TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
APUNTES MATERIA:
MÁQUINAS ELÉCTRICAS
ELABORADO POR:
ING. BEATRIZ AURORA GARCÍA CRISTIANO
AGOSTO 2023
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Análisis de Máquinas Eléctricas: Motores Trifásicos y Monofásicos, Monografías, Ensayos de Máquinas Eléctricas
Un análisis detallado de las máquinas eléctricas, centrándose en los motores trifásicos y monofásicos. Se exploran los principios de funcionamiento, las características constructivas y las aplicaciones de estos motores. Se incluyen definiciones clave como flujo magnético, intensidad de campo magnético y permeabilidad, así como el análisis de las curvas de magnetización. Además, se discuten los problemas de arranque en motores de corriente continua y las soluciones para protegerlos contra daños. Se examinan los motores de inducción, tanto de jaula de ardilla como de rotor devanado, y se presentan ejemplos de cálculo y ejercicios prácticos. Finalmente, se abordan los motores monofásicos, incluyendo los de condensador y los motores paso a paso, destacando sus principios de operación y aplicaciones. El documento proporciona una visión completa y práctica de los motores eléctricos, ideal para estudiantes e ingenieros.
Tipo: Monografías, Ensayos
2020/2021
1 / 277
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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
APUNTES MATERIA:
MÁQUINAS ELÉCTRICAS
ELABORADO POR:
ING. BEATRIZ AURORA GARCÍA CRISTIANO
AGOSTO 2023
Contribución Académica La contribución de la asignatura de Máquinas Eléctricas que impacta en los objetivos educacionales y perfil de egreso de la carrera de Ingeniería Electrónica son los siguientes:
- Diseña, analiza y construye equipos y/o sistemas electrónicos para la solución de problemas en el entorno profesional, aplicando normas técnicas y estándares nacionales e internacionales.
- Planea, organiza, dirige y controla actividades de instalación, actualización, operación y mantenimiento de equipos y/o sistemas electrónicos para la optimización de procesos.
- Colabora en proyectos de investigación para propiciar el desarrollo tecnológico en su entorno.
- Compromete su formación integral permanente para su actualización profesional.
- Dirige y participa en equipos de trabajo interdisciplinario y multidisciplinario para el desarrollo de proyectos afines a su perfil en contextos nacionales e internacionales.
- Capacita recursos humanos para su actualización en las diversas áreas de aplicación de su entorno en el ámbito de la ingeniería electrónica.
- Obtiene y simula modelos para predecir el comportamiento de sistemas electrónicos empleando plataformas computacionales.
- Selecciona y opera equipo de medición y prueba para diagnóstico y análisis de parámetros eléctricos.
- Utiliza lenguajes de descripción de hardware y programación de microcontroladores en el diseño de sistemas digitales para su aplicación en la resolución de problemas.
- Resuelve problemas en el sector productivo para la optimización de procesos, mediante la automatización, instrumentación y control.
- Desarrolla aplicaciones en lenguajes de programación de alto nivel para la solución de problemas relacionados con las diferentes disciplinas en el área.
- Diseña e implementa interfaces gráficas de usuario para facilitar la interacción entre el ser humano, los equipos y sistemas electrónicos.
Introducción La finalidad de este trabajo es servir de apoyo de estudios de los temas de la materia Máquinas Eléctricas que se encuentra en el quinto semestre de la carrera de Ingeniería Electrónica. En esta materia se describen de manera general las máquinas eléctricas. En el primer tema, se establecerán una serie de definiciones y conceptos que se utilizan en el análisis del campo magnético giratorio que se produce en los devanados de las máquinas trifásicas, la fuerza electromotriz inducida en una máquina elemental de corriente alterna, así como los factores que afectan la fuerza electromotriz en una máquina de corriente alterna. Esto permite establecer las bases para los siguientes temas de la asignatura. También se describen los aspectos constructivos de los transformadores monofásicos y trifásicos, clasificación así como los tipos de conexiones. En el segundo tema se tratan los fundamentos teóricos de la máquina de corriente directa, las conexiones y la operación de estas máquinas como generadores y motores. En el tercer tema se describe las máquinas sincrónicas el circuito equivalente y cómo determinar los parámetros de la máquina sincrónica, las características del ángulo de par y su relación con las potencias en estado estacionario, así como la operación del generador trabajando en paralelo. En el cuarto tema se estudia la operación del motor de inducción trifásicos sus aspectos constructivos, circuito equivalente. También se estudian el par de arranque y control de velocidad en forma teórica y práctica. En el quinto tema se ven máquinas de inducción monofásicos y máquinas especiales. Se recomienda realizar las practicas de laboratorio para complementar los conceptos que se describen en este documento.
