[i] Presentación Máquinas Eléctricas Rotativas.pdf

7. Máquinas Eléctricas Rotativas 7.1 Introducción. Generalidades 7.2 Motores de inducción 7.3 Otros tipos de motores 7.3.1 Máquina Síncrona 7.3.2 Motores de corriente continua 7.3.3 Motores monofásicos

7.4 Selección de un Motor 7.4.1 Grado de protección de un motor y formas constructivas 7.4.2 Tipos de servicio

Motor de Inducción o Asíncrono

Motor Síncrono

Motor de Corriente Continua

Motor Monofásico

7.1 Introducción: Generalidades Máquinas eléctricas

• Estáticas:

Transformadores • Motores

• Rotativas:

Sistema Eléctrico - A

Transformador

(Tensión 1)

Sistema Eléctrico

• Generadores

Sistema Eléctrico - B (Tensión 2)

Máquina Eléctrica

Sistema Mecánico

Generador:

Peléctrica

Pmecánica

Motor:

Peléctrica

Pmecánica

Transformación Energía eléctrica-Energía eléctrica

Transformación Energía eléctrica-Energía mecánica

Una máquina eléctrica rotativa es una máquina reversible Motor

Generador

7.1 Introducción: Generalidades → Principio de funcionamiento como GENERADOR. Campo magnético externo de valor constante que es visto por una espira (bobina) como variable al estar ésta en movimiento. Se induce, por tanto, una fuerza electromotriz o potencial en los extremos de la bobina Fuerza externa que hace girar a la espira

Espira

Campo Magnético

N

S

Escobillas

+

Imanes Permanentes

Fuerza Electromotriz inducida en la espira por el campo

7.1 Introducción: Generalidades → Principio de funcionamiento como MOTOR. Si se hace circular una intensidad por una bobina inmersa en un campo magnético, ésta sufre un par motor que tiende a alinear ambos campos magnéticos, el propio de la bobina y el externo.

Espira

N

Campo Magnético

Imanes Permanentes

S

@Manés Fernández

Escobillas

FUERZA QUE TIENDE A HACER GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR Corriente que se hace circular por la espira

7.1 Introducción: Generalidades →

Estructura básica de una máquina eléctrica rotativa.

Rotor:

Pieza cilíndrica montada sobre el eje móvil.

Estátor: Pieza cilíndrica hueca que envuelve al rotor y está separada de éste por el entrehierro. De forma general se puede afirmar que: # Tanto el estátor como el rotor alojan bobinas (circuitos eléctricos). # Existen dos circuitos eléctricos concatenados por un circuito magnético. EJE

Flujo Magnético

(Acoplamiento mecánico)

Rotor Estator

7.1 Introducción: Generalidades ► Distintas máquinas en función del método empleado para generar el campo magnético:

→

Clasificación de las máquinas eléctricas rotativas. • Máquinas síncronas: Alternador - Intensidad continua inyectada en las bobinas del rotor. - Corriente alterna en las bobinas del estátor. • Máquinas de inducción: Motor - Corrientes alternas en las bobinas del estátor y/o del rotor. - Intensidades en el rotor inducidas por el estátor (Motor). • Máquinas de corriente continua: Ambos - Alimentadas en continua.

► Las máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna:

Pueden ser monofásicas o trifásicas (síncronas y de inducción)

7.1 Introducción: Generalidades Balance Energético→ Máquina eléctrica GENERADOR. Se = Pe + j · Q e

Pm = τ ⋅ ω m

Pe = 3 ⋅ VL ⋅ I L ⋅ cos ϕ

Potencia mecánica aplicada

Potencia eléctrica generada (trifásica)

Par motor en Nm (Newton x metro) τ ω m Velocidad de giro en radianes/segundo P

En Vatios (W)

(1)

(2) (3)

(4)

(1) Pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación) (2) Pérdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores) (3) Pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes parásitas) (4) Pérdidas en el cobre del estátor (calentamiento de conductores)

7.1 Introducción: Generalidades Balance Energético→ Máquina eléctrica MOTOR. Se = Pe + j · Q e

Pm = τ ⋅ ω m

Pe = 3 ⋅ VL ⋅ I L ⋅ cos ϕ

Potencia mecánica realizada

Potencia eléctrica consumida (trifásica)

Par motor en Nm (Newton x metro) τ ω m Velocidad de giro en radianes/segundo P

(4)

(3) (2)

En Vatios (W)

(1)

(1) Pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación) (2) Pérdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores) (3) Pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes parásitas) (4) Pérdidas en el cobre del estátor (calentamiento de conductores)

7.2 Máquinas de inducción 7.2.1. Aspectos constructivos. 7.2.2. Principio de funcionamiento del motor de inducción trifásico. • Fundamentos Teóricos • Deslizamiento

