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• Jonathan Caceres Pizarro

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INGENIERIA MECANICA ELECTRICA

I.

1.

MÁQUINAS ASÍNCRONAS

ASPECTOS CONSTRUCTIVOS.

Las máquinas síncronas, al igual que los demás tipos de máquinas eléctricas, están constituidas por:

a)Un devanado inductor, construido en forma de arrollamiento concentrado o bien distribuido en ranuras, alimentado por corriente continua, que da lugar a los polos de la máquina.

b) Un devanado inducido distribuido formado un arrollamiento trifásico recorrido por corriente alterna.

En las máquinas pequeñas, para potencias que no superan los 10 kVA, el devanado inductor se coloca normalmente en el estator, en forma concentrada, estando situado el inducido en el rotor formando generalmente tres fases. En las máquinas síncronas grandes, que para el caso de los alternadores pueden llegar a 1000-1500 MVA, la colocación de los devanados es inversa a la anterior, de tal forma que los polos quedan situados en el rotor y el devanado trifásico en el estator. En esta situación la estructura del rotor de fabrica en dos versiones distintas, ya sea en forma de polos salientes o en forma de polos lisos; en el primer caso los devanados de los polos son concentrados, mientras que para el rotor cilíndrico el devanado que se coloca en los polos está distribuido en ranuras. La alimentación del devanado inductor se realiza por medio de dos anillos colocados en la parte móvil de la máquina por los que se introduce una corriente continua exterior. Hay dos tipos de inducidos: por una parte, un inducido giratorio requiere tres anillos mientras que un inducido fijo no necesita anillos. Debe tenerse en cuenta también que es mas difícil aislar los conductores en un inducido giratorio que en un inducido fijo.

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2. MOTOR ASINCRONO

Los motores asíncronos o de inducción son un tipo de motores eléctricos de corriente alterna. El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estátor, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º. Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas, 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:

Entonces se da el efecto Laplace (ó efecto motor): todo conductor por el que circula una

corriente

eléctrica,

inmerso

en

un campo

magnético experimenta

una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión. 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. ? Circuito equivalente del motor y magnitudes características.

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Fig. 1 Circuito Equivalente.

Fig. 2 Diagrama Fasorial.

3. ANÁLISIS LINEAL DE LA MÁQUINA SÍNCRONA: MÉTODO DE BEHNESCHENBURG 3.1 Generalidades

En el comportamiento de la máquina síncrona es necesario tener en cuenta el efecto de la reacción de inducido, lo que requiere el uso simultáneo de magnitudes eléctricas: f.e.m, tensión y corriente, xon magnitudes magnéticas: f.m.m.s y flujo. Este procedimiento de análisis se denomina método general y reproduce fielmente los fenómenos físicos implicados, pero tiene el inconveniente de que al manejar dos tipos de magnitudes no queda más remedio que recurrir al uso de diagramas fasoriales.

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3.2 Método de Behn-Eschenburg. Impedancia síncrona

Este método se aplica a máquinas con rotor cilíndrico que trabajan en régimen lineal, lo que significa que los flujos son proporcionales a las f.m.m.s y en consecuencia puede utilizarse el principio de superposición. La ventaja de este método es que permite obtener un circuito eléctrico equivalente de la máquina síncrona, con las ventajas analíticas que supone. Se sabe que en realidad existe un flujo único en el entrehierro de la máquina síncrona que es producido por la acción conjunta de las f.m.m.s de excitación Fe y de reacción Fi. Sin embargo, resulta más cómodo considerar que cada f.m.m produce un flujo independiente que crea a su vez su correspondiente f.e.m inducida. De esta forma se trabaja únicamente con f.e.m.s y magnitudes eléctricas, dejando a un lado las magnéticas. Esta idea implica tres flujos:

a)El flujo de dispersión Öó, que da lugar a una caída de tensión en la reactancia del mismo nombre Xó: +jXóI, es decir, la caída de tensión producida por la reactancia de

dispersión

se

adelanta

90º

respecto

a

la

corriente

del

inducido.

b)El flujo de excitación Öe, que es el causante de la f.e.m producida en vacío E0. c)El flujo de reacción de inducido Öi, que da lugar a una f.e.m Ep retrasada 90º respecto del flujo.

Finalmente, con el nuevo diagrama fasorial se llega a la expresión final: E0=V+RI+jXóI+jXpI, lo que indica que la f.e.m inducida de vacío E0, debida a la f.m.m de excitación Fe, se puede considerar como la resultante de añadir a la tensión V en bornes de la máquina las caídas de tensión por resistencia:RI

4.