Índice
Figura 72. a) Impedancia Z2 desplazada al lado del primario, observe los cambios correspondientes de E2 e I2; b) Impedancia Z3 desplazada al lado del primario, observe los cambios correspondientes de E3 e I3; c) Impedancia Z4 desplazada al lado del primario, observe
Figura 123. Característica par-velocidad de un motor de cd con excitación compuesta ................ 132 Figura 124. Fuerza contraelectromotriz (fcem) en un motor de cd ................................................ 133 Figura 125. Arrancador de reóstato manual de un motor en derivación ........................................ 136 Figura 126. Comportamiento de la regulación de velocidad de una máquina cd en derivación o shunt................................................................................................................................................ 139 Figura 127. a) Conexiones originales de un motor compuesto; b) Inversión de las conexiones de la armadura para invertir la dirección de rotación; c) Inversión de las conexiones del campo para invertir la dirección de rotación ...................................................................................................... 141 Figura 128. Bloqueo de un motor a) shunt y b) serie ...................................................................... 142 Figura 129. Frenado dinámico de un motor (a)shunt y (b) en serie................................................ 144 Figura 130. Constitución general de una máquina síncrona de rotor cilíndrico ............................. 155 Figura 131. Vistas de los rotores de una máquina síncrona ............................................................ 156 Figura 132. Rotores de polos lisos ................................................................................................... 157 Figura 133. Máquina síncrona de polos salientes ........................................................................... 157 Figura 134. Rotor de un hidroalternador ........................................................................................ 158 Figura 135. a) Máquina de polos salientes b) Máquina de rotor cilíndrico ................................... 158 Figura 136. Corte de un polo saliente con entrehierro variable y con devanado amortiguador .... 159 Figura 137. Estator de generador síncrono ..................................................................................... 160 Figura 138. Hidrogenerador trifásico de la central de Itaipú (824 MVA,90 rpm,60 Hz) .................. 162 Figura 139. Motor síncrono de dos polos........................................................................................ 163 Figura 140. Simulación motor síncrono........................................................................................... 164 Figura 141. a) Campo magnético de rotor giratorio dentro de una bobina de estator estacionaria. Detalle de la bobina. b) El vector de densidades de flujo magnético y velocidades en los lados de la bobina. Las velocidades que se muestran tienen un marco de referencia en el que el campo magnético es estacionario. c) la distribución de densidad de flujo en el entrehierro .................... 164 Figura 142. Producción de voltajes trifásicos con tres bobinas separadas por 120° ...................... 166 Figura 143. Máquina de ca simplificada con una distribución de flujo del estator senoidal y una sola bobina de alambre montada en el rotor. ........................................................................................ 167 Figura 144. Los componentes de densidad de flujo magnético dentro de la máquina .................. 168 Figura 145. Máquina síncrona simplificada que muestra los campos magnéticos de su rotor y de su estator.............................................................................................................................................. 169 Figura 146. Circuito equivalente por fase de un generador síncrono sin reacción a la armadura, con el campo revolvente producido por el rotor ................................................................................... 171 Figura 147. Diagramas fasoriales de un generador síncrono sin reacción de la armadura para un factor de potencia a) en atraso, b) unitario y c) en adelanto .......................................................... 171 Figura 148. Diagrama fasorial que describe el efecto de la reacción de la armadura cuando el factor de potencia es igual a la unidad en un generador síncrono ........................................................... 172 Figura 149. Circuito equivalente por fase mostrando la fem inducida en el devanado de la armadura debida a la reacción de esta ........................................................................................... 172 Figura 150. Diagrama fasorial mostrando el efecto de la reacción de la armadura cuando el factor de potencia está en atraso .............................................................................................................. 173 Figura 151. Diagrama fasorial mostrando el efecto de la reacción de la armadura cuando el factor de potencia de la carga está en adelanto ........................................................................................ 173 Figura 152. Circuito equivalente por fase de un generador síncrono con reacción de la armadura ......................................................................................................................................................... 174
