Objetivo General

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Identificar el principio de operación del motor de inducción monofásico y clasificarlos en función a su potencia y tipo de arranque, para seleccionar el motor adecuado en función a la aplicación demandada.

Objetivos específicos

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• Describir el principio de operación de los motores de inducción monofásicos.
• Identificar el funcionamiento de los distintos dispositivos de arranque en los motores monofásicos.
• Seleccionar el tipo de motor adecuado en función a las aplicaciones requeridas.

Repaso e introducción a generadores

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Máquinas rotativas de corriente alterna

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Máquinas síncronas

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Las máquinas rotativas de corriente alterna se clasifican en:

Síncronas:  Son aquellas en las que el rotor gira a la velocidad de sincronismo.

La velocidad de giro del rotor es la misma que la velocidad de giro del campo magnético. 

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Circuito magnético de las máquinas síncronas

Esta constituido por dos partes, una ubicada en el estator y otra en el rotor. En este caso, a diferencia de la máquina de corriente continua, la armadura está en la parte fija o estator, y la culata en la parte móvil o rotor.

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Máquinas síncronas

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Así, el circuito magnético fijo es la armadura, que está formada por un apilamiento de chapas magnéticas embutido en la carcasa del estator. Está ranurada axialmente para permitir alojar en ella las bobinas del devanado inducido. Las ranuras pueden tener diferentes tamaños y formas en función del tipo y de la potencia de la máquina

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Máquinas síncronas

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Las máquinas síncronas tienen dos circuitos eléctricos: el inductor y el inducido. Sin embargo, la principal diferencia respecto a las primeras está en que la disposición de los devanados está invertida,

El inducido en el estator y el inductor en el rotor.

Máquinas síncronas

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Circuito inductor

Es el encargado de generar el campo magnético de excitación. Se encuentra bobinado sobre el rotor formando un número fijo de polos, que en el recorrido de su contorno deben ser de signo alternativo, es decir, N,S,N,S,etc. 

El número de polos se define en el momento de la construcción del rotor, por tanto, si la máquina ha sido diseñada para 4 polos, no se podrá utilizar para un número diferente.

Máquinas síncronas

Ejemplo número de polos

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There are four magnetic poles on the rotor (the inner part that turns with the shaft): two north poles and two south poles. Magnetic poles will always come in sets of two (one north and one south). Therefore, number of poles will be even multiples of two: 2, 4, 6, 8, 10,etc.

The Speed of the shaft is related to the number of electrical poles and the system frequency as given by this equation:

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Se denomina entrehierro al espacio que existe entre la armadura y el rotor.

Máquinas síncronas

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Circuito inductor

Máquinas síncronas

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El colector de anillos/ anillos colectores/ anillos rozantes

La alimentación del circuito del rotor en una máquina síncrona no requiere conmutación. Por este motivo no es necesario montar en él un sistema complejo como un colector de delgas(c.d.) La conexión se realiza mediante un par de anillos que alimentan cada uno de los terminales del devanado inductor, y sobre los que se apoyan las escobillas.

Máquinas síncronas

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Desde el punto de vista del mantenimiento, el colector de anillos y sus escobillas son mucho más duraderos que sus equivalentes en las máquinas de corriente continua. Al no haber conmutación, el desgaste por contacto eléctrico es mínimo.

Máquinas síncronas

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Máquinas síncronas

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El circuito inducido

El devanado del inducido se encuentra alojado en el estator y, en función del número de fases para el que ha sido diseñado, puede ser monofásico, bifásico o trifásico.

El inducido de una máquina trifásica síncrona, así como el de una asíncrona, está formado por tres devanados, uno por fase, que se entrelazan entre sí siguiendo un diseño geométrico a través de las ranuras de la armadura

El número de polos del inducido debe ser el mismo que el número de polos del devanado de excitación o inductor.

Máquinas síncronas

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La caja de bornes

Desde el interior de la máquina a la caja de bornes llegarán 8 conductores. Seis de ellos pertenecen a los devanados del inducido(dos por fase ocho) y dos son los procedentes del portaescobillas que alimentan el circuito inductor.

