7. Máquinas Eléctricas Rotativas7.1 Introducción. Generalidades7.2 Motores de inducción7.3 Otros tipos de motores

7.3.1 Máquina Síncrona7.3.2 Motores de corriente continua7.3.3 Motores monofásicos

7.4 Selección de un Motor7.4.1 Grado de protección de un motor y formas

constructivas7.4.2 Tipos de servicio

Motor de Inducción o Asíncrono

Motor Síncrono Motor de Corriente Continua

MotorMonofásico

Sistema Eléctrico

Sistema Mecánico

Máquina

Eléctrica

Generador: Peléctrica Pmecánica

Motor: Peléctrica Pmecánica

Máquinas eléctricas• Estáticas: Transformadores

• Rotativas:• Motores

• Generadores

Sistema Eléctrico - A

(Tensión 1)Transformador

Sistema Eléctrico - B

(Tensión 2)

7.1 Introducción: Generalidades

Una máquina eléctrica rotativa es una máquina reversible

Motor Generador

Transformación

Energía eléctrica-Energía eléctrica

Transformación

Energía eléctrica-Energía mecánica

→ 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

N S

Imanes Permanentes

Escobillas

Fuerza Electromotriz inducida en la espira

por el campo

Fuerza externa que hace girar a la

espira

Espira Campo

Magnético

+

7.1 Introducción: Generalidades

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.

@Manés Fernández

N S

Imanes Permanentes

Corriente que se hace circular por la espira

Espira Campo

Magnético

Escobillas

FUERZA QUE TIENDE A HACER

GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR

→ Principio de funcionamiento como MOTOR.

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

(Acoplamiento mecánico)

7.1 Introducción: Generalidades

Rotor

Estator

Flujo 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

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

mmP ωτ ⋅= ϕcos3 ⋅⋅⋅= LLe IVP

(1) (2) (3) (4)

Potencia eléctrica generada (trifásica)

Potencia mecánica aplicada

(W) Vatios EnPegundoradianes/s en giro de Velocidad

metro)x (Newton Nm enmotor Par

mωτ

(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)

Balance Energético→ Máquina eléctrica GENERADOR.

eee Q · jPS +=

7.1 Introducción: Generalidades

(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)

(4) (3) (2) (1)

mmP ωτ ⋅=

Potencia mecánica realizada

ϕcos3 ⋅⋅⋅= LLe IVP

Potencia eléctrica consumida (trifásica)

(W) Vatios EnPegundoradianes/s en giro de Velocidad

metro)x (Newton Nm enmotor Par

mωτ

eee Q · jPS +=

Balance Energético→ Máquina eléctrica MOTOR.

7.1 Introducción: Generalidades

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 ELÉCTRICASDE CORRIENTE

ALTERNA

GIRATORIAS

ASÍNCRONAASÍNCRONA SÍNCRONA

ALTERNADORMOTOR

MOTORGENERADOR

ESTÁTICAS

MÁQUINAS ELÉCTRICASDE CORRIENTE CONTINUA

GENERADORMOTOR

TRANSFORMADOR

7.2.1 Aspectos constructivos. Sección.

Corte axial

Corte en 3D

7.2.1 Aspectos constructivos. Rotor de jaula.

Paquetemagnéticoestatórico

Cabezas de bobina

Ranuras delestátor Ranuras del

rótor

Eje Anillo de cortocircuito

Paquetemagnético

rotórico

● Su simplicidad y gran robustez son las ventajas más destacadas.

Anillos rozantes

Anillos rozantes

©© L. Serrano: Fundamentos de L. Serrano: Fundamentos de mmááquinas elquinas elééctricas rotativasctricas rotativas

©© L. Serrano: Fundamentos de L. Serrano: Fundamentos de mmááquinas elquinas elééctricas rotativasctricas rotativas

Escobillas

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

7.2.1 Aspectos constructivos. Rotor bobinado.

Anillos rozantes y escobillas

{

CircuitoEléctrico

Arrollamientotrifásico

Bobinas preformadas odevanado preformado

Bobinas de hilo esmaltadoo devanado aleatorio

EstátorCircuitoeléctrico

estatórico

RotorCircuitoeléctricorotórico

Arrollamiento(polifásico)

en cortocircuito

Jaula de ardilla

Bobinado oAnillos rozantes

Bobinas de cobreAnillos rozantes

Aluminio fundidoBarras soldadas

CircuitoMagnético

Paquetes MagnéticosChapa magnética de acero al silicioapiladas y eléctricamente aisladas

unas de otras

Entrehierro

EstátorPaquete magnético

Cilíndrico hueco

Ranurasen la superficie

interna

RotorPaquete magnético

cilíndrico

Ranurasen la superficie

externa

Estructuramecánica

Estátor: Parte fijaRotor: Parte giratoria

Cilindro que puede girar sobre su eje (rotor)en el interior de otro cilindro hueco fijo (estátor)

7.2.1 Aspectos constructivos. Desglose.

Caja de terminales- bornes ( bobinas del estátor )

7.2.1 Aspectos constructivos: Caja de bornes (estátor).

V1 W1

W2 U2 V2

U1

U2

V1

V2

W1

W2

U1

U2

V1

V2

W1

W2

Pletina decobre

Devanados del motor

U1 V1 W1

W2 U2 V2

Caja de conexiones

Conexión en estrella

Conexión en triángulo

U1

Bobinas del motor (estátor)

{

7.2.1 Aspectos Constructivos: Placa de características

Motor Conexión Trifásica

Velocidad Nominal

Potencia Nominal

Tensión Nominal Intensidad

Nominal

Factor de Potencia

Frecuencia Nominal

7.2.2 Principio de funcionamiento. Introducción.

Energía

eléctrica

Energía

eléctrica

→ EL TRANSFORMADOR.

