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TEMA 2 GENERALIDADES SOBRE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS Las máquinas eléctricas rotativas se componen de dos partes: - Estátor: Es la parte fija y tiene forma cilíndrica, en caso de máquinas de gran velocidad el cilindro es largo en comparación con su diámetro, mientras que para las de pequeña velocidad es relativamente corto. - Rotor: En la cavidad del estátor se coloca el rotor que es la parte giratoria. Se monta en un eje que descansa en dos rodamientos o cojinetes. El espacio de aire que separa el estátor del rotor, necesario para que puede girar la máquina, se denomina entrehierro, siendo el campo magnéticos existente en el mismo el que constituye el medio de acoplamiento entre los sistemas eléctrico y mecánico. Normalmente tanto el estátor como en el rotor existen devanados hechos con conductores de cobre por los que circulan corrientes suministradas o cedidas a un circuito exterior que constituye el sistema eléctrico. Uno de los devanados tiene la misión de crear un flujo en el entrehierro y por ello se denomina inductor. El otro devanado recibe el flujo del primero y se inducen en él corrientes que se cierran por el circuito exterior y se denomina inducido. Tiene que existir un movimiento relativos entre ambos. El estátor y el rotor se construyen con material ferromagnético, de tal forma que para evitar pérdidas en el hierro suelen realizarse con chapas magnéticas de acero al silicio, convenientemente ranuradas para alojar en su interior los devanados correspondientes. Las coronas del estátor y del rotor se construyen a base de chapa magnética apilada. Las ranuras para alojar los conductores devanados pueden ser: - abiertos - semicerradas - cerrados Desde el punto de vista de la configuración física las máquinas eléctricas adoptan tres formas básicas. En el caso de la a) se tienen dos superficies totalmente cilíndricas, con un entrehierro uniforme, esta disposición se encuentra en máquinas asíncronas, estando situado el inductor en el primario, y también se emplea en los turboalternadores de centrales térmicas, situando el inductor en el rotor. En los casos b) y c) la superficie del estátor o del rotor presenta uso «salientes» magnéticos denominados polos. En estos polos se sitúa siempre el inductor, recorrido normalmente por c.c. y creando un campo magnético que puede asimilarse al que produce un imán permanente. La b) corresponde al las máquinas síncronas y la c) a máquinas de c.c.

En las máquinas de tipo a) o b) la chapa magnética apilada de la corona estatórica tiene ranuras de tipo abiertas y semicerradas. En estos casos la chapa magnética está ranurada interiormente.

En las máquinas de tipo a) o c) la chapa magnética de la corona rotórica está ranurada exteriormente. Los tipos de ranuras son abiertas, semicerradas o cerradas. DEVANADOS Sistema eléctrico formado normalmente por dos devanados situados en el estátor y en rotor. Construidos normalmente a base de conductores de cobre, por los que circula la corriente eléctrica. En máquinas pequeñas las bobinas son de cobre en forma de hilo esmaltado. En las máquinas de gran potencia las bobinas están en forma de pletina., cuyo aislamiento se realiza recubriéndolas con cinta de algodón. INDUCTOR:(devanado de excitación o de campo) tiene la misión de crear flujo magnético en el entrehierro. INDUCIDO: Recibe el flujo del primero y en él se inducen las fuerzas electromotrices. Un devanado en el rotor y otro en el estátor. Lo que realmente cuenta es el movimiento relativo entre ambos. En la práctica, la situación la determinan condicionantes de construcción, funcionamiento, aislamiento, refrigeración, etc. • Arrollamiento concentrado, devanado de una bobina alrededor de los olos . Este sistema se emplea también en los transformadores. • Arrollamiento distribuido, es el referente a máquinas de c.a. y c.c. para cubrir toda la periferia de la máquina, situando las bobinas en ñas ranuras practicadas al efecto. - Tipos: ◦ Abiertos: Tiene principio y final. Se emplean en máquinas de c.a. ◦ Cerrados: No tienen principio ni final, se cierran sobre sí mismos, y para sacar la corriente hay que hacer tomas intermedias (por medio de delgas) y este tipo de devanado se emplea en máquinas de cc. - Según la forma: ◦ Concéntricos: En c.a. Están formados por bobinas de diferente anchura o paso, que tienen un eje común. ◦ Excéntricos: En c.a. Están constituidos por bobinas de igual paso pero desfasadas entre sí en el espacio. ◦ Ondulados: En c.c. Al bobinar se va recorriendo el inducidos en consecuencia el colector, formando las ramas de las bobinas en figura de onda, ◦ Imbricados: En c.c. - Principos generales del bobinado: ◦ La anchura (paso) de cada bobina debe hacerse lo más cercana posible al paso polar. ◦ En los generadores en conveniente que el arrollamiento se provea para que genere una f.e.m. senoidal lo más pura posible.