Máquinas síncronas

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Para etiquetar los distintos terminales se usan las letras U,V,W seguidas de un número, que indica si el terminal es un principio o un final. U1-U2, corresponden a los terminales del devanado de una de las fases.

De igual forma, la conexión entre los devanados de una máquina síncrona puede hacerse en estrella o en triángulo, teniendo en cuenta la relación entre tensiones de fase y línea.

Máquinas síncronas

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Máquinas síncronas

El principal uso de la máquina síncrona es como generador de corriente alterna, recibiendo en este caso el nombre de alternador.

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Motor vs Generador

Los generadores cambian la energía mecánica en energía eléctrica, en tanto que los motores cambian la energía eléctrica en energía mecánica. Son muy parecidos, están construidos de la misma forma general y, ambos, dependen de los mismos principos electromagnéticos.

Generador vs Motor

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La excitación de un alternador puede conseguirse de diferentes formas: sistemas estáticos de alimentación (baterías) o mediante un sistema de generación o excitatriz acoplado al propio eje de la máquina.

Generador vs Motor

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Si se aplica al eje una fuerza motriz a la vez que se alimenta el circuito de excitación con una fuente externa de Vcc, se obtiene en sus bornes una tensión alterna trifásica, cuya frecuencia depende de la velocidad de giro.

Generador vs Motor

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Los alternadores son los encargados de producir la mayor parte de la energía eléctrica que utilizamos en la actualidad. Estos se encuentran en las centrales de producción elécctrica y son movidos utilizando sistemas hidráulicos, eólicos o por vapor a presión.

La mayoría de los alternadores son de tipo trifásicos, sin embargo para baja potencia, pueden ser monofásicos o bifásicos.

Generador vs Motor

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La armadura se gira por un elemento que se denomina primomotor, que dependiendo de la fuente primaria de energia puede estar accionada por agua, vapor, turbinas de viento o motores a gasolina o diesel.

Generador

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Generador

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El voltaje generado se aplica a la carga externa alimentada a través de un transformador o tableros, como se muestra en la figura

Generador

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Generador

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Suponiendo que el primomotor se acopla al rotor de un generador, si la fuerza de giro no es suficientemente grande, no gira el rotor, aun cuando se aplica un par, no hay potencia mecánica, para obtenerla se debe tener movimiento. La potencia es la capacidad de usar energía, la potencia mecánica depende de la velocidad y el par.

Generador

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En el sistema métrico de unidades, la potencia mecánica se mide en watts (W) y la velocidad del rotor generalmente se mide en revoluciones por minuto (r.p.m)

La ecuación para el cálculo de la potencia es:

Generador

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En el sistema ingles de unidades, la potencia mecánica se mide en caballos de fuerza (HP).

La ecuación para el cálculo de la potencia es:

Generador

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Generador

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El voltaje inducido

En la medida que el rotor gira a una velocidad constante, se induce una onda senodial de voltaje, el valor de este voltaje depende de la velocidad del rotor, a mayor rapidez el voltaje es mayor. también depende de la intensidad de campo magnético, a mayor intensidad, mayor voltaje inducido.

Generador

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Para un generador trifásico, se deben tener tres bobinas de armadura que están desplazadas entre si 120, a cada una de las bobinas se les denomina fase. se designan tres fases: fase A, fase B y fase C.

Generador

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La magnitud del voltaje en cada fase se calcula como

Generador

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Formas de onda del voltaje generado en un generador trifásico

Generador

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Generador

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Máquinas rotativas de corriente alterna

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Máquinas asíncronas

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Máquinas asíncronas o de inducción funcionan a una velocidad diferente (inferior) a la de sincronismo. El funcionamiento como motor es el principal uso de las máquinas asíncronas. No obstante, se utilizan con regularidad como generadores.

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De la misma forma que las máquinas síncronas, las asíncronas están formadas por un circuito magnético y dos circuitos eléctricos, además de otros elementos como son: la carcasa, escudos, tapas, base de fijación, etc.

Máquinas asíncronas

Estator 

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El estator de una máquina síncrona es similar al de una máquina asíncrona, incluso puede ser el mismo

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Rotor

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En cuanto al rotor puede ser de dos tipos:

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Rotor

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En cuanto al rotor puede ser de dos tipos:

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Máquinas asíncronas

Referencia Adicional

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Máquinas rotativas de corriente alterna

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Máquinas asíncronas

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Las máquinas rotativas de corriente alterna se clasifican en:

Síncronas:  Son aquellas en las que el rotor gira a la velocidad de sincronismo.

