Eficiencia y Pérdidas en Las Máquinas de Corriente Continua

EFICIENCIA Y PÉRDIDAS EN LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA MAQUINA DE CORRIENTE CONTÍNUA La corriente continua presenta grandes ventajas , entre las cuales está su capacidad para ser almacenada de una forma relativamente sencilla. Esto, junto a una serie de características peculiares de los motores de corriente continua, y de aplicaciones de procesos electrolíticos, tracción eléctrica, entre otros, hacen que existen diversas instalaciones que trabajan basándose en la corriente continua. Los generadores de corriente continua son las mismas máquinas que transforman la energía mecánica en eléctrica. No existe diferencia real entre un generador y un motor, a excepción del sentido de flujo de potencia. Los generadores se clasifican de acuerdo con la forma en que se provee el flujo de campo, y éstos son de excitación independiente , derivación, serie, excitación compuesta acumulativa y compuesta diferencial, y además difieren de sus características terminales (voltaje, corriente) y por lo tanto en el tipo de utilización. Las máquinas de corriente continua son generadores que convierten energía mecánica en energía eléctrica de corriente continua, y motores que convierten energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica.

Motor de corriente continua. La máquina que estuvimos analizando es reversible, y alimentando la armadura con una fuente de corriente continua, dicha máquina funciona como motor. Para analizar conceptualmente su principio de funcionamiento analizaremos un rotor con solo dos conductores, a los efectos de simplificar el estudio

.

F.M.M DE LOS DEVANADOS DISTRIBUIDOS Debido a las restricciones que impone el conmutador al arreglo del devanado, la onda de fuerza magnetomotriz (f.m.m) de la armadura de una máquina de c.c se aproxima a la forma de una onda diente de sierra, más que a la onda senoidal. La figura 1.4 muestra, en forma esquemática, la sección de la armadura para una máquina de dos polos y 12 ranuras. La direcciones de las corrientes están indicadas por puntos y cruces. El enrollado de la armadura produce un campo magnético cuyo eje es vertical cuando gira la armadura, las conexiones de la bobina con el circuito externo se cambian mediante la acción del conmutador, de modo que el campo magnético de la armadura siempre es perpendicular al del devanado de campo y da como resultado un torque continuo unidireccional.

Rendimiento. De manera general, se define como la relación entre la potencia útil y la potencia absorbida expresado en %

Máquinas eléctricas rotativas. Muchos dispositivos pueden convertir energía eléctrica a mecánica y viceversa [2]. La estructura de estos dispositivos puede ser diferente, dependiendo de las funciones que realicen. Algunos dispositivos son usados para conversión continua de energía, y son conocidos como motores y generadores. Otros dispositivos pueden ser: actuadores, tales como solenoides, relés y electro magnetos. Todos ellos son física y estructuralmente diferentes, pero operan con principios similares. Un dispositivo electromecánico de conversión de energía es esencialmente un medio de transferencia entre un lado de entrada y uno de salida, como lo muestra la fig. 1.1. En el caso de un motor, la entrada es la energía eléctrica, suministrada por una fuente de poder y la salida es energía mecánica enviada a la carga, la cual puede ser una bomba, ventilador, etc. El generador eléctrico convierte la energía mecánica por una máquina prima (turbina) a energía eléctrica en el lado de la salida. La mayoría de estos dispositivos pueden funcionar, tanto como motor, como generador.

Fig. 1. 1. Diagrama de bloques de dispositivos electromecánicos de conversión de energía, (a) motor, (b) generador. Flujos de potencia y pérdidas: Un sistema electromecánico de conversión tiene tres partes esenciales: (1) Un sistema eléctrico. (2) Un sistema mecánico. (3) Un campo que los une. Las pérdidas las podemos clasificar dentro de las siguientes categorías: 1.- Pérdidas en el cobre de los devanados (rotor y estator): Las pérdidas en el cobre de una máquina son las pérdidas por calentamiento debido a la resistencia de los conductores del rotor y del estator: P=I2R. 2.- Pérdidas en el núcleo: Las pérdidas del núcleo se deben a la histéresis y a las corrientes parásitas. Con frecuencia a estas pérdidas se les conoce como pérdidas de vacío o pérdidas rotacionales de una máquina. En vacío, toda la potencia que entra a la máquina se convierte en estas pérdidas. 3.- Pérdidas mecánicas: Las pérdidas mecánicas se deben a la fricción de los rodamientos y con el aire. 4.- Pérdidas adicionales: Las pérdidas adicionales son todas aquellas pérdidas que no se pueden clasificar en ninguna de las categorías descritas arriba. Por convención, se asume que son iguales al 1% de salida de la máquina. La eficiencia de una máquina es una relación entre su potencia útil de salida y su potencia total de entrada:  = (Psal/Pent)100.

