LB Maquinas Asincronas

Miguel Ocharán P.

MAQUINAS MAQUINAS ASÍNCRONAS

MAQUINAS

Estados Estable y Dinámico

ASÍNCRONAS Estados Estable y Dinámico

Miguel Ocharán P.

Máquinas Asincronas - Estados Estable y Dinámico

MÁQUINAS ASINCRONAS ESTADOS ESTABLE Y DINÁMICO

M. Ocharán P.

ASAMBLEA NACIONAL DE RECTORES 2004 1

Miguel Ocharán P. a

© M. Ocharán P.

© Asamblea Nacional de Rectores Calle Aldabas Nº 337 - Urb. Las Gardenias - Surco Derechos Reservados ISBN:Nº 9972-9390-4-9 Hecho el Depósito Legal Registro Nº 150101-2004-8993 Tiraje: 1000 ejemplares Impreso en Perú - Printed in Peru Primera edición: enero de 2005

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“La presente obra obtuvo el segundo puesto en el área de Tecnologías en el I Concurso del Libro Universitario 2004, organizado por la Asamblea Nacional de Rectores, Lima, Perú”

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PRÓLOGO La presente edición recoge parte del esfuerzo desarrollado durante los años de estudios de la Maestría en Ingeniería Eléctrica y Doctorado en Energética del autor, en particular con relación a los trabajos de investigación sobre las máquinas asíncronas con rotor tipo jaula de ardilla, y trata de orientar y motivar al lector para el estudio de los regímenes especiales de dichas máquinas eléctricas. Entre los principales regímenes especiales que presentan los motores asíncronos tenemos los de arranque, inversión de giro, parada, etc., los mismos que son denominados regímenes dinámicos o regímenes transitorios. Son también parte de ellos sus procesos térmicos -estacionarios y dinámicos- asociados. Gracias al estudio de estos temas se puede realizar una óptima selección de sistemas de arranque, optimizar el consumo de energía y mejorar el comportamiento de la máquina en diversas aplicaciones, con el fin de obtener un máximo de eficiencia. Evidentemente, para lograr este propósito, es necesario estar familiarizado con las nociones básicas de las máquinas asíncronas; y el primer objetivo al escribir este libro- pensando en los estudiantes de pregrado en ingeniería eléctrica y especialidades afines-, es brindarles una aproximación a las máquinas eléctricas de inducción denominadas máquinas asíncronas, en particular al «motor asíncrono». El segundo objetivo esta orientado a alentar y de alguna manera transmitir nuestras experiencias e investigaciones a los estudiantes y profesores de posgrado en ingeniería, buscando contribuir en la exploración e investigación de los problemas relacionados con el funcionamiento en general de las máquinas eléctricas. Elaborar un libro a partir de un trabajo de investigación, aún en desarrollo, y propender que dicho libro sea útil para la formación académica universitaria y técnica es, para los no expertos, como es nuestro caso, una tarea sumamente engorrosa y desconocida, sin embargo, no menos gratificante y aleccionadora. Saludamos la iniciativa de la Asamblea Nacional de Rectores, al incentivar la escritura de este tipo de trabajos, lo que con seguridad contribuirá al desarrollo científico y tecnológico del país. El presente libro consta de dos partes y siete capítulos en total. La primera parte esta dedicada a centrar el objeto de la investigación subyacente asociada al libro. Esta parte consta de cinco capítulos. En el primer capítulo se desarrollan los conceptos fundamentales, la clasificación y la normatividad asociada al diseño y operación de las máquinas eléctricas en general. En el segundo capítulo se trata acerca de las generalidades de los procesos de transformación de energía en las máquinas eléctricas. 5