7.2.3. Circuito equivalente. 7.2.4. Balance de potencias en el motor. 7.2.5. Característica par deslizamiento.

7.2.0 Introducción. TIPOS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS

MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA

GENERADOR MOTOR

MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA GIRATORIAS

ASÍNCRONA ASÍNCRONA

MOTOR GENERADOR

ESTÁTICAS SÍNCRONA

ALTERNADOR MOTOR

TRANSFORMADOR

7.2.1 Aspectos constructivos. Sección.

Corte axial

Corte en 3D

7.2.1 Aspectos constructivos. Rotor de jaula. ● Su simplicidad y gran robustez son las ventajas más destacadas. Paquete magnético estatórico Cabezas de bobina Paquete magnético rotórico

Ranuras del estátor

Ranuras del rótor

Eje

Anillo de cortocircuito

7.2.1 Aspectos constructivos. Rotor bobinado. © L. Serrano: Fundamentos de máquinas elé eléctricas rotativas

Anillos rozantes

● El circuito rotórico se cortocircuita exteriormente a través de unas escobillas (grafito) que frotan sobre los anillos rozantes.

{

● El inconveniente es su elevado mantenimiento.

Anillos rozantes Escobillas

Anillos rozantes y escobillas

© L. Serrano: Fundamentos de máquinas elé eléctricas rotativas

7.2.1 Aspectos constructivos. Desglose. Estructura mecánica

Circuito Eléctrico

Cilindro que puede girar sobre su eje (rotor) en el interior de otro cilindro hueco fijo (estátor) Estátor Circuito eléctrico estatórico Rotor Circuito eléctrico rotórico

Arrollamiento trifásico

Arrollamiento (polifásico) en cortocircuito

Estátor: Parte fija Rotor: Parte giratoria

Bobinas preformadas o devanado preformado Bobinas de hilo esmaltado o devanado aleatorio Jaula de ardilla

Aluminio fundido Barras soldadas

Bobinado o Anillos rozantes

Bobinas de cobre Anillos rozantes

Estátor Ranuras Paquetes Magnéticos Chapa magnética de acero al silicio Paquete magnético en la superficie Cilíndrico hueco interna Circuito apiladas y eléctricamente aisladas Magnético unas de otras Rotor Ranuras Paquete magnético en la superficie Entrehierro cilíndrico externa

7.2.1 Aspectos constructivos: Caja de bornes (estátor). V1

W1 U1

W2 U2 U1

V2 V1

U2

V2

W1

W2

Caja de conexiones Conexión en estrella Pletina de cobre

W2

V2

W1

W2

U1

U2

V1

V1

W1

U2

V2

Conexión en triángulo

Devanados motor Bobinas deldel motor (estátor)

Caja de terminales- bornes ( bobinas del estátor )

{

U1

7.2.1 Aspectos Constructivos: Placa de características Motor Conexión Trifásica

Tensión Nominal Potencia Nominal Velocidad Nominal

Intensidad Nominal Factor de Potencia Frecuencia Nominal

7.2.2 Principio de funcionamiento. Introducción. → EL

TRANSFORMADOR.

Energía

Energía

eléctrica

eléctrica

→ LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN.

A B C

Convertidor

Energía

electro-mecánico

eléctrica

• Motor Par Velocidad • Generador

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. → Generación de campos magnéticos giratorios. Teorema de Ferraris Si se aplica un sistema trifásico de intensidades en 3 bobinas desfasadas entre sí 120°: iaa ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt ) ibb ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt − 120°) icc ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt + 120°) Baa ' (t ) = 2 ⋅ B ⋅ cos(ωt )

Se inducen flujos magnéticos en cada bobina, perpendiculares al plano de la bobina respectiva y variables en el tiempo al igual que la intensidad que los producen.

Bbb ' (t ) = 2 ⋅ B ⋅ cos(ωt − 120°) Bcc ' (t ) = 2 ⋅ B ⋅ cos(ωt + 120°)

El campo magnético resultante es constante en el tiempo y gira en el espacio a velocidad ω. Cambiando las intensidades de dos devanados entre sí cambia el sentido de giro

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. a’ Estator

c

b

Rotor

Origen de ángulos

El estátor de un motor de inducción está formado por tres devanados desplazados en el espacio 120º. En la figura se representa sólo una espira de cada uno de los devanados ( aa’, bb’, cc’ )

c’

b’ a

iaa ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt ) ibb ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt − 120°) icc ' (t ) = 2 ⋅ I ⋅ cos(ωt + 120°)

Los tres devanados están alimentados mediante un sistema trifásico equilibrado de tensiones. Por tanto, las corrientes que circulan por las espiras son sinusoidales y están desfasadas 120º entre si

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. • Aparece un campo magnético giratorio. Teorema de Ferraris.

