada entre los polos norte “N” y sur “S” del campo magnético del imán permanente. A su vez, el polo positivo (+) de la batería se encuentra conectado siguiendo el sentido convencional de la corriente (del signo positivo al negativo) en la mitad “a” del colector a través de la escobilla identificada también con el signo (+). De esa forma la mitad de la bobina de color rojo (1) se energiza positivamente para formar el polo norte “N”, mientras que la otra mitad, la de color azul (2) se energiza negativamente para formar el polo sur “S”.

Como resultado, cuando en el electroimán se forma el polo norte, de inmediato el también polo norte del imán permanente lo rechaza. Al mismo tiempo el polo sur que se forma en el extremo opuesto, es rechazado igualmente por el polo sur del propio imán; por tanto se produce una fuerza de repulsión en ambos extremos del rotor al enfrentarse y coincidir con dos polos iguales en el imán permanente. Si bajo esas condiciones aplicamos la “Regla de la mano izquierda” y tomamos como referencia, por ejemplo, la parte de la bobina donde se ha formado el polo norte en el electroimán, comprobaremos que al romper la inercia inicial, comenzará a girar en dirección contraria a las manecillas del reloj, como indica la flecha de color verde.

Una vez que la bobina del electroimán gira y asume una posición vertical (como se muestra en la parte “B” de la ilustración), las escobillas dejan de hacer contacto con ambos segmentos del colector. En esa posición neutra la corriente que suministra la batería deja de circular y la bobina se desenergiza, por lo que ambos extremos del electroimán pierden momentáneamente sus polos magnéticos. No obstante, debido a la fuerza de inercia o impulso de giro que mantiene el electroimán, esa posición la rebasa de inmediato y sus extremos pasan a ocupar la posición opuesta a la que tenían, tal como se muestra en la parte “C” de la misma ilustración. Ahora en “C” se puede ver que la mitad de la bobina que anteriormente tenía color azul (2) con polaridad sur cuando se encontraba situada a la derecha del eje del rotor pasa a ocupar la parte izquierda junto con la mitad (b) del colector al que se encuentra conectada. Esa parte de la bobina que ha girado, al ocupar ahora la posición opuesta, se convierte en el polo norte (2) del electroimán por lo que es rechazado de nuevo por el polo norte del imán permanente, que como ya se explicó se encuentra fijo al cuerpo del motor. Seguidamente el electroimán, al continuar girando y dar otra media vuelta, pasa de nuevo por la zona neutra (como en “B”) repitiéndose de nuevo el mismo ciclo. Esos cambios continuos en los polos del electroimán del rotor que proporciona el colector, son los que permiten que se mantenga girando de forma ininterrumpida mientras se mantenga energizado.

En resumen, la función del colector es permitir el cambio constante de polaridad de la corriente en la bobina del electroimán del rotor para que sus polos cambien constantemente. Este cambio ocurre cada vez que el electroimán gira media vuelta y pasa por la zona neutra, momento en que sus polos cambian para que se pueda mantener el rechazo que proporciona el imán permanente. Esto permitirá que el electroimán del rotor se mantenga girando constantemente durante todo el tiempo que la batería o fuente de fuerza electromotriz (F.E.M.) se mantenga conectada al circuito del motor, suministrándole corriente eléctrica.

En esta otra ilustración se muestra, de forma esquemática y simplificada, un motor común de corriente directa (C.D.) con un rotor formado por una simple bobina de una sola espira de color rojo y azul, para diferenciar cada mitad. Si seguimos el recorrido de la corriente eléctrica (I) asumiendo que fluye en el sentido convencional (del polo positivo "+" al polo negativo "–" de la batería, según indican las flechas negras), cuando en la mitad izquierda de la espira de color rojo se forma el polo norte “N” coincidiendo con la misma polaridad del campo magnético del imán permanente fijo al cuerpo del motor, se

produce una fuerza de rechazo entre ambos polos iguales. Si aplicamos la “Regla de la mano izquierda” se puede determinar que esa mitad de la espira se moverá hacia abajo (flecha verde izquierda). Por otra parte, en la mitad derecha (de color azul) ocurrirá lo mismo, pero a la inversa, por lo que aplicando la propia regla comprobaremos que se moverá hacia arriba (flecha verde derecha).

La combinación de esas dos fuerzas o vectores actuando de forma opuesta y al unísono (de acuerdo con la Fuerza de Lorentz), provocará que el electroimán del rotor, formado aquí por esa simple espira, comience a girar en torno a su eje imaginario (representado por una línea de puntos en la figura) en dirección contraria a las manecillas de reloj en este ejemplo. Ese movimiento de rotación se encuentra señalado por la flecha negra en forma de semicírculo, que se encuentra dibujada al fondo de la espira.

3.3 Fuerza electromotriz inducida y frecuencia. Una bobina de sección circular gira alrededor de uno de sus diámetros en un campo magnético uniforme de dirección perpendicular al eje de giro. Sabiendo que el valor máximo de la fuerza electromotriz inducida es de 50V cuando la frecuencia es de 60Hz, determina el valor máximo de la fuerza electromotriz inducidad: a) Si la frecuencia es de 180Hz, en presencia del mismo campo magnético b) Si la frecuencia es de 120Hz y el valor del campo magnético se duplica.

Solución: Se produce inducción magnética siempre que hay variación del flujo magnético. Φ=B.S.cosθ Como la bobina gira, lo que varía en el flujo es el ángulo que forman B y S, es decir θ=w.t=2.Π.f.t Φ=B.S.cos(2.Π.f.t) ξ=-dΦ/dt = BS2.Π.f.sen(2.Π.f.t) ξmax = BS2Π.f

El enunciado dice que si f=60Hz, ξmax=50V→ 50=BS2Π.60; BS2Π=50/60=5/6

a)f=180Hz ξmax’ = BS2Π.f’ = (5/6).180=150V b) f”=120Hz y B”=2B ξmax” = B”S2Π.f”=2BS2Π.120=2.(5/6).120=200 Un solenoide de 200 vueltas y de sección circular de 8cm de diámetro está situado en un campo magnético uniforme de valor 0,5T cuya dirección forma un ángulo de 60º con el eje del solenoide. Si en un tiempo de 100ms disminuye el valor del campo magnético uniformemente a cero, determina: a) El flujo magnético que atraviesa inicialmente el solenoide b) La fuerza electromotriz inducida en dicho solenoide

Solución: Siempre que se produce una variación de flujo magnético, habrá una fuerza electromotriz inducida, es decir, se producirá una corriente eléctrica. El flujo magnético puede variar porque varíe el campo magnético B, porque varíe la superficie del circuito a través de la cual calculamos el flujo, S, o porque varíe el ángulo que forman ambos, θ. Φ=B.S.cosθ → ξ=-dΦ/dt

a) Se trata de un solenoide de 200 espiras. La superficie de cada espira será: S=Π.R2=Π.(0,04)2.Puesto que tenemos 200 espiras; S= 200.Π.(0,04)2. Φ=B.S.cosθ = 0,5.200.Π.(0,04)2.cos60 = 0,251 Wb

b) Nos dice que B varía de manera uniforme en un tiempo de 100ms desde 0,5 a 0T.