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El tercer capítulo se centra en los aspectos relativos a las máquinas asíncronas propiamente dichas: sus nociones generales, la información necesaria para su diseño y construcción y los aspectos constructivos más relevantes. En el cuarto capítulo se aborda el problema de diseño del motor asíncrono, esto es a la determinación de sus parámetros, en particular de un motor asíncrono trifásico de media potencia, desarrollando una metodología sobre la base de un ejemplo de cálculo específico y que precisamente corresponde al objeto de nuestra investigación. El quinto capítulo está asociado al comportamiento de las máquinas asíncronas en régimen estable o estacionario. Hasta allí es un tratamiento cuasi convencional del tema. La segunda parte del libro consta de los dos últimos capítulos. El capítulo seis que trata sobre los fenómenos térmicos asociados a las máquinas eléctricas, en el que se desarrolla toda una metodología para el cálculo y en donde, otra vez, en el cálculo ejemplarizador se utiliza el motor objeto del estudio. Finalmente el capítulo siete, en el que se enfocan los conceptos relativos al estudio de los regímenes de alta complejidad o procesos transitorios en accionamientos asíncronos, los principios básicos para modelar matemáticamente al motor asíncrono, los métodos numéricos de solución de ecuaciones diferenciales, y notas del proceso experimental del motor asíncrono, en sus diferentes formas de comportamiento, sobre la base de los programas computacionales (adjuntos en medio magnético) desarrollados por el autor en sus trabajos de investigación;complementariamente se proponen un conjunto de preguntas para el lector las cuales sirven como cuestionario de evaluación práctica del tema central desarrollado. Es necesario recalcar que no se pretende cubrir in extenso y exhaustivamente el tema de las máquinas asíncronas en el presente libro, en particular en lo contenido en la primera parte; pues, como sabemos, existen numerosos textos de gran calidad y que más bien han sido nuestros referentes y guías permanentes y cuya información hemos sintetizado. El objetivo, a través de esta primera parte, es hacer una rápida revista sobre los tópicos más relevantes y preparar la información básica asociada al objeto de investigación. En lo que corresponde a la segunda parte, nuestra pretensión es divulgar un proceso de investigación aún en marcha. Finalmente quiero expresar mi gratitud a mis colaboradores, en especial a GVChO, FUM y MMA. El Autor

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CONTENIDO PARTE 1 1 LAS MAQUINAS ELECTRICAS 1.1 Definiciones fundamentales 1.2 Clasificación de las máquinas eléctricas 1.2.1 Clasificación General 1.2.2 Clasificación de las máquinas eléctricas de inducción rotatorias 1.3 Normas 1.3.1 Alcances 1.3.2 Entidades y Normas tomadas como referencia 1.3.3 Generalidades 1.3.4 Protección ambiental y métodos de enfriamiento

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2 GENERALIDADES ACERCA DE LOS PROCESOS DE TRANSFORMACION DE ENERGIA EN LAS MAQUINAS ELECTRICAS 2.1 Procesos electromecanicos y electromagneticos 23 2.2 Campo magnetico 28 2.2.1 Campo magnético con variación periódico en el tiempo 28 2.2.2 Ecuaciones y características del campo electromagnético 29 2.2.3 Campo en el entrehierro 32 2.2.4 Campo magnético de inducción mutua 32 2.2.5 Campo fundamental y campo de dispersión 33 2.2.6 Longitud calculada del circuito magnético 34 2.2.7 Inductancias 34 2.3 METODOS FINITOS PARA CAMPOS ELECTROMAGNETICOS 22 2.3.1 Definición del método 36 2.3.2 Construcción del elemento finito 36 2.3.3 Ecuación de Laplace 36 2.3.4 Ecuación de Poisson 37 2.3.5 Programación y estructuración de datos 37 2.3.6 Representación de campos electromagnéticos 38 2.3.7 Elementos triangulares para la ecuación esclar de Helmholtz 38 2.3.8 Formulación del problema de potencial con simetría de traslación 38 2.3.9 Formulación del problema de potencial con simetría axial 39 2.3.10 Solución numérica de ecuaciones de elementos finitos 39 2.3.11 Programa FEMM 39 2.4 Momento electromagnético de rotación 39 2.5 Transformación unidireccional de la energía 44 2.6 Pérdidas en los procesos de transformación 46