LINEA NEUTRA: Linea media entre un polo y el siguiente. PASO POLAR: Distancia entre dos polos cosecutivos. CICLO GEOMÉTRICO: Secuencia de posiciones que se repiten a intervalos de tiempo. CICLO MAGNÉTICO: Secuencia de valores magnéticos que se repiten en un intervalo de tiempo. θ=p·α θ: ángulo magnéticos p: número de pares de polos α: ángulo geométrico COLECTORES Para introducir o sacar corrientes de los bobinados situados en el estátor de la máquina basta con hacer conexiones fijas directas desde es sistema exterior a estos devanados; sin embargo, para realizar esta operación con las bobinas del rotor es preciso recurrir a sistemas colectores, que difieren entre sí, según sea la máquina de ca o de cc. Una espira gira a una velocidad angular ωm rad/s dentro de un campo magnético B de un imán permanente. Los extremos de la espira van a parar a dos anillos de bronce sobre los que rozan unas escobillas de grafito, a las cuales se conecta a circuito exterior, compuesto por un receptor de energía, simulado por una carga de resistencia R. Los vectores B, indicción magnética, y S, superficie de la espira, forman en un memento determinado un ángulo eléctrico pα: dΘ d e= = (B S cos pα) dt dt teniendo en cuenta que cumple: dα n ω m= =2π dt 60 tomando como referencia pα = 0 en t = 0 e = B S pωm sen pωmt e = Em sen ωt n ω=2π f = p ω m= p 2π 60 np f= 60

TEMA 3 MÁQUINAS ASÍNCRONAS La máquina asíncrona o de inducción al igual que otro dispositivo de conversión electromecánica de la energía de tipo rotativo, está formada por un estátor y un rotor. Su funcionamiento se base en la existencia de un campo magnético giratorio. Funcionan fundamentalmente como motor. En el estátor se coloca el inductor, alimentado por una red mono o trifásica. El rotor es el inducido, y las corrientes que circulan por él aparecen como consecuencia de la interacción con el flujo de estátor. Dependiendo del tipo de rotor estas máquinas se clasifican en: a) rotor en jaula de ardilla o en cortocircuito, y b) rotor devanada o con anillos. Su importancia reside en una construcción simple, un excelente servicio y un escaso mantenimiento. La regulación de la velocidad se hará mediante la utilización de dispositivos electrónicos. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

El estátor está formado por un apilamiento de chapas de acero al silicio que disponen de ranuras en su periferia interior en las que se sitúa un devanado trifásico distribuido, alimentado por una corriente del mismo tipo, de tal forma que se obtiene un flujo giratorio de amplitud constante distribuido senoidalmente por el entrehierro. El estátor está rodeado por carcasa, disponiéndose en esta las correspondientes patas de fijación y los anillos de elevación y transporte. El rotor está construido por un conjunto de chapas apiladas, formando un cilindro, que tienen ranuras en la circunferencia exterior, donde se coloca el devanado. En el tipo de forma de jaula de ardilla se tienen una serie de conductores de cobre o aluminio puestos en cortocircuito por dos anillos laterales; en la actualidad, en las máquinas pequeñas, se aplica un método de fundición de aluminio, con el que se producen al mismo tiempo las barras del rotor y los anillos laterales. En el caso del rotor devanado o con anillos, se tiene un arrollamiento trifásico similar al situado en estátor, en el que las tres fases se conectan por un lado en estrella y por el otro se envían a unos anillos aislados entre sí. Esta disposición hace posible la introducción de resistencias externas por los anillos para limitar las corrientes de arranque, mejorar las características del par y controlar la velocidad. El rotor debe tener el mismo número de polos que el estátor. El número de fases no tiene porque ser el mismo.

En los motores asíncronos trifásicos la distribución de los terminales del devanado del estátor se llama caja de bornes de la máquina. A esta caja se llevan los extremos del bobinado. Los principios de los arrollamiento se denominan U1,V1 y W1 y los extremos finales con U2, V2 y W2. La conexión en estrella se emplea cuando la máquina ha de conectarse a la tensión más elevada indicada en su placa de características, utilizando la conexión en triángulo para la tensión más baja. Para invertir el giro del motor es preciso cambiar el sentido de movimiento del campo giratorio, lo cual se logra intercambiando entre sí dos cualesquiera de los cables que se unen a la red de alimentación.