Siempre que nos digan que la variación es uniforme quiere decir que B varía según la ecuación de una recta, es decir, de forma lineal: B = Bo + a.t. En nuestro caso, Bo=0,5T y B(100ms)=B(0,1s)=0 → 0 = 0,5 + a.0,1 → a=-5T/s

B=0,5-5.t Φ=(0,5-5.t).200.Π.(0,04)2.cos60 ; ξ=-dΦ/dt = 5.200.Π.(0,04)2.cos60 = 1,26.10-2 V

Una bobina circular de 30 vueltas y radio 4cm, se coloca en un campo magnético dirigido perpendicularmente al plano de la bobina. El módulo del campo magnético varía con el tiempo de acuerdo con la expresión B = 0,01t + 0,04t2, donde t está expresado en segundos y B en teslas. Calcula: a) Flujo magnético que atraviesa la bobina en función del tiempo b) Fuerza electromotriz inducida en la bobina para t=5s

Una espira cuadrada de 5cm de lado, situada en el plano xy, se desplaza con velocidad de 2icm/s, penetrando en el instante t=0 en una región del espacio en donde hay un campo magnético uniforme B = -200k mT. a) Determina la fuerza electromotriz inducida y represéntala gráficamente en función del tiempo. b) Calcula la intensidad de la corriente en la espira si su resistencia es de 10Ω. Haz un esquema, indicando el sentido de la corriente.

Solución: Siempre que hay una variación de flujo magnético, habrá una fuerza electromotriz inducida. En este caso, esa variación del flujo se debe a una variación en la superficie de la espira que está en contacto con el campo magnético.

Inicialmente, la espira no está dentro de la superficie donde existe campo magnético. A una velocidad de 0,02m/s, la espira penetra en dicha región, luego la superficie de la espira en contacto con el campo será: S=lado1. lado2 =0,05.(0,02.t) Φ=B.S.cos180=0,2.0,05.(0,02.t)(-1) ξ=-dΦ/dt=0,2.0,05.0,02 = 2.10-4V

Solo habrá fuerza electromotriz inducida mientras varíe el flujo, es decir, mientras la espira está entrando en la región donde hay campo magnético. Una vez que está totalmente dentro, ya no habrá variación de flujo y por lo tanto f.e.m.=0

induccion b) Si aplicamos la ley de Ohm: V=I.R → I = V/R = 2.104V/10=2.10-5A

Para conocer el sentido de la corriente, hemos de aplicar la ley de Lenz que da sentido al signo “-” que aparece en la expresión de la f.e.m.: la corriente que se induce en el circuito es tal que genera un campo magnético cuyo flujo se opone a la variación de flujo que se está produciendo. Es decir, si el flujo disminuye, el B que aparece debido a la corriente inducida, aumentará el flujo y a la inversa.

En este caso, el sentido de la corriente deberá ser antihorario, de manera que genere un campo en el sentido positivo del eje de las Z que contrarreste la variación de flujo.

3.4 Circuito equivalente y diagramas fasoriales Cuando un transformador está energizado en su devanado primario por una fuente de voltaje y el devanado secundario está en circuito abierto, circula por su devanado primario una corriente de vacío, esta corriente es normalmente inferior al 5% de la corriente a plena carga. Debido a que no circula corriente por el devanado secundario, el primario se puede considerar como una bobina con una reactancia de valor elevado debido al núcleo de hierro, esto causa la circulación de una corriente pequeña. Por otra parte, si se hace la suposición de que no hay pérdidas en el transformador, la corriente en el primario sólo se usa para producir el flujo Ø en el núcleo y entonces en términos vectoriales se atrasa 90 con respecto al voltaje aplicado. La corriente pequeña IM estará en fase con el flujo Ø en el hierro, si el hierro no se satura se puede establecer esto como una suposición válida. Estas relaciones se muestran en la siguiente figura:

3.6 Regulación de tensión con diferentes tipos de carga Regulación electrónica de tensión Cuando en la carga se requiere una ondulación extremadamente baja o cuando el voltaje de salida debe ser constante con grandes variaciones de la tensión de entrada y la corriente de la carga, se utiliza un amplificador de bucle cerrado para regular la alimentación. Hay dos clases de reguladores electrónicos: Los reguladores lineales - Donde el elemento de control se varía de modo directamente proporcional a la tensión de línea o a la corriente de carga. Los reguladores de conmutación - Donde el elemento de control es conectado y desconectado de modo proporcional a las variaciones de línea o de carga.

Reguladores lineales Regulador lineal serie

En la siguiente figura vemos una aplicación con un regulador lineal serie. Se establece una tensión de referencia mediante un diodo zener. La tensión de salida es atenuada por un divisor de tensión y comparada con la de referencia del zener. Si esta tensión es mas alta que la de referencia el amplificador de error reduce la corriente de excitación para el transistor. Inversamente si la salida reduce su tensión el amplificador aumenta su excitación al transistor para que la conducción de este aumente.

Regulador lineal paralelo

En la siguiente figura vemos un regulador lineal paralelo (Shunt). El funcionamiento es similar al anterior ejemplo excepto que el elemento de control esta en paralelo con la carga de salida. Cuando la corriente de la carga varía, el transistor de control varia su resistencia de modo contrario al de la carga así de esta forma la resistencia en combinación en paralelo se mantiene constante. De esta forma se mantiene constante la corriente que circula por Rs.