La velocidad de giro del rotor es la misma que la velocidad de giro del campo magnético. 

La velocidad de sincronismo en una máquina eléctrica de corriente alterna es la velocidad a la que gira el campo magnético rotante.

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Máquinas asíncronas

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Las máquinas rotativas de corriente alterna se clasifican en:

Asíncronas: Deben su nombre a que funcionan a una velocidad diferente(inferior) a la de sincronismo.

El funcionamiento como motor es el principal uso de las máquinas asíncronas. No obstante, en la actualidad, se están utilizando con regularidad como generadores, aunque su estudio, se sale de los objetivos del curso.

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Máquinas asíncronas (trifásico)

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Máquinas asíncronas

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De manera análoga a la máquina síncrona, la asíncrona cuenta con un circuito magnético y dos circuitos eléctricos, además de otros elementos como la carcasa, tapas,etc.

El circuito magnético esta formado por dos partes: una fija en el estator y una móvil en el rotor.

En cuanto al rotor, puede ser de dos tipos:

• rotor en corto circuito
• rotor ranurado

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Máquinas asíncronas

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Máquinas asíncronas

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Armadura o estator

El estator es idéntico al utilizado en las máquinas síncronas, no existe ninguna diferencia entre ambos.

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Así, el circuito magnético fijo es la armadura, que está formada por un apilamiento de chapas magnéticas embutido en la carcasa del estator. Está ranurada axialmente para permitir alojar en ella las bobinas del devanado inducido. Las ranuras pueden tener diferentes tamaños y formas en función del tipo y de la potencia de la máquina

Máquinas asíncronas

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Máquinas asíncronas

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Rotor en corto circuito

Este tipo no dispone de ranuras abiertas que permitan insertar en ellas un bobinado ejecutado a base de hilo o pletina esmaltada. constituido por barras rígidas que se cierran en cortocircuito en sus extremos, formado así su propio devanado.

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Máquinas asíncronas

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Rotor ranurado

Se encuentra ranurado en todo su contorno para permitir alojar en el un devanado construido a base de bobinas de hilo o pletina esmaltada.

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Máquinas asíncronas

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De manera análoga a la máquina síncrona, la asíncrona cuenta con un circuito magnético y un circuito eléctrico.

El circuito eléctrico esta formado por dos circuitos: uno en el rotor y otro en el estator.

Si consideramos su funcionamiento como motor, el circuito inductor se encuentra ubicado en el estator y el inducido en el rotor.

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Inductor

El devanado del inductor es idéntico al utilizado en el estator de la máquina síncrona.

En la industria, aunque existen devanados de tipo monofásico y bifásico, mayoritariamente son de tipo trifásico, que están formados por tres devanados (uno por fase) distribuidos por el perímetro de la armadura y separados entre si 120 eléctricos.

La velocidad de giro dependerá del número de polos y la frecuencia de la red de alimentación.

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Máquinas asíncronas

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Inducido

Es el circuito eléctrico que está ubicado en el rotor. Puede ser de dos tipos: de barras en cortocircuito o bobinado.

De barras en cortocircuito:

formado por barras normalmente de aluminio, embutidas en ranuras ciegas en el tambor del rotor, que se cierran en sus extremos mediante discos del mismo material. Llamados frecuentemente rotores de jaula de ardilla por su aspecto.

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Máquinas asíncronas

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Máquinas asíncronas

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Este tipo de máquinas es el más utilizado en la actualidad debido a que su mantenimiento es prácticamente nulo gracias a al ausencia de conexiones móviles o rozantes, algo que es característico en los sistemas basados en colector.

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Máquinas asíncronas

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El conexionado de un motor al exterior se realiza a través de los seis bornes de su caja de conexiones, pudiendo hacerse en estrella o en triángulo.

La conexión estrella es para la tensión mayor y la conexión triángulo para la menor.

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Máquinas asíncronas

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Inducido

Es el circuito eléctrico que está ubicado en el rotor. Puede ser de dos tipos: de barras en cortocircuito o bobinado.

