tema 1 maq. electricas

8/17/2019 Tema 1 Maq. Electricas

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS

TEMA - 1


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INTRODUCCIÓN

Las máquinas eléctricas se basan en dosprincipios físicos:Ley de Faraday:

La f

.

e

.

m

. inducida en un circuito cerrado

es

directamente

proporcional

a

la

rapidezcon

que

cambia

en

el

tiempo

el

flujo

queatraviesa

una

superficie

cualquiera

con

elcircuito

como

borde

.

dt

dNe Φ−=


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INTRODUCCIÓN

B = Inducción magnética B.A =Φ = FlujoA = Superficie


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INTRODUCCIÓN

( )LBve

×=


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INTRODUCCIÓN

REGLA DE LA MANO DERECHA

fuerza

electromotriz(f.e.m.)


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INTRODUCCIÓN

En la Ley de Faraday se basan los generadoresrotativos de corriente continua (dinamos) y decorriente alterna (alternadores) así como lostransformadores.


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INTRODUCCIÓN

Segunda Ley de Laplace:

La fuerza que aparece sobre un conductor,inmerso en un campo magnético, por el quepasa una corriente eléctrica es proporcional al

valor de la intensidad y al de la inducciónmagnética (siempre que la intensidad seaperpendicular al campo)

( ) L B I F

×=


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INTRODUCCIÓN

( ) L B I F

×=


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INTRODUCCIÓN

REGLA DE LA MANO IZQUIERDA

fuerza


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INTRODUCCIÓN

En la Ley de Laplace se basan los motoreseléctricos.


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INTRODUCCIÓN

Las máquinas eléctricas tienen aplicación en:La generación de energía eléctrica.Transporte y distribución.

Utilización.

GENERACIÓN TRANSPORTE YDISTRIBUCIÓN

UTILIZACIÓN


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INTRODUCCIÓN

Toda máquina eléctrica va a tener unos circuitos

eléctricos y un circuito magnético entrelazados.


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INTRODUCCIÓN

Podemos clasificar las máquinas, desde el punto

de vista de la transformación de energía querealizan en:GENERADORES:

energía mecánica energía eléctrica

TRANSFORMADORES:energía eléctrica energía eléctrica

Pero con magnitudes diferentes (solo en c.a.)

MOTORES:energía eléctrica energía mecánica


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INTRODUCCIÓN

Todas las máquinas eléctricas son reversibles, es

decir, pueden funcionar indistintamente comogenerador o como motor (en el caso deltransformador como transformador reductor oelevador) pudiendo existir pequeñas diferencias

constructivas.


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ELEMENTOS BÁSICOS DE LAS MÁQUINASELÉCTRICAS ROTATIVAS

Todas las máquinas eléctricas rotativas tienendos partes:ESTATOR, es la parte fija de la máquina.

ROTOR, es la parte giratoria

El campo magnético del entrehierro constituye el medio de

acoplamiento entre los sistemas eléctrico y mecánico


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DEVANADOS: normalmente tanto el estator como el rotor disponen de unos devanados.INDUCTOR, EXCITACIÓN O CAMPO es el que crea

un flujo en el entrehierro.

INDUCIDO, en él se inducen corrientes por lavariación del flujo.

Pueden estar indistintamente en el estator o enel rotor, eligiéndose en función de la facilidad

constructiva, de aislamiento, de refrigeración,etc.


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CARCASA: es la parte exterior de la máquina, ycubre el estator, dispone de:Elementos de sujeción de la máquina.

En sus lados se disponen las tapas que alojan los

rodamientos de apoyo del rotor.Debe permitir la evacuación del calor generado al

medio exterior.

Puede ser de fundición de aluminio, fundición de hierro

o de chapa de acero.


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CARCASA

ELEMENTOS BÁSICOS DE LAS MÁQUINAS


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ESTATOR Y ROTOR: – Se construyen de material ferromagnético, normalmente de

chapa de acero al silicio para reducir las pérdidas en el hierro.


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ESTATOR Y ROTOR: RANURAS:

Abiertas: se utilizan en máquinas de gran potencia en las que losdevanados son de pletina de cobre.

Seimcerradas: se utilizan en máquinas de pequeña potencia en las quelos devanados son de hilo de cobre.

Cerradas: en rotores de jaula de ardilla.


