UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA PROPUESTA DE PRÁCTICAS PARA EL LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA TESIS Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA PRESENTA: OSCAR IVÁN MOLINA ARRILLAGA XALAPA, VER. FEBRERO 2011

2 Dedicada a Mi Madre Roció Otilia Arrillaga Perez A quienes me brindaron su apoyo, Pero sobre todo a Quien siempre ha estado conmigo en mí caminar: MI SEÑOR JESUCRISTO, EL HIJO DE DIOS. 1

3 PROPUESTA DE PRÁCTICAS PARA EL LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA 2

4 INDICE PROLOGO..4 INTRODUCCIÓN.5 CAPITULO I PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS DE C.A Fuerza Electromagnética Ley de Faraday de la Inducción Electromagnética Ley de Lenz Materiales Magnéticos Histeresis Corrientes de Foucault..22 CAPITULO II EL TRANSFORMADOR Fundamentos de Operación Componentes del Transformador Pruebas principales del Transformador Regulación de Voltaje y Eficiencia en el Transformador Transformadores en paralelo El autotransformador Conexiones trifásicas de transformadores..45 CAPITULO III EL GENERADOR DE C.A Voltaje producido por el movimiento entre conductores y un campo magnético Componentes del Generador C.A Características del Generador de C.A. a distintos Factores de Potencia Condiciones necesarias para sincronizar un Generador de C.A. al Sistema Eléctrico Nacional...64 CAPITULO IV MOTORES DE C.A La Corriente Alterna aplicada a los motores El Motor Síncrono [Características y Funcionamiento] El Motor de Inducción Características de Funcionamiento del Motor Jaula de Ardilla Características de Funcionamiento del Motor de Rotor Devanado 81 CAPITULO V PRACTICAS DE LABORATORIO Transformadores Generadores de C.A Motores de C.A 159 CONCLUCIONES..183 BIBLIOGRAFÍA

5 PROLOGO Me es de suma importancia presentar este trabajo de renovación de las prácticas de Laboratorio, concernientes a máquinas de C.A., de las materias teórico-prácticas: transformadores y subestaciones y máquinas rotatorias de C.A., impartidas en la carrera de Ingeniería Mecánica Eléctrica de la Universidad Veracruzana. Pues el capacitar al alumnado con prácticas cuya información no se había actualizado desde hace 20 años y ver como estos debían acudir al laboratorio a solicitar las prácticas a realizar, me llevó a desarrollar este trabajo recepcional. Este trabajo presenta varios objetivos, el primero: reestructurar completamente y actualizar las prácticas de máquinas de C.A. con la finalidad de que estas puedan ser descargadas desde internet, teniendo una mayor claridad y calidad. Un segundo objetivo, es personal y versa del repaso de los principios fundamentales de operación y construcción de estas máquinas, las cuales tienen gran relevancia para mí. No obstante y creo que es el objetivo principal, es llevar la información más relevante proveniente de la bibliografía recomendada por los catedráticos que imparten estas materias; esto se debe a que nosotros como alumnado muchas veces no tomamos interés por la lectura de fuentes bibliográficas, lo que lleva a desconocer aspectos importantes de nuestra carrera y la mayoría de veces a sacar malas notas. Sin embargo, no creyendo que sea la solución de este problema, pero sí un aporte para mí y mis compañeros, este trabajo recepcional contiene la información más relevante, respecto a los temas vistos tanto en el aula como en la práctica, presentándola en documentos de lectura meramente obligatoria como son las prácticas de laboratorio. La información presentada en estas nuevas prácticas, es tomada de la bibliografía recomendada y de páginas de internet comprometidas con la veracidad de la información. 4

6 INTRODUCCIÓN El presente trabajo Recepcional dirige esfuerzos al estudio, comprensión y aplicación de las máquinas eléctricas, abarcando desde las unidades de transformación (transformadores) a máquinas rotatorias de C.A. Haciendo una reestructuración completa de las prácticas pertenecientes y desarrolladas en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas de la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, región Xalapa, las cuales por su antigüedad y la limitada información (pero importante) que estas presentan, llevaron mi interés a renovarlas, en la mayor parte de los aspectos posibles, con información, nitidez, seguridad e interés. En el aspecto de información, se buscó en bibliografía actualizada, así como en páginas de internet que garantizan la seriedad de la información expuestas en estas. Por parte de nitidez, se busco hacer más legibles los conceptos, los diagramas e imágenes presentadas en estas, eliminando el pálido color de una copia fotostática. En el aspecto de la seguridad, se indican en las prácticas que presentan conexiones de riesgo, pasos para llevar a las máquinas a operar con seguridad, indicando niveles de voltaje, posiciones de perillas, atención a medidores en especifico, de igual manera se agrego simbología de seguridad industrial, con el fin de que el alumnado que se presenta en prácticas este consciente y alerta. En el aspecto de interés se busco colores claros, llamativos para resaltar principios importantes, expresiones algebraicas, y se amplió la información de aplicaciones prácticas, pues es vital saber que lo estudiado en el aula, tiene una aplicación práctica y más importante. Uno de los problemas con el que se encuentra un instructor de prácticas, es la falta de conocimiento que el alumnado presenta (y que nosotros instructores también presentamos), respecto a temas de suma importancia para nuestra carrera; esto se debe a la falta de búsqueda de información y corroboración de los conocimientos obtenidos en clase. No obstante, a través de este trabajo recepcional se busca llevar la información más importante de la bibliografía que los profesores recomiendan al alumnado, esto claro, a través de las prácticas que son y deben ser un requisito obligatorio para cualquier estudiante de la F.I.M.E. No obstante, como estudiante, me vi con ciertas limitaciones, al pretender tomar de más fuentes de información, los temas que requería, ya que muchos de estas fuentes me remitían a otros conceptos, desviando a veces mi atención al objetivo perseguido. Sin embargo, al limitarme a la bibliografía recomendada y a páginas de internet serias, me vi encaminado nuevamente. Cabe señalar que la bibliografía donde se tomo parte de la información es actualizada y correcta, es por eso que este trabajo recepcional se encuentra integrado de la siguiente manera: El capitulo 1, menciona los principios fundamentales bajo los cuales se rige el funcionamiento de las máquinas eléctricas de C.A. estudiadas. El capitulo 2, desglosa, desde su construcción hasta su correcta operación bajo carga del transformador, su 5

7 comportamiento e importancia en el sistema de distribución. En el capítulo 3, versa del elemento base de la industria eléctrica, el alternador (generador de C.A.), en este capítulo se menciona su funcionamiento, construcción (constitución), comportamiento ante cargas y la puesta en paralelo con la red eléctrica nacional. En el capítulo 4, se aprecia la aplicación de la C.A. a los motores, se explica su asombrosos funcionamiento (trifásico principalmente), así como se mencionan los motores de C.A. más relevantes y su funcionamiento. Finalmente, el capítulo 5, es un conjunto de prácticas reestructuradas de laboratorio propuestas, ordenadas según su tema. 6

8 CAPÍTULO I PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS DE C.A 7

9 1.1. -FUERZA ELECTROMAGNÉTICA: Fuerza, le llamamos Fuerza a todo desprendimiento y transformación de la energía que se presenta en el Universo, acción que se realiza en todo momento. Generalmente al escuchar de este concepto hacemos referencia a la aplicación de un empuje a un objeto para moverlo, haciendo manifiesto visual del desarrollo de esta. Sin embargo, no podemos excluir aquellas fuerzas que no se pueden ver, las cuales se presentan con más frecuencia y hasta con mayor intensidad que aquellas que se logran ver, un gran ejemplo de este tipo de Fuerzas es la Gravedad la cual nos mantiene con los pies en la Tierra y tiene que ver con la atracción de dos ó más cuerpos con una masa idéntica ó diferente. FIGURA: 1.1 Esquema del campo magnético de la Tierra Observe que el Polo Norte Geográfico en realidad es el Polo Sur Magnético del imán que representa la Tierra. Tal fuerza se desprende de este gigantesco imán sobre el que estamos parados, el cual, por la interacción de su núcleo líquido de roca fundida (Lava) con la capa de Hierro que la envuelve, produce un fuerte campo magnético, siendo los polos magnéticos de este imán contrarios a los polos geográficos; esto es, el Polo Norte magnético se encuentra en el Polo Sur geográfico y el Polo Sur magnético se encuentra en el Polo Norte geográfico 4 ; como se aprecia en la figura. Otro ejemplo de Fuerzas invisibles, es la que se desarrolla para la formación de una descarga atmosférica (Rayo), la cual se trata de una Fuerza Eléctrica que se produce por la interacción entre las cargas eléctricas presentes tanto, en las nubes como en la superficie terrestre; estando las nubes cargadas con carga negativa y el suelo con carga positiva. Cuando una nube presenta una alta concentración de carga negativa y encuentra un punto en la Tierra con un igual ó mayor grado de concentración de carga positiva, la Fuerza de atracción entre ambas cargas es tan grande y tan fuerte que concluye en la formación de un arco eléctrico que equilibra las cargas entre la nube y el suelo; el rayo puede bajar ó subir dependiendo de la carga que se presente con mayor intensidad. 1 La aguja de una brújula es un imán permanente y su indicador, del que se dice busca perpetuamente el Norte posee una polaridad Norte, cuando tiene plena libertad para moverse la aguja señala hacia el polo Sur magnético del globo terrestre que generalmente se denomina polo Norte geográfico, debido a que los polos magnéticos opuestos se atraen. 8

10 Ambos ejemplos, son muestras de Fuerzas naturales, las cuales pueden producirse una respecto a la otra, de manera que podemos producir magnetismo a partir de la electricidad, generando así, la llamada FUERZA ELECTROMAGNÉTICA. La Fuerza Electromagnética, no era conocida, si no que su conocimiento tomó impulso con los trabajos teóricos y experimentales del Físico Danés Hans Christian Oersted ( ), el cual, en un experimento se cree colocó una brújula accidentalmente junto a un conductor por el que circulaba una corriente eléctrica, asombrándose de la desviación que tomaba la aguja al estar cerca del conductor eléctrico. Este hecho lo hizo indagar en el fenómeno, llegando a la conclusión de que la aguja se Hans Christian Oersted alinea siempre perpendicularmente al alambre conductor (ignorando la influencia del campo magnético de la Tierra), esto, debido a que la corriente en el alambre produce un campo magnético que atrae a la aguja de la brújula y la alinea con el campo. A partir de tal observación, explicó este fenómeno de la siguiente forma: Alrededor de todo conductor por el que circule una corriente eléctrica, se desarrollará un campo magnético perpendicularmente al área longitudinal del conductor; dependiendo la intensidad del campo magnético, de la cantidad de corriente que por este circule. Oersted continuó con sus experimentos, comprobando que es posible el desarrollo de un campo magnético, similar al que se presenta en el mineral llamado magnetita pero a partir del flujo de una corriente eléctrica en un hilo conductor; campo magnético, cuya duración depende directamente del tiempo en que circule esta corriente. No obstante, el sentido que el campo magnético tomará (horario ó antihorario), viene dado por la dirección en que circule esta corriente. Tal relación se explica con la regla de la mano derecha para campos magnéticos, por que indica: Sabiendo la dirección del flujo de la corriente en un alambre conductor, se toma con la mano derecha y se coloca el pulgar en la dirección de tal flujo, al cerrar la mano, los demás dedos indicaran el sentido de las líneas de fuerza magnética que rodean al conductor (Esta regla se basa en la teoría electrónica del flujo de corriente (negativo, positivo). 9

11 Donde: André Marie Ampere Unas cuantas semanas después de que Oersted anunció su descubrimiento; El Físico-Matemático Francés André Marie Ampere ( ) presentó los resultados de una serie de ingeniosos experimentos que demostraban la relación directa entre la cantidad de corriente aplicada a un conductor con la Intensidad del campo magnético que esta producía, siendo que entre más corriente fluya por el conductor más intenso será el campo magnético alrededor de éste. Así, tras años de investigación se llegó a la expresión para obtenerla densidad del campo magnético desarrollado en un conductor de longitud ( l ): B ( I ) 2 ( l) B.-Densidad de flujo del campo magnético(weber/ m 2 ). μ.-permeabilidad del medio (S/Unidades). 5 I.- Corriente que fluye en el conductor (Amperes). l.- Longitud del conductor (metros). Más, si hay N número de cables: ( N)( I) B 2 ( l) No conforme con lo anterior, Ampere determinó también la relación entre los campos magnéticos en dos ò más conductores paralelos, considerando que sí existe una relación entre los campos magnéticos producidos por magnetos minerales tal interacción también se presentará en campos producidos por corrientes eléctricas; llegando a la conclusión de que campos magnéticos producidos por corrientes que toman un mismo sentido (paralelas) se atraen; No siendo así cuando las corrientes fluyen de manera contraria una respecto a la otra, generando que los campos se repelan, lo anterior se complementa con lo siguiente: La fuerza magnética de atracción ó repulsión que presentan dos ó más conductores entre sí, al transportar corrientes eléctricas es directamente proporcional al sentido en que estas circulan é inversamente proporcional a la distancia entre los conductores. 5 Siendo μ una medida de la facilidad de magnetización de un material. 10

12 De igual manera, surgió el interés de medir la intensidad de dicho campo magnético a una determinada distancia del conductor, siendo los Físicos Franceses: Jean Baptista Biot ( ) y Félix Savart ( ) quienes alrededor de 1820 dedujeron una relación que indica: : Principio de Biot-Savart Si se desea conocer la densidad del campo magnético presente en un punto P, por causa de una corriente, en un conductor largo recto ó curvado, se supondrá que el conductor esta hecho de elementos ó segmentos de longitud infinitesimal dl : 0 2( I) B 4 r Donde: Jean Baptista Biot B.- Densidad de flujo del campo magnético con respecto a P (Weber/m 2 ). μ 0.- Permeabilidad del medio vacío (aire). (=4π x 10-7 Weber/Amp*m) I.-Corriente del conductor (Amperes). R.- Distancia desde el centro del conductor al elemento P (metros). La expresión obtenida por este equipo de Físicos, es un apoyo para determinar la densidad de flujo magnético (B) en un conductor cuya longitud puede estar dispuesta tanto en modo rectilíneo, como a manera circular. De igual manera, Ampere había encontrado la relación entre la corriente aplicada (I) y la intensidad del campo magnético (H) en una trayectoria cerrada de alambre conductor (espira) Si se dobla un trozo de conductor formando un enrollamiento conocido como Bobina, las líneas de fuerza que rodean el conductor saldrán todas por uno de los costados de la bobina y entrarán por el otro (figura: 1.2). Entonces la bobina de alambre que transporta FIGURA:1.2 una corriente hará las veces de un imán débil con un Polo Norte y un Polo Sur, siendo el Polo Norte el punto donde salen las líneas de fuerza y el Polo Sur donde entran. 11

13 FIGURA: 1.3 Para determinar el sentido del campo magnético en una bobina también se aplica la regla de la mano derecha, explicada anteriormente, sin embargo varía que: sobre la bobina en el mismo sentido que el flujo de corriente, el pulgar apuntará hacia el Polo Norte. (figura: 1.3): En una bobina la Potencia del campo magnético se ve amplificada debido a que los campos individuales de cada espira están en serie, sumándose y formando un fuerte campo magnético, pudiéndose determinar la densidad de flujo magnético de una bobina de la siguiente forma: Donde N es el número de espiras ó de arrollamientos de alambre que tenga la bobina. Este factor es importante, ya que la potencia del campo magnético desarrollado en la bobina está determinado por el número de espiras que esta tenga, esto es, a mayor cantidad de espiras (vueltas) tenga la bobina, más intenso será el campo magnético que esta produzca. Como se puede ver, analizando la expresión, otra de las formas de incrementar el campo magnético, es aumentando la corriente eléctrica que circula a través de la bobina. Si bien, estos factores no concentran el campo lo suficiente como para aprovecharlo. No obstante para aumentar aún más la densidad de flujo (B) se inserta en la bobina un núcleo de hierro, la densidad de flujo aumenta considerablemente por que el núcleo de hierro ofrece mucha menor resistencia (Reluctancia ) a las líneas de fuerza que el aire. Esta observación la realizó por primera vez el físico Francés Jean Dominique Arago ( ), quien argumentó: Mientras estaba repitiendo los experimentos del Danés Oersted en 1820, noté que la misma corriente producía un fuerte campo magnético en barras de hierro y acero, dando propiedades magnéticas a estos materiales como a ningún otro 6 B 0 2 N( I) r Arago había hallado la forma de comunicar la propiedad magnética a las piezas de hierro u aleación de este, cuando antes, la única forma de lograrlo era frotando tal barra con Jean Arago un fragmento de magnetita. No obstante fue el inglés William Sturgeon quien en 1823 descubrió que al enrollar una bobina en una barra de hierro, siendo así una sola pieza y haciendo pasar una corriente eléctrica a través del alambre enrollado, se forma lo que él llamo como electroimán, el cual era capaz de levantar veinte veces su peso. 6 IBIDEN: Sciece Handbook Tomo:5 12

14 1.2.-LEY DE FARADAY DE LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Uno de los mayores experimentalistas de todos los tiempos fue sin duda el Físico y Químico Inglés Michael Faraday ( ), de clase Humilde y una educación por decir básica, mas con un amplio interés autodidacta; elaboró una teoría descriptiva completa de la electricidad, sus voluminosas publicaciones no contienen una sola fórmula algebraica ó química, no obstante poseen un enfoque claro y conciso. Inspirado por los descubrimientos de Oersted puso de manifiesto que sí las corrientes eléctricas son capaces de engendrar campos magnéticos, luego entonces debe ser posible obtener corrientes eléctricas a partir de campos magnéticos, siendo en 1825 cuando Faraday inicio sus experimentos para demostrar su hipótesis. MICHAEL FARADAY Después de haber registrado en su diario cada experimento fallido con su respectiva experiencia, fúe en 1831 cuando comenzó a notar detalles positivos que lo acercaban a su cometido, pues al formar una bobina A sobre un cilindro (núcleo) de madera y conectar sus salidas a un galvanómetro G ; formando una segunda bobina B sobre la primera, cuyas salidas van conectadas a una batería (Figura: 1.4). Faraday argumentó lo siguiente: Al cerrar el contacto C de la batería comienza a circular una corriente eléctrica a través de la bobina: B. De los resultados de Oersted y Ampere se sabe, que esta corriente genera un efecto magnético a su alrededor. Este efecto magnético cruza la bobina: A, y sí el magnetismo produce electricidad, entonces por la bobina: A debería empezar a circular una corriente eléctrica que debería empezar a detectarse por medio del galvanómetro: G. 7 Sin embargo, la aguja de este instrumento no se movía, lo que significa FIGURA: que 1.4 no existía corriente alguna en la bobina: A. No obstante a pesar de estos resultados Faraday no se dio por vencido, notando con atención cada elemento del experimento, hasta que se dio cuenta que al momento de conectar la batería, la aguja del galvanómetro realizaba un pequeño movimiento y volvía al cero, repitiéndose este evento en el momento de desconectar la batería, sin embargo el movimiento de la aguja es en sentido contrario al que había realizado en un principio. Concluyendo que al cerrar el interruptor la magnitud del voltaje en la bobina: 7 IBIDEN: 13

15 B, cambia de cero, al valor determinado por la batería, siendo así también con el campo magnético que se desarrolla alrededor de la bobina: B. Siguiendo este comportamiento al desconectar la batería, pues la corriente y el campo magnético a través de la bobina B cambian de un valor no nulo a cero. Además de este experimento, Faraday buscó corroborar los resultados obtenidos en esté último, realizando otros más. Uno de estos experimentos que salta a la atención es uno donde produjo una bobina: A, en un anillo de hierro, conectando sus extremos a un medidor galvanómetro, y engarzando esta bobina en anillo con una segunda bobina: B, la cual quedaba de modo perpendicular con respecto a la bobina A, conectando los extremos de la bobina B a una batería (Figura: 1.5). Al cerrar el interruptor de la bobina B, inicia la circulación de corriente a través de está, produciendo al instante un campo magnético que envuelve ambas bobinas y magnetiza el núcleo de hierro de la bobina A, mas no produce ningún voltaje ó corriente en esta. Faraday notó nuevamente que sólo se registraba una pequeña corriente en la bobina A, cuando se cerraba y se FIGURA: abría el 1.5 interruptor C de la batería, no siendo así cuando la corriente en la bobina B fluía constante. Así Faraday después de muchos más experimentos, explicó de una manera clara una de las dos formas de inducir un voltaje ó una corriente en un circuito independiente, diciendo que: Es posible el desarrollo de una corriente ó un voltaje en un circuito independiente a otro, sí y sólo sí el efecto magnético producido en este último cambia en lapsos de tiempo muy pequeños, no produciéndose ninguna corriente en el circuito independiente sí el campo magnético del circuito alimentado permanece constante. Donde: ε.- Fuerza Electromotriz (Voltaje) (Volts). N.-Número de espiras. φ.- Flujo magnético (Webers). t.- Tiempo (Segundos). Esta expresión, es la pieza fundamental que rige el funcionamiento de un Transformador. En la práctica, se tiene una gran dificultad el aplicar la expresión arriba mostrada, ya que difícilmente se encontrará que las espiras en una bobina estén estrechamente unidas, esto, debido a que en esta expresión se considera que existe la misma cantidad de flujo magnético en cada espira de la bobina, cosa que no es así, ya que el flujo magnético se dispersa en el entorno de la bobina. Para solucionar este ligero inconveniente la expresión del Principio de Faraday quedaría: 14

