laboratorio de electromacnetismo

1

Electromagnetismo y motores eléctricos

Profesor: Carlos Zuñiga M.

Laboratorio NRO 3

ALTERNADORES

2

SECCION 27

INTEGRANTES: NELSON RAMIRES

GIOVANNI HERNANDEZ

CHARLES SANTOS

MAURO FRE

INDICE

1. INTRODUCCIÓN 3

2. ACTIVIDAD PREVIA AL LABORATORIO 4

3. DESARROLLO DE LABORATORIO 6,7,8

4. CONCLUSIONES 9

4.1 CONCLUSION GRUPAL 9

4.2 CONCLUSION TECNICO 9

5. MATERIAL TEORICO 10

5.1. DEFINICION 10

5.2. DIFERENCIA CON EL DINAMO 10

5.3. MOTOR SINCRONICO 11

5.4. MOTOR ASINCRONICO 12

5.5. MOTOR DAHLANDER 13

5.6. MOTOR MONOFASICO DE FASE DIVIDIDA 13

5.7. MOTOR CON POLO AMORTIGUADOR 13

5.8. MOTOR DE DOS TENSIONE 14

5.9. MOTOR UNIVERSAL 14

5.10. MOTOR AFEITADOR ELECTRICO 14

5.11. ALTERNADOR TRIFASICO 15

6. CONEXIONES DE UN ALTERNADOR TRIFASICO. 15

6,1 CONEXIONES TRIFASICAS 16,17

6.2. FRECUENCIA DE SALIDA 18

7. MAQUINA ROTANTES 19

7.1. GENERALIDADES 19

8. PARAMETROS NOMINALES 20

3

8.1. POTENCIA NOMINAL 20

8.2. MOMENTO DE INERCIA 21

8.3. CONSTANTE DE TIEMPO. TERMICA EQUIVALENTE. 21

8.4. TENSION SIMPLE O DE FASE 24

8.5. TENSION COMPUESTO O DE LINEA 24

9. FACTOR DE POTENCIA 24

9.1 MOTOR ASINCRONICO TRIFASICO. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

10. VELOCIDADES DE SINCRONISMO 25

11. MOTOR ASINCRONICO DE ROTOR EN CORTO CIRCUITO 26

11.1. ESTATOR 26

11.2. ROTOR 26

11.3 DESLIZAMIENTO 27

11.4 ARRANQUE 27

11.5. CARGA 27

11.6 CARACTERIRTICAS POR VELOCIDAD. 27, 28,29

12. ANEXOS 30

Introducción

En el siguiente informe del laboratorio con respecto al ¨Alternador´´ daremos a conocer paso

a paso a seguir, para poder llegar a nuestro fin que es que el alternador entre al punto de

sincronismo, esto quiere decir que los voltajes del alternador y del sistema de distribución de

energía estén en fase.

Para llegar a este fin en conjunto con el grupo de trabajo se realizó el laboratorio N°3. Paso a

paso con el cual nos ayudó a entender diferentes conceptos con respecto a este, también

destacamos unos pasos esenciales (importantes) para cumplir con nuestro fin tales como son:

En primer lugar el reóstato de campo del motor que tiene que estar en la mínima resistencia

ya que esta nos ayudara a ajustar con exactitud a un determinado valor (de precisión), este se

utilizara cuando el varial llegue a su máximo punto al no poder más se ajustara con el reóstato

hasta que llegaremos a las 1500 r/min.

4

También nos quedó claro de que (E1) tiene que ser igual al voltaje que proporciona la

compañía de energía (E2). Estos dos voltajes los mantendremos constante durante todo el

laboratorio. Ya que no pueden ser variados.

Además nos centramos en las luces de sincronización las cuales nos entregaran información

sobre el estado del sincronismo tal como Si no todas las luces se oscurecen y brillen

simultáneamente, la secuencia de fase es INCORRECTA. Hay desconectaremos la F.E.M

intercambiamos las fases que salen del estator. Si todos los focos emiten luz continua, los

voltajes del alternador y del sistema están desfasados en 180° en este caso (Nunca se tiene que

cerrar el interruptor de sincronización)

Finalmente llegamos al punto de sincronismo. Esto solo fue la introducción de este tema que

de gran importancia, lo demás se podrá descubrir revisando este entretenido informe espero

que se entretengan y aprendan.

ACTIVIDAD PREVIA AL LABORATORIO

Diseñar conexión de motor CD en paralelo, incluyendo reóstato de ajuste y conectando

amperímetro para medir IT y VT.

Diseñar tabla de recolección de datos donde estén incluido las variables VT, IT, PT,RPM.

Energizar y ajustar la tabla anterior para factores de 20V hasta el voltaje final de 220VCC.