Panorámica sobre el uso de las máquinas eléctricas rotativas. Como se ha expuesto anteriormente, con estos dispositivos electromecánicos de conversión, podemos transformar energía en ambos sentidos (MECANICA-ELECTRICA). Esto ha sido aprovechado por el hombre para construir sus sistemas generadores, transmisores y consumidores de potencia, los cuales son la base del desarrollo y actividad mundial. La figura 1.2 muestra a grandes rasgos un sistema de estos.

Fig. 12. Sistema de generación, transmisión, distribución, y consumo de energía

Máquina rotativa elemental. 

Clasificación [3]



Estructura. La estructura de una máquina eléctrica tiene dos componentes principales: estator y rotor, separados por un entrehierro. A. Estator. El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación de la máquina. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente. Existen dos tipos de estatores: a. Estator de polos salientes b. Estator rasurado El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (y se les llama "paquete"), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos. Los polos de una máquina siempre son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por ello el mínimo de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un sur). B. Rotor. El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos: a. Rotor ranurado b. Rotor de polos salientes c. Rotor jaula de ardilla C. Carcasa. La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material empleado para su fabricación depende del tipo de máquina, de su diseño y su aplicación. Así pues, la carcasa puede ser: a. b. c. d. e.

Totalmente cerrada Abierta A prueba de goteo A prueba de explosiones De tipo sumergible

D. Base. La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación de la máquina, puede ser de dos tipos: a. Base frontal b. Base lateral

E. Caja de conexiones. Por lo general, en la mayoría de los casos las máquinas eléctricas cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los conductores que alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera dañarlos. F. Tapas. Son los elementos que van a sostener en la gran mayoría de los casos a los cojinetes o rodamientos que soportan la acción del rotor. G. Cojinetes. También conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias de la máquina. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes pueden dividirse en dos clases generales: a. Cojinetes de deslizamiento. Operan el base al principio de la película de aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra del eje y la superficie de apoyo. b. Cojinetes de rodamiento. Se utilizan con preferencia en vez de los cojinetes de deslizamiento por varias razones:     

Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el arranque. Son compactos en su diseño Tienen una alta precisión de operación. No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante. Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares

PRINCIPIÓ DE FUNCIONAMIENTO DE UNA MAQUINA SINCRONÍA Una máquina síncrona es una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna que convierte energía eléctrica en energía mecánica, siendo en este caso utilizada como motor síncrono, o bien convierte energía mecánica en energía eléctrica, siendo en este caso utilizada como generador síncrono. Las máquinas síncronas se utilizan en mayor medida como generadores de corriente alterna que como motores de corriente alterna, ya que no presentan par de arranque y hay que emplear diferentes métodos de arranque y aceleración hasta la velocidad de sincronismo. También se utilizan para controlar la potencia reactiva de la red por su capacidad para, manteniendo la potencia activa desarrollada constante, variar la potencia reactiva que absorbe o cede a la red.

Principio de funcionamiento I.

Como generador: Una turbina acciona el rotor de la máquina sincrónica a la vez que se alimenta el devanado rotórico (devanado de campo) con corriente continua. El entrehierro variable (máquinas de polos salientes) o la distribución del devanado de campo (máquinas de rotor liso) contribuyen a crear un campo más o menos senoidal en el entrehierro, que hace aparecer en los bornes del devanado estatórico (devanado inducido) una tensión senoidal. Al conectar al devanado inducido una carga trifásica

equilibrada aparece un sistema trifásico de corrientes y una fuerza magnetomotriz senoidal. II.

Como motor: En este caso se lleva la máquina síncrona a la velocidad de sincronismo, pues la máquina síncrona no tiene par de arranque, y se alimentan el devanado rotórico (devanado de campo) concorriente continua y el devanado estatórico (devanado inducido) con corriente alterna. La interacción entre los campos creados por ambas corrientes mantiene el giro del rotor a la velocidad de sincronismo.

III.

Motor síncrono

El campo magnético rotatorio en el estator está formado por la suma vectorial del campo magnético producido por tres devanados. Los motores síncronos son un tipo de motor de corriente alterna. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectado y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". La expresión matemática que relaciona la velocidad de la máquina con los parámetros mencionados es:

donde: 

f: Frecuencia de la red a la que está conectada la máquina (Hz)



P: Número de pares de polos que tiene la máquina



p: Número de polos que tiene la máquina



n: Velocidad de sincronismo de la máquina (revoluciones por minuto)

Por ejemplo, si se tiene una máquina de cuatro polos (2 pares de polos) conectada a una red de 50 Hz, la máquina operará a 1.500 revoluciones por minuto. Funcionan de forma muy similar a un alternador. Dentro de la familia de los motores síncronos debemos distinguir: 

Los motores síncronos.



Los motores asíncronos sincronizados.



Los motores de imán permanente.

Los motores síncronos son llamados así, porque la velocidad del rotor y la velocidad del campo magnético del estator son iguales. Los motores síncronos se usan en máquinas grandes que tienen una carga variable y necesitan una velocidad constante.

Existen tres tipos de arranques diferentes para este el motor síncrono: 

Arranque por medio de la reducción de frecuencia.