CONSTITUCION DE UN MOTOR ASINCRONO.

Circuito magnético. La parte fija del circuito magnético (estátor) es un anillo cilíndrico de chapa magnética ajustado a la carcasa que lo envuelve. La carcasa tiene

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una función puramente protectora. En la parte interior del estátor van dispuestos unas ranuras donde se coloca el bobinado correspondiente. En el interior del estátor va colocado el rotor, que es un cilindro de chapa magnética fijado al eje. En su periferia van dispuestas unas ranuras en las que se coloca el bobinado correspondiente. El entrehierro de estos motores es constante en toda su circunferencia y su valor debe ser el mínimo posible.

3.3 Circuitos eléctricos. Los dos circuitos eléctricos van situados uno en las ranuras del estátor (primario) y otro en las del rotor (secundario), que esta cortocircuitado. El rotor en cortocircuito puede estar formado por bobinas que se cortocircuitan en el exterior de la maquina directamente o mediante reóstatos; 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 estátor tiene un devanado monofásico y el rotor es de jaula de ardilla. Son motores de pequeña potencia y en ellos, en virtud delTeorema de Leblanc, 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 él. 3.4Partes del motor Asincrónico.

Fig 16. Constitución del motor asincrónico

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Estator: devanado trifásico distribuido en ranuras de 120° Tiene tres devanados en el estator. Estos devanados están desfasados siendo p el número de pares de polos de la maquina

Fig 17. Estator. Rotor: en este encontraremos dos tipos bobinado y Jaula de ardilla Bobinado: los devanado del rotor son similares al estator con el que esta asociado. El numero de fases del rotor no tiene porque ser el mismo que el del estator, lo que si tiene que ser igual es el numero de polos. Los devanados del rotor están conectados a anillos colectores montados sobre el mismo eje.

Fig 18. Bobinado Jaula de ardilla: los conductores del rotor están igualmente distribuido por la periferia del rotor. Los extremos de estos conductores están cortocircuitados, por tanto no hay posibilidad de conexión del devanado del motor con el exterior. La posición inclinada de las ranuras mejora las propiedades de arranque y disminuyen el ruido.

Fig 19. Jaula de Ardilla.

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5. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS ASÍNCRONAS. Las máquinas asíncronas, de las que sólo existen motores puesto que los generadores son siempre sincrónicos, son aquellas en las cuales la velocidad de rotación n puede ser diferente que la síncrona ns, siendo ésta última la velocidad con la que gira el campo magnético dentro de la cavidad en la que se aloja el rotor. El motor asíncrono, o de inducción, funciona precisamente gracias a las corrientes inducidas sobre el rotor por ese campo magnético giratorio. Para ver esto, imaginemos que en el centro de la cavidad del motor tenemos una espira en cortocircuito y que en ese instante el campo magnético tiene la dirección y el sentido que se muestra en la Figura 3. Dado que, a los efectos del flujo, el campo magnético está dirigido hacia abajo y aumentando según transcurre el tiempo, las leyes de la inducción de Faraday y Lenz, nos dicen que sobre la espira se inducirá una f.e.m., que a su vez dará origen a una corriente eléctrica con un sentido igual al que se indica en la figura.

Fig. 3 Dirección del Campo Magnético.

En estas condiciones, si aplicamos la regla de mano izquierda podemos deducir que sobre la espira aparecerá un par de fuerzas que provocará que ésta gire en el mismo sentido que el campo magnético. Obviamente, cuando la bobina adquiera una cierta velocidad de rotación, la f.e.m. y por lo tanto la corriente inducida disminuirá. Esto es así porque la velocidad con la que varía el flujo magnético con respecto a la bobina habrá disminuido en la misma proporción. Por otra parte, esto significa que la velocidad de rotación del rotor se podrá acercarse a ns pero siempre será menor que ella. En cualquier caso, podemos perfectamente imaginar un motor eléctrico construido a partir de un rotor que contiene espiras en cortocircuito que giran atraídas por el campo giratorio de las bobinas estatóricas. De hecho, basado en este principio se construye el motor llamado de jaula de ardillas, en donde las espiras en

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cortocircuito están formadas por un conjunto de varillas de cobre unidas en sus extremos a dos anillos también de cobre. Abajo en la misma figura se muestra cómo la jaula de ardilla finalmente se aloja dentro de un núcleo de hierro para aumentar la intensidad del campo magnético alrededor de la jaula y aumentar el rendimiento del motor.