PLACA DE CARACTERÍSTICAS

1. Tipo 2. Año de fabricación 3. Servicio (S1 servicio continuo) 4. Conexión 5. Tipo de aislamiento 6. Peso 7. Grado de protección [Código IP] 8. Tipo de refrigeración [Código IC] 9. Descripción del montaje [Código IM] 10. Información adicional 11. Fabricante 12. Número de serie 13. Potencia nominal [kW] 14. Tensión nominal [V] 15. Frecuencia [Hz] 16. Velocidad de giro [rpm] 17. Corriente nominal [A] 18. Factor de potencia [cos ϕ] 20. Normativa de fabricación PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Generalmente la máquina síncrona suele funcionar como motor. El devanado del estátor está construido por tres arrollamientos desfasados 120º en el espacio y de 2p polos; al introducir en ellos corrientes de una red trifásica de frecuencia f1, se produce una onda rotativa de f.m.m. distribuida senoidalmente por la periferia del entrehierro, que produce un flujo giratorio cuya velocidad viene expresada por:

60 f 1 (rpm) p que recibe el nombre de velocidad de sincronismo. Este flujo giratorio inducirá f.e.m.s en los conductores del rotor, y si está si circuito eléctrico cerrado, aparecerán corrientes que reaccionarán con el flujo del estátor. Para determinar su sentido debe considerarse que el rotor gira en sentido contrario al campo para tener en cuenta el movimiento mutuo entre ambos sistemas. La fuerza actúa realmente en los dientes y no en los conductores. El momento total de estas fuerzas origina el par de rotación de la máquina, que obliga a girar al rotor siguiendo el movimiento del campo giratorio, de tal forma que cuanto más se aproxima a la velocidad n1, no habría entonces movimiento del campo giratorio respecto al rotor, desapareciendo con ello la f.e.m. inducida y como consecuencia se anularía la corriente y el par. De este modo la velocidad de sincronismo n1 constituye el límite teórico al que puede girar el rotor. El rotor debe girar a una velocidad inferior a la de sincronismo, es decir, su velocidad de régimen es asíncrona. Se conoce con el nombre de deslizamiento: ns−nr s= ns Al aumentar la carga mecánica del motor, el par resistente se hace mayor que el par interno y el deslizamiento aumenta; esto provoca un aumento en las corrientes del rotor, gracias a lo cual aumenta el par motor y se establece el equilibrio dinámico de los momentos resistente y motor. Las frecuencias de las corrientes del rotor están relacionadas con la frecuencia del estátor por medio de la expresión: f 2=s f 1 En el caso de que el rotor esté parado, se cumple nr = 0, es decir, s = 1 por lo tanto f2 = f1 . Si se denomina E2 el valor máximo eficaz de la f.e.m. por fase del rotor, N2 al número de espiras por fase, Φm al flujo máximo que lo atraviesa y K2 = Kd2Ka2 al coeficiente de devanado, se cumplirá: E2 = 4,44 K2 f1 N2 Φm y si se denomina al valor eficaz de la f.e.m. inducida por fase en el estátor: E1 = 4,44 K1 f1 N1 Φm El primario es el estátor y el secundario es el rotor. Cuando el rotor gira a una velocidad ns , en el sentido del campo giratorio, el deslizamiento ya no es la unidad y las frecuencias de las corrientes del rotor son iguales a f2. Denominando E2s a la nueva f.e.m. inducida en el devandado: E2s = 4,44 K2 f2 N2 Φm E2s = s E2 CIRCUITO EQUIVALENTE El circuito equivalente del motor asíncrono tiene como objetivo, al igual que en el caso de transformadores, el obtener una red que explique el comportamiento de la máquina, pero en la que no aparezca la acción transformadora entre los circuitos de primario y secundario, lo cual trae consigo el reducir las magnitudes de un devanado a otro, generalmente del rotor al estátor. n1=

ENSAYOS DEL MOTOR ASÍNCRONO En los ensayos del motor asíncrono permiten determinar los parámetros del circuito equivalente de la máquina. Ensayo de vacío o de rotor libre Consiste hacer girar el motor sin ninguna carga mecánica en el eje, es decir, es decir la máquina trabaja a rotor libre. Se debe aplicar la tensión asignada al primario U1, midiendo la potencia absorbida P0 y la corriente de vacío I0. P0 = PFe + Pm + PCu1 PFe + Pm = P0 – m1R1I02