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ESTATOR Y ROTOR: RANURAS:

RANURAS SEMICERRADAS RANURAS CERRADAS


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CONFIGURACIÓN FÍSICA DE LAS MÁQUINASROTATIVAS:


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CONFIGURACIÓN FÍSICA DE LAS MÁQUINASROTATIVAS: – Estator y rotor cilíndrico:

• Turboalternador, inductor en el rotor.

• Máquina asíncrona.

– Estator cil índrico y rotor con polos salientes:• Alternador de baja velocidad o poca potencia, inductor en el rotor.

– Estator con polos salientes y rotor cil índrico:• Máquina de corriente continua, inductor en el estator.


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CONFIGURACIÓN FÍSICA DE LAS MÁQUINASROTATIVAS:Para conseguir máquinas de menores dimensiones a

igualdad de potencia, las máquinas pueden ser multipolares (más de dos polos).Se llama LÍNEA NEUTRA a la línea media entre polos.

Se llama PASO POLAR a la distancia en grados entrepolos consecutivos

Á Á


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En las máquinas multipolares se cumple:

θ es el ángulo magnético o eléctrico

p son los pares de polos

α es el ángulo geométrico

En la asignatura siempre uti lizaremos grados eléctricos omagnéticos.

α ϑ . p=


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COLECTOR DE DELGAS Y COLECTOR DE ANILLOS

Para introducir o sacar corrientes de los bobinados

situados en el estator se utiliza la caja de bornes. Para introducir o sacar corrientes de los bobinados del

rotor se recurre a sistemas colectores:

COLECTOR DE ANILLOS en las máquinas de corriente alterna.

COLECTOR DE DELGAS en las máquinas de corriente continua.


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COLECTOR DE ANILLOS, generador elemental de corriente alterna.

( ) L Bve

×=

α)(p.sen L Bve =

En cada lado activo de la espira giratoria se induce una f.e.m.:

B

v

p.α

COLECTOR DE DELGAS Y COLECTOR DE


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ωm es la velocidad de giro en rad / sB es la inducción magnética en Teslas

p α es el ángulo girado en un instantedeterminado

Según la Ley de Faraday:

dt

d Φe −=

pαcosS . BS . BΦ ==

t psen pS Bdt

t pS Bd e mm

m ϖ ϖ ϖ

=−=)cos.(



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Comparando con la expresión de una f.e.m. alternasenoidal:

Donde ω es la pulsación, 2 π f

t sen E e m ϖ=

t psen pS Bdt

t pS Bd e mm

m ϖ ϖ ϖ

=−=)cos.(

mm pS B E ϖ=

mp ϖ=ϖ60

n2pf 2

Π=Π

60

npf =



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La corriente que se obtiene es de la misma forma quela que se obtiene en la espira del inducido, gracias alos anillos y a las escobillas.

Su frecuencia depende del nº de polos de la máquinay de la velocidad de giro.



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Las escobillas son de grafito o de metal con grafito(metalografíticas), por presentar una buenaconductividad eléctrica y no producir un desgasteexcesivo en el colector.

PORTAESCOBILLAESCOBILLA



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COLECTOR DE DELGAS, generador elemental de corrientecontinua.



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COLECTOR DE DELGAS, generador elemental decorriente continua.

Aunque la f.e.m. inducida en la espira es senoidal, lacorriente en el circuito exterior es unidireccional, se realizaun rectificado mecánico.

Las escobillas, gracias al colector de delgas, siempre hacencontacto con el lado de la espira que se mueve bajo el poloN ó el polo S, respectivamente, manteniéndose la polaridad.



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COLECTOR DE DELGAS, generador elemental de

corriente continua.Para obtener un menor rizado se aumenta el nº de bobinas

y de delgas.



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COLECTOR DE DELGAS, generador elemental de

corriente continua.Las delgas son de cobre y están separadas por mica

entre sí y con el cilindro soporte.

DEVANADOS


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DEVANADOS

DEVANADO CONCENTRADO:

Se utiliza en los inductores de:Máquinas síncronas.

Máquinas de corriente continua.

Transformadores.


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DEVANADOS

DEVANADO DISTRIBUIDO:

Las bobinas están alojadas en ranuras.En el inducido pueden ser:

En anillo, solo lo utilizaremos desde el punto de vistadidáctico ya que solo hay un lado activo por espira yhay un mal aprovechamiento del material.