Reguladores integrados de tres terminales Consideraciones para elegir un regulador: La tensión de salida La corriente de salida La diferencia de tensión entre la entrada y la salida La regulación de linea La regulación de carga

La disipación de potencia del dispositivo La diferencia de tensión entre la entrada y la salida es una de las especificaciones mas importantes del regulador de tres terminales que deben ser tenidas en cuenta al diseñar una fuente de alimentación. El valor diferencial (diferencia de tensión entre el terminal de entrada y el terminal de salida) debe de estar comprendido dentro de un margen especificado por el fabricante. El mínimo valor diferencial, ordinariamente de 2,5 V aproximadamente, se lo llama tensión de desexcitación. Si el valor diferencial es menor que la tensión de desexcitación no se producirá ninguna regulación.

3.7 Operación en paralelo de los generadores sincrónicos. Cuando un generador síncrono se conecta a un sistema de potencia, a menudo el sistema de potencia es tan grande que ninguna de las acciones del operador del generador tendrá gran efecto en el sistema de potencia. Este fenómeno se idealiza con el concepto de bus infinito el cual es un sistema de potencia tan grande que su voltaje y frecuencia no cambian sin importar que tanta potencia real y reactiva se le demande o se le suministre.

Cuando un generador opera en paralelo con un bus infinito tenemos que: El sistema al que se conecta el generador controla la frecuencia y voltaje en los terminales del generador. Los puntos de ajuste del mecanismo regulador del generador controlan la potencia real suministrada al sistema por el generador. La corriente de campo en el generador controla la potencia reactiva suministrada al sistema por el generador.

Conclusiones Se debe tener mucha cautela con los valores de corriente y voltaje para no dañar la maquina ya que es posible que la línea a la que nos deseamos acoplar supero el voltaje que puede producir nuestro alternador en este caso no se debe de acoplar ya que la maquina resentiría y reduciríamos la vida útil de ella, las lámparas se conectan con criterio no podemos conectar la lámpara que va de la fase uno a la fase dos teniendo en cuenta que si las lámparas no prenden adecuadamente es recomendable cambiar las fases y no mover las lámparas, si se acopla mal la maquina actuara como motor pudiendo romper la flecha. Para ajustar la repartición de potencia real entre los generadores sin cambiar (frecuencia del sistema), se deben incrementar simultáneamente los puntos de ajuste del mecanismo regulador en un generador al mismo tiempo que se disminuyen los puntos de ajuste en el mecanismo regulador del otro generador. La maquina cuyos puntos de ajuste del mecanismo regulador se incrementa alimentara mas carga. Para ajustar sin cambiar la repartición de potencia total, se deben incrementar o disminuir simultáneamente los puntos de ajuste del mecanismo regulador de los generadores. Para ajustar la repartición de potencia reactiva entre generadores sin cambiar VT, se debe incrementar de manera simultánea la corriente de campo de un generador a la vez que se disminuye la corriente de campo en el otro. La máquina cuta corriente de campo se incrementa alimentara mas carga.

Para ajustar VT sin cambiar la repartición de potencia reactiva, se debe incrementar o disminuir de manera simultánea las corrientes de campo de ambos generadores.

3.8 Métodos de arranque de los motores Sincrónicos. Metodos De Arranque Para Los Motores Sincronicos Se pueden utilizar tres métodos para arrancar de manera segura un motor síncrono : 1.- Reducir la velocidad de campo magnetico del estator a un valor lo suficientemente bajo como para que el rotor pueda acelerar y fijarse a el durante el semiciclo de la rotación del campo magnetico. Esto se puede lograr con la reducción de la frecuencia de la potencia eléctrica aplicada. 2.-Utilizar un motor primario externo para acelerar el motor síncrono hasta velocidad sincronica, pasar por el procedimiento de entrada en sincronía y convertir la maquina al instante en un generador. Entonces apagar o desconectar el motor principal para convertir la maquina sincronica en un motor. 3.- Utilizar devanados de amortiguamiento. A continuación se explicara la función de los devanados de amortiguamiento y su utilización en el arranque de motor. Enseguida Se Describe cada uno de estos métodos de arranque de motor sincronico Arranque Del Motor Por Medio De La Reduccion De La Frecuencia Eléctrica Si los campos magneticos del estator en un motor sincronico giran a una velocidad lo suficientemente baja, no habrá ningún problema para que el rotor se acelere y se enlace con el campo magnético del

estator. Entonces se puede incrementar la velocidad de los campos magneticos del estator aumentando gradualmente fe hasta su valor normal de 50 o 60hz.Este método de arranque de un motor sincronico tiene mucho sentido, pero presenta un gran problema.. De donde Viene la frecuencia eléctrica variable? Los sistemas de potencia normales están regulados con frecuencia variable tenia que venir de un generador dedicado .Esta situación obviamente es poco practica, excepto en circunstancias muy poco usuales. Cuando se opera un motor sincronico a una velocidad menor a la velocidad nominal su voltaje interno generado será menor que lo normal. Si se reduce la magnitud de EA entonces el voltaje en los terminales aplicado al motor se debe reducir también para mantener la corriente en el estator en niveles seguros. El voltaje en cualquier accionador de frecuencia variable o circuito de arranque de frecuencia variable debe variar casi linealmente con la frecuencia aplicada. Arranque Del Motor Con Un Motor Primario Externo El segundo método de arranque de un motor sincronico es adjuntarle un motor de arranque externo y llevar la maquina sincronica hasta su velocidad plena con un motor externo. Entonces se puede conllevar la maquina sincronica hasta su velocidad plena con un motor externo. Entonces se puede conectar la maquina sincronica en paralelo con el sistema de potencia como generador y se puede desconectar el motor primario del eje de la maquina. Una vez que se apaga el motor de arranque,el eje de la maquina pierde velocidad, el campo magnetico del rotor se retrasa con respecto a bnet y la maquina sincronica comienza a comportarse como motor. Una vez que se completa la conexión en paralelo, el motor