Convertidor

electro-mecánico

• Motor

• Generador

→ LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN.

ParVelocidad

Energía

eléctrica

C

AB

Si se aplica un sistema trifásico de intensidades en 3 bobinas desfasadas entre sí 120°:

)120cos(2)(

)120cos(2)(

)cos(2)(

)120cos(2)(

)120cos(2)(

)cos(2)(

'

'

'

'

'

'

°+⋅⋅=

°−⋅⋅=

⋅⋅=

°+⋅⋅=

°−⋅⋅=

⋅⋅=

tBtB

tBtB

tBtB

tIti

tIti

tIti

cc

bb

aa

cc

bb

aa

ω

ω

ω

ω

ω

ω

→ Generación de campos magnéticos giratorios. Teorema de Ferraris

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.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos.

El campo magnético resultante es constante en el tiempo y gira en el espacio a velocidad ω.

Cambiando las intensidades de dos devanados entre sícambia el sentido de giro

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’ )

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos.

b

a

a’

b’

c

c’

EstatorEstator

Origen deángulos

RotorRotor

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)120cos(2)(

)120cos(2)(

)cos(2)(

'

'

'

°+⋅⋅=

°−⋅⋅=

⋅⋅=

tIti

tIti

tIti

cc

bb

aa

ω

ω

ω

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

)s/rad(T

p·2

1 ⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ π

=Ω

Ω1 = Velocidad de giro del campo estátorico.

(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.

p = Pares de polos.

• El devanado rotorico está inmerso en un campo magnético giratorio.

• Aparece un par motor en el rotor.

- 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.

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

)BxL(·iF =

i = Corriente que circula por los conductores del rotor.

B = Campo magnético giratorio creado por las bobinas del estátor.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos.

L

i

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

Estator Inductor Rotor Inducido

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.

meP ωω ⋅=2

Si P es el número de polos:

Frecuencia eléctrica

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• 750 rpm si tiene ocho polos• 600 rpm si tiene diez polos

→ Relación entre frecuencia eléctrica y velocidad de giro.

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos.

Igual número de polos en rotor y estator

Motor de inducción

Estator

Rótor

Devanado trifásico simétrico (a 120º)alimentado con sistema trifásico

equilibrado de tensiones (desfase de 120°)

Espiras en cortocircuito

Sistematrifásico

equilibrado

Devanado trifásicosimétrico (a 120º)

Campo giratorio Ω1 = 2πf/p

Ley de FaradayInteracción v-B

FEM inducida por elcampo giratorio en los conductores del rotor

Espiras en cortocircuitosometidas a tensión.

Circulación de corrientepor las espiras del rotor

Ley de Bioty Savart

Interacción i-BFuerza sobre lasespiras del rotor

Par sobreel rotor

El rotorgira

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulación.

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.La velocidad Ω1 a la que gira el campo magnético creado por el

estátor se denomina velocidad de sincronismo. Su valor constituye ellímite 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).

7.2.2 Principio de Funcionamiento. Deslizamiento.

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 de deslizamiento: Ωdes = Ω1 - Ωr

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

s1

r1Ω

Ω−Ω= 100 · %s

1

r1Ω

Ω−Ω=

Velocidad síncrona (rad/s)

Velocidad del rotor (rad/s)

( p u )

{ {( ) s · y s1 · 1des1r Ω=Ω−Ω=Ω

( rad/s )

→ Velocidad relativa.

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

n

nns1

r1 −= 100 ·

nnn%s

1

r1 −=

Deslizamiento :

Los motores de inducción siempre funcionan con valores de deslizamiento muy bajos: s % < 5 %

Los motores de inducción siempre funcionan con valores de deslizamiento muy bajos: s % < 5 %

100 · %s1

r1Ω

Ω−Ω= s

1

r1Ω

Ω−Ω= ( p u )

Rotor parado :

( p u )

nr = 0 s = 1 ó s% = 100%

Rotor en vacío :

nr ≈ n1 s ≈ 0 ó s% ≈ 0%

Rotor en carga :

0 < nr < n1 1 > s > 0

El circuito equivalente de una máquina de inducción es parecido al del transformador, con la diferencia de que el devanado estatórico

es el primario y el rotorico es el secundario.

El circuito equivalente de una máquina de inducción es parecido al del transformador, con la diferencia de que el devanado estatórico

es el primario y el rotorico es el secundario.

Además, el devanado secundario (rotorico) está cortocircuitado.Además, el devanado secundario (rotorico) está cortocircuitado.

En la máquina real el valor de la resistencia del rotor NO depende de la velocidad de deslizamiento.

En la máquina real el valor de la resistencia del rotor NO depende de la velocidad de deslizamiento.

7.2.3 Circuito equivalente.

Analíticamente se deduce un CIRCUITO EQUIVALENTE con parámetros A ROTOR PARADO, en el que la RESISTENCIA que

representa la del ROTOR es función del DESLIZAMIENTO.