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2.6.1 Eficiencia 2.6.2 Pérdidas eléctricas 2.6.3 Pérdidas magnéticas 2.6.4 Pérdidas mecánicas 3 LAS MÁQUINAS ASÍNCRONAS 3.1 Nociones generales 3.2 Datos para el diseño y fabricación 3.3 Aspectos constructivos del motor con rotor cortocircuitado 3.3.1 Partes activas del estator 3.3.2 Partes activas del rotor 4 PARÁMETROS DE LA MÁQUINA ASÍNCRONA TRIFÁSICA 4.1 Eficiencia y factor de potencia 4.2 Tamaños principales 4.3 Partes activas del estator 4.4 Partes activas del rotor 4.5 Flujos de magnetización 4.6 Parámetros de la máquina 4.7 Pérdidas 5 LA MÁQUINA ASÍNCRONA EN ESTADO ESTABLE 5.1 Marcha en vacío 5.2 Régimen de carga 5.3 Características de carga y operación de la maquina asíncrona 5.4 Arranque 5.5 Regulación de la frecuencia de rotación 5.6 Efecto de expulsión de la corriente 6 CALCULOS TERMICOS EN MÁQUINAS ASÍNCRONAS 6.1 Sobrecalentamientos, cálculos térmicos y normas 6.2 Transmisión térmica en la máquina asíncrona cerrada 6.3 Conceptos básicos y leyes 6.4 Circuito térmico equivalente de la máquina asíncrona cerrada 6.5 Método de cálculo de circuito térmico equivalente 6.6 Método del cálculo térmico 6.7 Cálculo del circuito térmico equivalente 6.8 Consideraciones para el cálculo 6.9 Resultados del cálculo 7 LA MÁQUINA ASÍNCRONA EN ESTADO DINÁMICO 7.1 Procesos transitorios electromagnéticos 7.2 Generalidades acerca del modelo matemático en máquinas asíncronas 7.2.1 Modelo matemático del motor asíncrono trifásico con rotor cortocircuitado 8

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7.2.2 Relación entre las inductancias propias e inductancias mutuas de los devanados y parámetros energéticos empleados en la teoría de la máquina asíncrona trifásica 7.2.3 Sentido físico de las fórmulas de conversión 7.2.4 Transformación de ecuaciones diferenciales de las máquinas asíncronas 7.3 Métodos numéricos para la solución del modelo matemático 7.3.1 Método de Runge Kutta 7.3.2 Método de aproximación polinomial 7.3.3 Solución de ecuaciones diferenciales rígidas. Método de Gir. 7.4 Programas RKGS y DVOGER 7.5 Cálculo térmico en estado dinámico 7.6 Programas computaciones 7.6.1 Introducción 7.6.2 Aplicación de los programas 7.6.3 Condiciones iniciales y datos de partida 7.6.4 Análisis y discusión de resultados 7.7 Procedimiento experimental para verificación del modelo 7.7.1 Objetivo 7.7.2 Secuencia de la experiencia 7.7.3 Recomendaciones para la realización de la experiencia 7.7.4 Cuestionario

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BIBLIOGRAFÍA

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APENDICES

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MATERIAL MAGNETICO PROGRAMAS COMPUTACIONALES

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INTRODUCCIÓN Dentro de los problemas a resolver en el proceso del desarrollo industrial, tenemos el mejoramiento de los procesos tecnológicos y el incremento de la productividad de trabajo en la industria en general. En la solución de estos problemas juega un papel importante el accionamiento eléctrico automatizado. Uno de los elementos más importantes en la mayoría de las etapas de producción en diferentes especialidades en el país es el accionamiento eléctrico con motor asíncrono, el cual también se denomina accionamiento asíncrono o simplemente motor asíncrono. En los últimos años han aparecido trabajos de investigación acerca de procesos transitorios en acciónamientos asíncronos. Los temas de mayor atención en estos trabajos son los procesos electromagnéticos del motor asíncrono durante su arranque, inversión de giro y parada. A estos procesos los denominados procesos o regímenes de carácter dinámico. Estos regímenes son de alta complejidad, motivo por el cual, en la actualidad se continúan los estudios concernientes a estos temas, y es el motivo de nuestros trabajos de investigación y que da origen a este libro. Debido a la gran demanda de motores asíncronos para su utilización en los diferentes campos de la industria, surge la necesidad de analizar los fenómenos físicos que se tienen durante el funcionamiento de estas máquinas eléctricas. La descripción analítica de los procesos físicos en cualquier dispositivo diseñado por la tecnología ingenieril se denomina MODELO MATEMÁTICO. Para las máquinas eléctricas y transformadores, el modelo matemático se puede construir por medio de dos métodos: • Método de la teoría de campo. La base de este método son las ecuaciones diferenciales sobre la base de las ecuaciones diferenciales particulares de Maxwell o sus modificaciones. • Método de la teoría de circuitos; el cual está sobre la base de ecuaciones algebraicas o ecuaciones diferenciales simples. Las ecuaciones algebraicas describen sólo los regímenes estables (estacionarios, estáticos) de funcionamiento. En las ecuaciones de este tipo, para la máquina de corriente continua (MCC), se consideran las magnitudes de corriente continua, para las cuales la frecuencia en función del tiempo es igual a cero. Las ecuaciones algebraicas para transformadores y máquinas de corriente alterna (MCA) se escriben en forma de valores complejos de variables senoidales. Las ecuaciones diferenciales son más universales, aunque tengan una descripción más compleja tanto en los regímenes de funcionamiento estable como en el transitorio. Los transitorios son también conocidos como regímenes dinámicos o inestables, los cuales están rela-cionados con los procesos físicos que suceden en los transformadores y 11