Fig. 4 Campo giratorio del bobinado.

6. PÉRDIDA DE POTENCIA EN MOTORES ASÍNCRONOS Y ANALISIS DE PLACA. Pérdidas de Potencia. El motor asíncrono,

como

cualquier

motor

eléctrico,

convierte energía

eléctrica en mecánica. La energía eléctrica consumida por el motor es la energía absorbida Pabs, mientras que la entregada es la potencia útil Pu. La eficiencia o rendimiento del motor (h) se define como la relación entre la potencia útil y la absorbida, n = Pu/Pabs. La energía útil es normalmente un dato del motor y en general se expresa en CV o HP. Mientras que la absorbida se puede obtener a partir de n, o de la tensión, la corriente y el desfase usando cualquiera de las dos fórmulas:

La potencia que no se convierte en útil, se pierde por distintas causas. En la Figura 5 se muestran cómo y cuáles son estas pérdidas. Partiendo de la potencia de entrada o absorbida, una parte se pierde en la resistencia del bobinado estatórico y se la representa por PCu1. Lo que queda: Pem= Pabs – PCu1 recibe el nombre de potencia electromagnética. 8

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La siguiente pérdida se produce en los conductores de la jaula de ardilla o el bobinado rotórico PCu2. La potencia resultante Pme = Pem – PCu2 se denomina potencia mecánica. A diferencia de PCu1, PCu2 puede ser calculada usando la fórmula PCu2= dPem donde d es el deslizamiento del motor. Queda por último una forma de pérdida de potencia más, la llamada potencia de rotación Prot, que se relaciona con el rozamiento de los cojinetes y el ventilador que normalmente está unido al eje para su propia refrigeración. De modo que finalmente nos queda Pu = Pme – Prot. Cuando un motor funciona sin carga, es decir en vacío, la potencia que consume en esta circunstancia es aproximadamente igual a la de rotación: Pabs(vac) = Pvac = Prot.

Fig. 5 Pérdidas de Potencia.

Análisis de Placa. Todos los motores deben llevar una placa sobre la cual se describen sus características más importantes. Entre otras, allí aparecen:  La potencia útil del motor, en W, CV o HP.  La velocidad de rotación nominal (n),  Las tensiones a las que puede trabajar el motor, y las corrientes de líneas correspondientes.  El factor de potencia.

Fig. 6 Placa de un motor asíncrono.

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7.

ARRANQUE DE UN MOTOR ASINCRONO.

Arranque Directo Se aplica a aquellos motores de una potencia nominal menor de 5KW (6.8 C.V.), aunque en la práctica sólo se aplica para motores de potencia nominal menor de 5C.V.

Fig. 7 Arranque directo. Arranque Estrella – Triangulo. El arranque estrella/triángulo (U/D) es la forma más económica de arranque, pero sus prestaciones son limitadas. Las limitaciones más significativas son: 1. No hay control sobre el nivel de reducción de la corriente ni del par. 2. Se producen importantes cambios de la corriente y del par debido a la transición estrella/triángulo. Esto aumenta el stress mecánico y eléctrico y puede producir averías. Los cambios se producen debido a que el motor está en movimiento y al desconectarse la alimentación hace que el motor actúe como un generador con tensión de salida, que puede ser de la misma amplitud que la de red. Esta tensión está aún presente cuando se reconecta el motor en delta (D). El resultado es una corriente de hasta dos veces la corriente LRC y hasta cuatro veces el par LRT.

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Fig. 8 Circuito de Potencia y Mando.

Fig. 9 Esquema de conexión.

Fig. 10 Comportamiento en esta conexión. Arranque por Autotransformador

El autotransformador de arranque es un dispositivo similar al estrella-triángulo, salvo por el hecho de que la tensión reducida en el arranque se logra mediante bobinas auxiliares que permiten aumentar la tensión en forma escalonada, permitiendo un arranque suave. Su único inconveniente es que las conmutaciones de las etapas se realizan bruscamente, produciendo en algunas ocasiones daños perjudiciales al sistema mecánico o a la máquina accionada. Por ejemplo, desgaste prematuro en los acoplamientos (correas, cadenas, engranajes o embragues de acoplamiento) o en

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casos extremos roturas por fatiga del eje o rodamientos del motor, producidos por los grandes esfuerzos realizados en el momento del arranque.