Todo este procedimiento no es tan absurdo como parece,debido a que muchos motores síncronos forman parte del conjunto de motor-generador y se puede arrancar la maquina sincronica en el conjunto motor-generador con otra máquina que cumpla la función de motor de arranque . Además , el motor de arranque solo necesita superar la inercia de la maquina síncrona en vacío; no se añade ninguna carga hasta que el motor esta conectado en paralelo con el sistema de potencia. Ya que se debe superar solo la inercia del motor, el motor de arranque puede tener valores nominales mucho más pequeños que el motor síncrono que arranca. Ya que la mayoría de los motores síncronos tienen sistemas de excitación sin escobillas montadas en sus ejes, a menudo se pueden utilizar estos excitadores como motores de arranque .Arranque De Motor Con Devanados De Amortiguamiento Definitivamente la técnica de arranque de un motor síncrono mas popular es la utilización de devanados de amortiguamiento. Los devanados de amortiguamiento son unas barras especiales dispuestas en ranuras labradas en la cara del rotor de un motor síncrono y en cortocircuito en cada extremo con un gran anillo en cortocircuito. En una maquina real los devanados de campo no están en circuito abierto durante el procedimiento de arranque .Si los devanados de campo estuvieran en circuito abierto , entonces se producirían voltajes demasiado altos en ellos durante el arranque . si los devanados de campo están en cortocircuito durante el arranque , no se producen voltajes peligrosos y la corriente de campo inducida contribuye con una par de arranque extra para el motor. En resumen, si una maquina tiene devanados de amortiguamiento, se puede encender siguiendo el procedimiento que se describe a continuación:

1.- Desconectar los devanados de campo de su fuente de potencia de cd y que estén en cortocircuito. 2.- Aplicar un voltaje trifásico al estator del motor y dejar que el motor acelere hasta llegar casi a su velocidad síncrona. El motor no debe tener ninguna carga en su eje para que su velocidad se pueda aproximar tanto como sea posible a n 3.- conectar el circuito de campo cd a su fuente de potencia. Una vez que Esto se lleva a cabo, el motor se fija a velocidad síncrona y se le pueden añadir cargas a sus ejes.

3.9 Análisis fasorial del motor sincrónico bajo diferentes condiciones de carga y de excitación. Arranque del Motor Reduciendo la Frecuencia Eléctrica. Si el campo magnético del estator de un motor sincrónico rota a una velocidad suficientemente baja, no habrá dificultad para que el rotor acelere y se enlace con el campo magnético del estator. La velocidad de los campos magnéticos estatóricos se puede aumentar entonces hasta la velocidad de operación, incrementando gradualmente f hasta su valor normal de 50 o 60 Hz. Este método de arranque de los motores sincrónicos tiene gran sentido Pero también tiene un grave problema: ¿de donde se puede obtener la frecuencia eléctrica variable? los sistemas normales de potencia se regulan cuidadosamente a 50 o 60 Hz por lo que, hasta hace poco,

cualquier fuente de voltaje de frecuencia variable debía provenir de un generador especifico. Tal situación no era práctica, excepto en algunas circunstancias excepcionales. Actualmente ya no se tiene este problema. La clave de esto esta en los rectificadores inversores y los ciclo convertidores, que pueden utilizarse para convertir una entrada de frecuencia constante a cualquier frecuencia de salida deseada. El desarrollo de tales accionamientos de estado solido y frecuencia variable modernos posibilita el control continuo de la frecuencia eléctrica aplicada al motor en todo el rango desde una fracción de Hz hasta la frecuencia nominal más elevada. Si se incluye tal unidad controladora de frecuencia variable en el circuito motor control para controlar la velocidad, entonces es muy fácil poner en marcha los motores sincrónicos: simplemente se ajusta la frecuencia a un valor muy bajo para el arranque y luego se eleva hasta la frecuencia de operación deseada para el funcionamiento normal. Cuando se opera un motor sincrónico a una velocidad mas baja que la nominal, su voltaje interno generado Ea= KΦ𝟂 será menor que el normal. Si Ea se reduce en magnitud, debe reducirse el voltaje aplicado a los terminales del motor para mantener la corriente del estator en niveles seguros. En todo controlador de frecuencia variable o circuito arrancador de frecuencia variable, el voltaje debe variar casi linealmente con la frecuencia aplicada.

Las funciones y partes principales para arrancar un motor por medio de este

Método son: . El devanado de estator o inducido: Produce un campo magnético rotatorio cuando circula por el corriente trifásico de una línea. . El devanado de rotor o inductor: Magnetiza en forma fija los polos del rotor cuando es alimentado por una fuente de c-c exterior. . El devanado amortiguador: Se utiliza para arrancar el motor y para evitar las oscilaciones de velocidad bajo carga. . Escobillas: La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor. . Porta escobillas: La función del porta escobillas es mantener a las escobillas en posición de contacto firme con los segmentos del colector.

3.10 Potencia, par electromagnético y rendimiento. Rendimiento. De manera general, se define como la relación entre la potencia útil y la potencia absorbida expresado en %

Máquinas eléctricas rotativas. Muchos dispositivos pueden convertir energía eléctrica a mecánica y viceversa [2]. La estructura de estos dispositivos puede ser diferente, dependiendo de las funciones que realicen. Algunos dispositivos son usados para conversión continua de energía, y son conocidos como motores y generadores. Otros dispositivos pueden ser: actuadores, tales como solenoides, relés y electromagnetos . Todos ellos son física y estructuralmente diferentes, pero operan con principios similares. Un dispositivo electromecánico de conversión de energía es esencialmente un medio de transferencia entre un lado de entrada y uno de salida, como lo muestra la fig. 1.1. En el caso de un motor, la entrada es la energía eléctrica, suministrada por una fuente de poder y la salida es energía mecánica enviada a la carga, la cual puede ser una bomba, ventilador, etc. El generador eléctrico convierte la energía mecánica por una máquina prima (turbina) a energía eléctrica en el lado de la salida. La mayoría de estos dispositivos pueden funcionar, tanto como motor, como generador.

Flujos de potencia y pérdidas: Un sistema electromecánico de conversión tiene tres partes esenciales: (1) Un sistema eléctrico. (2) Un sistema mecánico. (3) Un campo que los une. Las pérdidas las podemos clasificar dentro de las siguientes categorías: 1.- Pérdidas en el cobre de los devanados (rotor y estator): Las pérdidas en el cobre de una máquina son las pérdidas por calentamiento debido a la resistencia de los conductores del rotor y del estator: P=I2R. 2.- Pérdidas en el núcleo: Las pérdidas del núcleo se deben a la histéresis y a las corrientes parásitas. Con frecuencia a estas pérdidas se les conoce como pérdidas de vacío o pérdidas rotacionales de una máquina. En vacío, toda la

potencia que entra a la máquina se convierte en estas pérdidas. 3.- Pérdidas mecánicas: Las pérdidas mecánicas se deben a la fricción de los rodamientos y con el aire. 4.- Pérdidas adicionales: Las pérdidas adicionales son todas aquellas pérdidas que no se pueden clasificar en ninguna de las categorías descritas arriba. Por convención, se asume que son iguales al 1% de salida de la máquina.