Figura 153. diagramas fasoriales correspondientes para el factor de potencia de cargas a) en atraso, b) igual a la unidad y c) en adelanto................................................................................................ 175 Figura 154. Generadores en paralelo .............................................................................................. 176 Figura 155. Diferencia de voltajes de línea ..................................................................................... 177 Figura 156. Oscilación de voltaje resultante ................................................................................... 178 Figura 157. Secuencia de fases ........................................................................................................ 179 Figura 158. Indicador de secuencia de fases por medio de lámparas............................................. 179 Figura 159. Desfase de ángulos de la misma línea .......................................................................... 180 Figura 160. Sincronoscopio ............................................................................................................. 180 Figura 161. Transformador sincronizador especial.......................................................................... 181 Figura 162. Operación Generador – Generador .............................................................................. 182 Figura 163. Gráfica frecuencia-potencia a) Generador 1 – Generador 2 en paralelo b) Efecto de aumentar la frecuencia en el generador 2 ...................................................................................... 182 Figura 164. Esquema Arranque motor Síncrono ............................................................................. 185 Figura 165. Devanado amortiguador trifásico en el rotor de un motor síncrono ........................... 186 Figura 166. Esquema Curvas en V ................................................................................................... 187 Figura 167. Curvas Características en V........................................................................................... 188 Figura 168. Diagrama de flujo de potencia de un generador de ca trifásico .................................. 190 Figura 169. Diagrama de flujo de potencia de un motor de ca trifásico ......................................... 191 Figura 170. Operación del motor síncrono...................................................................................... 191 Figura 171. Motor de inducción parcialmente ensamblado, donde puede distinguirse sus partes principales ....................................................................................................................................... 201 Figura 172. Motor de inducción con 6 ranuras en el estator a) sección del motor, b) esquema de conexión en estrella ........................................................................................................................ 202 Figura 173. a) Esquema de conexión de un motor trifásico de inducción, b) Diagrama fasorial de tensiones y corrientes de entrada estatóricas. ............................................................................... 203 Figura 174. Estator de motor de inducción ..................................................................................... 203 Figura 175. Rotor de motor de inducción ....................................................................................... 205 Figura 176. Rotor devanado. A)corte transversal, para un rotor devanado con un par de polos b) rotor devanado con múltiples polos ............................................................................................... 208 Figura 177. Diagrama de conexión de un rotor bobinado dentro del estator de un motor trifásico de inducción ......................................................................................................................................... 208 Figura 178. Circuito equivalente de un motor monofásico de inducción ....................................... 208 Figura 179. Arranque estrella triángulo de un motor trifásico mediante arrancador manual........ 