Fig. 11 Circuito de Potencia y Mando. Arranque por Resistencia Estatórica. Consiste en reducir la tensión que producen unas resistencias conectadas en serie con el estator. Este sistema tiene el inconveniente de que consigue disminuir la corriente en función lineal de la caída de tensión producida. Sin embargo, el par queda disminuido con el cuadrado de la caída de tensión, por lo que su aplicación, se ve 1imitada a motores en 1os que el momento de arranque resistente, sea baja. Tienen una serie de características que reducen su efectividad. Algunas de éstas son:

1.

Dificultad

de

optimizar

el

rendimiento

del

arranque

cuando

está

en servicio porque el valor de resistencia se tiene que calcular cuando se realiza el arranque y es difícil cambiarlo después. 2. Bajo rendimiento en situaciones de arranque frecuente debido a que el valor de las resistencias cambia a medida que se va generando calor en ellas durante un arranque. Necesita largos períodos de refrigeración entre arranques. 3. Bajo rendimiento en arranques con cargas pesadas o en arranques de larga duración debido a la temperatura en las resistencias. 4. No realiza un arranque con reducción de tensión efectivo cuando se trata de cargas en las que las necesidades de arranque varían.

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Fig. 12 Circuito de Potencia y Mando.

Fig. 13 Comportamiento en esta conexión. Arranque por Resistencia Rotórica. Este método de arranque sólo se puede aplicar a motores de rotor devanado. Como se comprueba fácilmente, al introducir una resistencia adicional en el devanado del rotor, se disminuye la corriente de arranque con relación a la corriente absorbida por el método de arranque directo.

PROCEDIMIENTO: inicialmente introducir una resistencia adicional que haga que el par de arranque sea el máximo. Posteriormente, ir reduciendo la resistencia adicional hasta cero. Este método presenta los siguientes inconvenientes:  El motor se deja de alimentar durante el cambio de una tensión a otra.  Aumenta el tiempo de arranque

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 Es un método caro puesto que los motores de rotor devanado son más caros que los de jaula de ardilla.  Aumentan las pérdidas debido a la potencia disipada en la resistencia adicional.

En las figuras que se adjuntan a continuación puede analizarse este método de arranque de los motores asíncronos trifásicos. Las diferentes implementaciones que se proponen están realizadas con automatismos eléctricos (relés, pulsadores, temporizadores, contactores y sus contactos auxiliares).

Fig. 14 Conexión de este arranque.

Fig. 15 Conexión de este arranque.

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II. REGULACIÓN DE TENSIÓN

La regulación de tensión consiste en evitar las variaciones de tensión que se detectan en puntos receptores de un sistema de transmisión o distribución de energía. El problema de la regulación difiere según se trate de una red de transmisión o una red de distribución.

En una red de distribución interesa mantener la tensión lo mas constante posible. Si la tensión es demasiado alta se originan los siguientes problemas: 

La vida útil de artefactos se deteriora, produciéndose en algunos casos daños irreparables.

En redes de transmisión se acepta una fluctuación considerable (+/- 7,5 % del valor nominal), ya que no existen aparatos de utilización directa conectados a ella y en baja tensión, en alimentadores o subalimentadores la caída de tensión no debe exceder más del 3% del valor nominal, siempre que la caída de tensión en el punto más desfavorable de la instalación, no exceda el 5% de dicha tensión. De todas formas se debe tener en cuenta los siguientes aspectos: 

Una tensión muy elevada puede dañar el aislamiento de los equipos o saturar los transformadores.

Actualmente la solución al problema de regulación se hace más complicada, debido a la complejidad y gran desarrollo de las redes de distribución de energía. Es conveniente por lo tanto regular localmente, en los diversos centros de consumo, el nivel de voltaje. Se dispone para ello de los siguientes métodos: 

Conexión de potencia reactiva.



Modificación de la Reactancia.



Regulación de voltaje adicional (variación de taps).

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El medio más sencillo de obtener la regulación por voltaje adicional, es variando la relación de vueltas entre el primario y secundario de un transformador o auto transformador. 9 1. ANALISIS TEORICO Se considera una central generadora A, que transmite la potencia aparente P1 + jQ1 a la subestación receptora B, a través de un sistema de transmisión y transformadores elevadores y reductores de tensión, según se muestra en la figura (4.1).