Analíticamente se deduce un CIRCUITO EQUIVALENTE con parámetros A ROTOR PARADO, en el que la RESISTENCIA que

representa la del ROTOR es función del DESLIZAMIENTO.

Los valores necesarios para obtener analíticamente los parámetros del circuito equivalente se obtienen de dos ensayos de laboratorio:

Ensayo de vacío y ensayo de rotor bloqueado.

Los valores necesarios para obtener analíticamente los parámetros del circuito equivalente se obtienen de dos ensayos de laboratorio:

Ensayo de vacío y ensayo de rotor bloqueado.

Tensiónde fase

(Estator)

Resistencia cobre rotor

Reactancia dispersiónrotor

Resistencia potenciamecánicaentregada

Resistencia cobre estator

Reactancia dispersión

estator

Reactanciamagnetizante

Resistenciapérdidas hierro

Corrientede vacío

Xs Rs

U1

I1

XR’ IR ’

Xμ Rfe

IfeIμ

I0RR’

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −⋅

SS'RR

1

7.2.3 Circuito equivalente referido a rotor paradoEl circuito equivalente se plantea por fase y con conexión en estrella.

Los elementos del circuito con una ’ están referidos al estator:rt = Ne / Nr

Pérdidas estator

Pérdidas rotorPotencia

eléctrica de entrada

P1

Pcu1 pfe1 Pfe2=0 Pcu2

Pa

Potencia de entre hierro

Pmi

Pm

Potencia útil

Pu

7.2.4 Balance de potencias

Potencia mecánica

interna

Pérdidas mecánicas

Pm Pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación)

Pcu2 Pérdidas en el cobre del rotor (calentamiento de conductores)

PFe Pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes parásitas)

Pcu1 Pérdidas en el cobre del estátor (calentamiento de conductores)

Potencia mecánica realizada

Potencia eléctrica consumida (trifásica)

Balance Energético→ Máquina eléctrica MOTOR.

P1

Pcu1 PFe Pcu2 Pm

Pu

7.2.4 Balance de potencias

Pc Pa Pmi

Par útil: el par que es capaz de desarrollar el motor en el eje

Pu = Pmi – Pérdidas mecánicasPu = Pmi – Pérdidas mecánicas

Se denomina PAR INTERNO al par total desarrollado internamente por la máquina asíncrona.

PmiMi Ωr

=

PuMu Ωr

=

El rendimiento de un motor informa del aprovechamiento de la potencia eléctrica absorbida por el motor para producir potencia mecánica

Puη

P1=

7.2.4 Balance de potencias

1 Deslizamiento S

Par

Par deArranque

Par máximo

Par Nominal

0

Velocidad desincronismo

Motor GeneradorFreno

s > 1s > 1s > 1 0 < s < 10 < s < 10 < s < 1 s < 0s < 0s < 0

221 −−= ,TT

nom

arr 221 −−= ,TT

nom

arr

7281 ,,TT

nom

max −−= 7281 ,,TT

nom

max −−=

7.2.5 Característica Par-Deslizamiento

Punto de funcionamiento

Curva característica de

la carga

La CARACTERÍSTICA MECÁNICA de los motores de inducción es prácticamente LINEAL entre vacío y plena carga.

La CARACTERÍSTICA MECÁNICA de los motores de inducción es prácticamente LINEAL entre vacío y plena carga.

El PAR MÁXIMO suele ser de 2 a 3 veces el nominal.El PAR MÁXIMO suele ser de 2 a 3 veces el nominal.

El PAR DE ARRANQUE tiene que ser SUPERIOR al NOMINAL para permitir que el motor se ponga en marcha y acelerar la carga .

El PAR DE ARRANQUE tiene que ser SUPERIOR al NOMINAL para permitir que el motor se ponga en marcha y acelerar la carga .

Para un determinado deslizamiento el PAR varía con el CUADRADO de la TENSIÓN.

Para un determinado deslizamiento el PAR varía con el CUADRADO de la TENSIÓN.

7.2.5 Característica Par-Deslizamiento

7.3 Otros tipos de Motores

7.3.1 Motor Síncrono• Introducción• Principio de funcionamiento• Características constructivas• Circuito equivalente• Funcionamiento en vacío• Funcionamiento en carga

7.3.1.1 Introducción.

TIPOS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS

MÁQUINAS ELÉCTRICASDE CORRIENTE

ALTERNA

GIRATORIAS

SÍNCRONASÍNCRONAASÍNCRONA

ALTERNADORMOTOR

MOTORGENERADOR

ESTÁTICAS

MÁQUINAS ELÉCTRICASDE CORRIENTE CONTINUA

GENERADORMOTOR

TRANSFORMADOR

La más utilizada en la generación de energía eléctrica.Es necesario mantener la velocidad rotórica constante. La frecuencia es proporcional a la velocidad de giro.Potencias máximas del orden de 2000 MVA.

► EL ALTERNADOR.