16 Donde: λ= Enlace de flujo (Webers/Vuelta). Cabe señalar que la expresión que se muestra arriba no fue obtenida por Faraday, si no que fue el Físico Británico James Clerk Maxwell ( ) quien sabiamente dedujo las relaciones matemáticas de los trabajos realizados por Gauss, Ampere y Faraday, produciendo una teoría matemática que relaciona las propiedades de los campos eléctricos y magnéticos. No obstante, no siendo todo, sus estudios de las propiedades electromagnéticas de la luz y la materia fueron esenciales para el desarrollo de otros descubrimientos, (las aportaciones de Maxwell fueron vitales para Henrich Rudolf Hertz y Albert Einstein). 15

17 1.3.-LEY DE LENZ Heinrich Friedrich Emil Lenz ( ), fue un Físico Alemán quien, sin conocer los trabajos realizados por Faraday y Henry (personaje que se hablará más adelante de él) descubrió por su propia cuenta el Principio de la Inducción Electromagnética en 1842, sus trabajos analíticos lo llevaron a notar un fenómeno que se desarrolla en toda corriente inducida y que los demás científicos de aquella época no se habían percatado. El Principio que descubrió establece que: La dirección que toma una corriente inducida en un circuito es tal que el flujo magnético que esta produce se opone a la variación del flujo magnético que la produjo. Como se dará cuenta se trata de la expresión de la inducción electromagnética de Faraday para un cambio de flujo que cruza un circuito fijo, sin embargo, se le agrega el signo de menos, el cual indica la oposición del flujo magnético inducido a la variación de flujo que lo produce. Así, hoy en día muchos conocemos esta expresión matemática como la Ley de Faraday-Lenz. Cabe señalar que el efecto de este principio se hace notar en ambos casos de inducción electromagnética, siendo, en el caso del movimiento de un conductor en un campo magnético que la dirección de la corriente inducida en el conductor móvil produce un efecto magnético cuya fuerza lateral es opuesta a la de su movimiento. Para ampliar el desarrollo de este fenómeno en este modo de inducción analicemos lo siguiente: Al acercar un imán con su polo sur en la parte frontal a una espira, esta desarrollará una fuerza electromotriz (voltaje), cuya corriente circulará en un sentido tal, que su efecto magnético se opondrá a la causa que los produjo, esto es, al acercarse el imán con su polo sur, la espira desarrollará un campo magnético con polaridad de sur a norte por lo que se confrontaran ambos campos y se repelerán (figura: 1.6a). Así, al alejar el imán de la espira (figura: 1.6b), se inducirá en ésta última la misma corriente pero en FIGURA: 1.6 a sentido contrario, manifestándose este cambio, también en la polaridad del campo magnético que será: norte-sur, atrayendo al imán que ahora se aleja. FIGURA: 1.6 b 16

18 En el caso de inducción electromagnética en la que tanto el circuito inductor como el circuito inducido están fijos; la corriente inducida desarrolla su propio campo magnético el cual se opone al campo magnético del circuito inductor (que lo ha producido) cuando este aumenta (figura: 1.7 a). FIGURA: 1.7 a FIGURA: 1.7 b En cambio, cuando la variación del campo magnético del circuito inductor disminuye, el campo magnético del circuito inducido cambia su polaridad, atrayendo ahora al campo magnético que se debilita (figura: 1.7 b). Por tanto es al cambio en el flujo y no al flujo mismo a lo que se opone la corriente inducida. Cabe señalar que el Principio de Lenz es aplicado para determinar la polaridad de los voltajes inducidos en los devanados de un Transformador. 17

19 1.4.- MATERIALES MAGNÉTICOS En este primer capítulo hemos visto como la constancia de ciertos hombres los llevó a realizar grandes descubrimientos, que analizando el comportamiento de la electricidad y haciendo uso de ciertos materiales, los cuales, se comportaban adecuadamente para su investigación. No obstante, las máquinas y los instrumentos que operan bajo estos principios (tales como Transformadores, Generadores, Motores) presentan siempre en su estructura ciertos materiales u aleaciones que multiplican el flujo magnético y lo limitan a una región conveniente. Sin embargo, no todos los metales presentan facilidad para imantarse ó conducir un flujo magnético [φ] a través de sí mismos, esto, debido al comportamiento de los electrones externos que presentan sus átomos, ya que estos electrones giran en orbitas alrededor del núcleo y simultáneamente tienen su propio movimiento de rotación sobre su eje, siendo estos movimientos los que determinan las propiedades magnéticas del átomo y por tanto del material. Llamándosele Permeabilidad (μ) de un material dado, a la facilidad relativa para desarrollar un campo magnético y definiéndose en términos magnéticos como la relación entre la Densidad del Flujo Magnético (B) con respecto a la Intensidad (H) del mismo campo magnético. Cabe señalar que la clasificación magnética de los materiales, se da a partir del valor de Permeabilidad en el espacio vacío ó aire (μ 0 ), la cual tiene un valor de: μ 0 = 4π x 10 7 Henry / Metro Dándoles el nombre de diamagnéticos (día= oposición ) a aquellos metales débilmente magnéticos, cuya permeabilidad es menor a la del aire, los cuales si se sitúan frente a una barra magnética, ésta, los repele. Ejemplos de estos puede ser: Bismuto (Bi), Plata (Ag), Plomo (Pb). Siendo paramagnéticos ( para= relacionado con ) los metales que presentan un magnetismo significativo, cuya permeabilidad supera por poco la permeabilidad del espacio vacío y si son colocados frente a una barra magnética, ésta los atrae. Ejemplos de estos pueden ser: Aluminio (Al), Paladio (Pd). No obstante, los átomos del Hierro (Fe), Cobalto (Co) y Níquel (Ni) presentan electrones que describen órbitas alrededor del núcleo en la misma dirección, teniendo cada átomo un lado con polaridad norte y lado contrario polaridad sur. Los átomos cercanos se juntan formando grupos completamente polarizados llamados dominios. 18

20 Sí uno de estos metales entra en un campo magnético, todos sus dominios se alinearan con suma facilidad y por resultado se tendrá una capacidad de flujo de líneas de fuerza magnética (permeabilidad) de varios miles de veces mayor que la del aire (figura: 1.8), llamándosele a este tipo de materiales ferromagnéticos FIGURA: 1.8 ( magnético como el Hierro ). Las estructuras de los dispositivos más importantes de la industria eléctrica se construyen con materiales ferromagnéticos. Cuando estos materiales se forman en modo cristalino, sus dominios quedan encerrados dentro del alineamiento, de manera que una vez imantados estos materiales conservan su lineamiento y polaridad magnética, volviéndose así en imanes permanentes. Sin embargo, existen aleaciones cuya composición en cantidades adecuadas presentan metales de naturaleza no magnética tales como: Cobre (Cu), Manganeso (Mn) y Aluminio (Al), las cuales desarrollan un comportamiento magnético muy parecido al hierro, teniendo sus dominios la capacidad de alinearse con suma facilidad, mas también pierden dicha alineación con esa misma facilidad. Una de las aleaciones de hierro que se caracteriza por imantarse permanentemente es el Alnico el cual está conformado por un 62% de Hierro, 20% de Níquel, 12% de Aluminio, 5% de Cobalto y 1% de Manganeso y Silicio. Sin embargo, la permeabilidad de los materiales ferromagnéticos desciende al subir la temperatura, por tanto, se le llama Temperatura de Curie a la temperatura por encima de la cual estos materiales pierden sus características de conducción magnética, a continuación se muestra la Tabla: 1.1, la cual indica la Temperatura de Curie de distintos metales y aleaciones ferromagnéticas. El Hierro por encima de esta temperatura se vuelve paramagnético, sin embargo recupera sus propiedades magnéticas cuando se enfría, aunque pierde alineamiento en sus dominios por la actividad térmica de sus átomos. La figura 1.9 muestra el declive de la permeabilidad magnética de una pieza de Hierro conforme se incrementa su temperatura, véase que a una temperatura ambiente la permeabilidad de la pieza es de aproximadamente 800, 000 H/m, sin embargo al aumentar la temperatura hasta casi 760 C la permeabilidad cae considerablemente. 19

21 FIGURA: 1.9 Este comportamiento indica que los materiales ferromagnéticos no presentan una permeabilidad constante bajo diversas condiciones. Otra de las condiciones en que la permeabilidad de un material ferromagnético decae es cuando estos materiales se saturan de flujo magnético. Así al aumentar lentamente la Intensidad del campo magnético (H) que circula en una pieza de hierro x y confrontar esta, gráficamente con su respectivo aumento de la Densidad de flujo (B) se obtiene una gráfica llamada curva de saturación ó curva de magnetización (figura: 1.1.1). Al inicio de la gráfica cada incremento en la Intensidad (H) guarda una razón proporcional con la Densidad de flujo (B), no obstante después de un determinado valor de intensidad la permeabilidad del material ya no ascenderá si no tomará un valor casi constante. La región en la que la curva se aplana se le llama región de saturación, mientras que la zona de incrementos que le antecede se le FIGURA:1.1.1 llama región no saturada. El punto donde se realiza la transición de la región no saturada a la saturada se llama comúnmente rodilla. La ventaja de ocupar núcleos de materiales ferromagnéticos en transformadores y máquinas eléctricas rotatorias es que al suministrarles una cierta fuerza magnetomotriz se obtiene un flujo mayor que el presente en el aire y con una gran facilidad de controlarlo y limitarlo. Sin embargo, estas máquinas no deben operar dentro de la región saturada de la curva de magnetización. 20

22 HISTÉRESIS Como ya se ha mencionado, las estructuras de los principales equipos para la generación y transformación de la electricidad, están conformadas principalmente por materiales ferromagnéticos como el hierro y sus aleaciones, las cuales son sometidas a campos magnéticos cuyo sentido varia constantemente. Estas variaciones en el flujo magnético (como ya se sabe), se deben a que estos equipos operan con corriente alterna como la que se muestra en la figura:1.1.2a, la cual cuando se aplica de a-b al núcleo ferromagnético de una de estas máquinas (considerando un flujo magnético inicial igual a cero) el flujo magnético toma la dirección ab (figura:1.1.2b), que es la curva de saturación del material ferromagnético, al caer la corriente de b-c y completar los 180 eléctricos, el flujo magnético también decae, mas no por el camino por el que ascendió, si no por la trayectoria bc, donde c es el punto neutral cuando la corriente esta en cero, nótese que el flujo magnético no llega a cero debido a que existe todavía flujo en el núcleo llamado flujo residual ó flujo remanente (aquí la pieza ferromagnética se vuelve un imán permanente). FIGURA: Al tomar la corriente un sentido contrario de c-d se produce un flujo opuesto, el cual busca reorientar los dominios magnéticos en ese sentido (opuesto), decayendo el flujo a cero d y volviendo a tomar su valor máximo pero en sentido contrario. Cabe señalar que la corriente que obliga a los dominios magnéticos a cambiar y que hace que el flujo llegue a cero se le llama corriente coercitiva. Así al iniciar su ascenso la corriente de d-e, el flujo sigue ahora la trayectoria de y se repiten ambos ciclos. Este comportamiento del flujo magnético con respecto a la corriente no sólo tiene que ver con la excitación magnética, si no que mucho tiene que ver con la historia ó antecedentes magnéticos que haya tenido la pieza ferromagnética ya que se podría decir que esta tiene memoria magnética, llamándosele a esta dependencia histórica previa al flujo del material Histéresis y a la trayectoria que el flujo magnético desarrolla al aplicársele una corriente alterna lazo de histéresis. Como se explicó, se requiere una cierta cantidad de energía para invertir los dominios magnéticos del material al momento en que la corriente alterna cambia su sentido al fluir en este, esta energía requerida es energía perdida en el núcleo en forma de calor a la cual se le nombra Pérdida por Histéresis y pertenece al grupo de la llamadas Pérdidas en el núcleo. 21

23 CORRIENTES DE FOUCAULT Dentro del grupo de Pérdidas en el núcleo, se encuentran las llamadas corrientes de Foucault (en honor a su descubridor el Físico Francés Jean Bernard León Foucault ) también conocidas como corrientes de torbellino ó edy, éstas son producidas debido a la inducción de voltaje en el núcleo ferromagnético (como ya se ha mencionado, por la variación de un flujo magnético de un circuito alimentado por c.a.). Este voltaje desarrolla flujos de corrientes que circulan en el núcleo a manera de espiral y ya que se encuentran en un medio resistivo Jean Bernard Leon Foucault (figura: 1.1.3a), disipan energía en modo de calor, debido al efecto Joule (i 2 R). Estas corrientes son muy perjudiciales por el mismo hecho del calor que producen y no sólo eso sino también por el flujo magnético que estas desarrollan. No obstante, se ha logrado mitigar considerablemente los efectos de este tipo de corrientes, seccionando los núcleos ferromagnéticos de las máquinas en delgadas láminas (figura:1.1.3b), las cuales se encuentran aisladas una respecto a otra con un barniz especial, esta solución es eficaz debido a que el calor producido por estas corrientes es directamente proporcional a la distancia de la trayectoria que recorren dentro del núcleo pues la resistencia de la trayectoria resultante aumenta con el aumento de la longitud. Así, disminuyendo las trayectorias de circulación para estas corrientes a través del seccionamiento y aislamiento del núcleo se reduce considerablemente la acción perjudicial de las corrientes parasitas y esto sin afectar las propiedades magnéticas del núcleo ferromagnético. FIGURA:

24 CAPÍTULO II EL TRANSFORMADOR 23

25 2.1.-FUNDAMENTOS DE OPERACIÓN Existe una gran cantidad de tipos de Transformadores, según los requerimientos que se tengan se han desarrollado uno para cada aplicación, ya sea para elevar como para reducir los niveles de voltaje solicitados. No obstante, todos se rigen bajo los mismos principios de operación. La base del funcionamiento del transformador es la Ley de Faraday ó principio de Inducción Electromagnética para circuitos estáticos con la presencia de un flujo magnético oscilante, que como ya se vio en el capitulo anterior se define: Con el signo de menos referente a la Ley de oposición de Lenz, la cual se hace presente en todo caso de inducción electromagnética, sin embargo, el aplicar está expresión en el trabajo práctico real es muy dificultoso, ya que esta considera que el flujo magnético se reparte exactamente a proporción en cada espira de una bobina, aspecto que es ideal, pues el flujo magnético desarrollado por una bobina alimentada con c.a., se dispersa por todo el perímetro circundante, para mayor exactitud se considera que la magnitud del voltaje inducido en la i-ésima espira viene dado por: Por tanto, para un determinado número de espiras el voltaje total inducido será: Así: Llamándosele a: λ= Enlace de flujo, el cual se mide en webers-vuelta y que deja la expresión de Faraday: Cabe señalar que sí el devanado primario y el devanado secundario tienen el mismo número de espiras, el voltaje obtenido en el secundario será aproximadamente el mismo que el suministrado al primario, no obstante sí el devanado secundario tiene el doble ó la mitad de espiras que el devanado primario, se obtendrá un voltaje de salida del doble ó medio que el que se suministra en el primario, según su respectivo caso. 24

26 De aquí la relación de vueltas existentes en el devanado primario con respecto a las del devanado secundario es equivalente a la relación entre el voltaje suministrado al primario y el obtenido en el secundario y se le llama Relación de Transformación ó Coeficiente de acoplamiento, que es representado por: a, luego entonces: Mientras que la relación entre la corriente que circula en el lado primario con respecto a la que sale del lado secundario, es inversa a la relación de transformación: Está expresión nos indica que en el caso de un transformador elevador, al ser mayor el voltaje inducido en el devanado secundario, circulara en este mismo una corriente significativamente menor a la que se tiene en el devanado primario, característica que es muy ventajosa por ejemplo para la transmisión de energía eléctrica, pues al ser muy pequeña la corriente que atraviesa las líneas de transmisión, las pérdidas en forma de calor producidas por el efecto Joule ( i 2 R) se reducen considerablemente. De igual manera está expresión nos indica lo contrario del caso anterior, pues en un transformador reductor, baja el nivel de voltaje obtenido, sin embargo, la corriente obtenida es mayor a la que se tiene circulando por el devanado primario, lo que es muy útil por ejemplo para la aplicación en máquinas soldadoras, las cuales operan con niveles bajos de voltaje pero con elevadas magnitudes de corriente. Al aplicar voltaje de c.a. en un transformador, fluirá (como ya se dijo anteriormente) una corriente en el circuito primario, la cual es la responsable de producir el flujo oscilante y se conoce como corriente de excitación, componiéndose por dos elementos: Corriente de Magnetización (I M ): Que es la necesaria para producir el flujo oscilante en el núcleo del transformador. Corriente de Pérdidas en el núcleo (I h + f ): Es la que se requiere para compensar la histéresis y las corrientes de Foucault. Para explicar, este concepto, haremos uso de la figura :2.1, en está se muestra un sistema de transformación, donde la relación de vueltas y voltaje son 1:1, cerrando el interruptor 1 y alimentando el devanado primario con 100V, el medidor V 2 registrara este mismo nivel de voltaje. Con el interruptor 2 abierto no se registrara ninguna corriente en A 2. Si el devanado primario tiene un valor de inductancia de 3H, sin tener ninguna carga en el secundario se presentara una reactancia inductiva de valor: 25

27 FIGURA: 2.1 Con la Ley de Ohm: Siendo esta corriente obtenida, la Corriente de magnetización del núcleo. La corriente de pérdidas en el núcleo, es como su nombre lo indica referente a la energía desprendida en forma de calor por la histéresis y las corrientes parasitarias que se presentan en el núcleo de hierro del transformador. Es por esto que para contrarrestar estas pérdidas de energía, debe circular una corriente adicional en el devanado primario. Así pues, suponiendo una pérdida en el núcleo de 10 Watts y considerando la expresión: Esta corriente obtenida es una componente resistiva, debido a que el medio en el que se desarrolla (que es el núcleo), es puramente resistivo. Por tanto una vez obtenidas ambas componentes tanto la resistiva ( I h+f ) como la inductiva (I M ), buscamos calcular La Corriente de Excitación: La figura 2.2, nos muestra la disposición de las FIGURA:2.2 componentes vectoriales de la corriente de excitación. Esté valor de corriente obtenido es el que debe indicar el medidor A 1, sin ninguna carga conectada al secundario. 26

28 Cabe señalar que el transformador es considerado como un puente de potencia, pues a esta máquina estática, la potencia que le suministremos será la que obtengamos, debido al bajo nivel de pérdidas que se presentan (pérdidas en el núcleo y en el cobre) en el interior de este. Siendo su eficiencia de entre un 90-98% según sea la aplicación. Éste fue un factor fundamental para la llamada Guerra de las Corrientes, en la que se determinó que la industria eléctrica operaría con corriente alterna, pues es el transformador lo que impide caiga la potencia a muy cortas distancias y evita la necesidad de instalar subestaciones elevadoras en cada punto que caiga la potencia, hecho que sería real sí la distribución eléctrica se hiciera con corriente directa. 27

29 2.2.-COMPONENTES DEL TRANSFORMADOR A continuación se enlistarán y definirán los componentes que forman a un transformador, desde los elementos esenciales de las pequeñas unidades de transformación, hasta aquellos elementos que hacen a un transformador de potencia ó de distribución. ILUSTRACIÓN NÚCLEO MAGNÉTICO CARACTERÍSTICAS La aleación ferromagnética más utilizada para el diseño de núcleos de transformadores es la aleación hierro-silicio de grano orientado con aislante eléctrico de Carlite, esta aleación está compuesta por hierro esencialmente puro con 1-6% de silicio. Dándole a esta aleación un corte y un tratamiento térmico adecuado, se obtiene un material que comparado con el hierro, tiene mejores propiedades magnéticas (permeabilidad), una resistividad mayor (esfuerzos mecánicos), menores pérdidas totales en el núcleo (histéresis-corrientes de foucault) y menor ruido en el transformador. Esta aleación se lamina en chapas y flejes, principalmente de espesores comprendidos entre 0,35 y 0,635 mm, en el lenguaje común se le conoce con el nombre de acero al silicio ó Chapa magnética. EMBOBINADOS Los devanados de los transformadores de hasta alrededor de 1500 KVA son en forma rectangular y circular para potencias mayores. De acuerdo a su corriente, son fabricados con alambre de cobre de sección circular aislado con doble capa de esmalte clase térmica 200 ºC ó con conductor de cobre de sección rectangular forrado con papel Kraft. Cuando las corrientes son muy altas en el secundario (transformadores de 300 KVA o mayores), se emplea conductores de lámina de cobre ó aluminio, las bobinas de este tipo son compactas, siendo más resistentes a los esfuerzos mecánicos producidos por cortocircuitos. Las bobinas llamadas multicapa están formadas por múltiples capas sucesivas (cada una del largo total de la bobina), emplean papel aislante entrecapas, diamantado epóxico, presentando buena resistencia a los esfuerzos producidos por cortocircuitos. 28