Debido a que si los campos magnéticos del estator giran a una velocidad baja, el rotor no tendrá problema para acelerar y enlazarse con el campo magnético del estator. Esto se logra aumentando gradualmente la frecuencia eléctrica hasta su valor normal a través de los inversores-rectificadores y los ciclo convertidores, cuando se incluye en el circuito de control del motor su arranque es muy fácil ajustándolo como se requiere.



Arranque del motor con un motor primario externo.

Otro método es adjuntando un motor externo para tener a la maquina síncrona hasta su velocidad plena. Conectado de manera paralela la maquina síncrona trabaja como generador y al desconectar el motor primario se comporta como motor, después de eso el motor síncrono se puede cargar de manera normal. El motor de arranque puede tener valores nominales mucho más pequeños que el motor síncrono que arranca. La mayoría de los motores síncronos tienen un sistema de excitación sin escobillas montadas en sus ejes. Esto es muy útil en los motores síncronos de tamaños de mediano a grande porque hay sistemas de potencia que no soporten las corrientes de arranque. 

Arranque del motor con devanados de amortiguamiento.

Los devanados de amortiguamiento son unas barras especiales dispuestas en ranuras labradas en la cara del rotor de un motor síncrono y en cortocircuito en cada extremo con un gran anillo en cortocircuito. Los devanados de campo están en cortocircuito porque así no producen voltajes peligrosos y la corriente de campo inducida contribuye con un par de arranque extra para el motor.

SISTEMA DE EXCITACIÓN La función básica de un sistema de excitación es suministrar corriente directa al devanado de campo de la maquina sincrónica. A través del control de la tensión y corriente de campo realiza funciones de control y de protección para una operación satisfactoria del sistema de potencia.

Elementos de un sistema de excitación 1. Excitatriz: provee la potencia de corriente continua al arrollamiento de campo de la maquina sincrónica, constituye la etapa de potencia. 2. Regulador: procesa y amplifica la señal de control de entrada a un nivel y forma adecuado para el control de la excitatriz. Incluye función de regulación y estabilizador. 3. Transductor de tensión en bornes: censa la tensión en bornes, la rectifica y la filtra para obtener un valor de corriente continua que se compara con una referencia, la cual representa la tensión deseada en bornes. 4. Compensador de carga: se utiliza cuando se desea controlar la tensión en un punto eléctrico remoto, respecto a los terminales del generador. 5. Estabilizador del sistema de potencia: provee una señal adicional de entrada al regulador para amortiguar las oscilaciones de potencia del sistema. Tiene como entrada el deslizamiento de velocidad del rotor, la potencia acelerante y/o la desviación de frecuencia. 6. Circuitos limitadores y de protección: asegura que los límites de capacidad de la maquina sincrónica no sean excedidos. Límites de la corriente de campo, de tensión

de excitación, de tensión en terminales, de sobrexcitación y sobreexcitación, etc. Se aplica al control de excitación en puntos de suma o en compuertas.

7. Sistema de protección de generadores En la protección de generadores sincrónicos se deben considerar las condiciones de operación anormal más extremas que en la protección de cualquier otro elemento del sistema de potencia. Un generador protegido adecuadamente requiere, la protección automática contra las condiciones anormales más nocivas. Las unidades generadoras grandes usan protección de alta rapidez para detectar las fallas severas en el devanado del estator y minimizar el daño. El uso de métodos de rápida des-excitación puede ser justificable para producir el decremento rápido de las corrientes de falla. Normalmente se usa un relé diferencial de alta rapidez para detectar fallas trifásicas, de fase a fase y de doble fase a tierra. Los generadores representan el equipo más caro en un sistema eléctrico de potencia y se encuentran sometidos, más que ningún otro equipo del sistema, a los más diversos tipos de condiciones anormales. Las razones que se exponen a favor de minimizar la cantidad de equipos de protección automática son: o A razón de más equipo automático, mayor es el mantenimiento, y si el mantenimiento es defectuoso el equipo se torna menos confiable. o El equipo automático puede actuar incorrectamente y desconectar el generador de forma innecesaria. o En algunas ocasiones, el operador puede evitar que un generador salga fuera de servicio en el caso de que su salida implique un trastorno significativo para el sistema eléctrico al que se encuentra conectado. Casi la totalidad de las objeciones a los equipos de protección automática no apuntan a que el relé no opere cuando debiera hacerlo, sino que lo haga incorrectamente poniendo al generador fuera del servicio. No puede negarse la gravedad que puede significar para un sistema eléctrico la desconexión momentánea e innecesaria de un generador; pero tampoco puede evitarse ese daño mediante la falta de una protección necesaria. Una consideración a tener en cuenta al analizar las protecciones de un generador y que no se manifiesta en los restantes equipos que conforman un sistema eléctrico, es el hecho que la apertura de su interruptor principal es condición necesaria, pero no suficiente para evitar la prolongación de ciertos daños.