Figura Nº 4.1

Suponiendo que la impedancia total entre las barras A y B es Z = (R + JX), despreciando la admitancia de la línea de transmisión, con lo que la corriente I (ecuación 4.1), será la misma en todo el sistema de transmisión. Entonces, para condiciones de operación en B se puede anotar:

en la barra B Donde Ia Parte real de la corriente en la barra B Ir: Parte imaginaria de la corriente en la barra B

De acuerdo con el diagrama vectorial de la figura Nº 4.2, siendo Ia e Ir las componentes activa y reactiva, respectivamente de la corriente en B. 16

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Figura Nº 4.2 En la figura Nº 4.2 se puede observar que la caída total de voltaje V=12 , está formado por las componentes BD en fase con V2 y DA en cuadratura con el mismo, cuyas expresiones son: (4.2) (4.3) Pero en la figura Nº 4.2 se ve que

luego se tendrá: (4.4) (4.5)

O bien, en función de las potencias en B

(4.6) (4.7) Para valores pequeños de (ángulo comprendido entre V1 y V2), la diferencia de voltaje es muy aproximada a la diferencia de magnitudes V1 – V2 =BE por ser despreciable DE . Para valores mayores de

,DE comienza a ser significativo, y la diferencia BE

que determina la regulación del sistema, toma la ecuación:

(4.8).

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Las ecuaciones (4.4) y (4.6) muestran que la transmisión entre dos puntos de una red, de una potencia activa P y de una potencia reactiva Q, va acompañada de una caída de tensión. Por otra parte, si R es muy pequeña comparada con X, como ocurre en la practica en los sistemas de transmisión, podemos observar en (4.6) que la caída de voltaje se debe principalmente a la transmisión de la potencia reactiva entre A y B, mientras que

, que caracteriza el desfase entre V1 y V2, depende

principalmente de la potencia activa transmitida. Además, para valores pequeños, no tiene mayor influencia en el transporte de energía, mientras que deberá conservarse entre ciertos límites.

De la figura Nº 4.1 y 4.2 se puede deducir que, si la potencia reactiva Q2 , consumida en B, es generada en ese punto en lugar de ser transmitida desde A ,ello equivale a suprimir Ir del sistema de transmisión, con lo cual el diagrama vectorial queda determinado únicamente por la componente activa, según muestra la figura Nº 4.3.

Figura Nº 4.3 En estas condiciones se puede ver que la diferencia se ha reducido al valor R*I. Por otra parte, si V1 se mantiene constante, se puede demostrar que Q2 varía en función de P2 . En efecto, si V2 es también constante, de la ecuación (4.6) se obtiene:

(4.9)

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De lo anterior se desprende que es posible regular el voltaje V2 mediante el control de la potencia reactiva en B. Este control se basa evidentemente, en la generación de potencia reactiva en B, de acuerdo con las condiciones impuestas por la potencia activa P2. Este proceso se denomina regulación por conexión de potencia reactiva. Debido al rol que juega esta potencia reactiva se le denomina Potencia de Compensación.

La regulación de voltaje por conexión de potencia reactiva, no es el único método de regulación, en efecto, otro método de regulación consiste en reducir la reactancia del sistema de transmisión. En este caso la impedancia total queda dada por la ecuación (4.10)

(4.10) Donde:

C: Capacidad de un condensador. W : Velocidad angular.

La caída de tensión, entonces queda definida por:

(4.11) Siendo R y X pequeños, también lo será

. Este método de regulación se

denomina Regulación por Fase, siendo en este caso función de C, ya que se tiene:

(4.12) También se conoce como Regulación por Modificación de la Reactancia.

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Finalmente, también seria posible controlar el voltaje V2, colocando en serie con la línea, a la llegada a B, un dispositivo regulador que permita compensar la caída de voltaje, permita mantener V2 al valor deseado.

El dispositivo regulador debe estar construido para aceptar la máxima potencia reactiva,

que puede transmitirse de A a B, lo que se traduce en un aumento de

la capacidad del dispositivo regulador y por lo tanto, de sus dimensiones físicas. Siendo P la potencia del elemento regulador, se tendrá: (4.13) Siendo

(4.14) Si se desea compensar totalmente la caída de voltaje en la transmisión se tendrá según (4.15):

El valor de P debido a la transmisión de Q2 se debe no solamente al factor , si no que además del término X*Q2 cuya importancia es preponderante en líneas de transmisión y transformadores. En algunas condiciones no resulta adecuado emplear un transformador con cambio de derivaciones, lo más aconsejable es el método de conexión de potencia reactiva. Concluyendo, las soluciones para regular el voltaje en el extremo receptor de una línea de transmisión o distribución, más usadas en la actualidad, son las siguientes: Modificación de la relación de transformación. 