De rotor bobinado

El tambor del rotor es de tipo ranurado y en el se alojan las bobinas que constituyen el devanado, que recibe el nombre de rotórico.  

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Máquinas asíncronas

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Una de las características es que dispone de un elevado par de arranque respecto a los motores de rotor en jaula de ardilla de ranura normal, sin embargo han quedado relegados para aplicaciones muy específicas.

Suele estar formado por tres devanados conectados en estrella por uno de sus extremos y a los anillos de colector por el otro.

Puede variar el número de devanados cuidando mantener mismo número de polos que tenga el estator.

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Máquinas asíncronas

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Máquinas asíncronas

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Los motores de rotor bobinado, también denominados de anillos rozantes, están diseñados para trabajar en cortocircuito.

En la figura se observan el colector de anillos y escobillas.

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Máquinas asíncronas

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Los motores de rotor bobinado, también denominados de anillos rozantes, están diseñados para trabajar en cortocircuito.

En la figura se observan el colector de anillos y escobillas.

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Máquinas asíncronas

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Máquinas asíncronas

Motores monofásicos

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Los motores monofásicos están diseñados para conectarse a un sistema de alimentación monofásico (fase+neutro).

En general suelen disponer de baja potencia, aunque en los utilizados como climatizadores rompen esta norma.

Motores monofásicos

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Su clasificación puede ser la siguiente:

• Motores de inducción:

Motor de fase partida o fase auxiiliar, con condensador y con relé de arranque.

• Motores de rotor bobinado

Motor universal

Motor de fase partida

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Estos motores están construidos por un circuito eléctrico y otro magnético, coinciden con los circuitos ya vistos para motores de inducción con rotor en cortocircuito.

El circuito eléctrico se encuentra en el estator y esta formado por dos devanados de tipo distribuido.

Uno de ellos es el devanado de trabajo o principal y otro es el devanado de arranque o auxiliar.

Ambos están desfasados entre sí 90 grados eléctricos.

Además , el devanado auxiliar está constituido por bobinas, espiras y un conductor de menor diámetro, por lo que la impedancia entre ambos devanados es diferente.

Motor de fase partida

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Un motor monofásico está diseñado para trabajar con un solo devanado (el principal). Como con él es incapaz de arrancar por sí mismo, es necesario conectar otro devanado (el auxiliar) para hacerlo funcionar durante unos instantes, como un bifásico.

De esta manera se produce el par de arranque necesario.

Motor de fase partida

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El devanado de arranque no está diseñado (por el número de espiras y diámetro del conductor) para trabajar de forma continuada, de modo que debe desconectarse al haber cumplido su función, que es el arranque del motor.

Para ello se utiliza habitualmente un dispositivo denominado interruptor centrífugo, no es mas que un contacto eléctrico, normalmente cerrado, acoplado a uno de los escudos de la carcasa que se abre por el giro del motor.

Motor de fase partida

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El interruptor centrífugo se conecta en serie con el devanado de arranque, y el conjunto a su vez en paralelo con el devanado de trabajo.

Las conexiones entre ambos se hacen en el interior del motor y rara vez se sacan los terminales de ambos devanados de forma independiente a la caja de bornes.

Motor de fase partida

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La inversión del sentido de giro se consigue permutando  las dos terminales de conexión de un devanado respecto a otro.

Este tipo de motores presentan un bajo par de arranque, solamente se utilizan para aplicaciones domésticas donde la carga sobre su eje no resulte demasiado crítica.

Motor de fase partida

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El interruptor centrifugo como cualquier dispositivo electromecánico, sufre desgaste con el uso y, por tanto, genera averías y fallos que pueden desembocar en un funcionamiento anómalo del motor.

Debido a la posición del interruptor, si hay inconvenientes con el interruptor debería desmontarse el conjunto para acceder a el y repararlo.

Motor de fase partida

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Motor de fase partida

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Motor de fase partida

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Tarea

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Con base en la información vista y su investigación en el curso de respuesta a las siguientes interrogantes (justificar sus respuestas):

1. ¿Donde se ubica el inductor del alternador?
2. ¿Una maquina síncrona puede llegar a la velocidad de sincronismo?
3. ¿En que basan su funcionamiento los motores de corriente alterna?
4. ¿De que depende la velocidad de un motor de c.a?