Ensayo de cortocircuito o rotor bloqueado Este ensayo se hace bloqueando el rotor impidiendo que gire, es decir, nr = 0, por lo que se tendrá: s = 1, Rc’=0, lo que indica que el motor se comporta como un transformador con el secundario en cortocircuito. Al estátor se le aplica una tensión creciente, partiendo de cero, hasta que la corriente absorbida sea la asignada, I1cc = I1n (por fase), midiendo a la vez la tensión aplicada U1cc y la potencia absorbida Pcc. La corriente de vacío es despreciable frente a I1n debido a la pequeña tensión necesaria.

BALANCE DE POTENCIAS En un motor asíncrono existe una transformación de energía eléctrica en mecánica, que se transmite desde el estátor al rotor, a través del entrehierro, y el proceso de conversión está inevitablemente ligado con las pérdidas en los diferentes órganos de la máquina. La potencia que la máquina absorbe de la red, si U1 es la tensión aplicada por fase, I1 la corriente por fase y φ1 el desfase entre ambas magnitudes, será: P1 = m1V1 I1 cos φ1 Esta potencia llega al estátor, y una parte se transforma en calor por efecto Joule en sus devanados. Pcu1 = m1R1I21 y la otra parte se pierde en el hierro. La suma de ambas pérdidas representa la disipación total en el estátor: Pp1 = Pcu1 + PFe Se considera que prácticamente es el hierro del estátor el único origen de las pérdidas ferromagnéticas. PFe = PFe1 = m1V1IFe La potencia electromagnética que llegará al rotor a través del entrehierro, y que se denomina Pa: Pa = P1 – Pp1 = P1 – PCu1 – PFe En el rotor aparecen unas pérdidas adicionales debidas al efecto Joule, PCu2: PCu2 = m2R’2I’22 Las pérdidas en el hierro del rotor son despreciables debido al pequeño valor de f2. La potencia que llegará al árbol de la máquina, denominada potencia mecánica interna, Pmi: Pmi = Pa – Pcu2 = m1R’2 (1/s – 1) I’22 Potencia útil, Pu: Pu = Pmi – Pm

PAR DE ROTACIÓN Si es Pu la potencia mecánica útil desarrollada por el motor y n la velocidad en rpm a la que gira el motor, el par útil T en Nm en el árbol de la máquina será el cociente entre Pu y la velocidad angular de giro ω = 2πn/60, expresando n en rpm: Pu T= nr 2π 60 Si se desprecian las pérdidas mecánicas del motor, la potencia útil coincide con la mecánica inaterna. Pmi T= nr 2π 60

La curva característica par-velocidad que se obtiene con la resistencia propia del rotor constituye la característica natural del par, mientras que las curvas par-velocidad que resultan con la introducción de resistencias adicionales de denominan características artificiales. Si para la característica natural se tiene un deslizamiento para par máximo: R' s m= 2 2 2 √ R1 + X cc FUNCIONAMIENTO COMO MOTOR Representa el modo de funcionamiento más característico y corresponde al rango de deslizamientos comprendidos entre el 0 y el 1. Si se tiene en cuenta el campo de variación de s en el régimen del motor: - La potencia mecánica interna es positiva. Es decir, se transmite energía al eje. - La potencia en el entrehierro es positiva, lo que indica un par electromagnético positivo. - Si la potencia de entehierro es positiva, quiere decir que se transfiere energía en el sentido estátorrotor. Como quiera además que la energía en el estátor procede de la red, la potencia eléctrica absorbida tendrá sentido de Pa. En definitiva, la potencia eléctrica que absorbe la máquina de la red es positiva. Pmi=m1R’2(1/s-1)I’2² > 0 Pa=Pmi/(1-s) > 0

1. Punto O. Funcionamiento en sincronismo: s = 0; T = 0, en este caso la velocidad de rotación del motor es la de sincronismo. 2. Punto A. Régimen asignado o nominal: s = sn y T=Tn, que corresponde a la velocidad y al par nominal. 3. Punto C. Funcionamiento con par máximo: s=sm; T=Tm, representa el par máximo o crítico del motor. 4. Punto D. Régimen de arranque: s=1; T=Ta, en este caso la velocidad es cero y corresponde al par de arranque. En la figura se observa que el par máximo divide a la curva en dos partes, una estable 0