Conexión de potencia reactiva.



Modificación de la reactancia.



Regulación por voltaje adicional (variación de taps).

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2.

REGULACION POR CONEXION DE POTENCIA REACTIVA.

Indica que para reducir la caída de tensión, es necesario minimizar el transporte de potencia reactiva, la que debería ser suministrada, en la medida que fuese posible, en el mismo punto de consumo. Este procedimiento se conoce con el nombre de Conexión

de Potencia Reactiva, para ello se dispone de condensadores

sincrónicos, condensadores estáticos. La regulación de tensión por conexión de potencia reactiva, se fundamenta en la posibilidad de conectar potencia reactiva capacitiva en ciertos puntos de una red. En lo que sigue se dará una breve referencia de los aparatos destinados a cumplir estas funciones.

2.1 Condensador sincrónico

En esencia éste, es un motor síncrono diseñado para trabajar en vacío y con un amplio rango de regulación. Las máquinas síncronas son susceptibles de trabajar con potencia reactiva inductiva o capacitiva según el grado de excitación del campo. Si están sobre excitadas se comportan como condensadores. Por el contrario si están subexcitadas se comportan como inductancias. La potencia de un condensador sincrónico en condiciones de sobre-excitación, está limitada por la temperatura. En condiciones de sub-excitación, la potencia queda limitada por la estabilidad de la máquina.

2.2 Condensadores estáticos

La función de un condensador estáticos conectado en paralelo, sea una unidad o grupo de unidades, es la de suministrar la potencia reactiva demandada en el punto en que está instalado. Por sus características, de tomar una corriente adelantada prácticamente en 900 con respecto al voltaje, un condensador estático tiene el mismo efecto que un condensador sincrónico. Por lo tanto permite compensar, en forma total o parcial, la componente reactiva de la corriente demandada por un consumo inductivo. Algunos de los efectos que justifican la aplicación de los condensadores estáticos en paralelo con consumos inductivos son los siguientes:

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

Permite reducir al valor deseado la componente reactiva de la corriente de línea.



Mejora la regulación de la línea.



Reduce las pérdidas en la línea.



Mejora el factor de potencia en los generadores.



Permite obtener mayor potencia activa de los generadores, transformadores y líneas.

3.3 Regulación por modificación de la reactancia

El condensador estático también juega un papel importante como elemento regulador cuando se le instala en serie en una línea de transmisión o de distribución. El comportamiento de un condensador estático conectado en paralelo ha sido bien analizado y puede predecirse con exactitud. No puede decirse lo mismo cuando el condensador esta conectado en serie, la diferencia de comportamiento estriba en la conexión. El condensador en paralelo esta conectado a la línea y sometido al pleno voltaje de esta. El condensador en serie esta sometido a la plena corriente de la línea y a la corriente de falla, en caso de cortocircuito aguas abajo del condensador. Mientras el condensador en paralelo permanece aproximadamente constante, la caída de voltaje a través del condensador conectado en serié, varía instantáneamente con la carga. Es esta característica del condensador en serie, junto con el hecho de que esta caída es de sentido opuesto a la caída inductiva de la línea, lo que hace al condensador conectado en serie, un dispositivo muy útil en ciertas aplicaciones en las redes de energía.

Se debe recordar que en una línea sencilla con carga inductiva, la caída de voltaje es aproximadamente (4.16). (4.16) En que R1 y X1 son la resistencia y la reactancia inductiva de la línea, respectivamente.

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Cuando el

es mayor que el valor aceptable puede reducirse el segundo

término por la intercalación de un condensador estático de reactancia Xc en serie con la línea. En estas condiciones la caída de voltaje se reduce a la siguiente ecuación (4.17).

(4.17)

Si Xc = X1 la caída de voltaje se reduce a:

El condensador en serie es especialmente apto para reducir el parpadeo de luces producido por fluctuaciones rápidas y repetitivas de la carga ocasionadas por partidas frecuentes de motores, operación de soldadoras, hornos eléctricos, etc. Evidentemente, para mejorar las condiciones del voltaje o para reducir el parpadeo de luces en un punto dado, el condensador en serie, debe estar ubicado aguas arriba del punto considerado.