30 AISLADORES ó BUSHINGS Se especifican según la tensión, corriente de trabajo, condiciones ambientales, contaminación y altitud a las que estarán expuestos. Están hechos de porcelana sólida y esmaltada, alternativamente pueden ser fabricados con resinas epóxicas resistentes a los rayos ultravioleta y a impactos. Para el sellado entre el estanque y herrajes se emplean empaquetaduras de caucho acrilo nitrilo. Los terminales externos de conexión son del tipo paleta o prensa y están dimensionados para permitir una fácil conexión de los cables conductores. CONMUTADOR DE DERIVACIONES (TAPS) Acoplado al devanado de alta tensión. Es empleado para adaptar el transformador a las variaciones de tensión que normalmente sufren las líneas de alimentación. Se opera sólo cuando el transformador esta desenergizado, actuando simultáneamente sobre las tres fases (en caso de transformador trifásico). Es de accionamiento manual por medio de una manilla ubicada en el exterior del tanque. VÁLVULA DE SEGURIDAD En los transformadores sumergidos en líquido aislante, un cortocircuito o arco interno puede provocar un rápido aumento de presión debido a la vaporización instantánea de parte del líquido, con posibilidades de deformación ó rotura del tanque. La actuación extremadamente rápida de la válvula libera la presión interna del tanque, evitando daños a éste e incluso protegiendo al transformador mismo de fallas mayores. Válvula de descarga Se le utiliza normalmente en transformadores de 750 KVA o mayores. TERMÓMETRO DE LÍQUIDO AISLANTE Ubicado en el exterior del tanque, indica la temperatura máxima del fluido aislante, en función del nivel de carga del transformador. Dispone de dos agujas, una de ellas para indicar la temperatura del líquido y la otra, de color rojo, para registrar la temperatura máxima alcanzada, pudiéndose reposicionar manualmente a través de un imán, normalmente es utilizado en transformadores de 45 KVA o mayores. El termómetro puede estar dotado de conexiones para alarmas ó desconectadores. 29

31 TANQUE Y RADIADORES DE REFRIGERACIÓN El tanque principal está proyectado con la resistencia necesaria para soportar sin deformaciones permanentes una presión ó un vacío determinados. La refrigeración del transformador se realiza por medio de radiadores tipo panel (estampados) por cuyo interior circula el fluido aislante. Estos radiadores normalmente son soldados directamente a los costados del tanque. El proceso de pintura comprende la limpieza mediante granallado, la aplicación de una mano de anticorrosivo epóxico y dos manos de terminación con esmalte poliuretano ó pintura en polvo electrostático. FLUIDO AISLANTE El interior del transformador se encuentra sumergido en un fluido aislante, el que cumple la función de dar la rigidez dieléctrica necesaria al transformador llenando todos los espacios e impregnando los papeles y maderas. Otra función muy importante del fluido es la de refrigerar el transformador, al extraer el calor de las bobinas mediante la circulación del fluido por los ductos de refrigeración en las bobinas y luego por los radiadores de refrigeración. El fluido aislante normalmente utilizado es el aceite mineral dieléctrico ó un fluido aislante incombustible de silicona. Todas las aislaciones sólidas de los transformadores sumergidos en fluido aislante están fabricadas con papel ó cartón aislante presspahn de alta calidad el que al ser impregnado en el fluido aislante garantiza óptimas propiedades dieléctricas. Los aislantes de los transformadores secos emplean papel sintético de aramida clase temperatura 220 ºC. 30

32 31

33 2.3.- PRUEBAS PRINCIPALES DEL TRANSFORMADOR Una vez, con los principios de funcionamiento y componentes con los que opera un transformador, es importante hacer notar las pruebas básicas a las que son sometidos antes de dar servicio. La primera de las tres principales es la identificación de la polaridad en los devanados del transformador, que es vital en la determinación de flujos de corrientes dentro del transformador y puede ser determinada desde la fabricación del transformador. Para explicar la primera forma de determinar la polaridad nos apoyaremos de la figura 2.3a y b en la que se muestra un transformador básico con núcleo de hierro. Así en 2.3a las bobinas del primario y secundario se han devanado en la misma dirección, esto produce que el voltaje y la corriente en el secundario se encuentren en todo tiempo 180 fuera de fase con respecto a los voltajes y corrientes del bobinado primario. Por otro lado, si la dirección de enrollado en el devanado secundario se invierte como se muestra en 2.3b, las relaciones de fase se acoplarán, esto es, que tanto los voltajes y las corrientes obtenidas en el secundario estarán en fase con respecto a los que se encuentran en el devanado primario, alcanzando estos sus valores máximos y pasando por cero en el mismo momento; así, podemos considerar que en uno de esos instantes en el que los voltajes alcanzan su valor máximo, la terminal 1 de la bobina del primario es más positiva que la 2 y la terminal 4 del devanado secundario es más positiva que la 3, diciéndose así que las terminales 1 y 4 tienen la misma polaridad; esta equivalencia de polaridad en estos puntos de los devanados se hacen notar colocando marcas (puntos negros, cruces), señal u etiqueta que nos permita identificar que terminales presentan la misma polaridad, llamándosele a estas, marcas de polaridad. Estas marcas de polaridad también se pueden colocar en las terminales 2 y 3, esto debido a la característica de la alternancia que presenta la corriente de magnetización, pues estás terminales FIGURA: 2.3 también llegan a ser simultáneamente positivas cada medio ciclo. Por tanto, no importa qué lado de terminales marquemos, mientras éstas tengan la misma polaridad. 32

34 Es por la característica de que los lados marcados en los V S devanados alcanzan simultáneamente la misma polaridad, lo que nos permite relacionar el voltaje fasorial obtenido en V P el secundario con el voltaje fasorial suministrado al primario (figura 2.4), siendo que están en fase. FIGURA: 2.4 El significado físico de las marcas de polaridad en un transformador es que, al aplicar una carga al secundario: -Sí una corriente fluye hacia el lado de un devanado con marca de polaridad, esta producirá una fuerza magnetomotriz positiva (F ). -Caso contrario si la corriente fluye hacia fuera del lado del devanado con marca de polaridad, producirá una fuerza magnetomotriz negativa (- F ). La dirección que toman las corrientes por los devanados del transformador (entrar ó salir) es sumamente importante, ya que a través de estas se determinará sí los campos magnéticos (fuerza magnetomotriz) de los devanados se sumen ó se resten. Dando, esto una convención, la cual se apoya de la figura:2.5 é indica: Sí las corrientes entran ó salen al mismo tiempo de las marcas de polaridad, sus campos magnéticos (fmm) se sumarán (caso 1 y 2). Sí una corriente se dirige a la marca de polaridad y la otra se aleja de su respectiva marca de polaridad, los campos magnéticos se opondrán y el campo magnético resultante (fmm R ) será una resta de estos (caso 3 y 4). FIGURA:2.5 En un transformador real, la corriente que fluye en el devanado primario produce una fuerza magnetomotriz positiva, mientras que la corriente inducida en el secundario desarrolla una fuerza magnetomotriz negativa (figura 2.6), generando que la fuerza magnetomotriz resultante en el núcleo del transformador sea una resta de estas y adquiera un valor nulo (esto es la fmm R en el núcleo del transformador es casi cero). FIGURA: 2.6 Cabe señalar que la determinación de la polaridad de los voltajes en un transformador, también es posible aplicando del principio de Lenz, esto, sí las bobinas son visibles. 33

35 Sin embargo, en la práctica no siempre nos encontraremos a las unidades de transformación con sus devanados expuestos para que podamos determinar su polaridad. Lo más certero es que nos encontremos directamente con las terminales ó puntas de conexión del transformador. Por tanto es de vital importancia que aprendamos a determinar la polaridad de manera práctica, aprovechando las características que presentan los devanados del transformador al conectarse en forma aditiva ó substractiva. Haciendo uso de un voltímetro de C.A. y una fuente de voltaje de este mismo tipo de corriente, realizamos lo siguiente: Seleccionar cualquier devanado de alta tensión, tomándolo en cuenta como Bobina de referencia. Alimentamos la bobina de referencia con un voltaje determinado ó su voltaje nominal, anotamos dicho voltaje, llamándole V ref. Marcamos con un punto, el lado donde entra la corriente en la bobina de referencia. Conectamos la punta de salida de la bobina de referencia con cualquier punta de otro devanado. Cerramos el circuito con un puente (figura:2.7a) y colocamos el voltímetro en paralelo a las conexiones (en su escala de registro de mayor voltaje); llamándole V p al voltaje registrado en éste. Alimentamos con voltaje nominal ó menor la bobina de referencia. FIGURA: 2.7 Sí, V p (voltaje de prueba) es mayor que V ref (voltaje de referencia), el arreglo es aditivo ; colocando una marca en el devanado de prueba en el lado contrario a donde se encuentra la marca de la bobina de referencia (figura: 2.7b). Sí, V p es menor que V ref, se trata de un arreglo sustractivo, debiendo colocar la marca en el devanado a prueba, en el mismo lado de donde se encuentra la marca del devanado de referencia (figura: 2.7c). Se repiten los pasos anteriores, para la determinación de la polaridad de los demás devanados. 34

36 La segunda de las pruebas finales que se le realizan a un transformador antes de que este entre en operación, es la prueba de circuito abierto, con la cual se determina: La Corriente de Excitación ( I 0 ). La Potencia en vacio, que son las pérdidas del núcleo de hierro ( P 0 ). El factor de potencia a operación en vacio ( F.P. 0 ). En esta prueba se suministra una tensión nominal a cualquier devanado del transformador, dejando en circuito abierto el devanado no utilizado (en la práctica se suele alimentar el devanado de baja tensión y abrir el de alta), tomando registro de corriente en vacio ( I 0 ) y potencia de entrada en vacio (P 0 ), esto, en el devanado alimentado. La corriente que circula por el devanado alimentado es la llamada corriente de excitación ( I 0 ), la cual para esta prueba desarrolla un valor entre el 1 y 10% del valor de la corriente nominal de ese devanado. Como ya se mencionó anteriormente, esta corriente presenta dos componentes: la corriente de magnetización ( I M ) y la corriente de pérdidas en el núcleo (I h+f ), constituido el segundo componente por el efecto de histéresis y por las corrientes parasitas, que son responsables del calentamiento del núcleo del transformador; calentamiento que es Potencia activa (Watts) disipada. Sabiendo ahora, a través de este ensayo de donde proviene la Potencia en vacio ( P 0 ), deduciendo que son las Pérdidas en el núcleo por el efecto de la histéresis y las corrientes parasitas. Es importante señalar que la Norma ASTM 29- D- 877, IEC Publicación 76 en su sección 12 recomienda que la Potencia en vacio ( P 0 ) no sobrepase los 30 Watts en transformadores no mayores de 5 KVA, ya que un excedente de este límite nos indica un mal funcionamiento del transformador, siendo necesario cambiar el núcleo ferromagnético de este. A partir de la lectura tomada por el Wattmetro y con las demás lecturas es posible obtener el Factor de Potencia (F.P. 0 ) a operación en vacio, apoyándonos de la siguiente relación: FIGURA: 2.8 Además del dato anterior, es posible, a través de las lecturas tomadas calcular los elementos inherentes en la rama de excitación, la cual se desarrolla al calcular el circuito equivalente del transformador para este ensayo (figura 2.8). Otra de las pruebas de relevancia por las que pasa un transformador antes de ponerse en servicio es la prueba de cortocircuito, en la cual se unen los bornes de uno de los devanados para cortocircuitarlo, siendo recomendable en la práctica cerrar el devanado de baja tensión y alimentar el devanado de alta tensión con un voltaje reducido regulable, que varié del 2 al 15% del voltaje nominal de ese devanado a modo de lograr que circule la corriente nominal a la que opera cada devanado. 35

37 A través de este ensayo se determina: El porcentaje de Voltaje a cortocircuito permisible, respecto al voltaje nominal ( V c.c ). La potencia de cortocircuito, que son las pérdidas en el cobre de los devanados del transformador ( P c.c ). La impedancia total interna ó impedancia equivalente del transformador (Z equi ). Siendo V c.c (voltaje de cortocircuito) la tensión con la que se logra tener las corrientes nominales en ambos devanados, la cual se expresa a manera de porcentaje con respecto al voltaje nominal del devanado y se adiciona a este último con el fin de dar a conocer el máximo voltaje de sobrecarga permisible para el transformador. Dado que V c.c es mucho menor que el voltaje nominal, la densidad de flujo (B) que este produce en el núcleo ferromagnético es limitado lo que conlleva que la corriente de magnetización y por tanto las pérdidas en el núcleo sean casi nulas, por lo que para esta prueba se desprecian este tipo de pérdidas. Sin embargo, debido a que se mantiene un circular de corrientes en ambos devanados y tomando en cuenta que cada devanado ofrece cierta resistencia, se tiene la presencia de calor que se traduce en pérdidas de potencia activa (Watts) por el efecto joule ( I 2 R ). Quedando la Potencia de cortocircuito (Pérdidas en el cobre) de la siguiente manera: De los valores obtenidos se calcula la Impedancia total (Z equi ) del transformador y su respectivo ángulo, la cual se escribe en los datos de placa y se obtiene a partir del principio de Ohm: Siendo I n1, la corriente nominal que circula en el devanado 1, la cual aparece en casi todas la expresiones algebraicas, debido a que se relacionan todos los elementos del circuito al lado primario del transformador. A partir de la impedancia total equivalente y del ángulo de ésta, es posible calcular los parámetros que la componen de la siguiente manera: ya que: FIGURA:2.9 Estos valores son elementos que aparecen en el circuito equivalente del transformador (ver figura:2.9) para esta prueba. Es importante mencionar que este y otro tipo de pruebas no se pueden realizar (industrialmente hablando) indiferentemente, sino que están normalizadas por grupos como la IEC y la ANSI/IEEE, los cuales para estas son la IEC 76-1, en sus cláusulas y la ANSI/IEEE C y C , las que indican las condiciones en las que se deben llevar a cabo estas pruebas. 36

38 2.4.-REGULACIÓN DE VOLTAJE Y EFICIENCIA EN EL TRANSFORMADOR Si bien, la regulación de voltaje y la eficiencia son los aspectos más importantes y que caracterizan a un transformador pues, no obstante de ser una máquina estática este logra estabilizar los niveles de voltaje a los que trabaja, manteniendo (en la mayoría de los casos) una alta eficiencia. Usualmente la carga de cualquier transformador de distribución tiende a variar a lo largo del día, desde valores muy pequeños a primeras horas del día a muy altos, llegándolo a sobrecargar, esto, en las horas pico de actividad doméstica, comercial e industrial, por lo que es de gran importancia mantener el voltaje de salida a niveles equilibrados a cualquier hora, debido a que los electrodomésticos de los usuarios son muy sensibles a los cambios de voltaje. Dado que el transformador real presenta cierta resistencia (R) en su núcleo y devanados estando estas en serie y además requiere de una potencia reactiva (VAR para establecer el campo magnético) produciendo reactancias (X) en los devanados, el voltaje de salida en el secundario variará según el factor de potencia (cos θ) de la carga aún, cuando el voltaje de alimentación en el primario se mantenga constante, por lo que la Regulación de voltaje se considera como: una medida de la diferencia del voltaje de salida en un transformador cuando la corriente de carga varia de cero, a un valor nominal. Expresado matemáticamente es: No obstante si no se conoce el valor exacto del V vacio es posible sustituirlo por su equivalencia proveniente de la expresión de la relación de transformación (a) para voltajes: Sí se requiere obtener la Regulación de voltaje de un transformador real, es necesario considerar las caídas de voltaje que se suscitan dentro de éste, sólo, despreciando las caídas que se presentan en el núcleo ferromagnético (rama de excitación), esto debido a que la corriente de excitación en el núcleo es muy pequeña en comparación con la corriente nominal que circula en el devanado secundario, pues es, en los devanados donde se presenta la mayor caída de tensión, por tanto sí aplicamos el principio de voltajes de kirchhoff al circuito equivalente referido al secundario de la figura se tiene: FIGURA:

39 Como se mencionó anteriormente uno de los factores fundamentales para la regulación de voltaje de un transformador es el factor de potencia [cos (θ)+ que tiene la carga, cuyo significado es el ángulo de adelanto ó atraso que tiene la corriente que circula en el secundario ( I S ) con respecto al voltaje presente en este ( V S ), no obstante un segundo factor fundamental es la magnitud de las impedancias en serie que se presentan en el interior del transformador, siendo posible la visualización de estos fundamentos a través de los llamados diagramas fasoriales, los cuales son representaciones gráfico-vectoriales que indican la posición y la magnitud de cada voltaje y corriente de valor significativo que se presenta en el transformador, esto, con respecto a un vector ó punto de referencia. Para el caso del transformador, se coloca siempre como vector de referencia el vector del voltaje de salida (V S ), debido a que es el voltaje que nos interesa que no sufra variaciones sin importar la carga. Por tanto para una carga cuyo factor de potencia es atrasado (inductiva normalmente) se genera un diagrama fasorial como el mostrado en la figura 2.1.2, en la cual se muestra como el voltaje que se suministra V p /a es considerablemente mayor que el voltaje que se obtiene V s, lo que nos indica que para este tipo de cargas la regulación de FIGURA:2.1.2 voltaje es mayor que el 0%. Por otro lado para una carga más comúnmente encontrada con un factor de potencia igual a la unidad (cargas resistivas), se produce un diagrama fasorial como el mostrado en la figura 2.1.3, en el que se muestra que al igual, pero en menor magnitud que una carga inductiva, el voltaje suministrado es mayor que el voltaje obtenido, lo que nos indica que la regulación de voltaje para un FIGURA:2.1.3 transformador conectado a una carga resistiva también será mayor del 0%, pero menor a la de una carga inductiva. Sin embargo, lo anterior no ocurre cuando se tiene una carga con un factor de potencia adelantado (cargas capacitivas, extremadamente difíciles de encontrar), pues esta produce un efecto magnetizante en el transformador conocido como efecto ferranti, el cual incrementa el voltaje de salida con poco voltaje de alimentación, apreciándose esto en el diagrama fasorial de la figura: 2.1.4, dando por resultado que el transformador tenga una regulación de voltaje negativa, aspecto que es beneficioso, pues se tiene una disminución en FIGURA:2.1.4 las pérdidas. En la práctica se busca mayormente mantener una regulación de voltaje baja, ya que esto nos dará menores pérdidas en la potencia activa (Watts). Sin embargo, entre mayor sea la potencia que maneje el transformador, menor será la regulación de voltaje, debido a que las impedancias en éste se reducen notablemente, pues entre mayor potencia maneja, mayores dimensiones deben tener el núcleo ferromagnético y los devanados, lo que disminuye la resistencia de estos. 38

40 El hecho de conectar una carga en un transformador implica varios conceptos, uno de ellos es la eficiencia (η) ó rendimiento que es un concepto global para cualquier tipo de máquina eléctrica y se define como: La relación entre la Potencia activa (Watts) que sale con respecto a la que entra, que presenta una máquina al conectarle una carga. Expresándose matemáticamente como: De igual forma en cualquier máquina eléctrica se tiene que: quedando: P entrada = P pérdidas + P salida En un transformador, como ya se ha mencionado, se presentan dos tipos de pérdidas (fuga de potencia activa), la primera de ellas, obtenidas por la prueba de circuito abierto son las pérdidas en el núcleo que están directamente relacionadas con el voltaje suministrado y por tanto con la densidad de flujo que se desarrolla en el núcleo ferromagnético, produciendo así la nada deseable histéresis y las llamadas corrientes de Foucault, que por el efecto de la resistencia del núcleo (R N ), producen calor que es Potencia activa disipada por el efecto joule (I 2 R N ), quedando así: Por otra parte (y no siendo nada menos importante) se tienen las pérdidas en el cobre (P CU ), las cuales se desarrollan en los arrollamientos de los devanados, esto, debido a la resistencia inmersa que tiene el alambre magneto con el que son construidos los devanados, a eso se agrega el flujo de corrientes que se desarrolla en estos, combinándose así y produciendo nuevamente el efecto joule que se nota por la emisión de calor en los devanados. Siendo las pérdidas en el cobre: En el caso del transformador que opera bajo cierta carga, se tiene que la Potencia activa que sale es: Así, con lo anterior, nos permite apreciar claramente la expresión de la eficiencia para el transformador: Es importante recalcar un hecho, que la eficiencia de un transformador generalmente varia de entre un 90-98%, lo que nos indica el por qué fue la clave para que la corriente alterna ganará la guerra de las corrientes, ya que el transformador es un puente para la potencia activa, no dejando que haya caídas de ésta a cortas distancias. 39

