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proyecto de electromacnetismo
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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).
R) ver en anexo de informe figura N°3 (PAG 32 )
4) Ponga el interruptor de sincronización en posición abierta
R) ver en anexo de informe figura N°4 (PAG 33)
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.
R) ver en anexo de informe figura N°8 (PAG 34 )
9) Ajuste con cuidado la velocidad del motor de C-d hasta que la frecuencia de encendido de las
lámparas sea bastante baja.
R) ver en anexo de informe figura N°9 (PAG 35 )
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.
R) ver en anexo de informe figura N°10 (PAG 35)
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.
R) ver en anexo de informe figura N°11 (PAG 36)
13) Cuando los tres focos se hayan apagado por completo, los voltajes del alternador y del sistema de
distribución de energía están en fase.
R) ver en anexo de informe figura N°12 (PAG 36 )
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.
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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.
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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.
16
• 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.
18
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.
19
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.
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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.
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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
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Es interesante conocer la variación sufrida por el par motor en función de la tensión y la frecuencia:
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Anexo
Figura N 1
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FIGURA
N 2
El acople del
motor de CD al
alternador
por medio de
la banda
como se puede
apreciar
en la imagen.
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FIGURA N 3
Aquí se puede apreciar el sentido de las manecillas
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FIGURA N4
Se puede apreciar el interruptor en posición abierta.
FIGURA N5
Como se puede apreciar el tacómetro
llego a la 1500 RPM
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FIGURA N7
Apreciación de los voltímetros V1 Y V2
V2 v1
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FIGURA N8
Luces parpadeantes
FIGURA 9
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FIGURA N10
Intercambiando las conexiones entre 1 y 2
FIGURA N11
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Como se puede ver como las luces aumentan.
FIGURA N12
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FIGURA N13
FIGURA N14
20 VOL
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