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DEVANADOS


En tambor , hay dos lados activospor espira por lo que hay un mejor aprovechamiento del material.


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DEVANADOS



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DEVANADOS


Atendiendo a si tienen un principio y un fin, seclasifican en:Abiertos, si tienen principio y fin, se utilizan en máquinas

de corriente alterna.

Cerrados, se utiliza en las máquinas de corriente

continua.

Devanado cerrado

DEVANADOS


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DEVANADOS

Devanado abierto

DEVANADOS


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DEVANADOS


Atendiendo a la forma de las bobinas, pueden ser:Concéntricos.

Excéntricos.

Empleados en el estator de máquinas de corrientealterna.

DEVANADOS


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DEVANADOS


Los devanados cerrados pueden ser:Imbricados.

Ondulados.

Empleados en el rotor de máquinas de corrientecontinua.

PÉRDIDAS Y CALENTAMIENTO


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Las pérdidas de la máquina se transforman en calor

disipado y por tanto, hacen que el rendimiento disminuya.Las pérdidas se producen en:

Los circuitos eléctricos Pérdidas en el cobre opor efecto Joule.

El circuito magnético Pérdidas en el hierro.

Por histéresis magnética.

Por corrientes de Foucault

o parásitas.

Elementos móviles Pérdidas mecánicas.

Por rozamientos enrodamientos y escobillas.

Por ventilación.



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PÉRDIDAS EN EL COBRE

Las densidades de corriente J están comprendidas entre 3 y

5 A/mm2, dependiendo de la potencia de la máquina.A mayor potencia menor densidad de corriente admitida.

volumen J ρS J S

l ρ I R p

2

j j

2

j

2

j

j

j j2

j jCu ⋅⋅=⋅⋅

=⋅= ∑∑∑



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PÉRDIDAS EN EL HIERRO

“a” es el espesor de las chapas

σ es la conductividad eléctrica de las chapas

Se reducen:

Histéresis Utilizando materiales de

ciclo de histéresis estrechoFoucault Utilizando chapas apiladas

y aisladas de acero alsilicio de grano orientado.

) volumenσ a B f K B f K PPP 22m2F αm H F H Fe ⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅=+=

ELEMENTOS BÁSICOS DE LAS MÁQUINAS


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Pérdidas en el hierro (Foucault

+ Histéresis)

Pérdidas por corrientesparásitas o de Foucault

Pérdidas por histéresis

magnética


0,25

É


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PÉRDIDAS MECÁNICAS

Pérdidas por rozamientos Proporcionales a la velocidad

Pérdidas por ventilación Proporcionales a la velocidadal cubo

3n Bn APm ⋅+⋅=



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LAS PÉRDIDAS SE PUEDEN CLASIFICAR EN:

PÉRDIDAS FIJAS O CONSTANTES, no varían con la carga (potenciacedida por la máquina, ya sea eléctrica en el caso de generadores omecánica en el caso de motores)

PÉRDIDAS MECÁNICAS, se consideran constantes ya que dependen de lavelocidad y esta suele variar en un rango pequeño.

PÉRDIDAS EN EL HIERRO, se consideran constantes ya que la inducciónmagnética B y la frecuencia suelen ser prácticamente constantes.

PÉRDIDAS VARIABLES, varían con el cuadrado de la carga.

PÉRDIDAS EN EL COBRE

CuV PP =

mFeF PPP +=



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LAS PÉRDIDAS SE TRANSFORMAN EN CALOR TRANSMITIDO PORCONDUCCIÓN Y CONVECCIÓN.

Elevan la temperatura de la máquina.

Transmiten al medio exterior.

CUANDO EL CALOR PRODUCIDO ES IGUAL AL CALOR CEDIDO ALAMBIENTE SE ALCANZA LA TEMPERATURA DE EQUILÍBRIO O DERÉGIMEN.

ESTA TEMPERATURA DETERMINA LA CLASE DE AISLAMIENTO

NECESARIA.

É S C O


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POTENCIA ASIGNADA O NOMINAL


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POTENCIA ASIGNADA O NOMINALTIPOS DE SERVICIO

Potencia asignada por el fabricante para una condición defuncionamiento especificada, normalmente el tipo continuo (S1)

Se refiere a: GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA, es la potencia eléctrica

en bornes en (W) o múltiplos.

GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA, es la potencia aparenteen bornes en (VA) o múltiplos.