Energía Mecánicaen el eje

Energía Eléctrica

Sistema III AC

Energía EléctricaDC MÁQUINA

SÍNCRONA (ALTERNADOR)

7.3.1.1 Introducción.

)2

cos(sen)(

coscos)(πωωωω

ωθ

−⋅⋅Φ=⋅⋅Φ=∂Φ∂

−=

⋅Φ=⋅⋅=Φ

ttt

te

tABt

MAXMAX

MAX

fN

fNfN

NEE

MAX

MAXMAX

MAXMAXRMS

y, a alProporcion

22

222

Φ

Φ⋅⋅⋅⋅=⋅Φ⋅

=

=⋅Φ⋅

==

ππ

ω

Se hace girar un campo magnético constante (imán o bobina alimentada en continua en el rotor) en el interior de una bobina fija alojada en el estátor

Fuerza electromotriz inducida en los extremos de la bobina:

La frecuencia de la tensión inducida es la de giro de la bobina

→ Principio de funcionamiento del GENERADOR síncrono.

7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Fundamentos teóricos.

)120cos(2)(

)120cos(2)(

)cos(2)(

°+⋅⋅=

°−⋅⋅=

⋅⋅=

tEte

tEte

tEte

RMSc

RMSb

RMSa

ω

ω

ω

Se consigue un sistema trifásico de tensiones disponiendo tres bobinas en el estátordesfasadas 120° entre sí. Las tensiones inducidas estarán desfasadas de forma

simétrica.

El flujo magnético constante se consigue mediante una bobina solidaria al rotor en la que se

inyecta corriente continua

→ Principio de funcionamiento del GENERADOR síncrono.

7.3.1.2 Principio de Funcionamiento.

Rotor InductorEstator Inducido

GeneradorEstator

Rótor

Devanado trifásico simétrico (a 120º)

Devanado rotórico alimentado con corriente continua

Rotor alimentado con cc genera campo B cte

Rotor girando a N rpmmediante máquina motriz

Interacción v-BFEM inducida por el

campo giratorio en el estator

Campo B girando misma velocidad

del rotor

Tensión trifásica a f=pN/60

7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulación.

Ley de Faraday

Motor

Estator

RótorDevanado rotórico alimentado con

corriente continua

Rotor alimentado con cc genera campo B cte

Se lleva el rotor al sincronismo mediantemáquina motriz externa

Campo B del estatorarrastra a campo B

del rotor

Campos B de estatory rotor girando

misma velocidad

El rotor gira

7.3.1.2 Principio de Funcionamiento. Recapitulación.

Devanado trifásico simétrico (a 120º)alimentado con sistema trifásico

equilibrado de tensiones (desfase de 120°)

Motor síncrono tiene par de arranque nulo

Estator alimentado con tensión trifásica

Estator genera campoB giratorio

Enganche magnético

p=1 ⇒ 3000 rpmp=2 ⇒ 1500 rpmp=3 ⇒ 1000 rpmp=4 ⇒ 750 rpm

• n = Velocidad rotórica (rpm).• f = Frecuencia de la onda de tensión.• p = Número de pares de polos.p

fn ⋅=

60

→ Velocidad de giro del rotor (circuito inductor).

P = 1 P = 2 P = 3

→ Ejemplo: Obtención de tensión a 50Hz en función del Nº de polos.

7.3.1.2 Principio de Funcionamiento.

La máquina síncrona utiliza un ESTÁTOR constituido por un devanado trifásico simétrico

(distribuido a 120º) idéntico a la máquina asíncrona de inducción

El ROTOR está formado por un devanado alimentado desde el exterior a través

de escobillas y anillos rozantes con corriente continua

El rotor puede ser liso o de polos salientes

Industrialmente es el generador utilizado en la mayoría de las centrales eléctricas: turboalternadores y grandes alternadores hidráulicos.

Como motor se usa principalmente cuando la potencia demandada esmuy elevada >1 MW

7.3.1.3 Características constructivas.

Velocidades de giro bajasVelocidades de giro bajas

rotor – polos salientes

Velocidades de giro elevadas.Turboalternadores

Velocidades de giro elevadas.Turboalternadores

→ Estructura de la máquina síncrona. Estátor y rotor.

NNN

S

S

Sentido de lascorrientes por

el rotor

N

S

Líneas de campoestátor

rotor – polos lisos

7.3.1.3 Características constructivas.

► El Flujo magnético (excitación) es creado por un electroimán situado en la parte giratoria de la máquina (rotor).

• Rotor de polos salientes: bobina del electroimán rodeando a las expansiones polares del rotor.

• Rotor de polos lisos: bobina del electroimán situada en ranuras practicadas longitudinalmente en el rotor.

P = 1 P = 2 P = 1 P = 2

Rotor7.3.1.3 Características constructivas.

7.3.1.4 Circuito equivalente.

La F.E.M. (E) es proporcional a la corriente de excitación (Ie) del rotor. En funcionamiento como generador representa a la tensión que se

induce en el estator.

La F.E.M. (E) es proporcional a la corriente de excitación (Ie) del rotor. En funcionamiento como generador representa a la tensión que se

induce en el estator.

Xs = Reactancia síncrona = reactancia dispersión estator + reacción de inducidoXs = Reactancia síncrona = reactancia dispersión estator + reacción de inducido

j Xs Rs

A

B

E

I

+V = ( U / √3 )

Inducido-estator

Rs = Resistencia de los conductores de las bobinas del estátorRs = Resistencia de los conductores de las bobinas del estátor

Inductor-rotor

Ie

Ve+ −

► Impedancia síncrona.

Cir

cuito

equ

ival

ente

po

r fa

seC

ircu

ito e

quiv

alen

te

por

fase

7.3.1.5 Funcionamiento en vacío.

Velocidad de giro

Flujo

Cuando el generador trabaja en vacío no hay caída de tensión: La tensión de salida (V) coincide con la FEM (E).