41 2.5.-TRANSFORMADORES EN PARALELO. En la sección: 2.3 de este mismo capítulo se explicaron algunas de las pruebas fundamentales por las que debe pasar un transformador para entrar en operación, dentro de éstas, la determinación de las marcas de polaridad es un hecho importantísimo para el correcto funcionamiento del transformador, pues a partir de ésta (además de conectar sus devanados en serie aditiva ó sustractiva), es posible conectar dos ó más transformadores en paralelo. Se dice que dos ó más transformadores operan en paralelo, cuando sus devanados primarios son alimentados por una misma fuente, mientras sus secundarios suministran a una misma carga. (figura:2.1.5) La decisión para conformar un banco de transformadores en paralelo viene a raíz de las necesidades que se tienen en el suministro residencial (conjuntos residenciales) ó industrial, sin embargo, la puesta de transformadores en paralelo no es una acción que se realiza a la ligera, pues, los transformadores que conformarán el banco deben cumplir ciertas condiciones, las cuales son: FIGURA Tener la misma relación de transformación (operan con mismos voltajes de entrada y mismos voltajes de salida). Los devanados deben tener la misma polaridad, esto es, las marcas de los devanados primarios estarán en un mismo lado, mientras las de los secundarios en su lado respectivo. Iguales tensiones de cortocircuito. Siendo la primera condición un factor lógico e importante, ya que como se sabe la característica principal de un circuito en paralelo es que el voltaje presente debe ser el mismo. Siendo la primera condición, la que nos marca desde un principio (en vacío) una buena conexión, pues de no tomar en cuenta esta regla, al alimentar con el mismo nivel de voltaje ambos transformadores y discrepar los voltajes de salida de ellos (figura 2.1.6), se engendrara una corriente que fluirá en los devanados secundarios (sin estar conectados a carga), que inducirá otra corriente en los primarios. Tales corrientes que fluyen por los devanados, incrementan notablemente las pérdidas en el conjunto de transformación y no sólo eso, si no que al entrar el banco en operación (alimentar una carga) y tener una gran demanda ó FIGURA:2.1.6 una falla, se pueden producir corrientes de cortocircuito tan elevadas que pueden quemar e incluso hacer explotar al banco de transformación, siendo esto evitable al tener la misma relación de transformación (a) en cada transformador del banco. 40

42 En base a la segunda condición, se logra que al conectar el banco a la ó las cargas, las corrientes que circulan por los devanados secundarios se encuentren en fase entre ellas y con la corriente de la carga. La tercera condición es vital para el buen funcionamiento del banco bajo carga, una vez cumplidas las dos primeras. Pues, siendo iguales los voltajes tanto de entrada como de salida en cada transformador, la caída de tensión por el efecto de la carga también debe ser la misma en cada transformador: Que es: Lo que genera que, sólo cuando se cumple esta condición, la repartición para la ó las cargas, sea de manera proporcional a la capacidad (VA) de cada transformador. Por tanto, sí no se cumple esta condición se tiende a mal aprovechar uno de los transformadores que componen el banco, pues mientras los transformadores que más aportan potencia son los de menor ε cc,, los de mayor ε cc, suministran menor potencia a la carga, haciendo que estos últimos sean mal aprovechados, pues es un gasto excedente. Cabe señalar que la conformación de bancos de transformadores en paralelo, muchas veces se realiza con la finalidad de alcanzar un nivel de capacidad requerida (VA), ya que muchas veces resulta más económico producir un banco de transformación que alcance esa capacidad, que comprar el transformador que de la capacidad requerida. La repartición de la potencia total a suministrar, es proporcional a la capacidad (VA) de cada transformador. Pues sea una carga de 125 KVA, la que se alimenta por dos transformadores, el primero de 100 KVA y el segundo de 200 KVA, se tendrá un funcionamiento en paralelo correcto sí, el primer transformador otorga 50 KVA, mientras el segundo aporta los 75 KVA restantes. Como ya se menciono, la operación en paralelo es eficiente sí la ó las cargas se reparten proporcionalmente, según las capacidades nominales de cada transformador, pudiendo así alimentar una carga de 300KVA sin sobrecargar y aprovechando completamente cada elemento de transformación. Al andar por la calle podemos ver transformadores de diversos tipos y formas, tanto los de poste como los de pedestal y podemos ver que no todos trabajan con la misma capacidad (VA), no obstante, todos los transformadores de la red eléctrica pública se encuentran conectados en paralelo (figura:2.1.7), cumpliendo a lo menos dos de las condiciones ya descritas, siendo la primera condición la que siempre se debe cumplir, pues aunque todos los transformadores del orden público no operan a la misma capacidad, sí lo hacen a la misma relación de transformación (a), la cual es: / 220/120 Volts, siendo V, la tensión media que existe en los cables de mayor altura en los postes, de la cual se conectan los transformadores para ofrecer así 220 V (línea-línea) trifásica ó 120 V (línea neutro) monofásica. FIGURA:

43 2.6.-EL AUTOTRANSFORMADOR MONOFÁSICO El transformador eléctrico es un elemento que no importando sus dimensiones y los niveles de voltaje a los que opere, su funcionamiento es el mismo, siendo su constitución la misma (núcleo, devanado primario y secundario). No obstante, existen transformadores de propósito, que son aplicables en casos muy especiales, un tipo de estos (ocupado para transmitir grandes potencias) se caracteriza por tener sólo un devanado, que funciona como primario y secundario a la vez, en efecto se trata de un inductor con derivación y se le atribuye el nombre de: autotransformador. El autotransformador al igual que un transformador común ocupa la inducción electromagnética para transportar la energía, elevando ó reduciendo el voltaje según se requiera. Es más fácil comprender el funcionamiento y conformación de un autotransformador al imaginar un transformador elevador común como el mostrado en la figura: 2.1.8, el cual cuenta con sus dos devanados a sus respectivas tensiones, relacionados físicamente por el núcleo ferromagnético. Sí ambos devanados están enrollados en la misma dirección y deslizamos el devanado secundario, de tal forma que tenga contacto con el devanado FIGURA: primario, se obtiene un sólo devanado con una derivación como se muestra en la figura: Ahora hemos convertido el transformador en un autotransformador, tomando como primario el lado en el que se suministra la potencia, pudiendo ser cualquier lado, ya sea de alta ó baja tensión, según sea la operación del autotransformador como elevador ó reductor. La conexión como elevador (figura: 2.2.0a) se da, al aplicar el voltaje de entrada entre las terminales de la FIGURA:2.1.9 derivación y el conductor común, mientras que el voltaje de salida, se obtiene de entre las terminales común y superior (salidas del devanado completo). Caso contrario, en la operación como reductor (figura: 2.2.0b), el voltaje de entrada se suministra a las terminales que conforman el devanado completo (superior y común), mientras el voltaje de salida se obtiene de entre la derivación y la terminal común. FIGURA:

44 Dado que se trata de un transformador de propósito especial, la nomenclatura de sus voltajes, corrientes e incluso la del devanado no es la misma que la de un transformador común, pues para el autotransformador la sección del devanado que está entre la derivación y la terminal común y que aparece en ambos lados se le conoce como devanado común, llamándosele al voltaje y a la corriente que aparece en esta sección voltaje común (V C ) y corriente común (I C ). Mientras que la sección más pequeña del devanado se le conoce como devanado en serie, esto, por el mismo hecho de que se encuentra en serie con el devanado común, llamándosele al voltaje y la corriente que por esta sección circulan: voltaje serie (V SE ) y corriente en serie (I SE ) figura: De la misma forma la relación de transformación (a) se modifica a esta nomenclatura, pero guardando el orden que se tiene en un transformador común, siendo así que para un autotransformador la relación entre los voltajes y las corrientes de baja y alta tensión se dan por la relación de vueltas del devanado: En relación a esto, cabe señalar que sí un transformador común se conecta como autotransformador (tomando las precauciones necesarias que más adelante se comentaran), este podrá operar a una capacidad (KVA) mucho mayor a la que a modo transformador operaba, así por ejemplo, un transformador que maneja 5 KVA cuya relación de voltajes (V P /V S ) es 127/220 al ser conectado como autotransformador y reforzando su aislamiento podrá llegar a manejar hasta 11 KVA, lo que es el doble de la potencia que a la que fue diseñado como transformador. Para saber a cuanta potencia podrá operar un transformador convertido en autotransformador se ocupa la siguiente expresión: Siendo: S aut la potencia aparente que será capaz de manejar en autotransformador y se le llama Potencia de Paso, mientras que: S trans es la potencia aparente a la que operaba el aparato en modo transformador, llamándosele Potencia Propia ó Interna. Como se mencionó en un principio, el autotransformador transmite la energía (Potencia) por medio de la inducción electromagnética como un transformador común, sin embargo no toda la potencia a la que opera este dispositivo se transmite así, pues una parte de esta potencia lo hace por medio de conducción. Pues es la parte de Potencia que fluye por el devanado en serie la que se transmite por conducción, mientras la potencia restante, por la acción de la fuerza contraelectromotriz se transmite por inducción, siendo así, la llamada Potencia Propia ó interna, la que se transmite por inducción electromagnética y la que circula por el devanado común. Es de suma importancia recalcar que el empleo del autotransformador no es tan común como el de un transformador pues su uso se remite a transformaciones de voltaje no mayores del 40% con respecto al voltaje de alimentación, esto es por ejemplo de 120V a 75V (reducción) ó de 13.2KV a 13.8KV, es en estas circunstancias, donde la puesta de un transformador sería una opción demasiado cara, ya que los devanados de este estarían diseñados para transmitir casi el mismo voltaje, lo que es un desperdicio de varios materiales (entre alambre magneto y núcleo 43

45 ferromagnético). Siendo lo mejor, para estas situaciones la puesta de un autotransformador, ya que como podrás apreciar al fijarte nuevamente en las figuras: y en la transición de transformador a autotransformador, se ocupa una sección del núcleo menor al colocar ambos devanados en una misma columna, dejando la segunda columna vacía, esto nos da a entender, que el autotransformador además de tener una eficiencia mucho mayor que un transformador común, su construcción resulta ser más económica; pues, al tener sólo un devanado, la cantidad de alambre magneto es mucho menor que la requerida para el transformador con dos devanados, además de que el núcleo ferromagnético del autotransformador es de menor longitud que del transformador, lo que también lo hace menos pesado. No conforme y teniendo mucha relación con lo anterior existe una considerable disminución en las pérdidas. Esto resulta obvio, pues al reducir la cantidad de alambre magneto con el que se forma el devanado se reducen las pérdidas por el efecto joule ( i 2 R ), de igual manera al reducir el área del núcleo se reduce la histéresis y la circulación de corrientes de Foucault, teniendo una disminución en las pérdidas tanto en las del cobre como en las del núcleo. Sin embargo, a pesar de las considerables ventajas que tiene un autotransformador, este elemento presenta también inconvenientes; empecemos por cuando un transformador ordinario se conecta como autotransformador, esta acción debe realizarse con sumo cuidado y después de una rigurosa inspección del aislamiento de los devanados, esto porque el aislamiento existente en el devanado de bajo voltaje del transformador, no es lo suficientemente fuerte como para resistir el elevado voltaje de salida ó de entrada que manejara el aparato como autotransformador. Al construir una unidad de transformación predispuesta como autotransformador el aislamiento de ambos devanados (común y serie) es igual de fuerte, esto con el fin de soportar los niveles de tención a los que operará. Un aspecto que perjudica mucho a un autotransformador, es que su impedancia interna tiende a ser muy pequeña, lo que por un lado al alimentar cualquier tipo de carga es favorable, no lo es en condición de falla, pues así como el transformador es muy resistente a las fallas por cortocircuito, un autotransformador no suele serlo por sí sólo, siendo lo más recomendable tener otros dispositivos previos al autotransformador que ofrezcan la suficiente resistencia a una corriente de cortocircuito. Es importante también señalar que la ventaja de capacidad (KVA-MVA) se ve afectada cuando la relación de transformación varía de la unidad, esto es por ejemplo en un autotransformador cuya relación de voltajes sea de 4000/120 V. Otra desventaja de los autotransformadores frente a los transformadores es la dificultad en la puesta a operación en paralelo, esto por las impedancias internas tan bajas que manejan los autotransformadores, además de que inductancias externas influyen sensiblemente en estos. Puedes identificar un autotransformador en planos ó diagramas por los símbolos normalizados mostrados a continuación (figura: ). FIGURA:

46 2.7.- CONEXIONES TRIFÁSICAS DE TRANSFORMADORES. Hoy en día, la generación y el transporte de la corriente alterna se realiza de forma trifásica, esto es, se producen tres voltajes alternantes simultáneamente, los cuales al salir del generador, deben ser elevados para transportarse a través de las líneas de transmisión a los lugares en que se requieren, siendo recibidos en una subestación que los reduce para su distribución. Los términos que se han resaltado, son vitales pues debido a ellos se construyen unidades de transformación para estos tres voltajes que la mayoría de las veces son equilibrados, los cuales entran a los devanados primarios y en los secundarios se obtiene otro sistema del mismo tipo pero en mayor ó menor magnitud, debido a que se trata del manejo de tres tensiones simultáneamente, estos transformadores se vuelven y nombran trifásicos. Un equipo de transformación trifásica puede presentarse de dos maneras; la primera se compone por tres transformadores monofásicos con los cuales se hacen arreglos de conexión, cuando cada uno actúa sobre una fase, llamándosele al arreglo: banco trifásico (figura: 2.2.2). La segunda manera es el transformador trifásico como tal, que es una unidad con tres pares (6) de bobinados enrollados sobre un núcleo común (figura:2.2.3). Se podría decir que la conexión trifásica con tres transformadores monofásicos es una alternativa para cuando en una instalación se pasa de alimentación monofásica a trifásica; pues al contar con el transformador monofásico principal y el de reserva ( en el mejor de los casos ), no teniéndose el presupuesto para adquirir el transformador trifásico, es posible adquirir un tercer transformador monofásico idéntico a los que ya se tiene, para así conformar un banco trifásico. Las unidades monofásicas a conectar, no deben variar, para que estas se conecten correctamente, garanticen su funcionamiento y el FIGURA: suministro eléctrico. Debiendo cumplir estas características: Tener la misma capacidad (KVA-MVA). Operar a los mismos niveles de voltaje (primarios y secundarios). Mismas marcas de polaridad Que los transformadores monofásicos a ocupar sean del mismo fabricante 5. Sí se sigue lo anterior se evitan accidentes por diferencia de aislamiento u otros que pudieran presentarse al momento de echar a andar el banco trifásico. Este modo de transformación trifásica tiene la ventaja que en caso de falla de una de las unidades, es posible realizar el reemplazo ó continuar con el suministro trifásico, aun con dos unidades operando. 5 Ing. Gilberto Enríquez Harper, Curso de Transformadores y Motores de Inducción. 45

47 Por otro lado, sí cabe en las posibilidades la adquisición del transformador trifásico (figura:2.2.3), tendremos mayores ventajas, pues al tener las tres unidades de transformación inmersas, devanadas en un mismo cuerpo (núcleo) se tiene un notable ahorro de hierro, haciéndolo más ligero, menos espacioso, más barato (en comparación de adquirir tres transformadores monofásicos), más eficiente. Independientemente de sus conexiones, los transformadores trifásicos se clasifican por el tipo de núcleo que tengan, pudiendo ser de columnas ó acorazado. Esta clasificación apunta a la dependencia magnética de las fases, siendo que en los núcleos tipo columna (figura:2.2.3c) exista una dependencia magnética de las fases, debido a que la intensidad del flujo magnético que cada fase produce, es dependiente también del flujo magnético del devanado vecino; mientras en un núcleo tipo acorazado existe independencia magnética en las fases ya que cada par de devanados desarrolla un flujo independiente de los otros (figura:2.2.3d). Cualquiera de las formas de transformación trifásica son efectivas ya sea por un banco de transformadores monofásicos ó por el transformador trifásico como tal, no obstante es preferible la segunda opción por las razones ya mencionadas; así, existiendo en ambas formas tres devanados primarios y tres secundarios, se tienen dos formas de conexión para cada trió, la conexión estrella ó Y ( Y ) y la conexión delta ó triángulo ( Δ ). FIGURA:

48 En los circuitos trifásicos, la conexión estrella (Y) (figura:2.2.4) se caracteriza por la diferencia existente entre las magnitudes de sus voltajes, ya que Ib su voltaje de línea es 3 ó veces mayor que su Vab voltaje de fase (voltaje de cada devanado) que es: Ia a b Vbc Vac Vbn Van c Mientras que las corrientes en esta conexión son constantes, pues la corriente que fluye en la línea es la misma que fluye en cada fase: N Vcn Ic FIGURA:2.2.4 Quedando así, las corrientes (fase y línea) en fase, pero desfasadas 120 cada conjunto respecto a otro como se Vbc muestra en el diagrama Ib Vbn fasorial de la figura 2.2.5a. -Vcn Mientras, los voltajes de -Van línea de igual manera se Ia Vab desfasan 120 uno con Vcn Van respecto al otro; estos a su Ic -Vbn vez están adelantados 30 a Vca sus respectivos voltajes de a b fase (figura: 2.2.5b). FIGURA:2.2.5 No siendo así en la conexión delta (Δ) (figura:2.2.6), la cual se caracteriza por la diferencia que hay entre sus corrientes, pues la corriente Ia de línea en una conexión delta es 3 veces a mayor que la corriente de fase: Vac Vab Vbc Ib b Va Iba Icb Vb conjuntos a su vez se desfasan 120 uno con respecto al otro(figura: 2.2.7b). Mientras las corrientes de línea se desfasan 120 y se atrasan 30 con respecto a las corrientes de fase (figura:2.2.7a). Ic FIGURA: Iac Vc Ib Ibn -Ian Ic c -Icn Icn Mas, los voltajes en la delta son iguales: Y sus diagramas fasoriales quedan como los mostrados en la figura: En esta conexión los voltajes de línea están en fase con los voltajes de fase y estos a Ian -Ibn Ia Vb Vbc Vc Vca b Va Vab FIGURA:

49 Así, a partir de estas se tienen cuatro tipos de conexiones conjugadas posibles en una unidad de transformación trifásica, que son: Estrella (Y) Estrella (Y). Estrella (Y) Delta (Δ). Delta (Δ) Estrella (Y). Delta (Δ) Delta (Δ). De las cuales se explicaran sus características de funcionamiento y riesgos: CONEXIÓN: ESTRELLA ESTRELLA ( Y - Y ) Esta conexión es adecuada y económica para el manejo de tensiones elevadas (transmisión) y se caracteriza por brindar un buen servicio a sistemas en que se requiera disponer de 4 hilos (tres líneas vivas y neutro). En transmisión es ideal pues en éstos sistemas, no existen grandes desequilibrios en los voltajes de fase, ya que ésta conexión sólo admite un 10% I 2n de desequilibrio para operar correctamente. Para evitar el problema de desequilibrio y los armónicos, se aterrizan los neutros (figura: 2.2.8). a b VLp VLs B A Np2 Np1 Ns2 Ns1 N N Np3 Vφp Vφs Ns3 c C a b c N A B C N FIGURA: En éste arreglo, los voltajes de los secundarios se mantienen en fase con los primarios, relacionándose directamente a través de la relación de vueltas, que es: En éste tipo de conexión el voltaje de línea a línea (sea del primario ó secundario) se encuentra desfasado 120 a referencia de sus semejantes, y éstos a su vez se adelantan 30 a sus respectivos voltajes de fase (figura:2.2.5b). No obstante, esta conexión presenta dos grandes desventajas, que son: Tiende a desequilibrarse severamente, sí las cargas por fase varían. Es susceptible al desarrollo de armónicos del 3 grado. La primera, es una limitante para este tipo de conexión en transformadores trifásicos, pues, como se sabe, la mayoría de las cargas trifásicas son desequilibradas. 48