209 Figura 180. Curva “ par – velocidad” típica de un motor trifásico de inducción ............................. 211 Figura 181. Puntos característicos de la curva “ par – velocidad” de un motor trifásico de inducción ......................................................................................................................................................... 211 Figura 182. Detalle de los puntos operación: par nominal y par en vacío ...................................... 212 Figura 183. a) Partes del motor de inducción, b) Esquema de conexión básico del motor monofásico ...................................................................................................................................... 218 Figura 184. Estator laminado desnudo de un motor monofásico de 36 ranuras ............................ 219 Figura 185. a) Vista plana del devanado principal de un motor de 36 ranuras y 4 polos, que muestra el número de vueltas por bobina, b) fmm producidas por el devanado principal, c) Posición del devanado auxiliar con respecto al devanado principal ................................................................... 219 Figura 186. Tipos de motores monofásicos según el rotor ............................................................. 220
Tema 1 Fundamentos de electromagnetismo y transformador eléctrico. 1.1 Leyes fundamentales de electromagnetismo. Cuando hablamos de magnetismo o de energía magnética, nos referimos a uno de los dos componentes de la radiación electromagnética (junto a la electricidad) que se manifiesta a través de fuerzas de atracción o repulsión entre ciertos tipos de materiales y un campo de energía magnética (campo magnético). Si bien todas las sustancias son afectadas por el magnetismo, no todas lo hacen de la misma manera. Algunos materiales, como ciertos metales ferromagnéticos (en especial el hierro, níquel, cobalto y sus aleaciones) son particularmente propensos a ello y por ende pueden constituir imanes. Algunos de ellos pueden ser de origen natural y otros de origen artificial, por ejemplo, como consecuencia de la acción de la electricidad sobre ciertos materiales (electroimanes). La mayoría de los imanes son dipolos magnéticos: están dotados de un polo positivo y un polo negativo. Cada uno de estos polos ejerce una fuerza sobre otros imanes, o metales ferromagnéticos que encuentren en su área de acción, según una ley que establece que los polos semejantes se repelen, mientras que los opuestos se atraen. Estos dipolos pueden darse a una escala macroscópica (por ejemplo, en el planeta Tierra existe un polo Norte y un polo Sur, cada uno ejerciendo una influencia magnética que permite el funcionamiento de las brújulas) o microscópica (por ejemplo, en la orientación de ciertas moléculas orgánicas debido a la carga eléctrica de sus átomos). Y estas fuerzas de magnetismo juegan un rol importante entre las fuerzas elementales de la naturaleza. Existen, así, materiales diamagnéticos (débilmente magnéticos), paramagnéticos (medianamente magnéticos) o ferromagnéticos (altamente magnéticos). El magnetismo y la corriente eléctrica están estrechamente vinculados y juntos componen el electromagnetismo, una de las fuerzas elementales del universo. La manipulación de los campos magnéticos, por ejemplo, a través de
la aceleración de imanes, puede generar una corriente eléctrica aprovechable, como ocurre de hecho en algunos tipos de generadores. Y al mismo tiempo, al hacer circular una corriente eléctrica por ciertos tipos de metales, se los puede convertir en electroimanes y hacer que atraigan a ciertos metales o materiales ferromagnéticos. Esta relación se fundamenta en la naturaleza atómica de los materiales, en los que los electrones (-) de la órbita más lejana del núcleo del átomo (+) pueden ser arrancados o transferidos de una molécula a otra, generando así un flujo eléctrico (corriente) y polarizando el conjunto, es decir, inclinando la carga eléctrica hacia un lado (polo negativo) y dejando a otro con menos carga (polo positivo). El magnetismo ha sido empleado por la humanidad desde hace mucho. La invención de la brújula y su uso para orientarse (marcando la dirección fija del Norte del planeta) data de hace cientos de años y fue clave en el desarrollo de la navegación y en la exploración del mundo. Por otro lado, grandes imanes se emplean en la industria de la generación eléctrica, en la medicina (por ejemplo, los exámenes por resonancia magnética), en la ingeniería (el desarrollo de motores, la conducción y almacenamiento de cargas eléctricas, etc.) y, sobre todo, en la electrónica. Figura 1. El magnetismo es utilizado en la medicina para hacer resonancias magnéticas