Cuando el generador trabaja en vacío no hay caída de tensión: La tensión de salida (V) coincide con la FEM (E).

nKE ⋅ϕ⋅=

ϕ = f(Ie)

► Característica de vacío o de magnetización.

V

Ie A

Tens

ión

en v

acío

V

Intensidad de excitación

7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Reacción de inducido.

Cuando el alternador trabaja en vacío el único flujo existente es el producido por la corriente continua de excitación del rotor.

El flujo total de la máquina se verá disminuido o aumentado dependiendo que la carga sea

inductiva o capacitiva.

Cuando suministra corriente a una carga, dicha corriente produce un campo magnético giratorio al circular por los devanados del estátor.

Este campo produce un par opuesto al de giro de la máquina, que es necesario contrarrestar mediante la aportación exterior de potencia mecánica.

A este efecto creado por el campo del estátor se le

conoce con el nombre de “reacción de inducido”.

U

U

U

I

I

I

RI

RI

RI

jXs

jXs

jXs

E

E

E

Carga resistiva

Carga Inductiva

Carga capacitiva

U

U

U

I

I

I

RI

RI

RI

jXs

jXs

jXs

E

E

E

Carga resistiva

Carga Inductiva

Carga capacitiva

Para una misma tensión de salida el generador puede ceder o absorber potencia reactiva dependiendo de que la carga sea

inductiva o capacitiva

Para conseguirlo basta modificar el valor de la E (modificando el campo de excitación)

Carga

j Xs Rs

E

I

+V

Inducido-estator

0V)X· jR( · IE ss =−+−

I · U · 3I · V · 3S ==

7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Reacción de inducido.

7.3.1.6 Funcionamiento en carga. Régimen aislado.

El generador alimenta a una carga de forma independiente

Funcionamiento aislado

La tensión de alimentación puede variar

El factor de potencia de la carga es fijo

Aumento en la excitación

Aumento en la tensión de

salida

Aumento en potencia mecánica

Aumento en la velocidad de

giroAumento en la

frecuencia

7.3.1.6 Funcionamiento en cargaFuncionamiento en una red de potencia infinita

El generador está conectado a otra red en la que actúan otros generadores: su

potencia es muy pequeña respecto de la total de la red

CONEXIÓN A RED DE POTENCIA

INFINITA

La tensión de alimentación

ESTÁ FIJADA POR LA RED

La frecuencia ESTÁ FIJADA POR LA RED

Aumento en la excitación

Aumento en la POTENCIA REACTIVA

ENTREGADA

Aumento en potencia mecánica

Aumento de la POTENCIA

ACTIVA ENTREGADA

7.3.2 Máquina de Corriente Continua• Aspectos constructivos• Principio de funcionamiento• F.E.M. inducida• Par electromagnético• Sistemas de excitación• Reacción de inducido• Conmutación• Funcionamiento generador• Funcionamiento motor

7.3 Otros tipos de Motores

7.3.2.0 Introducción.

TIPOS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS

MÁQUINAS ELÉCTRICASDE CORRIENTE

ALTERNA

GIRATORIAS

ASÍNCRONA

ALTERNADORMOTOR

MOTORGENERADOR

ESTÁTICAS

MÁQUINAS ELÉCTRICASDE CORRIENTE CONTINUA

MÁQUINAS ELÉCTRICASDE CORRIENTE CONTINUA

GENERADORMOTOR

TRANSFORMADOR

SÍNCRONA

7.3.2.1 Aspectos Constructivos

CircuitoMagnético

Estátor: macizo o de chapamagnética (total-parcialmente)

Rótor: chapa magnética de acero alsilicio apiladas y eléctricamente

aisladas unas de otras

Entrehierro

Paq. Mag. EstátorCilíndrico hueco

con piezas radiales

RótorPaquete magnético

cilíndrico

Polos(inductores)

salientes

Ranurasen la superficie

externa

Estructuramecánica

Estátor: Parte fijaRótor: Parte giratoria

Cilindro que puede girar sobre su eje (rótor)en el interior de otro cilindro hueco fijo (estátor)

CircuitoEléctrico

EstátorInductorCreación

del campo B

RótorInducido

Asiento de lasFF.E.MM. inducidas

Espiras de hilo o pletina de cobre

arrolladas sobre lospolos inductores

Espiras de hilo o pletina de cobre

conectadas entre siy a las delgas

Alimentación concorriente continua

Colector de delgas y escobillasRectificador mecánico

que convierte las FF.E.MM.alternas inducidas en las

espiras en C.C. en las escobillas

1. Yugo o culata2. Núcleo del polo inductor3. Expansión polar4. Núcleo del polo auxiliar o de

conmutación5. Extremo del polo auxiliar o

de conmutación6. Paquete magnético del rótor7. Arrollamiento del inducido8. Arrollamiento inductor o de

excitación9. Devanado de conmutación10.Colector de delgas11. - 12. Escobillas

11

22 33

44

66

7755

88

991010

1111

1212

©© M. F. M. F. CabanasCabanas: : TTéécnicas para el cnicas para el

mantenimiento y mantenimiento y diagndiagnóóstico de stico de

mmááquinas elquinas elééctricas ctricas rotativasrotativas

7.3.2.1 Aspectos Constructivos

FotografFotografíía realizada en los talleres de ABB a realizada en los talleres de ABB ServiceService GijGijóónn

Motor de C.C. de 6 MW fabricado por ABB

Motor de C.C. paraaplicaciones

de robótica

Pequeños motores de C.C.de imán permanente

7.3.2.1 Aspectos Constructivos

7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Motor

@Manés Fernández

N S

Imanes Permanentes

Corriente que se hace circular por la espira

Espira Campo

Magnético

Escobillas

FUERZA QUE TIENDE A HACER

GIRAR A LA ESPIRA: PAR 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.