50 Así, el arreglo (Y-Y) no es conveniente para alimentar sistemas de iluminación a 4 hilos, ya que ésta carga difícilmente será balanceada. Sin embargo, la conexión (Y-Y) es útil para la distribución de fuerza como la alimentación de motores trifásicos, pues cada motor toma las tres fases simultáneamente, haciendo una carga balanceada. El segundo inconveniente se soluciona de dos maneras, la primera es sencilla, y es aterrizar los neutros de cada estrella, dando así un camino de salida a la corriente engendrada por los componentes aditivos de la tercera armónica. La segunda opción de solución es costosa y complicada (recomendado para bancos de transformadores), tratándose de añadir un tercer grupo de devanados conectado en delta (Δ) al banco, bajo ésta opción se ocupan las propiedades de la delta, la corriente inducida por la armónica circula dentro de la delta y no puede salir, ocupándola así para los servicios en la subestación. CONEXIÓN: ESTRELLA - DELTA ( Y - Δ ) Debido a las características de la delta (Δ), en el secundario, ésta conexión es ideal para reducción de tensiones e incremento de corrientes, siendo posible su aplicación tanto en sistemas de potencia (al colocar el transformador de potencia con ésta conexión al final de la línea) como en sistemas de distribución (aplicable en ciertos casos, no en todos) figura: a b c a b c A B C VLp Np2 Np3 Vφp Np1 Ns3 FIGURA: Ns2 Ns1 VLs = Vφs El hecho de la delta (Δ), anula el problema de la tercera armónica en el voltaje de salida, pues las armónicas son disipadas en forma de una corriente circulante; de la misma forma y por este mismo hecho esta conexión puede operar sin ningún problema con cargas desbalanceadas. También en la formación de bancos trifásicos con éste tipo de conexión no es necesario que la impedancia interna de los tres transformadores ó los devanados sea la misma. Aquí, la relación de transformación (a) no guarda su proporcionalidad, por la diferencia en las conexiones del primario y secundario, quedando: B A C Sin embargo, ésta conexión presenta una gran limitante, ya que el voltaje y la corriente en el secundario se retrasan 30 con respecto a los valores de entrada (figura: 2.3.0), tal efecto, impide la puesta en paralelo de dos bancos ó transformadores trifásicos, ya que para hacer un arreglo en paralelo entre transformadores, sus voltajes de salida, deben mantenerse en fase. 49

51 Se debe de tener cuidado en instalaciones que requieran transformadores trifásicos en paralelo con éste tipo de conexión. Vbc VB=VBC Vab Ib IBC VA=VAB 30 Ia 30 ICA 30 IAB VC=VCA Vca RELACIÓN FASORIAL DE VOLTAJES Y - D NOTA: Minúsculas = Primario Mayúsculas = Secundario Ic RELACIÓN FASORIAL DE CORRIENTES Y - D FIGURA: CONEXIÓN:DELTA ESTRELLA (Δ Y) De las cuatro formas de conexión de los bobinados en una unidad trifásica, éste modo de conexión es el más empleado, debido a las propiedades de las conexiones en cada lado, sirve como unidad elevadora de tensiones y limitadora de corrientes, su aplicación e importancia va desde grandes sistemas de potencia (elevar voltajes de generación y transmisión) hasta sistemas de distribución, a A VLs aplicándose en el B transformador que se VLs = Vf s encuentra por tu casa, el Np1 Ns2 Ns1 cual toma su alimentación de la línea trifásica de b Np3 N Np2 Ns3 Vf s Volts (la línea más altura) y suministra a través de 4 hilos 220V (L-L) ó 127V (L-N) figura: c C En esta conexión, no se producen armónicos del 3 orden, opera correctamente a un con cargas desequilibradas y es conveniente de igual manera para sistemas de alumbrado y fuerza. a b c A B C N FIGURA:

52 Para éste arreglo, el voltaje de línea y de fase del primario son equivalentes, mientras que el voltaje de línea en el secundario es 3 veces mayor que el voltaje de fase secundario, por lo que la relación de transformación (a) de este modo de conexión es: Por otro lado, y de igual manera que la conexión estrella-delta, ésta conexión presenta desfasamientos de 30 entre los voltajes de línea de salida con respecto a los de entrada, solamente que como era de esperarse para ésta conexión se invierten los papeles, pues ahora los voltajes de salida están adelantados 30 a los voltajes de entrada (figura:2.3.2). Éste hecho no es nocivo para los elementos de carga que se alimentan del transformador, lo que hace que ésta conexión tenga desventajas casi nulas. Ibc VBC Vb VAB IB Va 30 IA Vc Ica IC Iab VCA RELACIÓN FASORIAL DE VOLTAJES D - Y NOTA: Minúsculas = Primario Mayúsculas = Secundario FIGURA: RELACIÓN FASORIAL DE CORRIENTES D - Y CONEXIÓN: DELTA DELTA ( Δ Δ ) Ésta conexión es empleada en transformadores ó bancos trifásicos que no manejan elevados voltajes, además, de aplicarse en instalaciones donde la continuidad del suministro trifásico debe estar garantizada; ésta conexión también eleva ó reduce voltajes, según la relación de transformación (a) en vueltas ó voltajes, la cual permanece constante, pues los voltajes de línea son equivalentes a los voltajes de fase y esto en ambos lados, lo que indica: La principal ventaja de ésta conexión radican en la estabilidad de sus voltajes y en la nula presencia de armónicos ante cargas desequilibradas, debido a la correcta distribución y compensado uniforme de las corrientes de carga, dentro de la delta (Δ) del secundario (figura:2.3.3). 51

53 a b c a b c A B C VLp = Vf p Np1 Np2 Np3 FIGURA: Ns3 Ns2 Ns1 VLs = Vf s Además y a diferencia de las conexiones Y Δ y viceversa, éste tipo de conexión mantiene en fase los voltajes de salida con los de entrada, tal como sucede en la conexión Y-Y. La operación continua como banco trifásico, a pesar de que uno de los transformadores que conforman el banco salga de servicio, por reparación ó mantenimiento, es otra de las ventajas de ésta conexión, ya que es posible brindar el abastecimiento trifásico, aún con solo dos transformadores operando; tal conexión toma el nombre de delta abierta delta abierta ó V-V. A pesar de estos beneficios, ésta conexión tiene la desventaja de no contar con neutro, tanto en el primario como en el secundario, lo que hace imposible la conexión de cargas monofásicas a éste tipo de conexión, además y debido a que éste arreglo incrementa las corrientes se requiere un mayor grado de aislamiento en los devanados, lo que hace la fabricación de un banco ó un transformador con ésta conexión más costosa que otro con conexión Y-Y. B A C Es importante mencionar, que sin hacer distinción entre conexiones, el arreglo secundario a la hora del armado debe hacerse con sumo cuidado (especialmente en una delta), buscando guardar las correctas relaciones de fase entre los devanados. Siendo el caso para una unidad de transformación trifásica con su secundario en Y (figura:2.3.4), se mide el voltaje Vab = 3(Van) = 3(Vbn) entre los puntos A y B, el cual Vbc = Vac = 3(Van) = V 3(Vbn) = 3(Vcn) debe ser 3 veces mayor que el A B A B voltaje obtenido entre cualquier línea y el neutro (esto es el voltaje de un devanado), si la lectura no N N V corresponde a lo indicado, es Vab=Van=Vbn necesario invertir uno de los devanados; éste mismo hecho C debe cumplirse al incorporar el Vbc=Vac=Van=Vbn=Vcn devanado de la línea C. FIGURA:

54 En el caso de una unidad de transformación trifásica con su secundario dispuesto a conectar en delta (Δ), se mide el voltaje de los dos primeros devanados de extremo a extremo (figura: 2.3.5), tal lectura debe ser la B B misma a la que se tiene al medir el a b a b voltaje de uno sólo C de los devanados, si A V C A c esta lectura entre A Vac =Va=Vb y C difiere, se debe V Vc-c1 = 0 Volts Vac =v3(va)=v3(vb) C1 invertir uno de los Vc-c1 = X Volts devanados. FIGURA: Al cerrar la delta, con el tercer devanado se conecta primeramente una de sus terminales, midiendo ahora entre las terminales C y C1, debiéndose obtener una lectura de 0 Volts; si se detecta un voltaje en estos bornes diferente a cero, se debe de invertir el bobinado C, evitando cerrar la delta en tales condiciones. Es importante mencionar que jamás se debe de cerrar un secundario en delta (Δ), antes de verificar que el voltaje dentro de ésta es cero, ya que sí se cierra la delta y no se toma en cuenta ésta condición, la corriente desarrollada será tan elevada que alcanzará la magnitud de un cortocircuito, dañando al transformador y en algunos casos haciéndolo estallar. 53

55 CAPÍTULO III EL GENERADOR DE C.A 54

56 3.1.- VOLTAJE PRODUCIDO POR EL MOVIMIENTO DE CONDUCTORES EN UN CAMPO MAGNÉTICO. La producción de una Fuerza Electromotriz (fem) cuando un conductor en movimiento corta las líneas de fuerza de un campo magnético, es uno de los conceptos fundamentales de la electricidad ya que es la segunda forma de inducir un voltaje, la cual también fue descubierta por Michael Faraday en En la figura: 3.0a, se ve un conductor (el circulo pequeño con un punto en medio) que sube cortando las líneas de un campo magnético, esto hace que se induzca en el conductor una fem (voltaje) con una magnitud que va de acuerdo a la expresión: Donde B es densidad de flujo magnético (teslas), l es la longitud activa del conductor (m) y v es la velocidad relativa del conductor (m/seg). La dirección de la fem inducida en un conductor que se mueve en un campo magnético, se determina por la regla de la mano derecha (para generadores), en la cual, el pulgar, el índice y el medio se sostienen a ángulos rectos (figura: 3.0b); siendo que para esta regla el pulgar toma el sentido de movimiento del conductor, mientras el índice indica la dirección de las líneas del campo magnético y el dedo medio señala la dirección de la fem inducida. El punto en el conductor de la figura es una marca que representa la punta de un vector que sale de la página hacia el lector. Sí se tuviera un conductor cuya fem viajara en el sentido contrario (esto es hacia el interior de la página), se marca con una cruz FIGURA:3.0 (X). Esta simbología direccional se aplica en la mayoría de libros que versan de este tema. Retomando el tema, sí el mismo conductor se hace girar en sentido contrario a las manecillas del reloj, dentro del campo magnético producido por la bobina de campo T 1 T 2 (figura: 3.1), se tendrá, que la fem inducida (de acuerdo con la regla de la mano derecha) se moverá con dirección al lector. Suponiendo que el conductor gira a una velocidad constante, en las posiciones 1 y 7, el voltaje inducido es de 0 Volts, ya que el alambre se encuentra paralelo a las líneas de fuerza del campo magnético, impidiendo que se induzca algún voltaje, mientras FIGURA: 3.1 que en las posiciones 4 y 10 (90 y 270 de rotación) la fem inducida en el conductor llega a un valor máximo, porque el alambre corta la mayor cantidad de líneas de fuerza. Sin embargo, estas fems máximas tienen polaridades opuestas. 55

57 Conforme el alambre pasa por la posición 2 (30 en relación con el punto de arranque), la fem inducida en el conductor es la mitad (0.5) del voltaje máximo, al pasar el conductor a 3 (60 al punto de arranque), la fem inducida es del valor máximo. En el punto 4, se induce el voltaje máximo y al pasar a 5 ( a 120 del punto de arranque) la tensión inducida cae a del valor máximo. En 6 la fem desciende a la mitad del máximo valor y en 7 llega a 0 volts. El comportamiento que toma el voltaje inducido se muestra en la gráfica de la figura: 3.2. En ésta imagen, se puede ver que conforme el alambre se mueve en sentido descendente, atraviesa las mismas líneas de flujo magnético, FIGURA:3.2 induciendo nuevamente el voltaje que aumenta gradualmente, pero con polaridad inviertida. En una revolución del alambre, se ha inducido un ciclo completo de voltaje alterno, el cual parte de cero, aumenta a un máximo en una dirección, regresa a cero, se eleva a un máximo en la otra dirección y retorna a cero. Sí se está familiarizado con la trigonometría, se dará cuenta que los valores 0.5 correspondiente a 30, a 60 y 1 a 90 son los valores del seno de dichos ángulos, por lo que se adecua que a la forma de onda de C.A. se le conozca como onda senoidal. Es claro que en un generador ó bien llamado alternador no se hace girar solo un alambre, si no que se utiliza una bobina de muchas vueltas de alambre que es la que gira, lo que no hace posible obtener el valor del voltaje inducido con la expresión algebraica primeramente mencionada, pues tal expresión emplea componentes lineales, como la velocidad en m/seg; siendo que el movimiento que se lleva a cabo en el generador de energía eléctrica es rotacional. Además, se debe tomar en cuenta el área efectiva de las bobinas y otros aspectos que modifican la expresión para determinar el voltaje inducido, por tanto la expresión queda: Aquí es la velocidad angular (rpm), es el flujo magnético dentro de la máquina (webers). Estos puntos y un tercero que es una constante que representa la construcción de la máquina son los aspectos fundamentales de los que depende la generación de voltaje en un alternador. 56

58 3.2.-COMPONENTES DEL GENERADOR DE C.A. (ALTERNADOR) Los generadores de C.A. son máquinas rotatorias que transforman energía mecánica en energía eléctrica, estos se clasifican en dos tipos, de inducción ó síncronos. Por una parte los generadores de inducción son relativamente ineficientes y caros, mientras los generadores síncronos comúnmente llamados también alternadores, son máquinas más eficientes y baratas, deben su nombre (síncronos) a que la frecuencia (Hz) del voltaje que estos producen depende en gran manera de la velocidad de sincronismo. Además, otro factor que las identifica es la necesidad de una fuente externa de C.D., para la producir el campo magnético interno. Todo generador depende de algún tipo de primotor para funcionar, ya sea un motor de combustión interna (gasolina ó diesel), turbinas impulsadas por vapor ó agua u otro motor eléctrico, cualquier elemento que de un par de fuerza; a fin de producir un movimiento entre conductores y un campo magnético dentro del generador. A continuación se indicarán y detallarán las piezas que conforman el alternador trifásico a fin de demostrar que su composición no es muy compleja, lo que es complejo es su construcción. COMPONENTE ILUSTRACIÓN DESCRIPCIÓN Estator [Inducido] i Es la parte estática y la más compleja en su construcción, está constituido por tres elementos: la carcasa, núcleo y devanado estatórico; La carcasa, es el soporte y la parte externa de la máquina, que aloja los demás componentes del estator, se fabrica generalmente de hierro fundido de alta resistencia a la vibración. El núcleo estatórico, es un armazón formado por un conjunto de láminas de acero al silicio (chapa magnética) de un grueso ligeramente mayor a las del rotor, las cuales se ranuran para formar canaletas donde reposaran los devanados del estator. Los devanados inducidos, suele enseñarse que los devanados de cada fase se concentran en un solo par de ranuras de la superficie del estator (como se muestra a la derecha). Sin embargo, en realidad, los devanados de cada fase se distribuyen en varios pares de ranuras perfectamente espaciadas. Estos devanados se aíslan unos de otros y del núcleo en sí; captan el voltaje inducido de C.A. y pueden conectarse en delta (Δ) ó estrella (Y). 57

59 Rotor [Inductor] Anillos Rozantes ii Escobillas y Portaescobilla o Es la pieza giratoria, que recibe la fuerza mecánica de rotación, su eje de soporte principal (flecha) es una barra cilíndrica, resistente. Sostenida en ambos extremos por medio de cojinetes. El núcleo del rotor es un sistema de láminas de un material permeable (acero al silicio), aisladas una de otra y cuya disposición puede variar según las condiciones de generación que se tengan, siendo así: -De polos lisos ó cilíndrico: Para máquinas de 2 a 4 polos, que operan a elevadas velocidades. Este diseño del núcleo permite a los devanados inductores soportar la presión causada por elevadas fuerzas centrifugas. Se aplica a generadores impulsados por turbinas de gas ó vapor. -De polos salientes: Diseño para máquinas de 4 ó más polos que se moverán a bajas velocidades, las bobinas se enrollan a manera que los polos del rotor adyacentes adquieran una polaridad opuesta. Este tipo de rotor se usa en alternadores con turbinas hidráulicas. El devanado rotorico, se elabora de alambre magneto y se excita con C.D para producir el campo magnético, que al girar el rotor variara con el tiempo. También llamados anillos colectores, son anillos de metal (generalmente bronce), son instalados en el eje del rotor pero aislados al mismo tiempo de este y uno del otro. A estos llega la excitación de C.D. que pasa al devanado del rotor, pues las terminales de inicio y fin de este devanado, se conectan a cada anillo. Las escobillas ó también llamadas carbones son cuerpos cúbicos de carbón grafitado ó de metales pulverizados que se sujetan mediante portaescobillas; estos últimos son simplemente cubos huecos de metal, con un resorte ó una lámina tensora. Las escobillas se mantienen en continuo contacto con los anillos colectores, logrando una conexión continua entre la fuente excitadora (C.D.) y el devanado del rotor. 58

60 Excitador ó Excitatriz iii Es un elemento que se emplea para brindar la excitación de C.D. en los alternadores de mayor capacidad. Se trata de un pequeño generador de C.A., que produce una corriente trifásica en su rotor, la cual se rectifica y comunica directamente a los devanados de campo del alternador más grande. A través de este componente es posible controlar la corriente de campo de un generador de gran capacidad sin anillos rozantes y escobillas. 59

61 3.3.- CARACTERÍSTICAS DEL ALTERNADOR A DISTINTOS FACTORES DE POTENCIA (REGULACIÓN DE TENSIÓN) Al poner en funcionamiento un conjunto primotor-generador de C.A., se busca producir una transformación de la energía mecánica en eléctrica y cuando éste conjunto opera sin alimentar ningún sistema ó aparato (operación en vacio), el voltaje en las terminales del alternador V φ es el mismo que el voltaje interno generado en el inducido E g. Ambos voltajes se vuelven dependientes (sólo en condición de vacio) de la corriente de campo, esto es de la excitación de C.D. que se suministre al rotor del alternador, ya que el voltaje interno generado E g es proporcional al flujo φ, que se relaciona directamente con la corriente de excitación I F ; por tanto éstos voltajes se limitan a los niveles de saturación magnética que alcance el núcleo del rotor. Sí se grafican tales relaciones se obtiene una curva que toma el nombre de curva de magnetización ó característica de circuito abierto del alternador, que se muestra en la siguiente figura: FIGURA:3.3 Sin embargo, el voltaje interno generado en el inducido (E g ) no siempre es el mismo que el que se obtiene en las terminales de la máquina alternador (V φ ), debido a factores internos particulares del alternador (resistencia de los devanados del inducido y autoinductancia de los mismos), además de un efecto producido por la carga, dentro del alternador. No obstante la razón principal por que E g comienza a diferir de V φ es debido a que, cuando el alternador se conecta a una carga, circula una corriente por los devanados del inducido (estator), está desarrolla un campo magnético (en forma de polos ficticios en el estator), que reacciona con el campo magnético giratorio del rotor, produciendo alteraciones en el voltaje de fase resultante (V φ ). Este efecto desarrollado sólo en condiciones de carga se conoce como reacción del inducido y es la problemática más grande para el correcto funcionamiento de cualquier generador. Dependiendo del tipo de carga y su factor de potencia (F.P.) la reacción será diferente. Se puede visualizar el efecto de la carga sobre el alternador, a partir de la relación de fase entre el voltaje interno generado E g y la corriente (por la acción de la carga) que circula en el inducido I a, esto es a partir de un diagrama fasorial entre estos elementos y sus consecuentes: 60

62 Efecto de cargas resistivas [Factor de potencia unitario] Con éste tipo de carga, la corriente engendrada en el inducido de la máquina (estator) I a está en fase con el voltaje en bornes V φ (figura:3.4b), de igual manera y en todos los demás casos (inductivo y capacitivo), la caída de tensión por efecto de la resistencia efectiva del inducido I a (R a ) también se encuentra en fase con la corriente del inducido I a ; no obstante la caída de tensión producida por la reactancia del inducido I a (X a ) siempre se adelanta 90 respecto a la corriente del inducido I a, acompañándose por la tensión de reacción del inducido E gr. FIGURA:3.4 Éstas tensiones en el inducido generadas por la circulación de corriente (I a ), desarrollan un flujo magnetizante transversal, φ a el cual es máximo en la región interpolar y se retrasa con respecto al flujo principal φ R del entrehierro por 90 (figura: 3.4a); lo que se refleja en la necesidad de aumentar la tensión interna generada E g, para obtener la tensión nominal en bornes V φ. Éste tipo de carga se encuentra en todo tipo de calentadores eléctricos (hornos) e iluminación. Efecto de cargas inductivas [Factor de potencia en atraso]: Para éste tipo de cargas, la corriente en el inducido I a se atrasa un cierto ángulo θ con respecto al voltaje en terminales V φ, mientras las demás tensiones producidas por los elementos resistivos e inductivos inherentes del inducido mantienen el mismo patrón mencionado en el párrafo de arriba (figura:3.5b). FIGURA:

63 En éste caso la circulación de la corriente I a por los devanados del inducido genera un campo magnético (fmm) y un flujo φ a opuesto al flujo inicial de excitación φ R existente en el entrehierro y producido por el rotor; tal flujo (φ a ) desarrolla un efecto desmagnetizante, pues sus polos ficticios se ubican frente a los polos del inductor (rotor) con el mismo signo (figura: 3.5a). El flujo del inducido (estator) φ a concatena los conductores del mismo inducido (autoinducción) generando un voltaje de C.A. de reacción de inducido E gr que se opone y reduce de manera considerable la magnitud del voltaje interno generado E g, lo que conlleva a una regulación de voltaje notablemente pobre con este tipo de cargas. Se caracterizan por ser cargas inductivas: motores y todo tipo de aparatos con devanados; un estudio reciente ha confirmado que una computadora es vista por la línea como una inductancia. Efecto de cargas capacitivas [Factor de potencia en adelanto]: Una carga de éste tipo es sumamente difícil de encontrar y se caracteriza por adelantar la corriente en el inducido I a un cierto ángulo θ al voltaje en terminales V φ. Respecto a las tensiones producidas en el inducido por los efectos resistivos e inductivos [ I a (R a ), I a (X a ), E gr ], éstas se comportan como lo ya mencionado (figura:3.6b). FIGURA:3.6 Al adelantar la corriente I a, ésta carga genera una fuerza magnetomotriz (campo magnético) y un flujo en el inducido φ a, que se suma al flujo inicial del entrehierro producido por el rotor φ R, produciendo un efecto magnetizante entre el rotor y estator de la máquina, pues ubica los polos ficticios de la reacción de inducido, frente a los polos del rotor de polaridad opuesta (figura. 3.6a). Tal efecto, permite alcanzar el valor del voltaje nominal en terminales V φ con niveles relativamente bajos de excitación, mejorando así la regulación de tensión. 62