VT IT PT RPM

20 0,304 6,08 385

5

40 0,244 9,76 618,8

60 0,226 13,56 697,2

80 0,231 18,48 714,6

100 0,251 25,1 748,4

120 0,273 32,88 773,3

140 0,299 41,86 839,6

160 0,321 51,2 891,7

180 0,347 62,46 958,9

200 0,373 74,2 1028

220 0,397 86,9 1099

254,6 0,301 1500

Al llegar a los 1500 RPM se ajusta el reóstato y eso para que la corriente disminuye se puede

comprobar las mediciones en el anexo figura N14 (pag.37)

6

DESARROLLO

DEL

LABORATORIO

7

Desarrollo de laboratorio

1) 1. Conecte el circuito que aparece en la figura N°1, utilizando los Módulos EMS de

Motor/generador de cd, interruptor de sincronización y de medición. Observe que la salida del

alternador está conectada, a través del interruptor de sincronización a la salida trifásica fija de 380V de

la fuente de alimentación, terminales 1, 2 y 3. El rotor del alternador va conectado a la salida fija de

220V C-d de la fuente de alimentación terminales 7 y N.

R) ver en anexo de informe figura N°1 (PAG 31)

2) Acople el motor de C-d al alternador por medio de la banda.

R) ver en anexo de informe figura N°2 (PAG 32 )

3) Ponga el reóstato de campo del motor de C-d en su posición extrema, haciendo girar en el sentido

de las manecillas del reloj (Para resistencia MINIMA).


4) Ponga el interruptor de sincronización en posición abierta


5) Conecte la fuente de alimentación y con el Tacómetro de mano, ajuste la salida de la fuente de

alimentación para una velocidad del motor de aproximadamente 1500 r/min.

R) ) ver en anexo de informe figura N°5 (PAG 33 )

6) Mida el voltaje que proporciona la compañía de luz y fuerza (E2).

R) E2 = …………402 VCA .

8

7) Cierre el interruptor S y ajuste la excitación de C-d del alternador hasta que el voltaje de salida de

este (E1) sea igual al voltaje que proporciona la compañía de energía (E2)

R) Al poner en igualdad el voltaje tuvimos que reajustar el reóstato para ver la igualdad de voltaje en

E1 y E2 ver en anexo de informe figura N°7 (PAG 34 )

8) Las tres luces de sincronización deben parpadear, encendiéndose y apagándose intermitentemente.


9) Ajuste con cuidado la velocidad del motor de C-d hasta que la frecuencia de encendido de las

lámparas sea bastante baja.


10) ¿Se encienden y se apagan las tres luces al mismo tiempo?

R) en este instante las luces no cumplen con lo exigido en el laboratorio.

11) Si no todas se oscurecen y brillen simultáneamente, la secuencia de fase es INCORRECTA.

Desconecte la fuente de alimentación e intercambie dos de los cables que salen del estator.


12) Ajuste con cuidado la velocidad del motor hasta que las tres luces aumente y disminuyan

lentamente. La frecuencia del alternador es muy semejante a la de la compañía de distribución de

energía eléctrica.


13) Cuando los tres focos se hayan apagado por completo, los voltajes del alternador y del sistema de

distribución de energía están en fase.


14) Si todos los focos emiten luz continua, los voltajes del alternador y del sistema están desfasados en

180° (Esta condición es la de diente-diente y el interruptor de sincronización NUNCA se debe cerrar en

esta condición)

9

R)en el caso del grupo de nosotros no se dio este fenómeno, por lo tanto, el sistema de red y el

alternador no se encuentran desfasados.

15) Verifique si los voltajes E1 y E2 son iguales. Si no es así, ajuste de nuevo la excitación e C-d del

alternador.

R) los voltajes E1 y E2 son iguales se pueden observar en el anexo del informe, figura N°13 (PAG 37)

Bueno con las disculpas hacia su persona pero nuestro grupo llego hasta el punto 15 dejando

inconclusa las demás preguntas por falta de tiempo ya que la hora nos ganó y no se pudo concluir

esperando que el siguiente laboratorio sea completado todas sus expectativas y los nuestros como

grupo.

Complete el siguiente cuestionario

1) ¿Qué condiciones se deben satisfacer para poder sincronizar un alternador a una línea de potencia

existente?

R) para poder sincronizar un equipo generador a un sistema de red , se deben cumplir ciertos puntos

que son necesarios y esos son :

a) Que ambos estén en sincronismo con las secuencias de fases

b)Que ambos tengan las mismos rpm

c)Que tengan el mismo voltaje .

2) Un alternador podría sufrir grandes daños mecánicos durante el proceso de sincronización con la

línea de alimentación. ¿En cuales condiciones puede suceder esto?

R) esto se puede dar en la ocasión en que el alternador no tenga la misma secuencia de faces que el

sistema de red, el otro factor que puede producir daños mecánicos, es cuando nuestro alternador con el

sistema red no tienen la misma frecuencia o rpm.