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máquinas eléctricas. Las ecuaciones diferenciales simples se escriben para valores instantáneos de las variables. Las curvas de éstas variables en función del tiempo son también llamadas oscilogramas. Las ecuaciones de circuitos de devanados se escriben sobre la base de las leyes de Kirchoff y de inducción electromagnética. A la malla de cada fase le corresponde su ecuación y junto con la ecuación diferencial de balance de momentos (ecuación del movimiento del rotor) se da forma al modelo matemático del dispositivo, que viene a ser un sistema de ecuaciones diferenciales. El método de solución más racional, efectivo y porque no decir único, se obtiene gracias al empleo de Máquinas Análogas Electrónicas MAE y de PC¢S.

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CAPITULO 1 LAS MAQUINAS ELECTRICAS

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DEFINICIONES FUNDAMENTALES

Los dispositivos que realizan la transformación de la energía al producir movimientos mecánicos a partir de la dotación de energía eléctrica en sus bornes o al producir energía eléctrica a partir de imprimirle movimiento mecánico al dispositivo se llaman «máquinas eléctricas». En la actualidad una importante parte de la energía reservada en la naturaleza en diversas formas: química, nuclear, mareomotríz, eólica y solar, es transformada en energía eléctrica. La característica fundamental de este proceso de transformación consiste en que la energía eléctrica puede transmitirse a grandes distancias a bajo costo, con alta seguridad y fiabilidad, distribuirse entre los usuarios y de nuevo convertirse en energía en sus diversas formas: mecánica – sistemas de transporte, industriales, etc.- calorífica, química, radiante – equipos de iluminación artificial-, o en el impulso fundamental de los sistemas electrónicos que conforman la mayor parte de dispositivos que la vida moderna ofrece: sistemas de comunicación, como la televisión o la radiofonía, sistemas de computo e infinidad de aplicaciones en el uso doméstico. No obstante, todos los procesos de transformación contienen implícitamente sus propios inconvenientes tecnológicos y económicos, requiriéndose procesos de transformación intermedios o compuestos, donde la transformación de muchos tipos de energía natural en mecánica y luego a eléctrica juega un papel primordial. La maquina eléctrica destinada a transformar la energía mecánica en eléctrica se llama comúnmente «generador eléctrico». La maquina eléctrica destinada a la transformación de energía eléctrica en mecánica se llama «motor eléctrico». 13

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Las máquinas eléctricas poseen el principio de reversibilidad de la transformación. Es decir, que en toda máquina eléctrica se puede realizar la transformación electromecánica en los dos sentidos posibles. Si se suministra energía mecánica al eje o árbol de una máquina eléctrica, ésta funcionará en régimen de generador de energía eléctrica. Si a la máquina se le suministra energía eléctrica en los bornes, su órgano móvil, denominado comúnmente árbol, realizará trabajo mecánico, generalmente de rotación. La máquina eléctrica es un sistema electromagnético que consta de circuitos magnéticos y eléctricos interrelacionados mutuamente. El circuito magnético asociado a cada máquina eléctrica está constituido por los circuitos magnéticos fijo y móvil. El circuito magnético fijo es el entrehierro o separación entre la parte estática (estator) y la parte móvil rotativa (rotor) de la máquina, y el conjunto de espiras que conforman el devanado estatórico. El circuito magnético móvil esta constituido por el devanado asociado a la parte móvil o giratoria de la máquina. Los circuitos magnéticos pueden desplazarse uno con respecto al otro. En las máquinas eléctricas la transformación electromecánica de la energía está basada en el fenómeno de la inducción electromagnética y está asociada a las fuerzas electromotrices (f.e.m.) inducidas, producto de la variación – normalmente periódica- del campo magnético. Esta variación periódica del campo magnético tiene lugar durante el desplazamiento mecánico de los devanados o de los elementos componentes del circuito magnético móvil. Las máquinas eléctricas, cuyo principio de funcionamiento está basado en la ley de inducción electromagnética se llaman máquinas de inducción. Un caso particular de la aplicación de este fenómeno es el llamado transformador eléctrico. Este tipo de dispositivo esta destinado a transformar la energía eléctrica con parámetros de unos valores dados (corriente, voltaje, frecuencia) en energía eléctrica con parámetros de otros valores, los mismos que guardan proporcionalidad al numero de espiras de los devanados componentes de los circuitos magnéticos asociados. Este tipo de convertidor inductivo es el más sencillo y de uso más difundido y por medio de él la corriente alterna de una tensión se transforma en corriente alterna de otro voltaje. En ésta máquina sus devanados y el circuito magnético son mutuamente inmóviles, y el proceso de la variación periódica del campo magnético, por el cual se inducen las fuerzas electromotrices en los devanados, se realiza eléctricamente.