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Tarea

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Con base en la información vista y su investigación en el curso de respuesta a las siguientes interrogantes (justificar sus respuestas):

1. ¿Cuales son los elementos involucrados en un motor de rotor bobinado
2. ¿Que significa el termino polos consecuentes y en que tipo de devanado se utiliza?
3. En la clasificación vista en el curso, ¿donde se ubica el motor de fase partida?
4.  ¿En qué consiste el mantenimiento preventivo de un motor de fase partida?

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TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

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Los transformadores para los circuitos trifásicos se pueden fabricar de dos maneras. Una de ellas consiste simplemente en tomar tres transformadores monofásicos y conectarlos en un banco trifásico. Otra alternativa es construir transformadores trifásicos con tres grupos de devanados enrollados en un núcleo común.

TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

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El transformador trifásico como tal es más ligero, pequeño, barato y un poco más eficiente.

El uso de tres transformadores monofásicos por separado tiene la ventaja de que cualquier unidad del banco puede ser reemplazada individualmente si se presenta alguna falla.

A fin de potencialmente ahorrar dinero, una instalación sólo podría necesitar tener un transformador monofásico separado sencillo para respaldar todos los trifásicos.

Conexiones de transformadores

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Un transformador trifásico consta de tres transformadores, ya sea separados o combinados sobre un solo núcleo.

Los primarios y secundarios de cualquier transformador trifásico se pueden conectar independientemente en ye (Y) o en delta (D).

Conexiones de transformadores

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Cualquier transformador del banco se comporta exactamente como los transformadores monofásicos ya estudiados.

La impedancia, la regulación de voltaje, la eficiencia y los demás cálculos para los transformadores trifásicos se llevan a cabo con base en un criterio por fase, utilizando exactamente las mismas técnicas desarrolladas para los transformadores monofásicos.

CONEXIÓN YE-YE(estrella-estrella)

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Considerando que el voltaje de linea en primario y secundario se relaciona por la raiz de 3 con el voltaje de fase, la relación de voltaje general en el transformador es:

Representación alterna

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CONEXIÓN YE-YE(estrella-estrella)

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Potenciales problemáticas graves.

1. Si las cargas en el circuito del transformador no están equilibradas, entonces los voltajes en las fases del transformador pueden llegar a desequilibrarse severamente.
2. Los voltajes de terceras armónicas pueden ser grandes.

CONEXIÓN YE-YE(estrella-estrella)

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Solución a las problemáticas mencionadas

1. Conectando sólidamente a tierra los neutros de los transformadores, en especial el neutro del devanado primario. Esta conexión permite que los componentes aditivos de la tercera armónica causen un flujo de corriente en el neutro en lugar de acumular grandes voltajes. El neutro también suministra un camino de regreso para cualquier desequilibrio de corriente en la carga.
2. Añadir un tercer devanado (terciario) conectado en D al banco de transformadores

CONEXIÓN YE-YE(estrella-estrella)

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Se debe utilizar una de las dos técnicas de corrección siempre que se instale un transformador Y-Y. En la práctica se utilizan muy pocos transformadores Y-Y debido a que alguno de los otros tipos de transformadores trifásicos puede realizar las mismas funciones.

CONEXIÓN YE-Δ(estrella-delta)

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La relación de voltaje de cada fase es

Representación alternativa

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CONEXIÓN Δ-YE(delta-estrella)

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La relación de voltaje de cada fase es

Representación alternativa

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CONEXIÓN Δ-Δ(delta-delta)

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La relación de voltaje de cada fase es

Representación alterna

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Cantidades por unidad transformadores trifásicos

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El sistema de medidas por unidad se aplica tanto a los transformadores trifásicos como a los transformadores
monofásicos.

Estrella

Delta

Ejemplo ilustrativo

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Un transformador de distribución de 50 kVA, 13 800/208 V, en Δ-Y tiene una resistencia de 1% y una reactancia de 7% por unidad.

a) ¿Cuál es la impedancia de fase del transformador referida al lado de alto voltaje?
b) Calcule la regulación de voltaje de este transformador a plena carga y a 0.8 FP en retraso, utilizando la impedancia del lado de alto voltaje.
c) Determine la regulación de voltaje de este transformador en las mismas condiciones utilizando el sistema por unidad.