Tratándose de líneas de transmisión, la aplicación de condensadores en serie se orienta no a mejorar la regulación de voltaje, sino a aumentar la capacidad de transmisión y mejorar la estabilidad eléctrica del sistema.

3.4 Regulación por voltaje adicional (variación de taps).

Variando la relación de vueltas entre primario y secundario de un transformador o auto transformador, se regula el nivel de tensión en los diversos centros de consumo. Con este objeto los transformadores van provistos de derivaciones en sus bobinados y de un dispositivo cambiador de derivaciones. El cambio de derivaciones puede hacerse en vacío o bajo carga, siendo ésta última, la que permite la regulación automática. El cambio de derivaciones en vacío, exige la desconexión previa del transformador y su operación es siempre manual. El cambio de taps por el control remoto mediante algún mecanismo o

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motor eléctrico, se emplea para ajustar el voltaje en algunos procesos que permiten la interrupción de energía (transformador des-energizado) por algunos segundos, tales, como, hornos eléctricos y otros. Desde hace algunos años se han desarrollado mecanismos y dispositivos que permiten hacer el cambio de derivaciones manual o automáticamente en un transformador sin necesidad de desenergizar el transformador y desconectar la carga, permitiendo así la regulación de voltaje en grandes bloques de potencias (desde algunos KVA hasta cientos de MVA y altas tensiones desde volts a cientos de KV), sin interrupción de la energía a la carga. El cambio de derivaciones bajo carga permite mantener un voltaje secundario constante con voltaje primario variable, controlar el voltaje secundario para carga variable, controlar el flujo de potencia reactiva entre dos ramas de una red en anillo cerrado, etc. La regulación se hace por pasos, estando la magnitud de los pasos determinada por la calidad de la regulación necesaria. El mecanismo con que se hace el cambio de taps recibe el nombre de Cambiador de Derivaciones Bajo Carga (Load Tap Changer).

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III. ANÁLISIS NO LINEAL DE LA MÁQUINA SÍNCRONA: METODO DE POTIER O DEL F.D.P NULO 3.1CARACTERÍSTICAS DE VACÍO Y CORTOCIRCUITO DETERMINACIÓN IMPEDANCIA SÍNCRONA (Zs)

3.2 CARACTERÍSTICAS DE VACÍO Y CORTOCIRCUITO DETERMINACIÓN IMPEDANCIA SÍNCRONA (Zs) 3.2.2 IMPEDANCIA SÍNCRONA SATURADA

RELACIÓN DE CORTOCIRCUITO (SCR)

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3.3MÁQUINAS ROTOR CILÍNDRICO, ZONA SATURACIÓN BEHN-ESSCHENBURG: ERRORES APRECIABLES F.E.M. ≠ kℑ CÁLCULO REGULACIÓN, CONSTRUCCIÓN FASORIAL DATOS: • CURVA DE VACÍO: E0(ℑe) • ENSAYO FACTOR DE POTENCIA NULO: I = IN = CTE. • HIPÓTESIS: R = 0

CARGA INDUCTIVA ⇒ REACCIÓN DE INDUCIDO SE OPONE A LA EXCITACIÓN

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REPRESENTANDO CURVAS:

3.4 Método de Potier o del f.d.p nulo. Cálculo de la regulación

El método Potier se aplica a las máquinas síncronas de rotor cilíndrico que trabajan en la zona de saturación. En estas máquinas saturadas la aplicación del método de Behn-Eschenburg conduce a errores apreciables, ya que las f.e.m.s no son ahora proporcionales a las f.m.m.s debido a la no linealidad de la zona del circuito magnético en que trabaja. El método de Portier determina el valor de la caída en la reactancia de dispersión XóI y la f.m.m que produce la reacción de inducido, de tal forma que el cálculo de la regulación se basa en la construcción fasorial general. Para calcular la regulación por el metodo de Potier es preciso conocer la curva de vacío y además es necesario realizar un ensayo con caga inductiva pura, representando en un gráfico la curva tensión de salida respecto a la f.m.m de excitación, para una corriente de inducido constante e igual a la intensidad asignada. Mediante el triángulo de Potier se determinarán los puntos de la característica reactiva. Además la reactancia de Potier es algo superior a Xó.