10

3) Un alternador puede generar un voltaje diferente del de la línea de alimentación y puede no estar

exactamente en fase con ella, pero debe satisfacer una condición para que pueda entregarle potencia.

¿Cuál es esta condición?

R) Que ambos tengan la misma frecuencia para no generar daños mecánicos.

11

CONCLUSIONES

CONCLUSION GRUPAL

En la experiencia que nos tocó realizar en el laboratorio se puede nombrar que tenemos motores de un

tipo y una alimentación propia y que ese motor lo podemos sincronizar con alternadores .A raíz de esta

sincronización lo que se hace es que nuestro segundo equipo genere energía diferente a la de entrada y

que sea mayor .también que se puede lograr reemplazar el sistema de red por el E2 de salida del

alternador y así produciendo 380 v, lo que nosotros tuvimos que hacer para lograr ese objetivo fue

colocar ambas maquinas en igual velocidad y que los voltajes estuvieran en fase, si esos factores no se

cumplían a cabalidad, lo que iva a ocurrir es que no existiera sincronismo y que nuestras maquinas

tuvieran posibilidad de sufrir daños mecánicos.

CONCLUCION TECNICA

Existen tres formas para poder conectar un motor de C.C, que son las siguientes, en serie, paralelo y

compound .

Pero la más usada es la shunt (paralelo).

En la experiencia que vivimos en el laboratorio puedo decir que teniendo un motor de C.C y teniendo

un reóstato podemos regular el voltaje que entrega el motor ,también podemos ajustar la velocidad

(frecuencia), y que para poder sincronizar nuestro motor con un alternador deben existir unos factores

que son fundamentales que los voltajes se encuentren en fases ,que tengan la misma frecuencia para así

poder sincronizar ambas maquinas.

En el caso de que no se esté dando la sincronización en ambos equipos se debe regular el voltaje con el

reóstato y cambiar unas de las salidas del alternador que va conectada al sincronizador y de esa forma

poder lograr que estén en fase los voltajes.

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MATERIAL TEORICO

Alternador

Definición.-

Es una maquina rotativa que genera corriente eléctrica alterna a partir de otra energía

Mecánica, como un molino de viento, una noria de agua, por vapor, etc.

Diferencias con la dinamo.-

• En el alternador el bobinado inductor está en el rotor, y el inducido en el estator.

• No se pueden mezclar los circuitos del inductor e inducido, por tratarse de c.c. y c.a.

Respectivamente.

• El colector de delgas se reduce considerablemente de tamaño, solo se necesita para la corriente de

excitación del devanado inductor JK.

• El alternador necesita una fuente de alimentación de c.c. externa para el inductor J-K, o bien una

dinamo acoplada a su eje –dinamo excitatriz-.

• El alternador puede construirse para potencias mayores, al ser más fácil aislar los bobinados en el

estator.

• Agrupar en paralelo varios generadores conlleva 3 condiciones: misma f.e.m.,

13

misma frecuencia, mismo orden de fases.

Funcionamiento.- El movimiento mecánico se transmite al rotor de la máquina. El flujo magnético

formado en los polos del rotor es cortado por los devanados del estator, produciéndose aquí unas f.e.m.

fuerzas electromotrices en cada espira del devanado que convenientemente agrupadas se conducen

directamente a la carga.

En la imagen vemos abajo una espira del rotor girando en distintas posiciones; y arriba la gráfica de

tensiones inducidas. Cuando coincide con los polos – línea roja- induce la máxima tensión. Cuando

Coincide con la zona más alejada –línea rosa induce la mínima tensión. Las líneas verde y azul son

intermedias.

El devanado inducido está formado por distintas bobinas distribuidas en los 360º que forma el circulo

estatórico. En el caso de un generador trifásico, cada bobinado estará situado en 120º

14

Motor síncrono.-Tiene la característica principal de girar sólo a la velocidad de sincronismo.

Se llama velocidad sincrónica de un motor en revoluciones por minuto la que tiene el

flujo magnético, se obtiene con la formula

Siendo f frecuencia, p par de polos de la máquina.

El alternador es una maquina reversible, puede funcionar como motor síncrono.

En centrales de generación hidroeléctrica se utilizan como motores durante la noche para subir agua, y

de día como generadores dejando caer esa misma agua.

También se utilizan como condensadores cuando se les sobreexcita con la dinamo excitatriz, para

compensar la potencia inductiva de las instalaciones.

Para su puesta en marcha deben ser lanzados por otro motor hasta alcanzar la velocidad de

sincronismo.

Motor asíncrono.-

15

Todos los motores de c.a. que giran por debajo de la velocidad sincrónica. La diferencia entre ésta y el

rotor se llama deslizamiento.

Son los motores más utilizados industrialmente, especialmente el de rotor en Cortocircuito o de jaula

de ardilla, por ser de funcionamiento seguro y construcción sencilla y barata.

El devanado estatórico se prepara para dos tensiones de funcionamiento, conexiones en triángulo y en

estrella.