Conversión electromagnética. Como vimos anteriormente, el intermediario entre la energía mecánica-eléctrica y viceversa resulta de los dos siguientes fenómenos electromagnéticos: 1.- Cuando un conductor se mueve dentro de un campo magnético, existe un voltaje inducido en el inductor (conductor).

2.- Cuando un conductor con corriente es colocado en un campo magnético, el conductor experimenta fuerza mecánica. Esos dos efectos ocurren simultáneamente donde la conversión de energía se lleva a cabo. En acción motora, el sistema eléctrico hace fluir una corriente a través de conductores localizados en un campo magnético. Una fuerza es producida en cada conductor. Si el conductor tiene la posibilidad de rotar libremente, le será proporcionado un torque que tenderá a hacerlo rotar. Si los conductores giran en un campo magnético, un voltaje será inducido en cada conductor. En la acción generadora, el proceso es al revés: la estructura giratoria (rotor) es movida por una máquina prima externa, entonces, un voltaje se inducirá en los conductores. Si una carga eléctrica es conectada a ellos, una corriente "I" fluirá, entregando energía a la carga. Sin embargo, la corriente fluyendo a través del conductor interactuará con el campo magnético que producirá un torque de reacción, que tenderá a oponerse al torque aplicado por la máquina prima. Note que en ambas acciones generadoras y motoras, el campo magnético acoplador está relacionado con la producción del torque y del voltaje inducido.

4. Motores de inducción 4.1.- Principio y análisis del motor jaula de ardilla. 4.2.- Principio y análisis del Motor con rotor Devanado 4.3.- Arranque y control de velocidad de los

Motores de inducción 4.4.- Aplicaciones de los motores de inducción Trifásicos

Los motores de inducción, también llamados asíncronos son un tipo de motor de corriente alterna en el que la corriente eléctrica del rotor necesaria para producir torsión es inducida por inducción electromagnética del campo magnético de la bobina del estator. Por lo tanto un motor de inducción no requiere una conmutación mecánica aparte de su misma excitación o para todo o parte de la energía transferida del estator al rotor, como en los de DC y motores grandes síncronos. El primer prototipo de motor eléctrico capaz de funcionar con corriente alterna fue desarrollado y construido por el ingeniero Nikola Tesla y presentado en el American Institute of Electrical Engineers (en español, Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos, actualmente IEEE) en 1888.

Funcionamiento El motor asíncrono está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estator, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120º, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday. La diferencia entre el motor a inducción y el motor universal es que en el motor a inducción el devanado del rotor no está conectado al circuito de excitación del motor sino que está eléctricamente aislado. Tiene barras de conducción en todo su largo, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia. Las barras están conectadas con anillos en cortocircuito a cada extremidad del rotor. Están soldadas a las extremidades de las barras. Este ensamblado se parece a las pequeñas jaulas rotativas para ejercitar a mascotas como hámsters y por eso a veces se llama "jaula de ardillas", y los motores de inducción se llaman motores de jaula de ardilla. El campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estator, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción. La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor.

La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnético se denomina deslizamiento

Partes del motor Circuitos eléctricos Los dos circuitos eléctricos van situados uno en las ranuras del estator (primario) y otro en las del rotor (secundario), que está cortocircuitado. El rotor en cortocircuito puede estar formado por bobinas que se cortocircuitan en el exterior de la máquina directamente; o bien, puede estar formado por barras de cobre colocadas en las ranuras, que han de ser cuidadosamente soldadas a dos anillos del mismo material, llamados anillos de cortocircuito. Este conjunto de barras y anillos forma el motor jaula de ardilla. También existen motores asíncronos monofásicos, en los cuales el estator tiene un devanado monofásico y el rotor es de jaula de ardilla. Son motores de pequeña potencia y en ellos, el campo magnético es igual a la suma de dos campos giratorios iguales que rotan en sentidos opuestos. Estos motores monofásicos no arrancan por si solos, por lo cual se debe disponer algún medio auxiliar para el arranque.

Clases de motores



DISEÑO CLASE A

Es un motor de jaula de ardilla para usarse a velocidad constante. Sus principales características son: Buena capacidad de disipación de calor. Alta resistencia y baja reactancia al arranque. El par máximo está entre 200% y 300% del par de plena carga y ocurre a un bajo deslizamiento. Aceleración bastante rápida hacia la velocidad nominal. Presenta la mejor regulación de velocidad, entre el 2 y 4%. Desafortunadamente su corriente de arranque varía entre 5 y 7 veces la corriente nominal. Han sido reemplazados por los motores de diseño clase B en los últimos años.

Se utilizan en ventiladores, sopladores, bombas, tornos, etc. 12 

DISEÑO CLASE B

Se les llama motores de propósito general y a este tipo pertenecen la mayoría de los motores con rotor de jaula de ardilla. Par de arranque normal, baja corriente de arranque y bajo deslizamiento. Produce casi el mismo par de arranque que el diseño anterior. El par máximo es mayor o igual al 200% el par de carga nominal Deslizamiento bajo (menor del 5%). Se prefieren sobre los diseños de clase A por requerir poca corriente de arranque. 

DISEÑO CLASE C

Se utilizan para cargas con alto par de arranque, como bombas, compresores y transportadores. Alto par de arranque (entre 2 y 2.5 veces el nominal) con bajas corrientes de arranque (de 3.5 a 5 veces la nominal). Son construidos con un rotor de doble jaula (más costosos). Bajo deslizamiento (menos del 5%) a plena carga. Debido a su alto par de arranque, acelera rápidamente. Cuando se emplea con cargas pesadas, se limita la disipación térmica del motor, ya que la mayor parte de la corriente se concentra en el devanado superior.

Tiende a sobrecalentarse con arranques frecuentes.