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Por otra parte, los convertidores inductivos de energía eléctrica que poseen elementos móviles de llaman máquinas eléctricas rotatorias. Por ello, dado que su principio de funcionamiento y construcción en esencia no difieren de las maquinas eléctricas descritas y teniendo en cuenta el extenso significado del termino «maquina», se debe considerar que los transformadores y los convertidores electromecánicos como una variedad especial de maquinas eléctricas de inducción. Las máquinas eléctricas como convertidores de energía son los elementos más importantes de cualquier instalación energética o industrial. En la actualidad se usan cada vez más asociadas a sistemas de mando automático y regulación. Las máquinas eléctricas pueden operar con una red de corriente alterna o de corriente continua. En correspondencia con esto se dividen en máquinas eléctricas de corriente alterna y máquinas eléctricas de corriente continua.

1.2 CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS 1.2.1 Clasificación General Existen muchas formas de clasificar las máquinas eléctricas, sea por su tipo de desplazamiento: estáticas o rotatorias, por su potencia: de gran potencia, mediana potencia o micro máquinas, por el tipo de suministro eléctrico asociado: corriente continua o corriente alterna, trifásicas o monofásicas, etc. Elegiremos la clasificación general más sencilla asociada a la destinación funcional de las máquinas eléctricas. Clasificación de las máquinas eléctricas según su destinación funcional Denominación Transformador Convertidor de corriente alterna en continua (rectificador) Convertidor estático de la corriente continua Máquina eléctrica corriente alterna Máquina eléctrica de corriente continua (de válvulas o de colector) Convertidor electromecánico de corriente alterna (o máquina eléctrica de doble alimentación)

Destinación funcional Transformación de la corriente alterna de una tensión en corriente alterna de otra tensión Transformación de la corriente alterna en continua (o transformación inversa) Transformación de la corriente continua de una tensión en corriente continua de otra tensión Transformación de la energía eléctrica de la corriente alterna en energía mecánica (o transformación inversa) Transformación de la energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica (o transformación inversa) Transformación de la energía eléctrica de corriente alterna de frecuencia f1 en energía eléctrica de corriente alterna de frecuencia f2 = f1 y en energía mecánica (o transformación en cualquier otro sentido)

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1.2.2 Clasificación de las Máquinas Eléctricas de Inducción Rotatorias Para este tipo particular de máquinas eléctricas la clasificación obedece al tipo de desplazamiento y por la forma de sus partes móviles. Una máquina eléctrica inductiva rotatoria está constituida por dos partes principales: la parte inmóvil y la parte móvil. La parte inmóvil, conocida como el estator, consta del circuito magnético, de uno o varios devanados y de las piezas constructivas, dentro de las que se incluye la carcaza, mediante los cuales a todos los elementos del estator se les otorga una determinada posición en el espacio. La parte móvil está constituida por el circuito magnético asociado a dicha parte, uno o varios devanados y también por las piezas constructivas mediante las cuales se asegura el desplazamiento del rotor o parte móvil respecto al estator o parte inmóvil en determinada dirección. Los devanados móviles e inmóviles reciben alimentación eléctrica a las cuales ellos están conectados directamente o a través de transformadores de frecuencia. Para el acoplamiento del suministro de energía con los devanados móviles se utilizan contactos corredizos. El rotor o parte móvil de la maquina posee generalmente un solo grado de libertad de desplazamiento (el desplazamiento en los demás sentidos posibles se excluye con ayuda de las piezas de apoyo (bujes, cojinetes, rodamientos, etc.) de uno u otro tipo. Las maquinas más utilizadas son aquellas en las cuales la parte móvil gira variando su posición angular respecto a la parte inmóvil o estator. Estas máquinas se llaman giratorias o rotatorias Generalmente se emplean las máquinas giratorias en las cuales el rotor cilíndrico está dispuesto dentro del estator, que tiene la forma de un cilindro hueco, estas maquinas se llaman maquinas giratorias cilíndricas, o simplemente, maquinas giratorias. Existen una serie de casos particulares, que describiremos a continuación: a) Máquina con rotor exterior: con el fin de aumentar el momento de inercia de las partes giratorias, el rotor, que tiene la forma de un anillo, se dispone por fuera del estator. b) Máquinas giratorias frontales: es el tipo de maquina giratoria en la cual tanto el estator como el rotor tienen la forma de discos dirigidos uno hacia el otro por las superficies planas frontales.