Durante el arranque del motor se producen consumos dobles, triples y hasta cuádruples de los

nominales, por lo que se establecen sistemas de arranque suaves que eviten esos picos de potencia.

• Estrella-triangulo convencional.- el motor arranca en posición estrella y se conecta en triangulo en

régimen normal. A partir de 3 CV.

• Autotransformador.- varias tomas de tensión reducida 60, 70, 80 %, se van aplicando sucesivamente

al motor hasta alcanzar el 100%. Para grandes potencias.

• Resistencias estatóricas.- se consiguen tensiones reducidas con grupos de resistencias, que se van

puenteando escalonadamente hasta alcanzar la tensión nominal. Para grandes potencias.

• Arrancador progresivo electrónico.- el dispositivo consigue el arranque con una rampa de valores de

tensión y tiempo programables, el par motor se ve mermado al igual que en los arrancadores

convencionales. Se puede programar igualmente los mismos valores en desconexión.

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• Variador de frecuencia.- Con este dispositivo se ha revolucionado el mundo de la regulación de

velocidad de los motores de c.a. Realizamos el arranque del motor alimentando con poca frecuencia y

subiendo hasta llegar a 50 hz. Sin perder par motor.

La fórmula que relaciona polos del motor, frecuencia y revoluciones por minuto.

Motor Dahlander.-Es un tipo de motor asíncrono que tiene los devanados partidos en dos mitades,

consiguiendo duplicar los polos y por tanto 2 velocidades simplemente cambiando la conexión.

Se utilizan en máquinas herramientas, carpintería, amasadoras, etc.

Motor de inducción monofásico.-Tienen un solo devanado en el estator dividido en bobinas que se

reparten por su superficie y que generan un campo magnético fijo aunque pulsa torio. Estando el rotor

parado no se produce ningún par de arranque, se comporta como un transformador con el secundario en

cortocircuito. Si giramos manualmente el rotor comprobamos que sigue girando.

Veremos a continuación distintos tipos de dispositivos para realizar este primer giro y arrancar el

motor.

Motor de inducción monofásico de fase dividida.-Se utiliza para el arranque un bobinado desfasado

90º por el condensador. Al llegar a cierta velocidad se desconecta por acción del interruptor centrífugo.

Buen par de arranque. Velocidad constante con cargas variables.

Usado en lavadoras, extractores, frigoríficos, etc.

Calculo del condensador:

Siendo

P potencia motor en KW

C capacidad en microfaradios

E tensión en voltios

cos φ el factor de potencia del motor

Motor con polos amortiguadores.-De fabricación más simple que los anteriores, se basa en la

deformación de flujo magnético que se produce en cada polo, tendiendo el rotor a girar hacia el lado de

la espira en cortocircuito.

Pequeño par de arranque, económico, se emplea en ventiladores, tocadiscos, etc.

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Motor de dos tensiones.-El devanado principal se divide para poder ser conectado a dos tensiones en

serie o en paralelo

Motor universal.-Este motor puede funcionar en corriente continua y en alterna. Aunque se fabrica

especialmente para alterna construyendo el estator y el rotor con chapas magnéticas aisladas.

La bobina de compensación ayuda a disminuir las chispas entre las escobillas y el colector.

Se utiliza habitualmente para pequeñas potencias, en electrodomésticos, exprimidoras, batidoras,

aspiradoras, taladros, etc., por su gran par de arranque. El inconveniente es el desgaste de escobillas.

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Motor para afeitadoras eléctricas.-Funciona en corriente continua y en alterna. El principio de

funcionamiento se basa en la interrupción de corriente en la bobina por un juego de contactos

conectado en serie y la inercia de movimiento del rotor junto con la presión que ejerce los contactos

sobre su eje elíptico.

La forma del rotor no es cilíndrica sino rectangular con dos expansiones en los extremos para

determinar el sentido de rotación. vemos el rotor en posición horizontal, se corresponde con los

contactos cerrados, inicia el movimiento en sentido horario. Al ponerse vertical se abren los contactos,

ya no hay atracción, pero la inercia y la presión de los contactos sobre el eje hacen que siga girando

hasta la posición horizontal, en la que se inicia la atracción, y así sucesivamente.

El balancín actúa sobre el mecanismo de las cuchillas.

Este motor alcanza las 8000 rpm revoluciones por minuto.

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Alternadores trifásicos.-El alternador trifásico, como su nombre lo indica, tiene tres devanados

monofásicos espaciados de modo tal que el voltaje en cualquiera de las fases está desplazado 120˚ de

las otras dos. Un diagrama esquemático del estator trifásico mostrando todas las bobinas sería muy

complejo y es muy difícil ver lo que realmente está sucediendo.

El esquema simplificado de la figura, vista A, muestra todas las bobinas de cada fase agrupadas como

una sola.