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3.5 MOTOR SÍNCRONO. CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES

La máquina síncrona puede pasar del funcionamiento como generador al trabajo como motor desconectando el motor primario de arranque, ejerciendo entonces un par útil en el eje transformando la energía eléctrica absorbida de la red en energía mecánica de rotación. La velocidad de giro del motor viene expresada por la relación: n = 60f/p que es la de sincronismo de la red.

El motor síncrono presenta el grave inconveniente de que el par conserva un sentido único solamente cuando la máquina se halla ya sincronizada, es decir, cuando el rotor gira a la misma velocidad que el campo del inducido. Si el rotor está en reposo o gira a otra velocidad diferente a la del sincronismo, el par medio que desarrolla al conectarlo a la red es nulo.

En los motores síncronos que pueden arrancar en vacío, la puesta en marcha se realiza por medio de un motor auxiliar, generalmente asíncrono con igual número de polos que el motor principal, de tal forma que se consigue una velocidad de rotación casi síncrona y la conexión a la red se realiza empleando equipos de sincronización al igual que se hacía en el acoplamiento de un alternador a la red. También se pueden emplear para este fin motores de c.c, debido a su ventaja de regulación de velocidad, o motores asíncronos con un par de polos menos que el motor

síncrono.

Otro procedimiento más práctico para la puesta en marcha de estos motores consiste en su arranque como asíncronos. Para este fin es necesario colocar un arrollamiento en jaula de ardilla sobre los polos de la máquina. Para efectuar el arranque asíncrono el devanado de la excitación debe estar cerrado sobre una resistencia óhmica cuya magnitud sea 10-15 veces superior a la propia. Este proceso constituye la llamada autosincronización del motor. Finalizada la operación de arranque del motor síncrono, se podrá ya regular su corriente de excitación para que la máquina trabaje en régimen de subexcitación o sobreexcitación con el fin de regular su f.d.p.; de esta forma esta máquina puede cumplir la doble misión de arrastrar una carga mecánica y compensar la corriente reactiva de la red. 28

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Generalmente, la jaula de ardilla colocada en estos motores y que aquí se utiliza para producir un arranque asíncrono, se coloca también en los generadores y recibe el nombre de devanado amortiguador, ya que reduce las oscilaciones que se producen en los procesos transitorios de las máquinas síncronas: acoplamiento a la red, variaciones bruscas de carga eléctrica o mecánica, etc. El efecto de estos devanados amortiguadores en régimen permanente es nulo, ya que al girar la máquina a la velocidad de sincronismo no se inducen corrientes en los mismos. El motor síncrono puede utilizarse para mover cargas mecánicas. En su versión de potencias inferiores a 1 CV no utilizan c.c para la excitación y su funcionamiento se basa en la variación de reluctancia del rotor (motores de reluctancia). También se emplean motores síncronos de histéresis que se emplean para impulsar relojes el.ectricos

y

otros

aparatos

medidores

de

tiempo.

Para grandes potencias, una de las mayores ventajas de este motor frente al asíncrono es la posibilidad de regular el f.d.p.

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IV. CONCLUSIONES Por lo tanto se denomina arranque de un motor al régimen transitorio en el que se eleva la velocidad del mismo desde el estado de motor detenido hasta el de motor girando a la velocidad de régimen permanente. El estudio del arranque de los motores tiene una gran importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los motores eléctricos y arrancadores

a

instalar

están

basados

en el

conocimiento de

las

particularidades de éste régimen transitorio. Además ahora se conocen diversas formas de conexión y no la misma de siempre que era la de estrellatriangulo, ya que como se ha visto esta conexión si bien es muy barata pero no dispone de cualidades tales como para caracterizarla como la mejor.

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V.

BIBLIOGRAFIA

 http://www.mty.itesm.mx//deptosie/profes ores/hnunez/cursos/me/Mate ialApoyo/MaqElec4/home.htm  http://webpages.ull.es/users/mmateo/electr otecnia/2010-11/TEMA9A.pdf  http://electroraggio.com/fs_files/user_img/trif1.pdf

 Maquinas Electricas, Pau Casals Torrens, Richard Bosh Tous  Curso Modemo de arrancadores para Maquinas Electricas asíncronas, Manuel Cortes  https://www.google.com.pe/search?q=metodo+de+potier&bav=on.2,or.r_qf.& biw=1242&bih=612&bvm=pv.xjs.s.en_US.77Xy4hViwko.O&um=1&ie=UTF8&hl=es419&tbm=isch&source=og&sa=N&tab=wi&ei=zs8NUreyHI2E9gSWnYHIBQ

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