7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador

N NS S

Escobillas Anillosrozantes

OsciloscopioInstrumento de medida

La F.E.M. que se induce en la espira es alternativa (variable con el tiempo).La FEM que se obtiene a la salida de la máquina (escobillas) es la misma que se induce en la espira (alternativa y variable en el tiempo), debido a la conexión

entre los extremos de la espira y las escobillas, a través de los anillos.

©© M. F. M. F. CabanasCabanas: : TTéécnicas para el cnicas para el

mantenimiento y mantenimiento y diagndiagnóóstico de stico de

mmááquinas elquinas elééctricas ctricas rotativasrotativas

Fuerza externa quehace girar la espira

Imanes o electroimanes alimentados con C.C.para la creación del campo magnético

Con la máquina girando a una cierta velocidad V, la F.E.M. que se induce en la espira es alterna: cambia de signo cada vez que se pasa por debajo de cada polo.

El colector es un dispositivo que rectifica la F.E.M. para obtener una tensión continua (unidireccional) y positiva (sin cambios de polaridad)

0 π 2π

2BlV

-2BlV

E N S

Polos inductoresde la máquina

0 π 2π

2BlV

E N S

0 π 2π

2BlV

E N S

Colector elemental (2 delgas)0 π 2π

2BlV

E N S

0 π 2π

2BlV

E N S

Colector real (muchas delgas)

VlBE ⋅⋅⋅= 2

7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador

0+- + +- +

12

1

2

21

Sentido de rotaciónde la espira

Colector de dosdelgas

Instante Inicial Conmutación Inversión de la polaridad

©© M. F. M. F. CabanasCabanas: : TTéécnicas cnicas

para el para el mantenimimantenimi

ento y ento y diagndiagnóóstico stico

de de mmááquinas quinas elelééctricas ctricas rotativasrotativas

Escobillas

Colector

Colector real

©© M. F. M. F. CabanasCabanas: :

TTéécnicas para cnicas para el el

mantenimientmantenimiento y o y

diagndiagnóóstico stico de mde mááquinas quinas

elelééctricas ctricas rotativasrotativas

7.3.2.2 Principio de funcionamiento: Generador

• El campo magnético de la máquina de CC puede obtenerse de dos formas, mediante:

– Imanes permanentes– Electroimanes, bobinas alimentadas con CC (caso habitual):

• Según la fuente de alimentación de las bobinas se tienen dos tipos de excitación:

– Excitación independiente (o separada): la corriente que alimenta al devanado inductor procede de una fuente, independiente, externa.

– Autoexcitación: la corriente de excitación procede de la propia máquina. Según la forma de obtener esta corriente existen tres tipos diferentes de MM. de C.C.:

• Excitación serie: devanado inductor en serie con el inducido

• Excitación derivación: devanado inductor conectado directamente a las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido.

• Excitación compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra en derivación.

7.3.2.3 Sistemas de excitación

Ri

LexUex E Ui

InducidoInductor

Resistencia del inducido

Tensión excitación

FEM Inducida

Rex

Resistencia del inductor

Motor de excitación independiente

Ri

Lex

UexE Ui

Inducido Inductor

Resistencia del inducido

Rex

Motor de excitaciónderivación

Ri LexRex

E Ui

Inducido

InductorResistencia del

inducido

Motor de excitación

serie

7.3.2.3 Sistemas de excitación

Ri Lex1

E Ui

Inducido

Inductor 1Resistenciadel inducido

Inductor 2

Rex1Rex2

Lex2

Motor de excitación compuesta larga

Ri

E Ui

Inducido

Inductor 1

Resistencia delinducido Inductor 2

Lex2Rex2Rex1

Lex1 Motor de excitación compuesta corta

7.3.2.3 Sistemas de excitación

7.3.2.4 Reacción de inducido

π

2BlV

-2BlV

E N S

FEM con reacciónde inducido

0 2π

Al circular corriente por el inducido se va a crear

un campo que distorsiona el campo creado por los polos

inductores de la máquina

Esta distorsión del campo recibe el nombre de reacción de inducido

Efectos producidos por la reacción de

inducido

Desplazamiento de la “plano o línea neutra” (plano en el que se anula el campo

Disminución del valor global del campo de la máquina

Desplazamiento de la línea neutra

7.3.2.5 Conmutación

©© MulukutlaMulukutla S. S. SarmaSarma: : ElectricElectricmachinesmachines

Reducción de par y aumento de velocidad

Desplazamiento de la “plano o línea neutra”

POLOS DE CONMUTACIÓN

Los polos auxiliares de conmutación compensan localmente la reacción de inducido y mejoran la conmutación