El rotor se ha omitido por simplicidad. Las ondas de voltaje generadas a través de cada fase están

dibujadas sobre el gráfico, desfasadas 120˚ respecto a las demás. El alternador trifásico que se muestra

en este esquema se compone de tres alternadores monofásicos que generan voltajes desfasados entre sí

120˚.

Las tres fases son independientes de las otras.

Conexiones de un alternador trifásico

En vez de tener seis cables saliendo del alternador trifásico, se pueden conectar juntas tres fases para

formar una conexión Ye (Y), como la que se muestra en la Figura B.

Es llamada conexión Ye (Y) porque, sin el neutro, los devanados se asemejan a la letra Y que en este

caso está hacia un lado o invertida. El neutro es llevado a una terminal cuando se necesita alimentar

una carga monofásica. Se puede obtener voltaje monofásico desde el neutro hasta A, desde el neutro

hasta B y desde el neutro hasta C. En un alternador trifásico conectado en Y, el voltaje total, o voltaje

de línea, a través de cualquiera de los cables de tres líneas es la suma vectorial las voltajes de las fases

individuales. El voltaje de cada línea es 1.73 veces el voltaje de la fase.

20

Debido a que los devanados forman solo un camino para el flujo de corriente entre fases, la corriente de

línea y la de fase son las mismas (iguales). Un estator trifásico puede también ser conectado de modo que

las fases estén conectadas final a final; este tipo de conexión se conoce como conexión en delta figura c.

(Delta porque luce como la letra griega, Δ).

En la conexión delta, los voltajes de línea son iguales a los voltajes de fase, pero cada corriente de línea es

igual a 1,73 veces la corriente de fase. Tanto la conexión Y como la Δ son usadas en alternadores. La

mayoría de los alternadores usados actualmente son trifásicos. Son mucho más eficientes que los bifásicos

o monofásicos.

Conexiones trifásicas

Las bobinas de estator de los alternadores trifásicos pueden juntarse en conexiones en ye o delta, como

muestra la Figura. Con esas conexiones solo salen tres cables del alternador. Esto permite una conexión

conveniente a motores trifásicos o transformadores de distribución. Es necesario usar los transformadores

trifásicos o sus equivalentes eléctricos con este tipo de sistema.

}

Conexiones de un alternador o transformador trifásico

Un transformador trifásico puede ser hecho a partir de tres transformadores monofásicos conectados en

delta, ye o una combinación de ambos. Si tanto el primario como el secundario están conectados en ye,

el transformador es llamado un ye-ye.

21

Si ambos devanados están conectados en delta, el transformador es llamado un delta-delta. La Figura

muestra un transformador monofásico conectado en forma delta-delta para su operación en un sistema

trifásico. Notará que los devanados del transformador no están alineados para mostrar la típica delta

(Δ) como ha sido hecho con los devanados de un alternador. Físicamente, cada transformador en el

diagrama permanece solo. No hay relación angular entre los devanados de los transformadores

individuales.

De cualquier modo, si usted sigue las conexiones, verá que forman una delta eléctrica. Los devanados

primarios, por ejemplo, están conectados a cada otro para formar un lazo cerrado. Cada una de esas

uniones es alimentada con un voltaje de fase proveniente de un alternador trifásico. El alternador puede

ser conectado tanto en ye como en delta dependiendo de la carga, los requerimientos de voltaje y el

diseño del sistema.

Transformadores trifásicos conectados en forma delta-delta

22

La figura muestra transformadores trifásicos conectados en ye-ye. Nuevamente, note que los

devanados del transformador no están alineados. Eléctricamente, la Y es formada por las conexiones.

Las partes más bajas de cada devanado son puestas en contacto. Estas forman el punto común de la y.

El lado opuesto de cada devanado es aislado. Estas terminaciones forman los brazos de la ye.

Transformadores trifásicos conectados en ye-ye

23

La energía alterna en la mayoría de barcos es distribuida por un sistema trifásico de 450V. Los

transformadores monofásicos bajan el voltaje hasta 117V. Estos transformadores están conectados de

forma delta-delta, como en la figura 3. Con la configuración delta-delta, la carga puede ser un

dispositivo trifásico conectado a todas las fases,o puede ser un aparato monofásico conectado

solamente a una de las fases.

En este punto, es importante recordar que tal sistema de distribución incluye todo entre el alternador y

la carga. Debido a las muchas elecciones que el sistema trifásico provee, se debe tener cuidado de

asegurarse que cualquier cambio de las conexiones no proveerá el voltaje o la fase equivocada a la

carga.

Frecuencia de salida La frecuencia de salida de la energía que sale del alternador depende de la

velocidad de rotación y del número de polos que este posea. A mayor velocidad, más alta la frecuencia.

Entre más baja sea la velocidad, menor es la frecuencia.