DISEÑO CLASE D

También conocidos como de alto par y alta resistencia. Alto par de arranque (275% o más del nominal) y baja corriente de arranque. Alto deslizamiento a plena carga. La alta resistencia del rotor desplaza el par máximo hacia una velocidad muy baja. Diseñado para servicio pesado de arranque, en especial grandes volantes utilizados en troqueladoras o cortadoras.

5. Motores Especiales 5.1.- Elementos básicos de los motores Monofásicos 5.2.- Principio de operación del motor monofásico De inducción

5.3.- Arranque de los motores monofásicos de Inducción 5.4.- Devanados de fase partida 5.5.- Arranque por capacitor 5.6.- Operación continúa por capacitor

5.7.- Motor universal 5.8.- Motor de polos sombreados 5.9.- Motor de pasos 5.10.- Servomotores 5.11.- Motores lineales 5.12.- Aplicación de los motores especiales

1. MOTORES MONOFÁSICOS DE INDUCCIÓN Introducción. La necesidad del motor de inducción monofásico se explica de la siguiente forma: existen muchas instalaciones, tanto industriales como residenciales a las que la compañía eléctrica sólo suministra un servicio de ca monofásico. Además, en todo lugar casi siempre hay necesidad de motores pequeños que trabajen con suministro monofásico para impulsar diversos artefactos electrodomésticos tales como máquinas de coser, taladros, aspiradoras, acondicionadores de aire, etc. La mayoría de los motores monofásicos son “motores pequeños” de “caballaje fraccionario” (menos de 1 hp). Sin embargo, algunos se fabrican en tamaños normales de caballaje integral: 1.5, 2, 3, 5, 7.5 y 10 hp tanto para 115 V como para 230 V en servicio monofásico y aun para servicio de 440 V entre los límites de 7.5 a 10 hp. Los tamaños especiales de caballaje integral van desde varios cientos hasta algunos miles de hp en servicio de locomotoras, con motores de serie monofásicos de ca Para todos los efectos debemos demostrar que al aplicar una fuente monofásica a un devanado de una máquina eléctrica de inducción con rotor en jaula de ardilla, no se producirá ninguna f.m.m. giratoria neta y por lo tanto, tampoco se podrá desarrollar ni contar con un par mecánico que le permita a la máquina iniciar su giro. El campo magnético producido por una corriente monofásica en una bobina está siempre sobre el eje de la misma (es decir no se produce un campo magnético giratorio), si bien variará su valor y sentido. Para que se produzca un campo alterno giratorio tienen que haber por lo menos dos bobinas desfasadas entre sí 90º. Para que se produzca un campo giratorio en el estator es condición

necesaria que haya un decalaje en el tiempo entre la corriente del arrollamiento auxiliar y la corriente del arrollamiento principal. Los campos alternos que se producen en el arrollamiento principal y arrollamiento secundario estan decalados entre sí en el espacio y en el tiempo, y forman un campo giratorio común. Ese campo giratorio permite autoarranque. Los motores de inducción monofásicos pueden ahora arrancar solos.

Aspectos constructivos Fundamentalmente los motores monofásicos de inducción cuentan con un estator construido de material ferromagnético (por ejemplo, chapas de hierro al silicio) sobre el que se colocan las bobinas principales, tantas como polos tenga el motor. En la figura se puede ver, además, un rotor de características similares al estator, rodeado de barras conductoras cortocircuitadas en los extremos por anillos formando una “jaula de ardilla” típica de los motores de inducción Los motores de inducción monofásicos llevan un estator en cuyo paquete de chapas van alojados dos bobinados de Cobre. El bobinado principal, que suele denominarse arrollamiento principal va colocado en 2/3 de las ranuras del estator y sus conexiones llevan las designaciones Ul, U2. El arrollamiento auxiliar (bobinado auxiliar) Zl, Z2 va alojado en el tercio restante de ranuras, desfasado en el espacio 90º. En cuanto a la construcción del motor monofásico de inducción, hay que señalar que el rotor de cualquier motor monofásico de inducción es intercambiable con algunos polifásicos de jaula de ardilla. No hay conexión física entre el rotor y el estator, y hay un entrehierro uniforme entre ellos.

Principio de funcionamiento Los motores monofásicos de inducción experimentan una grave desventaja. Puesto que sólo hay una fase en el devanado del estator, el campo magnético en un motor monofásico de inducción no rota. En su lugar, primero pulsa con gran intensidad, luego con menos intensidad, pero permanece siempre en la misma dirección. Puesto que no hay campo magnético rotacional en el estator, un motor monofásico de inducción no tiene par de arranque. Si pensamos en un motor de un solo par de polos, podemos ver fácilmente que el campo generado por el devanado principal al conectarse a una fuente de tensión alterna, tiene una dirección fija y un signo cambiante en forma sinusoidal. Los motores de inducción requieren un campo magnético rotante para inducir las corrientes adecuadas en el rotor y producir un par mecánico. Si el campo magnético es fijo en el espacio y alterno en el tiempo y el rotor se halla detenido (por ejemplo al intentar arrancarlo) el circuito electromagnético resultante se asemeja mucho al de un transformador en cortocircuito, donde el rotor haría las veces de secundario. Para comprender el funcionamiento de éstas máquinas debemos imaginar que el campo magnético alterno es en realidad la composición de dos campos de módulos constantes pero rotantes en sentidos opuestos. En la figura se esquematiza esta construcción abstracta en la que ahora se tiene el equivalente a dos motores trifásicos conectados en secuencias opuestas y unidos por su eje.

A. Motores monofásicos de fase partida a. Arranque por resistencia: Se basa en colocar un bobinado auxiliar desplazado físicamente 90º del principal. Además se lo construye de conductor más fino y suele tener diferente cantidad de vueltas. Así se le otorga una impedancia diferente al del devanado principal por lo que la su corriente está desfasada. El devanado de arranque tiene menos vueltas y consiste en alambre de cobre de menor diámetro que el devanado de marcha. Por lo tanto, el devanado de arranque tiene alta resistencia y baja reactancia. A la inversa, el devanado de marcha, con más vueltas de alambre más grueso, tiene baja resistencia y alta reactancia; pero debido a su impedancia total menor, la corriente en el devanado de marcha es en general mayor que la correspondiente en el devanado de arranque. Al sumar los campos principal y auxiliar se tiene un vector giratorio que describe una elipse. No es un campo rotante de magnitud constante pero alcanza para impulsar por sí sólo al rotor en el arranque. El diagrama

esquemático de este tipo de motores se muestra en la figura. El bobinado auxiliar se diseña con una razón Ra/La mayor que la del bobinado principal o de marcha ( ), con ello se logra desfasar la corrientes según muestra la figura. Esta mayor razón Ra/La normalmente se logra usando alambre de menor sección (mayor Ra). Ya que el devanado auxiliar es de sección pequeña, no puede funcionar por mucho tiempo. Se recurre a un interruptor centrífugo que desconecta el circuito auxiliar una vez que el rotor alcanza aproximadamente el 70% de la velocidad asignada. Este sistema se aplica en potencias entre 50W y 500W.