Disminución del valor global del

campo de la máquina

Problemas durante la conmutación

7.3.2.6 Funcionamiento generador

Generador de excitación independiente

Ri

LexUex E Ui

InducidoInductor

FEMInducida

IexRexSe hace girar el inducido y se alimenta

el inductor. La tensión de excitación controla la FEM (E) y, por tanto, la

tensión de salida Ui

La tensión de salida crece proporcionalmente con la velocidad de

giro n

La relación entre la corriente de excitación y la FEM inducida no es lineal: existe saturación

ϕ⋅⋅= nKE ϕ⋅⋅= nKE

IKTTOTAL ⋅ϕ⋅= IKTTOTAL ⋅ϕ⋅=

I = Corriente de inducido

iii IREU ⋅−= iii IREU ⋅−=

7.3.2.7 Funcionamiento motor

Ri

LexUex E Ui

InducidoInductor

Resistencia del inducido

Tensión excitación

FEM Inducida

Rex

Resistencia del inductor

Motor de exc. independiente

ii R

'KKT

KUn ⋅

⋅⋅−

⋅= 2ϕϕ

ii R

'KKT

KUn ⋅

⋅⋅−

⋅= 2ϕϕEcuación del motor

derivación e independiente

iii IREU ⋅−= iii IREU ⋅−=

Se alimentan el inducido y el inductor con cc. La circulación de intensidad por el inducido (rotor) dentro de un campo

magnético constante provoca un par de fuerzas que hace girar al rotor.

La velocidad alcanzada dependerá de las tensiones de excitación e inducido, los parámetros de la máquina y del par

accionado.

Característica dura

nnn

TTT

Pendiente 2 – 8%Pendiente 2 – 8%

Aumento de RiAumento de Ri

Curva par-velocidad de los motores de excitación

independiente y derivación

7.5 Motores monofásicos

• Introducción• Principio de funcionamiento:

• Motor de fase partida• Motor de espira de sombra

Los motores monofásicos de inducción se utilizan, principalmente, en los electrodomésticos y máquinas herramienta.

Los motores monofásicos de inducción se utilizan, principalmente, en los electrodomésticos y máquinas herramienta.

Su diseño es muy parecido al de los trifasicos. Su diseño es muy parecido al de los trifasicos.

El rótor es en jaula de ardilla.

El rótor es en jaula de ardilla.

El devanado principal

El devanado principal

El devanado estatórico estáformado por dos conjuntos

de bobinas

El devanado estatórico estáformado por dos conjuntos

de bobinas

El auxiliar, despalzado90º, y alojado en las ranuras del paquete

magnético estatórico.

El auxiliar, despalzado90º, y alojado en las ranuras del paquete

magnético estatórico.

7.5.1 Introducción

Devanadoauxiliar

Devanadoprincipal

Motor Monofásico

Estator

Rótor

Devanado principalalimentado con tensión monofásica

Espiras en cortocircuito

Tensión alterna monofásica

Campo variable de dirección fija

Corrientes y FEM inducida en el rotor

Ley de Bioty Savart

Interacción i-BFuerza sobre las

espiras del rotor que se cancelan

El rotorNO gira

7.5.2 Principio de funcionamiento

Ley de Faraday

Necesita impulso exterior para

empezar a girar cerca del

sincronismo

7.5.2 Principio de funcionamientoPar de arranque

Rotación

Devanadoauxiliar

Devanadoprincipal

FuenteC.A.

Para producir par en el arranque es necesario crear un campo magnético rotativo. Esto puede lograrse mediante el devanado auxiliar.

Para producir par en el arranque es necesario crear un campo magnético rotativo. Esto puede lograrse mediante el devanado auxiliar.

Al alimentar ambos devanados, desplazados y desfasados 90º, se

generan flujos ortogonales.

Al alimentar ambos devanados, desplazados y desfasados 90º, se

generan flujos ortogonales.

Campo magnético rotativoCampo magnético rotativo

Devanado auxiliar se desconecta al alcanzar el 75% de la velocidad de sincronismo mediante interruptor

centrífugo

Devanado auxiliar se desconecta al alcanzar el 75% de la velocidad de sincronismo mediante interruptor

centrífugo

Par de arranquePar de arranque

7.5.2 Principio de funcionamientoMotor de fase partida

Interruptor centrífugo

Devanado auxiliarHilo fino

Devanado principalHilo grueso

Interruptor centrífugo

Devanado auxiliarHilo fino

Devanado principalHilo grueso

Condensador

Devanado principal con muchas espiras gruesas.Devanado principal con

muchas espiras gruesas. Muy inductivaMuy inductiva

Mejora: Condensador en serie con el circuito auxiliar. Acerca el desfase entre las intensidades a la condición ideal de cuadratura: máximo valor de par de arranque.

Mejora: Condensador en serie con el circuito auxiliar. Acerca el desfase entre las intensidades a la condición ideal de cuadratura: máximo valor de par de arranque.

Desfase relativo entre ambas intensidades

Desfase relativo entre ambas intensidadesDevanado auxiliar con

pocas espiras delgadas.Devanado auxiliar con

pocas espiras delgadas. Poco inductivaPoco inductiva

Campo giratorioy por tanto

Par de arranque

Campo giratorioy por tanto

Par de arranque

7.5.2 Principio de funcionamientoMotor de espira de sombra

FuenteC.A.