Entre más polos haya en el motor, más alta será la frecuencia para una velocidad dada. Cuando un rotor

ha rotado1 a través de un ángulo en el cual dos polos adyacentes (un polo norte y uno sur) han pasado

un devanado, el voltaje inducido en dicho devanado habrá variado un ciclo completo. Para una

frecuencia dada, entre más pares de polos haya, más baja será la velocidad de rotación necesaria.

El principio es ilustrado en la figura 5; un generador de dos polos debe rotar a cuatro veces la

velocidad de un generador de ocho polos para producir la misma frecuencia de voltaje generado.

24

Regulación de frecuencia

La frecuencia de cualquier generador de ac en Hertz (Hz), que es el número de ciclos por segundo, está

relacionada con el número de polos y la velocidad de rotación, como lo expresa la ecuación:

F = NP/120

Donde P es el número de polos, N es la velocidad de rotación en revoluciones por minuto (rpm), y 120

es una constante que permite la conversión de minutos a segundos y de polos a pares de polos.

Ejemplos

Por ejemplo, un alternador de 2 polos y 1800rpm tiene una frecuencia de 60Hz; determinada como

sigue a continuación:

(2 x 3600) / 120 = 25 Hz

Un generador de 4 polos y 1800rpm también tiene una frecuencia de 60Hz. Un generador de 6 polos y

500rpm tiene una frecuencia de:

(6 x 500) / 120 = 25Hz

Un generador de 12 polos y 4000rpm tiene una frecuencia de:

(12 x 4000) / 120 = 400Hz

MAQUINAS ROTANTES

GENERALIDADES.

Las máquinas eléctricas rotantes tienen la particularidad de convertir energía eléctrica en mecánica o

viceversa.

Una primera clasificación que puede hacerse es por su función:

• Generador, máquina que produce energía eléctrica por transformación de la energía mecánica.

• Motor, máquina que produce energía mecánica por transformación de la energía eléctrica.

25

• Convertidor rotativo que convierte energía eléctrica de una forma a otra (cambiando frecuencia,

convirtiendo corriente alterna en continua etc.) máquina muy utilizada en el pasado.

Si se clasifican por la fuente de energía que las alimenta o que representan se tiene:

• Máquinas de corriente continua

• Máquinas de corriente alterna

Estas últimas por sus características constructivas y de velocidad se clasifican en:

• Máquinas asincrónicas

• Máquinas sincrónicas

A partir de este capítulo nos ocuparemos de tres máquinas rotantes en las que se reúnen todos los conceptos

principales de proyecto de cualquier otra, y en el siguiente orden:

• iniciaremos con el alternador como ejemplo de máquina sincrónica,

• continuaremos con el motor asincrónico,

• y finalmente la máquina de corriente continua (generador o motor).

Las máquinas rotantes utilizadas en los sistemas eléctricos tienen características que son objeto primero de

especificación, luego de garantías y finalmente de comprobación mediante ensayos.

PARAMETROS NOMINALES.

Son datos que en base a las condiciones de servicio definen las prestaciones que puede entregar la máquina

en condiciones especificadas.

Se presentan como el conjunto de valores numéricos de las magnitudes eléctricas y mecánicas asignadas a

la máquina por el constructor e indicadas en la chapa de características.

Potencia nominal

Este valor establece las bases de diseño, de construcción y de garantías.

Generalmente cuando no se especifica otra cosa se supone que la máquina es de servicio continuo, es decir,

puede funcionar con carga constante un tiempo ilimitado en el cual alcanzará un equilibrio térmico

aceptable y no perjudicial para la vida útil de la máquina. Esto también incluye el funcionamiento

permanente a potencia máxima

Para las máquinas rotantes se establecen dos regímenes extremos de funcionamiento, en vacío y a

plena carga.

26

Funcionamiento en vacío es la condición de funcionamiento de una máquina con carga nula (el resto de

condiciones de operación son las nominales).

Funcionamiento a plena carga es cuando se tiene el mayor valor de carga indicada para una máquina

funcionando a la potencia nominal.

Momento de inercia

El momento de inercia (dinámico) de un cuerpo alrededor de un eje es la suma (integral) de los productos

de sus masas elementales por el cuadrado de sus distancias radiales al eje.

Constante de tiempo térmica equivalente

La constante de tiempo térmica equivalente es la constante de tiempo que, en reemplazo de otras

individuales, determina aproximadamente la evolución de la temperatura en un arrollamiento a

consecuencia de una variación de corriente en escalón

Producción de corriente alterna (senoidal)

Si hacemos girar una espira en el interior de un campo magnético, se inducirá en cada conductor una

fuerza electromotriz inducida de valor:

e = β · L · v · sen α

Siendo α el ángulo entre la inducción magnética y la velocidad o sentido del movimiento que, como se

ve en la figura, varía de 0º a 360º a cada vuelta del conductor.

β es la densidad de campo, L es la longitud de la espira, v es la velocidad de rotación.