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c) Máquinas lineales (planas o cilíndricas): son máquinas eléctricas de uso muy restringido en las cuales la parte móvil se desplaza progresivamente variando su posición lineal respecto al estator. En la máquina plana lineal los circuitos magnéticos móvil e inmóvil tienen la forma de paralelepípedos dirigidos uno hacia el otro por sus caras planas. En la máquina cilíndrica lineal el circuito magnético móvil de forma cilíndrica se desplaza en dirección axial por dentro del circuito magnético inmóvil de forma generalmente anular. d) Máquinas eléctricas oscilatorias: son máquinas giratorias o lineales en las cuales la parte móvil ejecuta movimientos oscilatorios. Una aplicación típica de la máquina lineal oscilatoria es en los relojes eléctricos. e) Los electro moto reductores, sobre la base del convertidor mecánico el cual es análogo al del transformador eléctrico de frecuencia que acopla la maquina electrica con la red. Tal dispositivo a menudo se intercala en la máquina de inducción formando con esta una sola máquina llamada comúnmente moto reductor. El convertidor mecánico más utilizado es el reductor de engranajes o el de platos (multiplicador) que sirve para reducir o aumentar la frecuencia de rotación del árbol del dispositivo moto reductor. Para transformar el movimiento giratorio en movimiento de avance se puede usar la transmisión por tornillo sin fin, el engranaje de cremallera o la transmisión por fricción. Para transformar el balanceo o las oscilaciones en movimiento giratorio o de avance se usan diversos tipos de mecanismos de trinquete.

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NORMAS

1.3.1 Alcances En esta sección resumiremos la primera parte de la publicación MG 2-2001, de la National Electrical Manufacturers Association, relativa a las principales normas de selección, instalación y uso de las máquinas eléctricas rotativas, de modo tal que se prevea en forma práctica la seguridad de las personas y equipos. La publicación excluye los siguientes tipos de dispositivos a. Máquinas de Soldar b. El impulsores, frenos dinámicos, y las máquinas del tipo absorción. c. Las plantas eléctricas de alumbrado agrícola remotas o aisladas. d. El generador de velocidad variable para vagones de pasajeros del ferrocarril. 17

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e. Los motores de vehículos, alternadores de vehículos, generadores, y los grupos electrógenos motores para uso en locomotoras, ferrocarril y vehículos. f. Los automotores, los generadores de vehículos y grupos electrógenos. g. Los grupos de motores, de generadores, de excitadores, y de generador motor o del excitador, de uso en transporte aéreo h. Los motores de juguete y los motores sincrónicos pequeños del tipo generalmente usado en muebles domésticos y cronómetros. i. Las características específicas adicionales requeridas en máquinas para el uso en posiciones arriesgadas (clasificado). Tales posiciones podrían estar en zonas explosivas o en áreas definidos en el Código Eléctrico Nacional (ANSI/NFPA 70), los Artículos 500 a través de 503. j. Las máquinas construidas para las especificaciones militares teniendo requisitos que están en conflicto con o pasan sobre la disposición de lo previsto en la publicación. k. Las partes de la máquina destindasa para la instalación de cercos herméticamente sellados. l. Los generadores de polos no salientes y sus excitadores. m. Los generadores mayores que 10,000 kVA, y sus excitadores conducidos por turbina hidráulica, incluyendo las unidades de generación reversible. n. Los condensadores síncronos, los convertidores de frecuencia, y los convertidores de fase. Dado que cualquier máquina puede ser instalada o manejada de tal modo que los peligros pueden ocurrir, la conformidad con la publicación por sí misma no asegura una instalación segura. Sin embargo, cuando una máquina satisface los requisitos expuestos en la publicación y está seleccionada correctamente con relación a la carga conectada y ambiente, y es instalada de conformidad con lo previsto en los códigos nacionales y adecuadas prácticas locales, los peligros para las personas y la propiedad se acortarán. 1.3.2. Entidades y Normas tomadas como referencias. En la publicación se hace referencia a las siguientes entidades y normas: American National Standards Institute (ANSI) 11 West 42nd street NewYork, NY 10036 18