64 A manera de conclusión, ya que el campo magnético desarrollado en el estator por el efecto de la corriente de carga I a, influye de forma importante sobre el flujo magnético principal φ R, la regulación de voltaje en los alternadores es muy pobre, por lo que se debe de realizar varios ajustes a la corriente de excitación de C.D. y a la velocidad, para mantener el voltaje de salida y su frecuencia constantes, al alimentar cargas con distinto factor de potencia, a efecto de esto se adjunta un resumen en iv mapa conceptual, indicando las acciones a realizar cuando el voltaje en terminales ó su frecuencia varíen ante una carga indistinta: 63

65 3.4.- CONDICIONES NECESARIAS PARA SINCRONIZAR UN ALTERNADOR AL SISTEMA ELÉCTRICO NACIONAL [OPERACIÓN EN PARALELO CON LA RED ELÉCTRICA NACIONAL] En la actualidad, la potencia requerida para abastecer la demanda eléctrica de la población es aportada, por la red de potencia nacional (C.F.E.), la cual dentro de su división de generación se encuentra constituida por cientos de grandes alternadores distribuidos en sus correspondientes plantas a lo largo y ancho de la República Mexicana. Estos a su vez no operan de manera aislada, sino que se conectan en paralelo, conformando así la base de la red eléctrica nacional (bus infinito). Existen varias razones del por qué el sistema de generación debe operar en paralelo, la principal de éstas y la más lógica es que sólo entre varios generadores se puede producir la potencia requerida para alimentar la carga nacional (doméstica, comercial e industrial), además, se incrementa la eficiencia del Sistema Eléctrico de Potencia (S.E.P.), pues ya sea por razones de falla o por mantenimiento, es posible remover cualquiera elemento, sin alterar toda la red. Cabe señalar que la frecuencia f de toda la red, es remarcablemente estable en cualquier punto (60 Hz). No obstante, un alternador no puede conectarse a la línea y suministrar potencia al sistema, de una manera tan simple; si no que debe cumplir ciertos requisitos; los cuales, para el acoplamiento en paralelo de alternadores ó el acoplamiento de un alternador a la red son: Ambos sistemas (alternador y red) deben operar a la misma frecuencia. La magnitud de sus voltajes de línea (rms), debe ser la misma. Operar bajo la misma secuencia de fases [a-a, b-b, c-c ]. Los ángulos de cada fase deben ser los mismos en ambos sistemas. La máquina que busca adicionarse a la línea, comúnmente es llamada generador en aproximación y debe cumplir estas condiciones, ya que sí se adiciona a la línea de manera arbitraria y en cualquier momento, sufrirá severos daños al grado de su inutilidad, además de ser un peligro para el personal que éste cerca; por tanto es necesario cumplir minuciosamente estas condiciones. El primer aspecto es el más importante, ya que un alternador, sólo puede suministrar potencia a la red eléctrica sí y sólo si opera a la misma frecuencia; la frecuencia de la red eléctrica nacional es determinada por la velocidad de rotación ω de todos los alternadores en ella, por lo que es muy difícil que esta oscile por sí misma, mientras que la frecuencia de la maquina en aproximación depende de la velocidad de rotación y del número de polos que constituyan el alternador. Por otro lado, sí la frecuencia del alternador en aproximación difiere de la frecuencia de la red y estos son conectados, se desarrollarán grandes potencias transitorias dentro del alternador hasta que la frecuencia de esté se estabilice con la frecuencia de la red. El segundo punto es una condición lógica, pues como se sabe, la característica de los circuitos en paralelo es su voltaje constante, por tanto la magnitud del voltaje de línea (rms) en el alternador debe ser igual a la magnitud del voltaje de línea (rms) de la red a la que se va a conectar (ejemplo: 208V alternador = 208V red eléctrica ); sí el voltaje de la máquina en aproximación no es el mismo al de la red y se conectan juntos, elevadas corrientes fluirán por los devanados del estator quemando el alternador. Los dos últimos puntos son de vital importancia ya que los principales daños catastróficos se dan por no seguirlos. El tercer punto se escucha lógico y expresa orden debiendo llevarse a cabo diligentemente, ya que sí la secuencia de fases es distinta como se muestra en la figura: 3.7, aún cuando uno de los voltajes del alternador este en fase con el del Sistema (fase a ), los otros dos voltajes del alternador se encuentran desfasados 120 a sus respectivos, correspondientes al Sistema. 64

66 Sí se acopla el alternador a la red de esta forma, no existirán problemas con los voltajes de la fase a, sin embargo se producirán y fluirán elevadas corrientes en los devanados del estator correspondientes a las fases b y c, quemando el aislante de los devanados y por tanto la máquina. Íntimamente relacionado con el tercer punto, el cuarto aspecto es muy importante, pero algo difícil de percibir, y marca que la secuencia y el tiempo en que los voltajes (tanto del alternador como del sistema) alcanzan sus valores pico deben ser los mismos. Como se mencionó éste último punto es difícil de percibir, por lo que existen formas para hacer visible tal detalle; uno de ellos es muy sencillo y se conoce como el procedimiento de las lámparas apagadas, el cual versa que con tres lámparas (focos comunes, siendo tres por el número de fases), conectadas entre el alternador en aproximación y la red ó alternador a sincronizar (figura: 3.8). Se debe notar la frecuencia de encendido y apagado de estas (ajustando velocidad y excitación de la máquina), cuando se estabilice el parpadeo a manera que prendan y apaguen lentamente hasta que queden totalmente apagadas se acopla el alternador a la línea eléctrica; el apagado FIGURA: 3.7 FIGURA: 3.8 de las lámparas indica que los ángulos de los voltajes de ambos sistemas están en fase. Otro elemento un poco más sofisticado que nos apoya en esta tarea es el sincronoscopio, mas éste sólo nos ayuda con una fase, no con las tres. Cabe señalar que las condiciones y procedimientos descritos sólo se aplican a unidades de generación de gran tamaño, excluyendo los alternadores portátiles (a gasolina ó diesel, montados en camiones), a los que suministran energía a un área remota (propio de la localidad) y los de uso de emergencia. No obstante, el proceso de conexión a la red de los grandes alternadores que pertenecen a un Sistemas de potencia, es automatizado, siendo una computadora la que lleva a cabo este trabajo. 65

67 CAPÍTULO IV EL MOTOR DE C.A. 66

68 4.1.- LA CORRIENTE ALTERNA APLICADA A LOS MOTORES. La principal característica que distingue la corriente alterna (C.A.) de la corriente directa (C.D.), es que la primera presenta una frecuencia, que en términos eléctricos, es una variación de la polaridad por un determinado tiempo; aspecto que no se presenta en la corriente directa, pues como su nombre lo dice la polaridad de ésta es constante. La frecuencia se mide en ciclos/segundos ó Hertz (bajo la normativa internacional), un ciclo se podría definir como el recorrido que consiste en ir de una posición extrema a la otra, volviendo a la primera, pasando dos veces por el eje central. Por tanto en un ciclo de C.A., el voltaje aumenta a un máximo en una dirección, regresa a cero, se eleva a un máximo en la otra dirección y retorna a cero. Así, la frecuencia en la corriente alterna es la cantidad de ciclos completos desarrollados en un segundo, siendo ésta característica de la C.A. el fundamento que FIGURA: 4.0 produce la acción del motor en el estator de la máquina, pues genera un campo magnético giratorio. En nuestro país la tensión de generación, transmisión y distribución no varía, siendo de 60 ciclos/seg (Hz). Si graficamos el comportamiento del voltaje que llega a nuestros hogares en un segundo se tiene lo mostrado en la figura: 4.0 Por otra parte en un motor de corriente alterna, el par que desarrolla el rotor se comporta también de una forma senoidal, de igual manera que el voltaje inducido (senoidal) en un alternador, esto se ve al considerar una espira rotor sencilla por la que fluye una corriente, y está dentro de un campo magnético fijo (figura: 4.1): FIGURA: 4.1 Al igual que en un alternador, el par es máximo cuando la espira y su respectivo campo magnético quedan perpendiculares al campo magnético estacionario, mientras que cuando la espira y su campo quedan paralelos al campo estacionario el par se vuelve nulo (figura: 4.2). Cabe destacar que la magnitud y la dirección del par inducido en un motor de corriente alterna se determina a través de un producto cruz v que es: FIGURA:

69 Donde k es un factor que depende de la construcción de la máquina, B r es la densidad de flujo del campo magnético producido por el rotor y B S es la densidad de flujo del campo del estator. En general el par en cualquier máquina de corriente alterna depende directamente de cuatro factores que son: La intensidad del campo magnético del rotor. La intensidad del campo magnético giratorio en el estator. El seno del ángulo que se desarrolla entre las resultantes de estos. Una constante de proporcionalidad que representa la geometría y facilidad de magnetización de los devanados de la máquina. No obstante, fue Nikola Tesla ( ), un inventor Serbio-Americano quien descubrió el principio del campo magnético rotatorio en 1882, que es la base de los motores eléctricos de corriente alterna. El descubrimiento del campo magnético rotatorio producido por las interacciones de corrientes de dos y tres fases en un motor, fue uno de sus más grandes logros y fue la base para el desarrollo del motor de inducción y del sistema polifásico de generación y distribución de electricidad. El principio de funcionamiento del campo magnético giratorio puede explicarse de la siguiente forma: Cuando un devanado fijo, como el de la figura 4.3 (por ejemplo), es recorrido por una corriente alterna monofásica, se genera un campo magnético alterno, cuya intensidad variará del mismo modo que lo hace la corriente que pasa por el devanado. Los dos polos se alternan (Norte-Sur, Norte-Sur) pero siempre con la misma orientación del campo magnético. Esto ocurre en los motores monofásicos de corriente alterna y es la causa de que FIGURA:4.3 éstos necesiten un bobinado auxiliar para el arranque. Por el contrario, cuando un bobinado trifásico, con bobinas desplazadas 120 eléctricos, es conectado a una corriente alterna trifásica, automáticamente se va generando el mismo campo magnético giratorio pero constante, es decir, la orientación Norte-Sur de los polos va girando constantemente alrededor de su eje. 68

70 Figura FIGURA: 4.4 Apoyándonos de la figura: 4.4, podemos ver que la corriente de la fase S no crece hasta que disminuye la corriente de la fase R, el campo magnético generado por el devanado R prevalece sobre otros Instante A. Pero al crecer la corriente de la fase S la orientación dominante del campo magnético pasa a ser la del Instante B. Después decrece la corriente en el devanado S y aumenta en el devanado T, de tal modo que el campo magnético que prevalece es el del Instante C. A continuación decrece la corriente de la fase T y empieza a crecer de nuevo la de la fase R, con lo cual volvemos de nuevo al campo magnético del Instante A y así sucesivamente. El resultado es que la orientación Norte-Sur del campo magnético gira constantemente, debido simplemente a la posición física de los tres devanados monofásicos en el motor y al desfase de 120 eléctricos existente entre las tres fases de la red alterna trifásica. Para invertir el sentido del giro del campo hay que cambiar el orden de alimentación de sus fases. Luego, el campo magnético giratorio induce en el devanado del rotor un conjunto de voltajes trifásicos que podrán producir unas corrientes, que a su vez originan una fuerza magnetomotriz causante del giro del rotor. La velocidad del rotor siempre ha de ser menor que la del campo magnético giratorio ya que, en caso contrario, si el rotor girase a la misma velocidad que el flujo magnético no se engendrarían f.e.m. inducidas, con lo cual la corriente en el rotor seria cero. En consecuencia las fuerzas electromotrices y el par también serian nulos. Por tanto, el rotor nunca deberá girar a la misma velocidad que el campo magnético del estator. 69

71 4.2.- EL MOTOR SÍNCRONO, [CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS Y FUNCIONAMIENTO]. El motor síncrono es un tipo de motor eléctrico de corriente alterna, básicamente su construcción es la misma que la de un alternador; su arrollamiento estatorico puede ser monofásico ó trifásico y consiste en una serie de bobinas alojadas en ranuras de un núcleo de chapa magnética (acero al silicio). La conexión de estas bobinas puede ser en estrella (Y) ó en delta (Δ), de modo que se forme un determinado número de polos (figura: 4.5). Del estator se obtienen tres hilos para conectarse a la red. FIGURA: 4.5 El rotor es semejante al rotor de una maquina de corriente continua, suele ser de polos salientes, siendo esencial que tenga el mismo número de polos que el estator. Las bobinas montadas en los polos del rotor se conectan en serie de modo que formen polaridades alternadas, extrayéndose dos hilos que se conectan a dos anillos de toma, montados sobre el mismo eje. El rotor está provisto además de un arreglo de jaula de ardilla, dispuesto a su alrededor, y exactamente igual que el de los motores de inducción (figura: 4.6). Este arreglo auxiliar es necesario para poner la máquina en marcha, pues el motor síncrono no puede arrancar por sí mismo, esto es, no tienen par de arranque, por lo que esté arreglo de jaula de ardilla en el motor síncrono se conoce como amortiguador, el efecto de inducción de éste, proporciona el FIGURA: 4.6 torque de arranque, mantiene la aceleración, además de amortiguar las oscilaciones durante la marcha. No obstante y a pesar de la presencia del elemento jaula de ardilla, el motor síncrono no puede ser usado como un motor normal jaula de ardilla, ya que la sección transversal relativamente pequeña de la jaula, incrementa el calor en el rotor, sobrecalentando la máquina; por tanto, la función principal del arreglo de jaula de ardilla es arrancar el motor síncrono. El motor síncrono adquiere su nombre por la característica que tiene de operar a una velocidad constante sin deslizamiento ( velocidad sincrónica ), tal velocidad es la velocidad natural a la que gira el campo magnético del estator. Ésta se determina por el número de polos en la maquina y por la frecuencia de la línea de alimentación: Se logra primeramente al aplicar una corriente alterna multifásica a los devanados del estator, producir el campo magnético rotatorio. Sin embargo, el hecho de energizar el estator no es suficiente para arrancar el motor (razón por la que se incluye el arreglo amortiguador jaula de ardilla), pues es en el arranque cuando el deslizamiento entre el rotor y el campo del estator es del 100%, ya que el campo magnético giratorio del estator al ser alternante empuja el rotor en una dirección durante medio ciclo de C.A. y en la dirección contraria en la siguiente mitad del ciclo, lo que origina que el par resultante sea cero; éste va y ven se repite 60 veces en un segundo, para el caso de una frecuencia de 60Hz. 70

72 El rotor de un motor síncrono se excita con corriente directa (C.D.) ya sea por medio de una fuente externa (unidades pequeñas, figura. 4.7a) ó mediante una excitatriz montada en el mismo eje del rotor (motores muy grandes, figura: 4.7b), esto, con la finalidad de producir un campo magnético fijo en el rotor, el cual se engancha con el campo magnético giratorio del estator llevando a la máquina a la velocidad de sincronismo. FIGURA: 4.7 Debido a la problemática que se tiene en el motor síncrono al no tener par de arranque, comúnmente se suele usar otro motor que impulse el rotor del motor síncrono hasta que éste logre aproximadamente el 90% de la velocidad sincrónica, desconectando el motor impulsor cuando ambos campos magnéticos (giratorio estatórico y fijo rotorico) se acoplen, esto se sabe al verificar la velocidad. Sin embargo (como ya se mencionó) en la práctica se adiciona el arreglo de amortiguación jaula de ardilla al rotor que además del par de arranque, nos proporciona un acercamiento del 96% a la velocidad síncrona, para luego así aplicar corriente continua a las bobinas de campo del rotor, estableciendo en éste los polos que al ser atraídos por los polos del estator, aceleran al rotor hasta ponerlo en sincronismo. A manera de síntesis las características de funcionamiento del motor síncrono son: La velocidad nominal de rotación es la velocidad de sincronismo del campo magnético giratorio del estator. Se suministra corriente directa a los embobinados de campo del rotor, a través de escobillas y anillos de deslizamiento. Carece de par de arranque propio. Es de velocidad constante. Algunas máquinas cuentan con devanado amortiguador, para poder proporcionar el par de arranque inicial y también para amortiguar las oscilaciones en el rotor producidas por los cambios de carga. Una máquina con excitación normal, sin carga no consume corriente. Una máquina con sobreexcitación se comporta como condensador síncrono. Una máquina con insuficiente excitación se comporta como inductor síncrono. Una característica única del motor síncrono es su habilidad para consumir potencia reactiva adelantada (Q+), actuando como un capacitor y mejorando el Factor de Potencia. Así en una planta industrial que opera con factor de potencia en retrasado, puede estar justificado el uso de motores síncronos, por el ahorro económico que resulta al mejorar el factor de potencia, 71

73 ya que la empresa de suministro eléctrico (C.F.E.) penaliza a las empresas a través de multas por la existencia de cargas que originen un F.P. atrasado. El efecto de variar la corriente de campo (excitación de C.D.) en el motor síncrono eleva ó reduce el factor de potencia de la línea que lo alimenta. En un motor síncrono sí se aumenta la corriente de campo, alimentando con más de la necesaria, se tendrá una máquina sobreexcitada que tomará una corriente adelantada de la línea, esto es, la corriente sinusoidal alcanza su máximo 90 antes que el voltaje sinusoidal de las terminales. La potencia activa (Watts) que consume es cero, pero absorbe una considerable cantidad de potencia reactiva adelantada (Q+) de la línea; tales condiciones son propias de un capacitor y por tanto, una máquina giratoria de este tipo es llamada condensador síncrono. Por otro lado, sí la corriente de campo es menor que la nominal, el motor se encuentra subexcitado, originando que fluya una corriente atrasada, lo que lleva a la máquina a consumir potencia reactiva negativa (Q-), comportamiento característico de un inductor, llamándosele a la máquina síncrona con estas características inductor síncrono. Sin embargo, las máquinas insuficientemente excitadas (inductor síncrono) no ofrecen ventajas comparables a las del condensador síncrono, por lo que no tienen una aplicación útil conocida. Comúnmente el motor síncrono encuentra aplicación en la industria para el movimiento de cargas fijas a velocidades constantes; por ejemplo, compresores, sopladores, mezcladoras, ventiladores, bombas, trituradores, molinos, diversos usos en la industria de la pulpa, papel, caucho, sustancias químicas, y laminadoras de metales, etc. Ya que el motor síncrono se aplica para mover cargas a una velocidad constante, es necesario tener precauciones al operar el motor en condiciones de sobrecarga, ya que sí la carga a conectar es demasiado grande ó pesada, el motor puede perder velocidad y salir de su sincronía con el campo giratorio, pararse y quizá quemarse, ya que el campo magnético rotatorio del estator cortará los devanados del rotor (fabricados con menor cantidad de aislante que los del estator), sí no se toman precauciones, se inducirán voltajes tan altos que consumen el aislante, quemando la máquina internamente. 72

74 4.3.-MOTORES DE INDUCCIÓN. Toda máquina eléctrica rotatoria ya sea un generador ó un motor (monofásico ó trifásico), se compone de dos partes fundamentales, que son: Estator. Rotor. La parte llamada estator, es la parte fija y la otra conocida como rotor, es la parte móvil de la maquina. Ambas partes poseen ranuras donde se colocan los conductores de cobre que forman el devanado eléctrico. En un motor de inducción el estator es llamado inductor, mientras el rotor adquiere el adjetivo de inducido. El estator consiste en una carcaza de fundición (figura: 4.8a), un núcleo formado por chapas magnéticas (figura: 4.8b), y un arrollamiento constituido por bobinas individuales alojadas en las ranuras del núcleo, en máquinas trifásicas se tienen tres devanados; estos tres devanados están desfasados por 120 (2 /3P 6 ) uno respecto a los otros (figura: 4.8c), Los extremos del devanado son conducidos al tablero de bornes situado en la caja de conexiones. FIGURA: Siendo P el número de polos de la maquina y el resultado en radianes 73