El campo giratorio se forma si se conecta una resistencia activa en serie con el bobinado auxiliar. La resistencia activa necesaria se puede formar también enrollando el arrollamiento auxiliar con un hilo resistente. Pero generalmente se ejecuta el arrollamiento auxiliar como

arrollamiento bifilar. Para ello se enrolla un tercio del número de espiras de la bobina en sentido contrario a las espiras restantes. En el arrollamiento auxiliar bifilar se anula en parte el efecto inductivo, pero se mantiene su resistencia activa. Su par de arranque corresponde aproximadamente al par nominal. La característica de torque-velocidad típica de estos motores es la mostrada en la figura.

El control de la velocidad de estos motores es relativamente difícil porque la velocidad síncrona del flujo rotatorio del estator queda determinada por la frecuencia y el número de polos desarrollados en el devanado de marcha del estator (η = 120f/p). Se debe hacer notar que todos los cambios de velocidad se deben llevar a cabo en límites mayores al que trabaja el interruptor centrífugo y por lo tanto menores que la velocidad sincrónica; obteniendo un rango muy limitado para el control de velocidad. La capacidad del devanado de arranque se basa sólo en trabajo intermitente. Si el interruptor centrífugo se descompone y no puede abrir, por lo general debido a que se pegan los contactos, el calor excesivo que produce el devanado de arranque, de alta resistencia, aumentará de tal manera la temperatura del estator, que finalmente se quemarán ambos devanados. Los motores de fase partida de mejor diseño tienen relevadores térmicos interconstruidos, conectados en serie con la terminal de la línea, para desconectar el motor del suministro siempre que la temperatura sea muy elevada. Motor de fase partida arranque por capacitor Como medio de mejorar el par relativamente bajo del motor de fase partida por resistencia se agrega un capacitor al devanado auxiliar para producir una relación casi real de 90° entre las corrientes de los devanados de arranque y de marcha, en lugar de aproximadamente 30°, elevando el par de arranque a los límites normales del par nominal. La figura muestra el diagrama de conexiones del motor de arranque por capacitor, cuya diferencia implica la adición de un capacitor en el devanado auxiliar. Se puede advertir también

a partir de la figura, el mejoramiento del torque de partida debido a la inclusión del capacitor

Motor de fase partida y capacitor permanente de un valor. Este tipo de motor tiene dos devanados permanentes que, en general, se arrollan con alambre del mismo diámetro y el mismo número de vueltas; es decir, los devanados son idénticos A este motor también se le conoce como motor de capacitor dividido permanente, es una versión menos cara que la del motor de arranque por capacitor y capacitor de marcha. Ya que trabaja en forma continua como motor de arranque por capacitor no se necesita interruptor centrífugo. Los motores de este tipo arrancan y trabajan en virtud de la

descomposición de la fase de cuadratura que producen los dos devanados idénticos desplazados en tiempo y espacio. En consecuencia, no tiene el alto par de marcha normal que producen los motores ya sea de arranque por capacitor o de arranque por resistencia. El capacitor que se usa se diseña para servicio continuo y es del tipo de baño de aceite. El valor del capacitor se basa más en su característica de marcha óptima que en la de arranque. Al instante de arranque, la corriente en la rama capacitiva es muy baja. El resultado es que estos motores, a diferencia de los de arranque por capacitor, tienen par de arranque muy deficiente, de entre 50 a 100 por ciento del par nominal, dependiendo de la resistencia del rotor

En este tipo de motor el condensador del bobinado auxiliar permanece conectado todo el tiempo. Esto simplifica en construcción y reduce el costo ya que no es necesario el switch centrífugo además el factor de potencia, torque y eficiencia resultan mejorados ya que el motor opera como motor bifásico. La operación continua del condensador requiere ciertas características constructivas y se debe comprometer el torque de partida frente al torque de la marcha. Este tipo de motor se presta al control de velocidad por variación del voltaje de suministro. Se usan diversos métodos para ajustar el voltaje aplicado al estator y producir el control deseado de velocidad, como transformadores con varias salidas, varias, potenciómetros y resistencias o reactores con varias salidas. Debido a su funcionamiento uniforme y a la posibilidad de controlar la velocidad, las aplicaciones de este motor pueden ser ventiladores de toma y descarga en máquinas de oficina, unidades de calefacción o aire acondicionado. Se recomienda utilizarlos cuando se requiere accionar cargas con mínimo par de arranque

Motor de fase partida por condensador de arranque y de marcha El motor produce un par de arranque elevado si se utiliza un condensador de arranque CA y un condensador de servicio Cm. Mediante la capacidad de ambos condensadores se puede incrementar el par de arranque hasta un valor que sea 2 a 3 veces superior al par nominal. Por este motivo el motor puede arrancar en carga. Una vez que se haya acelerado, se desconecta el condensador de arranque quedando sólo el condensador de servicio o de marcha. Es necesario efectuar esta desconexión ya que, debido a la elevada capacidad total

del condensador de arranque y del condensador de servicio, pasa gran intensidad a través del arrollamiento auxiliar. En régimen permanente, esto daría lugar a sobrecalentamiento. La desconexión se realiza mediante relés térmicos o en función de la intensidad o por un interruptor centrífugo. El motor de capacitor de arranque y de marcha, combina las ventajas de funcionamiento casi sin ruido y de control limitado de velocidad del capacitor de marcha con el alto par de arranque del motor de arranque por capacitor.