Anillo de cobreDevanado auxiliar

Devanado principal

Rotación

Los motores monofásicos de espira de sombra son muy utilizados en aparatos de

pequeña potencia debido a su simple ejecución.

Los motores monofásicos de espira de sombra son muy utilizados en aparatos de

pequeña potencia debido a su simple ejecución.

El devanado auxiliar consiste en una única espira de cobre que rodea una porción de

cada polo.

El devanado auxiliar consiste en una única espira de cobre que rodea una porción de

cada polo.

El flujo principal induce otro campo pulsante en las espiras auxiliares. La acción

combinada de ambos da lugar a un débil campo giratorio que arranca el motor.

El flujo principal induce otro campo pulsante en las espiras auxiliares. La acción

combinada de ambos da lugar a un débil campo giratorio que arranca el motor.

7.4 Selección de un motor. 7.4.1 Grado de protección.7.4.2 Formas constructivas.7.4.3 Tipos de servicio.7.4.4 Selección de un motor de Inducción.

• El grado de protección de la carcasa de un motor frente a la penetración de sólidos y agua se indica mediante la designación IP seguida de dos dígitos

• IP xy– IP (International Protection)– x (0-6) Protección contra contacto

y penetración de sólidos– y (0-8) Protección contra

penetración de agua

7.4.1 Grado de Protección de un Motor. UNE-20324.

7.4.1 Grado de Protección de un Motor. UNE-20324.

1ª Cifra

2ª Cifra

• Las formas constructivas hacen referencia a la disposición del eje del motor a la superficie de anclaje y se indica mediante la designación IM seguida de una letra y un número

• IM xy– IM (International Mounting)– x (B,V) Eje horizontal o vertical– y (número de uno o dos dígitos)

7.4.2 Formas Constructivas. IEC 60034-7.

IM B 3

→ Disposición y montaje del motor.

7.4.2 Formas Constructivas. IEC 60034-7.

→ Disposición y montaje del motor.

7.4.3 Tipos de servicioS1: Servicio continuoServicio con carga constante cuya duración es suficiente para estabilizar la temperatura de la máquina.Denominación:Indicación de la potencia.

S2: Servicio de breve duraciónServicio con carga constante pero cuya duración no es suficiente para estabilizar la temperatura, seguido de una pausa lo suficientemente prolongada para que la temperatura del motor no difiera en más de 2 K de la del medio refrigerante.Denominación:Mediante la duración del servicio y la potencia; por ejemplo, S2: 20 min., 15 kW.

S3: Servicio intermitente sin influencia del proceso de arranqueServicio que se compone de una sucesión de maniobras iguales, formadas por un período de carga constante seguido de una pausa, sin que la intensidad de arranque influya apreciablementeen el calentamiento.Denominación:Mediante el tiempo de conexión, duración de la maniobra y potencia. Por ejemplo, S3: 15 min/60 min, 20 kW; o por duración relativa del período de conexión tr en tanto por ciento y duración de la maniobra. Por ejemplo, S3: 25 %, 60 min., 20 kW. La indicación de la duración de la maniobra puede suprimirse cuando es de 10 minutos.S4: Servicio intermitente con influencia del proceso de arranqueServicio que se compone de una sucesión de maniobras iguales, que comprenden un tiempo de arranque apreciable, un tiempo con carga constante y una pausa.Denominación:Mediante la duración relatíva de conexión en tanto por ciento, número de arranques por hora y potencia. Por ejemplo, 84: 40 %, 520 arranques, 30 kW. Adicionalmente se indicará el momento de inercia y el par resistente durante el arranque.

7.4.3 Tipos de servicio

7.4.4 Selección de un motor de inducción.

Seleccionar carcasa y nivel de protección (IP)

Seleccionar potencia en función de la potencia necesaria para

arrastra la carga

Seleccionar velocidad (p) en función velocidad carga

Seleccionar forma normalizada de montaje (IM) en función de

la ubicación

Seleccionar clase de aislamiento en función de la

temperatura esperada y ambiente de trabajo

Seleccionar característica mecánica en función de par de

arranque y resistente de la carga

ABB – “Guide for selecting a motor”

Bombas centrífugasCompresores centrífugosVentiladores y soplantesCentrifugadoras

TR=K· n2

PrensasMáquinas herramientas

TR=K· n

Máquinas elevaciónCintas transportadorasMachacadoras y trituradorasCompresores y bombas de pistones

TR=K

BobinadorasMáquinas fabricación chapa

TR=K· n-1 TR=K

TR=K· n2

n

TR

TR=K· n

→ Tipos de cargas mecánicas. Par resistente.

TR=K· n-1

7.4.4 Selección de un motor de inducción.

Clasificación NEMA según el tipo de rotor

Clase BClase BClase B

Clase AClase AClase A

Clase CClase CClase CClase DClase DClase D

T/T/TnomTnom

SS

1,51,5

22

2,52,5

33Par de arranque bajoPar nominal con S<5%Corriente arranque elevada 5 – 8 InRendimiento altoUso en bombas, ventiladores, máquina herramienta, etc, hasta 5,5 kWPara potencias > 5,5 kW se usan sistemas de arranque para limitar la corriente

MOTOR CLASE AMOTOR CLASE A

7.4.4 Selección de un motor de inducción.

http://www.lafert.com/products/pdf/2.1%20s%202004.pdf

→ Datos de catálogo.

7.4.4 Selección de un motor de inducción.