75 Por su parte, el rotor puede tomar diversas formas (según las necesidades del par), pero con el común denominador de que el núcleo debe estar conformado de láminas de chapa magnética (acero al silicio) ajustado a presión sobre el eje (figura: 4.9). Pudiendo ser del tipo jaula de ardilla (figura: 4.9a), a base de barras y aros de aluminio fundidos conjuntamente en molde. En estos, los conductores del rotor están distribuidos equidistantemente a través de la periferia. Los extremos de estos conductores están cortocircuitados, por lo tanto no hay posibilidad de conexión del devanado del rotor con el exterior. La posición inclinada de las ranuras mejora las propiedades de arranque y disminuye los ruidos. Otro tipo de rotor para motor de inducción es el rotor bobinado (figura 4.9b), el cual lleva un devanado especial, dispuesto en las ranuras del núcleo, cuyos terminales se conectan a tres anillos de fricción (anillos colectores) montados sobre el mismo eje del rotor. Los devanados del rotor son similares a los del estator con el que está asociado. El número de fases del rotor no tiene porque ser el mismo que el del estator, lo que si tiene que ser igual es el número de polos. Mediante el procedimiento de cálculo empleado para la fabricación de los FIGURA: 4.9 devanados, se determina con relación a la tensión y a la corriente nominal el número de conductores necesarios y su sección. El estator, generalmente se construye de ranuras, igual que los rotores y los devanados se realizan bien sea en forma de bobinados concéntricos, con bobinas de distinta medida o bien con bobinas iguales y superpuestas, recibiendo estos últimos el nombre de bobinados imbricados. En la figura 4.1.0, vemos esquemáticamente estos tipos de devanados estatoricos. 74

76 Figura FIGURA: Los motores trifásicos se basan en el mismo principio que el de los transformadores, que es el principio de la inducción electromagnética, es decir, el primario o estator genera un campo magnético del tipo giratorio, que a su vez provoca que se induzcan voltajes que producen corrientes en el rotor que es el secundario del motor, en el cual provocan una fuerza en los conductores que tiende a moverlos en ángulo rectos con respecto al campo, esto porque la corriente inducida circula siempre en dirección opuesta al flujo de la corriente aplicada y con un retraso de 90 eléctricos ó π/2 radianes. El fenómeno se presenta debido a que el campo magnético giratorio atraviesa los conductores del rotor e induce una fuerza electromotriz (f.e.m.) en los mismos. Debido a que el devanado del rotor esta, o en cortocircuito directamente (jaula de ardilla) o bien cerrado a través de alguna resistencia externa (rotor devanado), la fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida en el secundario por el campo rotatorio ocasiona que circule una corriente en los conductores del rotor; en este se produce un par que lo hace girar, esto ocurre porque los campos magnéticos del rotor y del estator se encuentran en tal posición uno respecto del otro, que se desarrollan fuerzas de atracción y repulsión siempre en la misma dirección, ya sea hacia la izquierda o hacia la derecha. El valor de este par es lo suficientemente grande para rebasar las perdidas por fricción y ventilación, y mantener al rotor en movimiento. Por esto, se dice que los motores de inducción tienen la característica de autoarrancarse o de ponerse en movimiento con solo conectarlos a la fuente de alimentación sin necesidad de otro medio para empezar a girar. Un aspecto importante que se da en cualquier tipo de motor es la diferencia de velocidad entre la velocidad del campo magnético giratorio y la velocidad del rotor, se le conoce como velocidad de deslizamiento o deslizamiento de la máquina. En cuanto se aplica una carga al eje del rotor, éste tenderá a girar más lentamente hasta el punto en que las fuerzas ejercidas por el campo magnético sobre el rotor son suficientes para vencer el par requerido por la carga. El deslizamiento con el que trabaja un motor con carga, está en función de las características del propio motor. Para un motor que toma una corriente alta, menor será el deslizamiento y mayor será su eficiencia; para uno que toma una corriente menor, será menor su eficiencia y por ende será mayor su deslizamiento. 75

77 La velocidad del campo magnético del estator ó velocidad síncrona, está dada por la frecuencia de la línea de alimentación y por el número de polos con que está construida la máquina, rigiéndose bajo la siguiente expresión: La dirección en la que gira está determinada por la secuencia en cómo se conecten las terminales que van a la alimentación. Esta dirección de rotación puede invertirse con tan solo intercambiar de lugar dos de las tres terminales. El número de polos del campo magnético rotatorio es el mismo que aquel con el cual está devanada cada fase del primario o estator. Si por algún medio se llevara al rotor a la velocidad síncrona a la cual se encuentre girando el campo magnético del estator, no existiría un movimiento relativo entre ellos (no se cortarían líneas de flujo), y por tanto no se induciría una f.e.m. en el rotor, con lo cual el par desarrollado sería nulo. 76

78 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR JAULA DE ARDILLA. El rotor de un motor de inducción jaula de ardilla está formado por un núcleo de hierro laminado, con ranuras longitudinales, donde se incrustan barras de cobre o aluminio, quedando en la periferia de las chapas magnéticas (figura 4.1.2a). Ambos extremos del cilindro se sujetan por anillos cortocircuitantes que son soldados ó fundidos en conjunto con las barras, esto es, se busca que sean una misma pieza; la estructura de las barras del rotor con los anillos de los extremos, semeja una jaula de ardilla, lo que da su nombre al motor (figura 4.1.2b). El tipo de jaula de aluminio fundido, es el más utilizado en la actualidad debido a que no existen juntas o uniones, no hay posibilidad de resistencias altas por contacto. FIGURA: La periferia del rotor puede tomar la forma de distintas ranuras, útiles para alojar las correspondientes barras (figura: 4.1.3) influyendo, según la forma de éstas con el amperaje de arranque y con el consecuente par, además de influir en las propiedades de aceleración de la máquina. Así: El rotor de barras redondas (figura: 4.1.3a) tiene un par de arranque reducido pero, a velocidad nominal, tiene un par superior a otras formas de barra. La barra en forma de gota (figura: 4.1.3b) se prefiere en los motores de hasta 1 Hp. Posee un par de arranque mediano y una intensidad de arranque relativamente baja. La barra o jaula profunda (figura: 4.1.3c) se utiliza para motores a partir de 50 Hp, puesto que posee buenas propiedades de arranque a plena carga. La doble jaula (figura: 4.1.3d) produce un par de arranque alto y una relación muy conveniente entre la intensidad del arranque y la corriente nominal. En algunos casos las barras se pueden colocar en ranuras abiertas ó semi-abiertas, para que estén más cerca aun de la periferia del rotor. FIGURA:

79 Generalmente se busca que el núcleo laminado de chapa magnética (acero al silicio) presente cierto ángulo de inclinación, ya que la posición inclinada de las ranuras mejora las propiedades de arranque y disminuye los ruidos al estar el motor en marcha (figura: 4.1.4). En un motor de inducción jaula de ardilla, la periferia del rotor esta separada del estator a FIGURA: través de un entrehierro, cuyo espesor es tan pequeño como lo permitan los requerimientos mecánicos, esto con el fin de que al efectuarse la inducción electromagnética ésta sea lo más fuerte posible. Por otra parte, el paquete de bobinas del estator, es el mismo para cualquier tipo de motor de inducción, por lo que no se menciona en este apartado. Sin embargo, es de suma importancia recordar que tales bobinas son las encargadas de producir el campo magnético giratorio inductor (figura: 4.1.5). FIGURA: Como ya se mencionó, en un motor trifásico hay tres embobinados en el bastidor del estator y estos se conectan a la fuente de energía. Cuando fluye una corriente de en el devanado del estator (que nunca tiene menos de dos polos), se produce un campo magnético, el cual gira alrededor del rotor a una velocidad determinada por la frecuencia de la línea de alimentación (velocidad sincrónica (3 600 rpm para una frecuencia de 60Hz)). Al empezar a girar el campo del estator, sus líneas de flujo atraviesan las barras que están en la periferia del rotor, apareciendo voltajes en éstas engendrados por inducción electromagnética. Ya que las barras del rotor están cortocircuitadas y con una resistencia muy baja (por su material), los voltajes inducidos en éstas desarrollan elevadas corrientes que circulan en el circuito de la jaula en una dirección opuesta al flujo de la corriente en el estator (principio de Lenz), tales corrientes producen sus propios campos magnéticos de gran intensidad. Los campos magnéticos en el estator y el rotor se hallan en una posición tal, el uno con respecto del otro, que desarrollan fuerzas de atracción y repulsión siempre en la misma dirección (derecha o izquierda), pues los polos magnéticos del rotor se establecen siempre en un punto intermedio a los polos magnéticos del estator (figura 4.1.6), las fuerzas de atracción y repulsión actúan juntas y ninguna trabaja contra la otra, el resultado de estas fuerzas produce torque y rotación. 78

80 Las corrientes desarrolladas por los voltajes inducidos en el rotor, están atrasadas 90 eléctricos con respecto al voltaje del estator, esto es debido a que en reposo el rotor presenta una elevada reactancia inductiva (X L ) a pesar de tener una resistencia pequeña. Conforme el rotor empieza a girar la frecuencia de los voltajes inducidos en el rotor disminuye, pues el campo giratorio corta las barras a una velocidad menor (el rotor casi alcanza al campo magnético giratorio), reduciendo la reactancia inductiva del circuito rotor. Ésta disminución en la reactancia FIGURA: se refleja en un incremento del par y de la velocidad de la máquina. Así, el deslizamiento (diferencia de velocidad entre el rotor y el campo magnético giratorio del estator) va decreciendo gradualmente de un 100% a casi un 10%, por tanto el valor de las corrientes circulantes será mayor cuando el motor se encuentre en reposo y disminuirán gradualmente al aumentar la velocidad. Cuando un motor de inducción jaula de ardilla opera sin carga las fuerzas magnéticas que actúan en las barras del rotor hacen que aquel gire en la dirección de rotación del campo del estator, acelerando hasta alcanzar una velocidad correspondiente al deslizamiento necesario para superar las pérdidas por las fricciones del aire y mecánicas. Esta velocidad se conoce como velocidad sin carga. El rotor nunca puede alcanzar la velocidad sincrónica, porque en esas condiciones no se induciría corriente en el rotor y el motor no produciría torque. No obstante, cuando el rotor disminuye su velocidad al encontrarse sometido a una carga, la velocidad se ajusta automáticamente hasta el punto en que las fuerzas ejercidas por el campo magnético sobre el rotor son suficientes para vencer el torque requerido por la carga. El deslizamiento necesario para conducir la carga total depende de las características del motor. En general, mientras más alta es la corriente que se toma, menor será el deslizamiento con que el motor pueda transportar la carga total y mayor será la eficiencia. Si la corriente que se toma es más baja, será mayor el deslizamiento con que el motor puede manejar la carga total, y menor será la eficiencia. Un aumento en el voltaje de la línea disminuye el deslizamiento, en tanto una reducción lo aumenta; en cualquier caso, en el rotor se induce suficiente corriente para conducir la carga. Una disminución en el voltaje de la línea tiene el efecto de aumentar el calentamiento del motor. Al aumentar el voltaje de la línea disminuye el calentamiento; en otras palabras, el motor puede manejar una carga mayor; el deslizamiento con la carga normal puede variar desde 3% hasta 20%, para diferentes tipos de motores. Este tipo de rotor se emplea para motores pequeños o cuyo arranque no sea muy exigente en cuanto a potencia requerida (ventiladores, bombas de agua, compresores de aire, maquinaria de tipo industrial). En el momento del arranque suelen absorber de la red una intensidad, de 3 a 5 veces la nominal del motor, por lo que no es muy aconsejable en motores de gran potencia. Su par de arranque suele ser como máximo el 140% del par nominal, su rendimiento a plena carga suele ser un 5% o un 6% inferior al de doble jaula de ardilla, que prácticamente lo está sustituyendo, sobre todo en potencias medias o grandes. Esencialmente, es un motor de velocidad constante, pero algunos se fabrican para funcionar a diversas velocidades fijas. Esto lo hace el fabricante cambiando el número de polos en que se embobina el estator. 79

81 A manera de resumen, las características de de funcionamiento del motor de inducción jaula de ardilla son: Es el motor industrial más sencillo. No hay conexión externa del rotor. El devanado del rotor, consiste en barras de cobre o aluminio conectadas en cada extremo mediante un anillo continuo. El arreglo de jaula de ardilla hace que el motor trifásico arranque automáticamente. Es un motor de velocidad casi constante, pues el rotor nunca podrá alcanzar la velocidad sincrónica. El rotor gira en la dirección de rotación del campo del estator. Su corriente de arranque, suele ser de 3 o 5 veces la intensidad nominal. Es fácil de fabricar y no requiere de mucho mantenimiento. 80

82 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR-ROTOR DEVANADO. El rotor devanado de éste tipo de motor de inducción, está compuesto por un núcleo laminado con tres devanados uniformemente espaciados, de un alambre magneto de diámetro ligeramente mayor que el que compone las bobinas del estator. Éstos son generalmente trifásicos y se conectan en estrella o en delta, para luego sus tres extremos libres conectarse uno a cada anillo colector (aros de cobre o latón), situado sobre el eje del rotor y aislado convenientemente del mismo. Por este motivo también se llama rotor de anillos rozantes (figura: 4.1.9). FIGURA: De esta forma, los tres extremos o las fases del rotor se pueden sacar al exterior por medio de unos frotadores o escobillas de grafito que rozan sobre los anillos del rotor, llevando el circuito del devanado del rotor fuera del motor, hasta un controlador, donde se varía la resistencia de dicho circuito, controlando así la aceleración y la velocidad del motor una vez que está funcionando. El número de fases del rotor no tiene porque ser el mismo que el del estator, lo que si tiene que ser igual es el número de polos. Comparando el rotor bobinado con los devanados usados en la armaduras de los motores de corriente continua, se usan preferentemente los devanados denominados de tipo ondulado debido a que ofrecen la ventaja de que reducen las conexiones cruzadas entre grupos de bobinas y permite también un diseño compacto, permitiendo un buen balance mecánico. Los devanados del estator para los motores asíncronos trifásicos están constituidos esencialmente por tres circuitos, uno por cada fase, tomando tres terminales para conectarlas a la fuente de alimentación y las otras tres están conectadas entre sí en cualquiera de las conexiones trifásicas más comunes, sea delta o estrella. Dependiendo de la potencia de cada motor es el tipo de conductor que constituye a las bobinas de cada fase, siendo redondo para motores de potencia pequeña o media o de sección rectangular (tipo barra) para motores de gran potencia. Los polos y las fases necesarias para su correcto funcionamiento se obtienen con las conexiones entre los grupos de bobinas, distribuidos de forma simétrica en toda la periferia del estator. Los llamados ejes geométricos de cada devanado deben encontrarse a 120 eléctricos uno del otro. En otras palabras, los ejes de los devanados deben formar entre si un ángulo igual a 120 grados eléctricos. 81

83 Al suministrar potencia trifásica a los devanados del estator, se produce un campo magnético giratorio el cual induce un voltaje alterno en cada devanado del rotor. Cuando el rotor se encuentra estático, la frecuencia del voltaje inducido en el rotor es la misma que la frecuencia de la fuente que alimenta al estator. No obstante al iniciar su giro el rotor, en la misma dirección que el campo y alcanza cierta velocidad, las líneas de flujo del campo giratorio del estator cortaran cada ves menos los devanados del rotor, lo que produce que el voltaje y la frecuencia inducidos en estos vallan disminuyendo hasta llegar a cero, esto ha razón de que la máquina ha alcanzado la velocidad síncrona, condición en la que el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético giratorio. Sin embargo, sí el rotor gira en sentido contrario al campo giratorio del estator, alcanzando la velocidad síncrona, esto producirá que las líneas del campo giratorio y los devanados del rotor se crucen, generando que el voltaje inducido y la frecuencia en el rotor se dupliquen con respecto a los valores obtenidos cuando el motor esta energizado y detenido. La ventaja de sacar las terminales de los devanados del rotor a través de anillos rozantes radica en que es posible controlar la resistencia y por tanto las corrientes que circulan por los devanados del rotor, ya que por su característica de elevado par, este motor es factible parar arrancar por tensión reducida. Pues, conectando una resistencia de cierto valor a cada conductor proveniente de cada escobilla, con todas ellas en el circuito se aumenta la resistencia total del rotor y cuando el motor se encuentra funcionando, es posible aumentar grandemente el torque o fuerza de rotación del motor. Así variando dichas resistencias externas se puede variar el par de arranque entre el 150% y el 250% del par normal, aproximadamente y reducir la corriente de arranque a 1,5 o 2 veces la intensidad nominal (figura:4.2.0). El aumento en el par va acompañado por una disminución proporcional de la velocidad. Al cortocircuitar las resistencias externas, el motor adquiere más velocidad y el par disminuye. Cuando toda la resistencia queda eliminada el motor funciona a velocidad máxima. FIGURA: El motor de inducción de rotor devanado se diseña con una flecha de diámetro muy grande, por el par tan alto que puede alcanzar (hasta del 300% de lo normal cuando toda la resistencia se elimina del circuito), ya que esta queda sometida a esfuerzos muy severos. El motor de inducción de rotor devanado o de anillos colectores fue el primer motor de corriente alterna que proporcionó, con éxito, características de control de velocidad, siendo éste un factor importante para hacer la corriente alterna más universalmente adaptable a las aplicaciones de energía industrial. Las características adicionales de alto par y baja corriente en el arranque aportan mejores cualidades de operación para las aplicaciones en que se necesita un motor con elevado par de arranque o tenga que arrancar bajo carga. Este motor se emplea para regímenes de arranque demasiado fuertes, tales como el caso de las bombas que tienen una contrapresión extremadamente alta, o con máquinas que tienen una inercia estática muy alta, también suele emplearse cuando se requiere una variación de velocidad, en motores de corriente alterna, o bien un arranque progresivo, requerido por máquinas de gran potencia o con un arranque difícil, combinando de esa manera la ventaja del elevado par de arranque de un motor de alta resistencia con una menor corriente de arranque, así como la característica de poder variar su velocidad. 82

84 El controlador de resistencia secundaria (tensión reducida) se emplea como arrancador para obtener velocidad sin jalones o esfuerzos, y se utiliza, también, en operaciones de funcionamiento normal, para ajustar el par y la velocidad a cualquier grado deseado. De igual manera que en los otros apartados las características de funcionamiento convenientes del motor de inducción rotor devanado son.: Devanado del estator estacionario. Los devanados del rotor terminan en anillos colectores. Adicion externa de resistencias al circuito del rotor (arranque por tensión reducida). El rotor puede girar: en la dirección contraria a la de rotación del campo del estator. Si se impulsa el rotor puede alcanzar la velocidad sincrónica. Buen par de arranque. Construcción robusta. Facil servicio y mantenimiento. Requiere circuitos de control el devanado del estator y del rotor. Puede servir como convertidor de frecuencia. 83

85 CAPITULO V PRÁCTICAS PROPUESTAS 84

86 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MAQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES PRACTICA: I PRINCIPIOS DE OPERACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DEL TRANSFORMADOR OBJETIVOS: Que alumno, comprenda los fundamentos de operación del transformador, reforzando y complementando, los conocimientos adquiridos en clase. Conozca las piezas que constituyen al transformador. Un transformador se puede definir como: Un dispositivo que transfiere energía (potencia) de un circuito a otro a través del principio de inducción electromagnética, sin variar la frecuencia. A partir de dos devanados acoplados magnéticamente pero aislados eléctricamente. La base del funcionamiento del transformador es la Ley de Faraday ó principio de Inducción Electromagnética para circuitos estáticos con la presencia de un flujo magnético [Φ] oscilante, que se define: El signo de menos es referente a la Ley de oposición de Lenz, la cual se hace presente en todo caso de inducción electromagnética, sin embargo, el aplicar esta expresión en la práctica es muy difícil, ya que esta considera que el flujo magnético se reparte equitativamente a proporción en cada espira de una bobina, aspecto que es ideal, pues realmente el flujo magnético desarrollado por una bobina se dispersa por todo el perímetro circundante. Al aplicar voltaje de c.a. en un transformador, fluirá una corriente en el circuito primario, la cual es responsable de producir el flujo oscilante, esta corriente se le llama corriente de excitación y se compone por dos elementos: Corriente de Magnetización (I M ): Que es la necesaria para producir el flujo oscilante en el núcleo del transformador. Corriente de Pérdidas en el núcleo (I h + f ): Es la que se requiere para compensar la histéresis y las corrientes de Foucault. 85