VALORES NOMINALES

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Los transformadores tienen cuatro valores nominales principales:
1. Potencia aparente (kVA o MVA).
2. Voltaje primario y secundario (V).
3. Frecuencia (Hz).
4. Resistencia y reactancia en serie por unidad.

Estos valores se pueden encontrar en las placas de la mayoría de los transformadores.

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VALORES NOMINALES

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El valor nominal del voltaje de un transformador cumple dos funciones.

• Una es proteger el aislamiento del devanado de la aplicación de un voltaje excesivo. Ésta no es la limitación más seria en los transformadores prácticos.
• La segunda función está relacionada con la curva de magnetización y corriente de magnetización del transformador

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VALORES NOMINALES

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Si se incrementa 10% el voltaje v(t) aplicado, el fl ujo máximo resultante en el núcleo también aumenta 10%. Sin embargo, por encima de cierto punto sobre la curva de magnetización un incremento de 10% en el núcleo requiere un aumento en la corriente de magnetización mucho mayor

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VALORES NOMINALES

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Nótese que el voltaje y la frecuencia se relacionan de manera recíproca si el flujo máximo debe ser constante:

Entonces, si un transformador de 60 Hz tiene que operar a 50 Hz, el voltaje que se le aplique debe también reducirse en un sexto o el fl ujo máximo en el núcleo será demasiado alto. Esta reducción del voltaje, aplicado con frecuencia, se llama derrateo (derating). De la misma forma, un transformador de 50 Hz puede operar a un voltaje 20% mayor a 60 Hz si esta acción no causa problemas en su aislamiento.

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VALORES NOMINALES

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VALORES NOMINALES

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Ejercicios alumnos

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Un transformador de potencia trifásico de 100 MVA, 230/115 kV y Δ-Y tiene una resistencia de 0.015 pu y una reactancia de 0.06 pu. Los elementos de la rama de excitación son RN=100 pu y XM=20 pu.

1. Si este transformador suministra una carga de 80 MVA con un FP 5 0.8 en retraso, ¿Cuál es la regulación de voltaje del banco del transformador en estas circunstancias?
2. Dibuje el circuito equivalente referido al lado de bajo voltaje de una fase de este transformador. Calcule todas las impedancias del transformador referidas al lado de bajo voltaje.

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Ejercicios alumnos

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Un transformador de potencia trifásico de 100 MVA, 230/115 kV y Δ-Y tiene una resistencia de 0.015 pu y una reactancia de 0.06 pu. Los elementos de la rama de excitación son RN=100 pu y XM=20 pu.

d) Determine las pérdidas en el transformador y la eficiencia del transformador bajo las condiciones previamente descritas

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Exposiciones siguiente semana

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1. Transformadores para instrumentos
2. Motor de fase partida
3. Motor de arranque por condensador
4. Motor de polos partidos.
5. Motor Universal

Requerimientos

• Principio de operación
• Ejemplo de su análisis eléctrico
• Como realizar su conexión eléctrica
• Criterios de Selección, buscar componente real
• Ejemplo de aplicación real

Equipos 3-4 personas , día martes 20/10/20, duración máxima: 20 minutos

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Generador

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Generador

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Generador

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Generador

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Generador vs Motor

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Las máquinas rotativas de corriente alterna se clasifican en:

Asíncronas o de inducción:  en las que la velocidad de giro del rotor es inferior a la de rotación de campo magnético. La amplia mayoría de los motores empleados son asíncronos trifásicos debido a su sencillez, rendimiento y robustez, además pueden ser empleados en instalaciones monofásicas mediante la conexión de un condensador. Por ello nos vamos a centrar en este tipo de motores.

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Máquinas síncronas

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Máquinas síncronas

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Máquinas síncronas

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Las máquinas rotativas de corriente alterna se clasifican en:

Síncronas:  Son aquellas en las que el rotor gira a la velocidad de sincronismo.

La velocidad de giro del rotor es la misma que la velocidad de giro del campo magnético. 

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