Se emplean dos capacitores durante el período de arranque. Uno de ellos, el capacitor electrolítico de arranque, semejante al que se usa para el trabajo intermitente del motor de arranque por capacitor, tiene una capacitancia bastante alta, de 5 a 6 veces el valor del capacitor de marcha y se saca del circuito mediante un interruptor centrífugo al alcanzar el 75 % de la velocidad sincrónica y con ello produce el par de arranque necesariamente alto. Entonces el motor continúa acelerando como motor de capacitor permanente. El condensador de servicio debe presentar una potencia reactiva de 1,3 kvar por cada kW de potencia del motor

Los motores de condensador con potencia nominal hasta unos 2 kW se emplean para el accionamiento de máquinas electrodomésticas, máquinas herramientas y máquinas para la construcción, por ejemplo para frigoríficos y lavadoras. Este tipo de motor combina el funcionamiento silencioso y el posible amplio control de velocidad del motor con capacitor de marcha (Cm), con el elevado Tarr del motor con capacitor de arranque (Carr). El Cm es generalmente de aceite y trabaja en forma continua permaneciendo conectado en serie con cualquiera de los dos devanados estatóricos idénticos con que cuenta este motor. Al mantener las características del motor de Cm, este motor se considera reversible, pues cuando s = 25 % durante el proceso de inversión, el IC se cierra proporcionando un par máximo de frenado, de tal forma que al llegar a velocidad cero, invierte su sentido de giro y el IC se abre de nuevo al ser s = 25 %. Este motor es muy usado a nivel industrial y en los compresores de los aires acondicionados comerciales. Al usar doble capacitor se eleva el rendimiento, el factor de potencia y el par máximo o par de desenganche. Al igual que para el caso anterior, este motor

funciona como un motor bifásico desequilibrado y por ende, desarrolla un par más uniforme, siendo mucho más silencioso y más eficiente que aquellos que funcionan como monofásicos puros (en operación usan un sólo devanado).

Motor de inducción de arranque por reluctancia Otro motor de inducción que emplea un estator con entrehierro no uniforme es el motor de arranque por reluctancia.* Su rotor es el clásico de jaula de ardilla que desarrolla par una vez iniciada la rotación por el principio de reluctancia. Debido a los entrehierros desiguales entre el rotor y los polos salientes no uniformes, sobre el flujo de excitación principal se produce un efecto de barrido. * Las normas ASA definen el motor de reluctancia como un motor síncrono similar en construcción al motor de inducción, en el cual el miembro que lleva el circuito secundario tiene polos salientes, sin excitación de CC (rotor). Arranca como un motor de inducción pero funciona normalmente a la velocidad síncrona. *El motor de arranque por reluctancia es un motor de inducción cuyo arranque es iniciado por el principio de reluctancia. No es igual que el motor de reluctancia (motor síncrono no excitado). El motor de reluctancia monofásico, el motor de histéresis y el motor subsíncrono son, desde luego, motores monofásicos. Construcción y principios de funcionamiento: Se basa en la propiedad del motor síncrono con rotor de polos salientes, en que es capaz de producir un par motor y girar a la velocidad síncrona, sin excitación del campo con CC. El reducido motor de reluctancia, está concebido a partir del motor de inducción, por lo que al rotor de jaula de ardilla, se le han suprimido algunos dientes (por sectores) con el objeto de lograr los polos salientes. Dado

que este motor síncrono arranca como motor de inducción, los anillos que cierran las barras del rotor deben estar completos en toda la periferia, conservándose así, el arrollamiento. amortiguador en jaula de ardilla, utilizado no solo para el arranque, sino que también, proporciona suficiente estabilidad contra las oscilaciones cuando se alcanza la velocidad sincrónica. Al igual que para los motores síncronos excitados con CC, la puesta en sincronismo se facilita cuando la velocidad alcanzada como motor de inducción es tan elevada como sea posible. Para ello, es importante hacer baja la resistencia del rotor. También mejora ésta situación, cuanto menor sea el WR2 de la masa giratoria del rotor (rotor + carga acoplada al eje) El estator del motor de reluctancia puede ser del tipo de fase auxiliar, del tipo de condensador y del tipo bobina pantalla (espira sombra). La figura, representa una de las láminas dispuestas para un rotor destinado a un motor de reluctancia de cuatro polos en el estator. El motor arrancará como un motor de inducción y se irá acelerando hasta una velocidad de escaso deslizamiento (carga ligera). El par de reluctancia nace de la tendencia del rotor a situarse por sí mismo en la posición de mínima reluctancia respecto al campo giratorio (a la onda de flujo) que gira en el entrehierro a la velocidad síncrona.

MOTORES MONOFÁSICOS CON COLECTOR Los motores descritos hasta ahora han sido todos de inducción con rotor jaula de ardilla monofásicos con rotores fundidos, cuyas variantes se diferencian principalmente en el principio de arranque. Existe otro grupo de motores denominados motores monofásicos con colector debido a que el rotor bobinado de este tipo de motor esta equipado con un colector y escobillas. Este grupo consta de dos clases: 1. Aquellos que que funcionan según el principio de repulsión (motores de repulsión) en los que la energía se transfiere inductivamente desde el devanado de excitación estatórico monofásico hasta el rotor, y 2. Aquellos que funcionan según el principio del motor serie, en los que la energía es transportada por conducción, tanto al inducido rotórico como a la excitación estatórica monofásica conectada en serie. Motor de repulsión Un motor de repulsión consta de un devanado de campo directamente conectado a la tensión de red y un par de escobillas en corto con desplazamiento de 15o a 25o desde el eje del campo. El campo induce un flujo de corriente en la armadura en cortocircuito que se opone al flujo principal. La velocidad puede ser controlada por la rotación de las escobillas con respecto al eje del campo. Este motor tiene la conmutación por encima de la velocidad de sincronismo, Corriente de arranque bajo produce un elevado par. Las partes esenciales son: Un núcleo laminado del estator con un devanado similar al de la fase partida. El estator tiene generalmente, cuatro, seis u ocho polos, un rotor con ranuras en la que va colocado un devanado, similar al de un motor de c.c. El colector es de tipo axial.

El motor universal Funcionan con c.a. y c.c. y son de fracción de 1 hp y son usados principalmente en aparatos electrodomésticos. El inducido es igual al de un motor de c.c. funciona a la misma velocidad con c.c. o c.a. La velocidad se puede regular por medio de reóstatos y bobinas de tomas múltiples devanadas en torno del campo. Como es un motor serie, la carga siempre debe estar conectada al motor.