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ANSI/ASME B15.1-2000 Safety Standard for Mechanical Power Transmission Apparatus American Society for Testing and Materials (ASTM) 1916 Race Street Philadelphia, PA 19103 ASTM D149-81 Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of Solid Electrical Insulating Materials at Commercial Power Frequencies International Electrotechnical Commission (IEC)1 3Rue de Varembé, CP 131, CH-1211 Geneva 20, Switzerland IEC 60034 (Series) Rotating Electrical Machines National Electrical Manufacturers Association (NEMA) 1300 North 17th Street, Suite 1847 Rosslyn, VA 22209 NEMA MG 1-1998 Motors and Generators NEMA MG 10-2001 Energy Management Guide for Selection and Use of Polyphase Motors NEMA Application Guide for AC Adjustable Speed Drive Systems National Fire Protection Association (NFPA) Batterymarch Park Quincy, MA 02269 ANSI/NFPA 70-2002 National Electrical Code Underwriters Laboratories, Inc. (UL) 333 Pfingsten Road Northbrook, IL 60062 ANSI/UL 674-1994 Electric Motors and Generators for Use in Hazardous Locations, Class I Groups C and D, Class II Groups E, F, and G 1.3.3.Generalidades La construcción de máquinas rotativas por si mismas no aseguran seguridad en su uso. Hay una gran necesidad de establecer medidas preventivas en la selección, instalación, y uso de máquinas, ya que existen medidas preventivas en su diseño y la manufactura. Las siguientes recomendaciones son generalmente aplicables pero pueden haber situaciones donde surjan conflictos con otras medidas de seguridad o con los requisitos operacionales, en ese caso se necesitará que 19

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estas recomendaciones sean modificadas. Donde las anteriormente citadas medidas preventivas y después de la experiencia del usuario no son suficientes para servir de guía, el fabricante del equipo y el supervisor del fabricante de la máquina, o ambos, deberán ser consultados para desarrollar más información. Esta mayor información deberá ser considerada por el usuario, sus asesores, u otras personas familiarizadas con los detalles de la aplicación compleja al hacer la decisión final. La importancia de la comunicación entre fabricante y usuario no puede ser soslayada. Las oportunidades para impedir incidentes arriesgados y limitar sus consecuencias son grandemente mejoradas cuando ambos, usuario y fabricante, están correctamente y con creces, informados con relación al uso pretendido y todas las condiciones ambientales y operativas. Desde que tal uso pretendido y tales condiciones ambientales y operativas están bajo el control exclusivo del usuario, él es quien tiene el conocimiento más completo del uso pretendido y las condiciones ambientales y operativas, por lo que deberá hacer una selección apropiada y deberá instalar máquinas que optimizarán la seguridad en su uso. La publicación pretende ayudar al usuario en la selección, la instalación y el uso de máquinas eléctricas. 1.3.4 Protección Ambiental y Métodos de Enfriamiento La ventilación y otras consideraciones del diseño de máquinas frecuentemente requieren aberturas en las partes exteriores en las zonas vecinas de las partes de metal no aisladas, disipadores de calor o del movimiento de partes mecánicas de la máquina. El uso de máquinas cerradas de uso general están definidos en las secciones 4.1 y 4.2 de la publicación. Los detalles de protección internacional (IP) y los métodos de enfriamiento internacional (IC) conforman las IEC Standards. Para mayor información, puede verse NEMA Standards Publication MG1, en la Parte 5 (Código IP) y en Parte 6 (Código IC). a) Abiertas (1P00, IC01) b) A prueba de goteo (IP12, IC01) c) A prueba de chorreo (IP13, IC01) d) Semi-cerrada (IC01) e) Cerrada f) A prueba de goteo (IC01) g) Apertura y ventilación independiente (IC06) h) Ventilada por ducto i) Protegida contra interperismo j) Máquina Tipo I (IC01)

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k) Máquina Tipo II (IC01) l) Completamente cerrada. m) Completamente cerrada y no ventilada (IC410) n) Completamente cerrada y enfriada por ventilador o) Completamente cerrada, protegida y enfriada por ventilador (IC411) p) Completamente cerrada ventilada por ducto (IP44) q) Completamente cerrada ventilada por agua (IP54) r) A prueba de agua (IP55) s) Completamente cerrada refrigerada por agua-aire (IP54) t) Completamente cerrada refrigerada por aire-aire (IP54) u) Completamente cerrada refrigerada por aire superficial (IP54, IC417)) v) A prueba de explosión w) Prueba de Ignición y polvo