⎛2 · π ⎞ ⎜ p ⎟⎠ ⎝ Ω1 = T

(rad / s)

Ω1 = Velocidad de giro del campo estátorico.

p = Pares de polos. (2·π/p) = Distancia

entre dos polos estátoricos consecutivos del mismo nombre y de la misma fase.

T

= Tiempo que se tarda en recorrer la distancia idem anterior. Viene impuesto por la frecuencia de la red de alimentación.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. • El devanado rotorico está inmerso en un campo magnético giratorio. - El campo magnético giratorio ( B ) induce fems en el devanado del rotor. - Éstas a su vez provocan la circulación de corrientes ( i ) en el devanado del rotor. Estator Æ Inductor

i Rotor Æ Inducido

• Aparece un par motor en el rotor.

F = i · ( Lx B )

Magnitud dirección y sentido de la fuerza que se produce en los conductores del rotor.

F = Fuerza que se produce en los conductores del rotor. Su sentido es el de seguir al campo magnético giratorio del estátor.

i = Corriente que circula por los conductores del rotor. B = Campo magnético giratorio creado por las bobinas del estátor.

L

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos. → Relación entre frecuencia eléctrica y velocidad de giro. Si, por ejemplo, aumentamos el número de polos magnéticos en el rotor, se puede conseguir que las bobinas del estátor “vean” un fujo giratorio de velocidad superior a la de giro del rotor. Si P es el número de polos:

ωe = Frecuencia eléctrica

P ⋅ ωm 2 Velocidad de giro

► Para conseguir 50 Hz se requiere una velocidad de giro de: • 3000 rpm si tiene dos polos (un par de polos) • 1500 rpm si tiene cuatro polos (dos pares de polos) • 1000 rpm si tiene seis polos Igual número de polos • 750 rpm si tiene ocho polos en rotor y estator • 600 rpm si tiene diez polos

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulación. Motor de inducción

Devanado trifásico simétrico (a 120º) alimentado con sistema trifásico equilibrado de tensiones (desfase de 120°)

Estator Rótor

Sistema trifásico equilibrado Espiras en cortocircuito sometidas a tensión. Circulación de corriente por las espiras del rotor

Ley de Biot y Savart

Espiras en cortocircuito

Devanado trifásico simétrico (a 120º)

Campo giratorio Ω1 = 2πf/p

Interacción v-B FEM inducida por el campo giratorio en los conductores del rotor

Interacción i-B Fuerza sobre las espiras del rotor

Par sobre el rotor

Ley de Faraday

El rotor gira

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento. La velocidad Ω1 a la que gira el campo magnético creado por el estátor se denomina velocidad de sincronismo. Su valor constituye el límite al que pude girar el rotor cuando la máquina funciona como motor, ya que, en caso contrario, al no existir movimiento relativo entre los conductores del rotor y el campo, no se induciría F.E.M. (interacción v-B) en el devanado rotórico y, por tanto, tampoco habría par motor (interacción i-B). El rotor del motor de inducción, siempre que funciona accionando una carga, gira a velocidad Ωr inferior (pero próxima) a la de sincronismo (Ω1). Debido a que el rotor gira a una velocidad inferior (diferente) a la de sincronismo, su velocidad se denomina asíncrona y al motor se le nombra como asíncrono. Cuando funciona en vacío, el único par motor que debe desarrollar es el necesario para compensar las pérdidas (muy pequeño), por lo que gira a una velocidad muy próxima a la de sincronismo.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento. → Velocidad relativa. Supuesto el rotor girando a una velocidad estable Ωr en el mismo sentido de giro ( Ω1) del campo creado por el estátor. • El rotor, respecto al estátor, se mueve a una velocidad de deslizamiento. Velocidad síncrona (rad/s)

Velocidad de deslizamiento:

Ωdes = Ω1 - Ωr

( rad/s ) Velocidad del rotor (rad/s)

• Esa diferencia se denomina DESLIZAMIENTO ( s ó s%) cuando se expresa como una fracción de la velocidad sincrónica ( Ω1 ): (pu)

{

Ω r = Ω1· (1 − s )

Ω1 − Ω r s% = · 100 Ω1

y

Ω des = Ω1· s

{

Ω1 − Ω r s= Ω1

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento. → Intervalo de valores del deslizamiento ( régimen motor ). Deslizamiento :

Ω1 − Ω r Ω1 n − nr s= 1 n1

s=

Ω1 − Ω r · 100 Ω1

(pu)

s% =

(pu)

n1 − n r s% = · 100 n1

Rotor parado :

nr = 0

s=1

ó

s% = 100%

s≈0

ó

s% ≈ 0%

Rotor en vacío :

nr ≈ n1 Rotor en carga :

0 < nr < n1

1> s > 0

Los Los motores motores de de inducción inducción siempre siempre funcionan funcionan con con valores valores de de deslizamiento ss % deslizamiento muy muy bajos: bajos: %