27

Si la espira está formada por un conductor de ida y otro de vuelta, en la espira se induce una f.e.m.:

e = 2 · β · L · v · sen α

Si la bobina tiene Ne espiras:

e = 2 · Ne · β · L · v · sen α

Para evitar el enrollamiento de los conductores es necesario dotar al conjunto de unos anillos rozantes.

Si mantenemos constante la inducción del campo y la velocidad de giro, siéndolo también el número

de conductores y la longitud de los mismos, tendremos:

2 · Ne · β · L · v = e

max Constante

e = emax

· sen α

Como puede deducirse de la fórmula la f.e.m. resultante tendrá forma senoidal.

Si además expresamos el ángulo girado en función de la velocidad angular:

ω = α / t

28

e (t) = emax

· sen ω ·t

Donde ω ·t representa el ángulo girado en radianes, siendo ω la velocidad angular en rad/s.

Generación de CA trifásica

Haciendo girar una espira en un campo magnético se puede conseguir una corriente alterna senoidal

(monofásica).

Si en vez de una única espira hacemos girar tres espiras a 120º (360º/3) unas de otras, se consiguen tres

tensiones alternas senoidales de igual frecuencia y amplitud pero desfasadas 120º entre sí:

Para sacar las tensiones al exterior sería necesario un sistema de anillos rosantes y escobillas colectoras que

a las tensiones usuales, de 10 a 20 kV, generan ciertos problemas eléctricos y mecánicos.

29

En los alternadores modernos se sitúan las bobinas en el estator dotando al rotor de un potente electroimán

que, al ser alimentado por una corriente continua, genera el campo magnético. Se evita de esta forma el

complejo sistema de anillos colectores.

Existen dos formas básicas de conexión de estas bobinas a las líneas exteriores: conexión en estrella y

conexión en triángulo.

Tensión simple o de fase: Cada bobina del alternador trifásico se comporta como un generador

monofásico, generando entre sus terminales una tensión denominada simple o de fase.

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Tensión compuesta o de línea: De cada borne 1, 2 y 3 de la figura sale un conductor de línea. A la

tensión entre dos líneas se le denomina compuesta o de línea.

En el caso de la conexión estrella puede existir un cuarto conductor NEUTRO (saliendo del borne 0). Las

tensiones de una línea al neutro coinciden con las tensiones en cada bobina, siendo por tanto tensiones de

fase.

Factor de potencia

FACTOR DE POTENCIA: Coseno del ángulo que forman la intensidad de fase y la tensión de fase. Este

ángulo será igual al de la impedancia conectada.

Motor asíncrono trifásico. Principio de funcionamiento

Se dispone de un imán en forma de U, de tal forma que pueda girar por su eje central mediante una

manivela. Muy próximo a los polos se sitúa un disco de material conductor no magnético (cobre o

aluminio), de tal forma que también pueda girar. Al hacer girar el imán permanente se puede observar que

el disco también gira, pero a un poco menos velocidad que el imán.

El imán en su giro corta el disco que es conductor induciendo f.e.m. y creando corrientes.

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• Las corrientes interactúan con el campo del imán dando lugar a fuerzas que provocan el giro del disco.

En los motores asíncronos el campo giratorio lo produce un sistema de C.A. trifásica, cuya velocidad de

giro dependerá de la frecuencia de las corrientes y del número de pares de polos de que conste el motor:

VELOCIDAD DE SINCRONISMO

En la figura puede verse el bobinado de una máquina de un sólo par de polos. Cada ciclo de red el campo

magnético giratorio da una vuelta completa.

Para una frecuencia de la red de 50 Hz, el campo da 50 vueltas por segundo, esto es, 3000 r.p.m.

A la derecha puede verse el bobinado de una máquina de dos pares de polos. Cada ciclo de red el

campo magnético giratorio da media vuelta.

Para una frecuencia de la red de 50 Hz, el campo da 50/2 vueltas por segundo, esto es, 1500 r.p.m.

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Como puede deducirse de la fórmula, la velocidad de sincronismo, velocidad con la que gira el campo

magnético, será submúltiplo de 60· f, es decir de 60x50 = 3000 r.p.m. en Europa, ya que la frecuencia

de la red es de 50Hz. Para un número de pares de polos diferente de la unidad (siempre un número

entero) surgirán velocidades inferiores.

Motor asíncrono de rotor en cortocircuito

ESTATOR

Parte fija del motor formada por paquetes de chapa magnética que alojan en ranuras a las bobinas que van a

crear el campo magnético giratorio.

Estas bobinas pueden estar conectadas en estrella o en triángulo.

Por ejemplo un motor de 380/220 V se podrá conectar a una red de 380 V en estrella o a otra de 220 V

en triángulo. En cualquier caso cada bobina estará a la tensión de fase de 220 V.