MOTORES, es la potencia mecánica, útil o en el eje, se expresa en (W)y tradicionalmente en (CV), 1 CV = 736 W.

TRANSFORMADORES, es la potencia eléctrica aparente en el primarioo en el secundario en (VA) o múltiplos.



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POTENCIA ASIGNADA O NOMINALTIPOS DE SERVICIO

PLACA DE CARACTERÍSTICAS

Debe figurar: MARCA o nombre del constructor.

NÚMERO DE SERIE.

AÑO DE FABRICACIÓN o información para conocerlo.

NÚMERO DE FASES para las de c.a.

NORMAS APLICABLES.

GRADO DE PROTECCIÓN DE LA ENVOLVENTE (IP)

CLASE DEAISLAMIENTO.

TIPO DE SERVICIO si es distinto del continuo (S1)

POTENCIA ASIGNADA. TENSIÓN ASIGNADA.

FRECUENCIA ASIGNADA, para las máquinas de c.a.

INTENSIDAD/ES ASIGNADAS.

VELOCIDAD ASIGNADA.



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TIPOS DE SERVICIO

PLACA DE CARACTERÍSTICAS de máquina para mercado europeo yamericano.



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TIPOS DE SERVICIO

INDICE DE PROTECCIÓN IP

CONSTA DE TRES CIFRAS:El primer número indica la protección contra objetos sólidos.

El segundo contra líquidos.

El tercero es la protección contra choques mecánicos (IK)

NOS DA INFORMACIÓN SOBRE:Protección de las personas ante el peligro de tocar partes móviles o

en tensión (contacto directo)

Protección de la máquina contra la entrada de cuerpos sólidos ylíquidos desde el exterior.

Protección contra choques mecánicos (IK)


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TIPOS DE SERVICIO

INDICE DE PROTECCIÓN IP



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TIPOS DE SERVICIO

CLASE DE SERVICIO



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TIPOS DE SERVICIO

CLASE DE SERVICIO



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TIPOS DE SERVICIO

CLASE DE SERVICIO

POTENCIA ASIGNADA O NOMINALOS S C O


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TIPOS DE SERVICIO

CLASE DE SERVICIO

RENDIMIENTO


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RENDIMIENTO

Se define el rendimiento de una máquina como:

La potencia total es la suma de la útil más las de pérdidas

La potencia de pérdidas es la suma de:

Que las podemos expresar como suma de fijas y variables

pu

u

PP

P

+=η

put PPP +=

CumFe p PPPP ++=

vF p PPP +=

pu

u

PPP+

=η

RENDIMIENTO


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Las pérdidas variables, dependen de I2 , en el caso de unamáquina de corriente alterna, por tanto, de la potencia

aparente al cuadrado (S =√3. V.I)

La potencia útil, en el caso de un generador de corrientealterna o de un transformador, la podemos expresar como(Pu =√3. V.I.cos φ = S . Cos φ)

2S bPv =

2

F S bPS.cos

S.cosη

++ϕ

ϕ=

( ) ϕ++=

/cosS bPS

S η

2

F

RENDIMIENTO


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El rendimiento mejora con el factor de potencia.

Para un factor de potencia constante, designándolo por “a”

Derivando e igualando a cero obtenemos la condición de

rendimiento máximo:0=

S d

d η

2S bPS a

S a

F ++⋅

⋅=η

2S bPF = V F PP =

RENDIMIENTO


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Las condiciones de rendimiento máximo se obtienen para una carga talque:

Las pérdidas variables son iguales a las constantes. En los motores suele hacerse coincidir la potencia asignada con la de rendimiento

máximo.

El factor de potencia de la carga es igual a 1. Esta condición solo es aplicable a los generadores de corriente alterna y a los

transformadores.

CONCLUSIONES: Las máquinas deben funcionar próximas al rendimiento óptimo.

Se debe evitar funcionamientos con cargas reducidas, es decir, el empleo demáquinas sobredimensionadas.

RENDIMIENTO


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En el caso de los motores se diseñan para funcionar con cargas entre el50 % y el 100 % de la potencia nominal, con rendimiento máximo

aproximadamente al 75 % de esta. En el caso de los transformadores de distribución de energía, se diseñan

para obtener el rendimiento máximo con cargas también algo inferiores ala nominal. Hay que considerar que estas máquinas solamentefuncionarán a plena carga una determinadas horas.

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