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CAPITULO 2 GENERALIDADES ACERCA DE LOS PROCESOS DE TRANSFORMACION DE ENERGIA EN LAS MAQUINAS ELECTRICAS 2.1 PROCESOS ELECTROMECANICOS Y ELECTROMAGNETICOS Como sabemos, el circuito electromagnético de una maquina electrica consta de dos elementos principales: el estator o parte inmóvil y el rotor o parte móvil, giratoria. El núcleo del estator está fijamente anclado a la carcaza de la máquina y ésta a su vez a la cimentación del dispositivo. El núcleo del rotor, colocado en el eje o árbol, gira junto con éste sobre los apoyos (cojinetes, bujes, etc.) manteniendo una posición coaxial con respecto al estator. Las ranuras distribuidas diametralmente sobre la superficie cilíndrica del núcleo del rotor alojan el devanado rotórico compuesto por una bobina con número de espiras w1; en las ranuras del circuito magnético del estator se aloja el devanado 2, constituido por una bobina con un número de espiras w2. El material empleado para la fabricación de los núcleos tanto del rotor como del estator es de silicio, en forma de chapas anulares, dicho material que posee una elevada permeabilidad magnética y que permite mantener intensificar la relación magnética existente entre los circuitos magnéticos del rotor y del estator. Con el mismo propósito, esto es, de intensificar o mantener en elevados valores la relación magnética entre los circuitos magnéticos, las bobinas se colocan en las ranuras de los circuitos magnéticos y no en su superficie exterior. Siempre con el mismo criterio, el entrehierro entre el estator y el rotor, se elige con el valor mínimo admisible, ello permite obtener una resistencia bastante pequeña del entrehierro en el circuito magnético. 23

Miguel Ocharán P. a

Por medio del eje o árbol, el rotor se acopla con otra maquina y con ésta realiza un intercambio de energía mecánica (entrega emergía en el régimen de rotor y recibe energía en el régimen de generador). El devanado del estator y el devanado del rotor están conectados a redes eléctricas con tensiones u2 y u1. En el régimen de motor, la maquina recibe de éstas redes (o de una de ellas) energía electrica; en el régimen de generador, la máquina genera energía electrica para estas redes. En la máquina, la transformación electromecánica de la energía está ligada con las f.e.m. que se inducen en los devanados, a causa del cambio de su posición mutua en el espacio. Supongamos que en el devanado 2 (del estator) se tiene corriente continua i2 = constante, y que el devanado 1 está desconectado, o sea i1 = 0. En este caso se forma un campo magnético fijo cuyo polo norte N se sitúa en la parte inferior del circuito magnético y el polo sur S se sitúa en la parte superior. Considerando que la permeabilidad magnética del acero de los circuitos magnéticos del estator y del rotor µα ac es infinitamente grande en comparación con la permeabilidad magnética del entrehierro igual a µ0 (µα ac >> µ0), se puede despreciar la diferencia de potenciales magnéticos en el circuito magnético y escribiendo la ley de la corriente total para cualquier circuito que abarca la corriente i2w2 de la bobina 2, tenemos la siguiente ecuación:

∫ H dl = l

B 2 .2δ = i 2 ω2 µ0

(2.1)

desde la cual podemos encontrar el valor de la inducción del campo magnético del devanado 2 en el entrehierro.

B2 =

µ 0 i 2 ω2 2δ

(2.2)

donde δ es el espesor del entrehierro. El flujo magnético total Ψ12m de este campo en el devanado 1 depende del ángulo γ. Dicho ángulo caracteriza la posición del devanado rotórico 1 con respecto al devanado estatórico 2. El flujo concatenado tiene su valor máximo positivo cuando γ = 0. 24

Máquinas Asincronas - Estados Estable y Dinámico

Ψ12m = B2τlw1,

(2.3)

donde «l» es la longitud del circuito magnético en dirección axial; τ = πR es la longitud del paso polar. De manera análoga varia la inductancia mutua existente entre los devanados L12 = Ψ12/i2: ⎛ 2γ ⎞ L 12 = L 12 m ⎜1 − ⎟ π ⎠ ⎝ 2γ ⎞ ⎛ L 12 = −L 12 m ⎜ 3 − ⎟ π⎠ ⎝

donde L 12 m =

para 0