Esto es así porque la tensión que soporta cada bobinado conectado en estrella es raiz de tres veces

menor que conectado en triángulo

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ROTOR

Parte del motor que va a girar y que está formada por paquetes de chapa magnética de forma cilíndrica en

torno a un eje, con ranuras en las que se alojan conductores de aluminio cortocircuitados en sus extremos

por medio de anillos (Jaula de ardilla).

DESLIZAMIENTO

El rotor nunca girará a la velocidad de sincronismo, ya que si iguala la velocidad de giro del campo del

estator, las líneas de fuerza no cortarían a los conductores y no se generarían f.e.m., ni corrientes, ni par

para mantener el movimiento.

Se llama deslizamiento a la diferencia entre la velocidad a la que gira el rotor y la velocidad de

sincronismo, normalmente dada en % de la de sincronismo.

ARRANQUE

Al estar los conductores del rotor en reposo, son cortados por el campo giratorio a gran velocidad, lo que

crea gran f.e.m. inducida que dan lugar a grandes intensidades en el arranque acompañadas de un fuerte par

de arranque.

34

CARGA

Girando el motor en vacío, la velocidad del rotor es muy próxima a la del campo del estator siendo esta

pequeña diferencia la que permite al campo cortar los conductores del rotor induciendo pequeñas f.e.m. y

pequeñas intensidades suficientes para crear el par necesario.

Si aumenta el par que debe realizar el motor, éste baja su velocidad, aumentando el deslizamiento e

induciendo mayor f.e.m. y corrientes, capaces de provocar el aumento de par necesario.

CARACTERÍSTICA PAR-VELOCIDAD

Los motores asíncronos trifásicos tienen aproximadamente las siguientes características:

• Par de arranque de 1,5 a 2 veces el nominal.

• Par máximo de 2 a 3 veces el nominal a una velocidad del 80% de la de sincronismo.

• Par nominal con un deslizamiento del 2% al 8%.

La relación del par máximo y el nominal (Cmax

/Cn) se denomina capacidad de sobrecarga.

El punto de funcionamiento del motor es la intersección de la curva del par motor con la del par

resistente. Esto ocurre para el par nominal del motor en torno al 92-98% de la velocidad de

sincronismo (zona de la derecha de la curva).

Si el par resistente disminuye, la intersección tiene lugar más a la derecha, a una velocidad algo mayor,

mientras que si el par resistente aumenta, el motor reduce su velocidad.

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Motor asíncrono de rotor bobinado o de anillos rozantes

En estos motores, el estator posee las mismas características que el motor con rotor en cortocircuito,

pero el rotor se construye insertando un devanado trifásico en las ranuras de un núcleo cilíndrico de

chapas magnéticas.

Este devanado se conecta normalmente en estrella y los tres terminales restantes se conectan a tres

anillos rozantes que a través de unas escobillas permiten la conexión exterior de unas resistencias para

limitar la corriente rotórica.

La inserción de estas resistencias permite la reducción de la intensidad de arranque manteniendo un

buen par que incluso puede ser máximo en el arranque.

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Su inconveniente es su mayor precio y coste de mantenimiento, llegando casi a desaparecer en la

actualidad debido a los sistemas electrónicos de arranque para el motor de rotor de jaula.

1. Se conecta KM1.

2. Temporización.

3. Se conecta KM2.

4. Temporización.

5. Se conecta KM3.

Balance de potencias y par motor

El diagrama siguiente representa la evolución de la potencia en un motor asíncrono, desde la potencia

absorbida de la red hasta la potencia útil en el eje, siendo q1 el número de fases del estator y q2 el

número de fases del rotor:

La potencia total absorbida de la red por el

estator va sufriendo ciertas pérdidas:

Cada pérdida va generando una nueva potencia

en el motor hasta llegar a la potencia útil:

• Pérdidas en el cobre del estator.

• Pérdidas en el hierro del estator.

• Pérdidas en el cobre del rotor.

• Pérdidas mecánicas.

• Potencia del campo magnético.

• Potencia electromagnética.

• Potencia mecánica interna.

• Potencia útil

37

Es interesante conocer la variación sufrida por el par motor en función de la tensión y la frecuencia:

38

Anexo

Figura N 1

39

FIGURA

N 2

El acople del

motor de CD al

alternador

por medio de

la banda

como se puede

apreciar

en la imagen.

40

FIGURA N 3

Aquí se puede apreciar el sentido de las manecillas

41

FIGURA N4

Se puede apreciar el interruptor en posición abierta.

FIGURA N5

Como se puede apreciar el tacómetro

llego a la 1500 RPM

42

FIGURA N7

Apreciación de los voltímetros V1 Y V2

V2 v1

43

FIGURA N8

Luces parpadeantes

FIGURA 9

44

FIGURA N10

Intercambiando las conexiones entre 1 y 2

FIGURA N11

45

Como se puede ver como las luces aumentan.

FIGURA N12

46

FIGURA N13

FIGURA N14

20 VOL

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