Figura 3. Material paramagnético, aluminio Diamagnéticos. Aquellos cuya permeabilidad relativa es inferior y muy próxima a 1. (𝜇𝑟 < 1 𝑦 𝜇𝑟 ≈ 1 ) Estos materiales repelen el campo magnético, haciendo que éste pase por el exterior del material. En general, esta acción diamagnética es muy débil, y no es comparable al efecto que produce el campo magnético sobre los materiales ferromagnéticos. Un ejemplo de material diamagnético es el cobre. Sólo los materiales ferromagnéticos tienen aplicaciones magnéticas importantes, porque, como veremos más adelante, con poca intensidad magnética, se puede conseguir un gran campo magnético en su interior. Figura 4. Material diamagnético, cobre 1.2 Variables magnéticas Campo magnético. Un campo magnético es la representación matemática del modo en que las fuerzas magnéticas se distribuyen en el espacio que circunda a una fuente magnética. Esta fuente puede ser un imán, una carga en movimiento o una corriente eléctrica (muchas cargas en movimiento). Siempre que exista
alguno de estos elementos, habrá un campo magnético a su alrededor, es decir, un campo de fuerzas magnéticas. Fuera de este campo no hay efectos magnéticos. Una característica fundamental de los campos magnéticos es que son dipolares: poseen un polo Norte y un polo Sur, a los que también se les dice polo positivo y polo negativo. A diferencia de los campos eléctricos que pueden generarse por cargas eléctricas (como un electrón), no existen “cargas magnéticas” que generen campos magnéticos. Los campos magnéticos siempre tienen asociados dos polos. Como consecuencia, las líneas del campo magnético son siempre cerradas, como en el caso del imán: salen del polo norte y llegan al polo sur. Para que exista un campo magnético debe existir una fuente de energía magnética (como un imán), una carga en movimiento o una corriente eléctrica. Estos elementos son los únicos capaces de crear un campo magnético y los únicos que pueden ser afectados por él. Una carga eléctrica (como un electrón moviéndose en el espacio) genera a su alrededor un campo magnético que ejercerá una fuerza sobre otra carga en movimiento. Lo mismo sucede con las corrientes eléctricas. El caso de los imanes es particular porque no hay cargas en movimiento involucradas, sino que estos materiales generan un campo magnético debido a ciertos fenómenos microscópicos de cierta complejidad. Según lo describen la Ley de Ampère y las ecuaciones de Maxwell, campos magnéticos y campos eléctricos suelen existir juntos en la naturaleza. Ciertos cambios en el tiempo de un campo magnético producen campos eléctricos. Un buen ejemplo de la coexistencia de estos dos campos son las radiaciones electromagnéticas, como la luz. Los campos magnéticos se pueden clasificar de acuerdo a su fuente de creación: Figura 5. Los campos magnéticos son dipolares, poseen un polo Norte y un polo Sur
magnética que siente una partícula en movimiento inmersa en un campo magnético es siempre perpendicular a la dirección de dicho campo y de su propia velocidad. Figura 7. Las líneas del campo magnético nos indican su dirección Figura 8. La carga eléctrica positiva genera un campo eléctrico hacia afuera y la negativa, hacia dentro Flujo magnético. Se define flujo magnético, como la cantidad de líneas de campo magnético que atraviesan una determinada superficie S en el espacio. en una superficie elemental, que forma parte de la superficie total S, y se extiende dicho producto a toda la superficie. El ángulo al cual la línea de campo se interseca con el área también es importante. Una línea de campo que penetra de forma rasante contribuye con una pequeña componente de campo al flujo magnético. Cuando se calcula el flujo magnético, solamente se incluye la componente del vector de campo
magnético que es normal al área de prueba. Figura 9. Flujo magnético por una espira Si escogemos una superficie simple y plana de área A como el área de prueba de la Figura 6, y hay un ángulo (θ) entre su normal y un vector de campo vectorial (con magnitud B), entonces el flujo magnético () es: Si la superficie (A) es perpendicular al campo, entonces el ángulo es cero y el flujo magnético simplemente es BA. La unidad del SI del flujo magnético es el weber y su símbolo es Wb. Ya que el flujo magnético es tan solo una manera de expresar el campo magnético en un área dada, lo podemos medir con un magnetómetro del mismo modo que el campo magnético. Inducción magnética. La inducción magnética, es el flujo magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo. Es la manera de cuantificar los campos magnéticos. Representa la cantidad de líneas de campo magnético por unidad de superficie, recibiendo por ello también el nombre de densidad de flujo magnético. La inducción magnética mide el efecto que produce un campo magnético en un punto, sobre un determinado material. Su símbolo es la letra B y su unidad en el