87 Se le llama Relación de Transformación ó Coeficiente de acoplamiento [ a ], a la relación existente entre el número de vueltas (espiras), voltajes y corrientes entre el devanado primario y el devanado secundario del transformador: Estas expresiones son útiles para el cálculo del estudio del transformador. Por otro lado, en la práctica el transformador se compone por los siguientes elementos: NÚCLEO MAGNÉTICO ILUSTRACIÓN CARACTERÍSTICAS La aleación ferromagnética más utilizada para el diseño de núcleos de transformadores es la aleación hierro-silicio de grano orientado calidad M4 con aislación eléctrica de Carlite, compuesta por hierro puro con 1-6% de silicio. Con un corte y tratamiento térmico adecuados, se obtiene un material que comparado con el hierro, tiene mejores propiedades magnéticas (permeabilidad), una resistividad mayor (esfuerzos mecánicos), menores pérdidas totales en el núcleo (histéresis, corriente de excitación) y niveles más bajos de ruido en el transformador. Esta aleación se lamina en chapas y flejes, en el lenguaje común se le conoce como Chapa magnética. DEVANADOS Los devanados de los transformadores de hasta alrededor de 1500 KVA son en forma rectangular y circular para potencias mayores. De acuerdo a su corriente, son fabricados con alambre de cobre de sección circular aislado con doble capa de esmalte clase térmica 200 ºC ó con conductor de cobre de sección rectangular forrado con papel Kraft. Cuando las corrientes son muy altas en el secundario (transformadores de 300 KVA o mayores), se emplea conductores de lámina de cobre o aluminio, estas bobinas son compactas, más resistentes a esfuerzos mecánicos producidos por cortocircuitos. Las bobinas llamadas multicapa están formadas por múltiples capas sucesivas (cada una del largo total de la bobina), emplean papel aislante entrecapas, diamantado epóxico, presentando buena resistencia a los esfuerzos producidos por cortocircuitos. 86

88 AISLADORES Se especifican según la tensión, corriente de trabajo, condiciones ambientales, contaminación y altitud a las que estarán expuestos. Están hechos de porcelana sólida y esmaltada, alternativamente pueden ser fabricados con resinas epóxicas resistentes a los rayos ultravioleta y a impactos. Los terminales externos de conexión son del tipo paleta o prensa y están dimensionados para permitir una fácil conexión de los cables conductores. CONMUTADOR DE DERIVACIONES (TAPS) Acoplado al devanado de alta tensión. Es empleado para adaptar el transformador a las variaciones de tensión que normalmente sufren las líneas de alimentación. Se opera sólo cuando el transformador esta desenergizado, actuando simultáneamente sobre las tres fases (en caso de transformador trifásico).es de accionamiento manual por medio de una manilla ubicada en el exterior del tanque. VÁLVULA DE SEGURIDAD En los transformadores sumergidos en líquido aislante, un cortocircuito o arco interno puede provocar un rápido aumento de presión debido a la vaporización instantánea de parte del líquido, con posibilidades de deformación ó rotura del tanque. La actuación extremadamente rápida de la válvula libera la presión interna del tanque, evitando daños a éste e incluso protegiendo al transformador mismo de fallas mayores. Válvula de descarga Se le utiliza normalmente en transformadores de 750 KVA o mayores. TERMÓMETRO DE LÍQUIDO AISLANTE Ubicado en la parte superior del costado del tanque, indica la temperatura máxima del fluido aislante, en función del nivel de carga del transformador. Dispone de dos agujas, una de ellas para indicar la temperatura del líquido y la otra, de color rojo, para registrar la temperatura máxima alcanzada, pudiéndose reposicionar manualmente a través de un imán, normalmente es utilizado en transformadores de 45 KVA o mayores. El termómetro puede estar dotado de conexiones para alarmas ó desconexiones. 87

89 TANQUE Y RADIADORES DE REFRIGERACIÓN El tanque principal está proyectado con la resistencia necesaria para soportar sin deformaciones permanentes una presión ó un vacío de una atmósfera. La refrigeración del transformador se realiza por medio de radiadores tipo panel por cuyo interior circula el fluido aislante. Estos radiadores normalmente son soldados directamente a los costados del tanque. El proceso de pintura comprende la limpieza mediante granallado, la aplicación de una mano de anticorrosivo epóxico y dos manos de terminación con esmalte poliuretano ó pintura en polvo electrostático. FLUIDO AISLANTE El interior del transformador se encuentra sumergido en un fluido aislante, el que cumple la función de dar la rigidez dieléctrica necesaria al transformador llenando todos los espacios e impregnando los papeles y maderas. Otra función muy importante del fluido es la de refrigerar el transformador, al extraer el calor de las bobinas mediante la circulación del fluido por los ductos de refrigeración en las bobinas y luego por los radiadores de refrigeración. El fluido aislante normalmente utilizado es el aceite mineral dieléctrico ó un fluido aislante incombustible de silicona. Cabe señalar que el transformador es considerado como un puente de potencia, pues a esta máquina estática, la potencia total que le suministremos será ligeramente mayor que la que obtengamos, esto debido al bajo nivel de pérdidas que se presentan (pérdidas en el núcleo y en el cobre) en el interior de este. Siendo su eficiencia de entre un 90-98% según sea la aplicación de este, por tanto: -Potencia activa del primario Potencia activa del secundario [ Watts ] -Potencia aparente del primario Potencia aparente del secundario [Voltamperes VA ] -Potencia reactiva del primario Potencia reactiva del secundario [Voltamperes reactivos VARS ] 88

90 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÌA MECÀNICA ELÈCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MAQUINAS ELÈCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES PRACTICA: II EFECTOS DE SATURACIÓN, PRUEBAS DE CIRCUITO ABIERTO Y CORTOCIRCUITO EN EL TRANSFORMADOR OBJETIVOS Familiarizar al Alumno con la Unidad Transformador EMS Determinar la relación existente entre la Corriente de Excitación y la Saturación del Núcleo. Que el Alumno conozca las Pruebas de Circuito Abierto y Cortocircuito así como las condiciones que se desarrollan en estas. Que el Alumno comprehenda la importancia del elemento Relación de Transformación a, en el cálculo de Transformadores. En un transformador uno de los factores que reduce la magnitud del voltaje obtenido en el secundario es el efecto de la saturación del núcleo de hierro, y este se da cuando el voltaje del primario se eleva más allá de su valor nominal, provocando que el núcleo de hierro comience a saturarse y que la corriente de excitación aumente con gran rapidez. La saturación del núcleo se debe a que la permeabilidad del material ferromagnético del que está hecho el núcleo del transformador (laminaciones de acero al silicio) decae, es cuando este material se satura de flujo magnético (φ), el cual está directamente relacionado con el aumento de la corriente de excitación. Por otra parte, antes de que un transformador entre en operación, debe pasar por dos pruebas a realizar, la primera de ellas es la prueba de circuito abierto, con la cual se determina: La Corriente de Excitación ( I 0 ). La Potencia en vacio, que son las pérdidas del núcleo de hierro ( P 0 ). El factor de potencia a operación en vacio ( F.P. 0 ). En esta prueba se suele alimentar a tensión nominal, el devanado de baja tensión y abrir el devanado de alta (no conectando carga), tomando registro de la corriente en vacio I 0 (debe tomar un valor entre el 1 y 10% de la corriente nominal) y la potencia de entrada en vacio P 0 (que no debe ser mayor de 30Watts), esto, en el devanado alimentado. La segunda prueba es la prueba de cortocircuito, en la cual se unen los bornes de uno de los devanados para cortocircuitarlo, siendo recomendable cerrar el devanado de baja tensión y alimentar el devanado de alta tensión con un voltaje reducido regulable, que varié del 2 al 15% del voltaje nominal.a través de este segundo ensayo se determina: -El porcentaje de Voltaje a cortocircuito permisible, respecto al voltaje nominal ( V c.c ). -La potencia de cortocircuito, que son las pérdidas en el cobre de los devanados del transformador ( P c.c ). -La impedancia total interna ó impedancia equivalente del transformador (Z equi ). 89

91 COMPONENTES A OCUPAR EQUIPO Módulo de Transformador Modulo de Fuente de Alimentación (120/208 V c-a) Modulo de Medición de C.A. (100/100/250/250V) Modulo de Medición de C.A. (0.5/0.5/0.5 A) Cables de Conexión CÒDIGO EMS-8341 EMS-8821 EMS-8426 EMS-8425 EMS-8941 Ohmìmetro FAMILIARIZANDOSE CON EL MÓDULO DEL TRANSFORMADOR: 1).-Interactúa con la Unidad del Transformador (EMS 8341), Nota especialmente el alambrado y las terminales de conexión. a).-observa que el Núcleo del Transformador esta conformado por laminaciones delgadas de acero, con la finalidad de minimizar las corrientes parasitas ò Edy. b).-ve que los devanados del transformador están conectados a las terminales de conexión montadas en la carátula del módulo. c).- Identifica los tres devanados independientes del transformador proyectados en la caratula del módulo d).- Anota el voltaje de operación nominal de cada uno de los tres devanados: Terminales: 1 a 2: V c.a. Terminales: 3 a 4: Vc.a. Terminales: 5 a 6: V c.a. e).-anota el voltaje de operación nominal entre las siguientes terminales: Terminales: 3 a 7: V c.a. Terminales: 3 a 8: V c.a. Terminales: 4 a 7: V c.a. Terminales: 4 a 8: V c.a. 90

92 Terminales: 5 a 9: V c.a Terminales: 6 a 9: V c.a. La carátula del modulo de Transformador EMS 8341, se presenta a continuación para las actividades siguientes: 120 V V 76 V 28 V V 60 V c).- Determina la corriente nominal de las principales conexiones, apóyate con lo siguiente : S I N ( V L ) I N S V L Donde: S: Potencia Aparente (VA). I N : Corriente Nominal (Amp). Terminales: 1 a 2: Amp. C-A V L : Voltaje de Línea (Volts). Terminales: 3 a 7: Amp. C-A Terminales: 3 a 4: Amp. C-A Terminales: 8 a 4: Amp. C-A Terminales: 5 a 6: Amp. C-A 3).-Colocando en la escala más baja el Ohmìmetro, mide y anota la resistencia de cada devanado: Terminales: 1 a 2: Ω Terminales: 3 a 7: Ω Terminales: 3 a 8: Ω Terminales: 3 a 4: Ω Terminales: 7 a 8: Ω Terminales: 5 a 9: Ω Terminales: 9 a 6: Ω Terminales: 5 a 6: Ω EFECTO DE SATURACIÓN DEL NÚCLEO DE HIERRO DEL TRANSFORMADOR 4).- Una de las formas de aumentar el voltaje obtenido en el devanado secundario es a través del incremento de la llamada corriente de excitación que se le aplica al devanado primario, a continuación se podrá ver el efecto que esta acción tiene en el núcleo de hierro (laminaciones de acero) en el Transformador. 91

93 a).- Conecta el siguiente circuito: Nota que se ocuparan las terminales 4 y 5 de la Fuente de Alimentación (0-208 V-c.a.). NOTA: Recuerda que un Voltímetro siempre se conecta en paralelo con los elementos V-c.a. A I1 1 5 V E V-c.a A-c.a. V E A-c.a FIGURA: b).- Enciende la Fuente de Alimentación y ajústala a 25 V-c.a., tomando esta lectura del Voltímetro E 1. c).- Incrementando gradualmente el voltaje aplicado al devanado primario, E 1 en múltiplos de 25 V-c.a. toma la lectura de la corriente de excitación I 1 y el voltaje de salida E 2 y escríbelas en la siguiente tabla: E 1 V-c.a I 1 A-c.a. d).-reduce el voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación. E 2 V-c.a. e).-en base a los valores de la Corriente de excitación I 1 y al Voltaje obtenido E 2, gràfica la relación que se desarrolla entre estas, en el siguiente plano cartesiano: 92

94 Observa, que el Voltaje Obtenido E 2 guarda cierta proporcionalidad con el Voltaje de entrada E 1 y por tanto con la Corriente de excitación I 1. Sin embargo después de alcanzar un cierto nivel de excitación, el núcleo se satura magnéticamente dando un límite al Voltaje de Salida E 2 que se nota gráficamente en el Voltaje de salida con un decaimiento. PRUEBA DE CIRCUITO ABIERTO EN UN TRANSFORMADOR: 6).- Aplicando 120 V-c.a. al devanado primario mide y anota el voltaje de los devanados secundarios sin carga. a).-para hacerlo, conecta el circuito de la figura 5.2.1: V-c.a. I1 V E V-c.a. A A-c.a V E V-c.a. N FIGURA: b).- Enciende la Fuente de Alimentación, calíbrela a 120 V-c.a., apoyandote con el voltímetro conectado a las terminales 4 y N. c).- Toma la lectura de E 2 correspondiente a cada devanado y anote: Devanado: 3 a 7 = V-c.a. Devanado: 3 a 8 = V-c.a. Devanado: 3 a 4 = V-c.a. Devanado: 7 a 8 = V-c.a. Devanado: 5 a 9 = V-c.a. Devanado: 9 a 6 = V-c.a. Devanado: 5 a 6 = V-c.a. 7) a).- Concuerdan los voltajes medidos a los marcados en la carátula del 93

95 módulo? R:. Sí difieren a qué se debe esto? b).- Puedes medir el valor de la corriente de excitación? R:. Por qué? 8).- Dado que los devanados 1 a 2 y 5 a 6 están constituidos por 500 vueltas de alambre y el devanado 3 a 4 por 865. Determina las siguientes relaciones: a).-devanado 1 a 2 Devanado 5 a 6 Vueltas Vueltas = b).-devanado 1 a 2 Vueltas = Devanado 3 a 4 Vueltas Estos valores obtenidos son conocidos como: Relación de Transformación, y juegan un papel importante en cálculos de los Transformadores PRUEBA DE CORTOCIRCUITO EN EL TRANSFORMADOR: 9) a).-conecta el siguiente circuito, Note que el Amperímetro I 2, pone en cortocircuito el devanado secundario 5 a 6. NOTA: Recuerda, que un amperímetro siempre se conecta en serie con los demás elementos del circuito NO!!!, en paralelo. En este experimento usamos el Amperímetro I 2 a manera de barra cortocircuitante y para registrar la Corriente de Cortocircuito V-c.a. A I1 1 5 V E V-c.a A-c.a. A I A-c.a. N 2 6 FIGURA: b).- Enciende la Fuente de Alimentación y aumenta gradualmente el voltaje hasta que el Amperímetro I 2, esto es, la corriente de cortocircuito sea 0.4 A-c.a. c).- Mide y anota la lectura del Amperímetro I 1 y del Voltímetro E 1 conectados al devanado primario. I 1.- A-c.a E 1.- V-c.a. d).-reduce el voltaje acero y apaga la fuente de alimentación. e).-determina la Relación de Transformación, mas ahora con las corrientes obtenidas en estado de cortocircuito: 94

96 I 2 = I 1 f).- Es igual la Relación de Transformación (a) obtenida por las corrientes en condiciones de cortocircuito que la obtenida por las vueltas de alambre (procedimiento:8)? Sí su respuesta es: No, explica por qué: 10) a).-conecta el siguiente circuito, Nota que el Amperímetro I 3 cortocircuita al Devanado Secundario 3 a 4: V-c.a. A I1 1 3 V E V-c.a A-c.a. A I A-c.a. N 2 4 FIGURA: b).- Enciende la Fuente de Alimentación e incremente el voltaje hasta que la corriente que fluye por el devanado primario I 1 sea 0.4 A-c.a. c).- Toma la lectura de la corriente de cortocircuito en I 3, de igual forma el voltaje que se aplica en el primario para obtener esta corriente en E 1 : I 3 : A-c.a. E 1 : V-c.a. d).- Reduce el voltaje a cero y apague la Fuente de Alimentación. e).- Determina la Relación de Transformación entre las corrientes obtenidas: I 3 = I 1 f).-considera esta Relación de Transformación obtenida por corrientes, es la misma que la obtenida por las vueltas de alambre de los devanados? Por qué? Ahora puedes confirmar que: N a N 1 2 E E 1 2 I I

97 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ OBJETIVOS: TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES PRÁCTICA: III LA POLARIDAD EN EL TRANSFORMADOR Que el alumno sea capaz de determinar las marcas de polaridad en los devanados de un Transformador. Que el alumno aprenda a conectar los devanados del Transformador en las modalidades Serie Aditiva y Serie Substractiva. Que el Alumno comprenda las propiedades de estos arreglos. Otra de las pruebas que se le realizan a un transformador antes de que este salga incluso de la fábrica es la determinación de la polaridad de los devanados del transformador y es vital en la determinación de flujos de corrientes dentro del transformador. Por definición, el voltaje de C.A. cambia continuamente su polaridad más no su magnitud, por tanto el voltaje aplicado al devanado primario cambia constantemente la polaridad de un extremo de la bobina al otro, lo que nos indica que ambos extremos del devanado primario no tendrán jamás la misma polaridad, un extremo de la bobina siempre debe ser más positivo que el otro. Cuando se habla de polaridad de los devanados de un transformador, se trata de identificar todas las terminales que tengan la misma polaridad (positiva ó negativa) en el mismo instante, comúnmente se usan marcas como puntos negros, cruces, señales u etiquetas que nos permitan identificar qué terminales tienen la misma polaridad, tomando el nombre dichas marcas como: marcas de polaridad. El significado físico de las marcas de polaridad en un transformador es que, al aplicar una carga: Sí una corriente fluye hacia el lado de un devanado con marca de polaridad, esta producirá una fuerza magnetomotriz positiva (F ). Caso contrario si la corriente fluye hacia fuera del lado del devanado con marca de polaridad, producirá una fuerza magnetomotriz negativa (- F ). La dirección que toman las corrientes por los devanados del transformador (entrar ó salir) es sumamente importante, ya que a través de estas se determinara sí los campos magnéticos (fuerza magnetomotriz) de los devanados se sumen ó se resten. Sí las corrientes entran ó salen al mismo tiempo de las marcas de polaridad, sus campos magnéticos (fmm) se sumaran (caso 1 y 2). Sí una corriente se dirige a la marca de polaridad y la otra se aleja de su respectiva marca de polaridad, los campos magnéticos se opondrán y el campo 96

98 magnético resultante (fmm R ) será una resta de estos (caso 3 y 4). Módulo de Transformador COMPONENTES A OCUPAR EQUIPO Modulo de Fuente de Alimentación (0-120 V c-a,0-120 V c-d) Modulo de Medición de C.A. (250/250/250 V) Modulo de Medición de C.D. (20/200 V) Cables de Conexión CÒDIGO EMS-8341 EMS-8821 EMS-8426 EMS-8412 EMS a).-conecta un Voltímetro de C.D. del Modulo EMS-8412 a la terminales 7-N de la Fuente de Alimentación (salida variable V c-d.). b).-enciende la Fuente de Alimentación y calíbrala lentamente a 10 V c-d. c).-sin tocar la perilla de control de voltaje. Apaga la Fuente de Voltaje y desconecta el Voltímetro de C.D. d).-conecta el siguiente circuito, utiliza los Módulos de Transformador, Fuente de Alimentación y Medición de C.D.: V-c.d. + V V-c.a N FIGURA: 3.1 e).- Observa cuidadosamente el movimiento de la aguja del voltímetro de C.D. al instante de cerrar el interruptor de la fuente de alimentación. Sí la aguja del voltímetro se desplaza a la derecha, las terminales 1 y 3 tienen la Misma Marca de Polaridad. Esto se debe a que la terminal 1 se conecta al positivo de la Fuente, mientras que la terminal 3 al positivo del voltímetro. 97

99 f).-de los devanado 1-2 y 3-4 Qué terminales de estos presentan marcas positivas?:. g).- Apaga la Fuente de alimentación sin mover la perilla calibradora y desconecta el Voltímetro de C.D. del devanado 3-4 y conéctalo al devanado 5-6. Enciende la Fuente de Alimentación y repite la operación (e). h).- Qué terminales son positivas en los devanados 1-2 y 5-6?. i).-reduce el voltaje a cero y apaga la fuente de alimentación. 2.- A continuación, conectaremos en serie dos devanados del Transformador, lo cual te Permitirá comprehender la importancia de la polaridad, generando los arreglos de Serie Aditiva y Serie Sustractiva. a).- Conecta el siguiente circuito, utilizando además el modulo de medición de C.A., EMS Nota que el devanado 1-2 está en paralelo con el devanado V-c.a. V V-c.a V V-c.a N V-c.a V 6 FIGURA: 3.2 b).- Enciende la Fuente de Alimentación y calíbrala a 104 V c-a. (1/2 V NOM del devanado 3-4). c).- Toma las lecturas de los voltímetros en los devanados secundarios y anótalas a continuación: E 1-2 : V c-a. E 5-6 : V c-a. E 2-6 : V c-a. d).- Reduzca el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación. 98

100 e).- Retira la conexión entre 1 y 5. Ahora, conecta 1 y 6 y luego un Voltímetro a las terminales 2 y 5, para cerrar el circuito del secundario, como se indica en el siguiente circuito: V-c.a. V V-c.a V V-c.a N 4 2 V V-c.a FIGURA: 3.3 f).- Enciende la Fuente de Alimentación y ajústala a 104 Vc-a. g).-toma las lecturas de los Voltímetros y anota: E 1-2 : Vc-a. E 5-6 : Vc-a. E 2-5 : Vc-a. h).-reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación. i).- Por qué crees que el Voltaje Resultante en uno de los arreglos es casi cero y 120 V c- a. en el otro? j).- Qué Terminales presentan la misma Polaridad? Positivas: Negativas: A la configuración de los Devanados Secundarios en el Procedimiento 2-a, se le llama: Serie Sustractiva, pues como vez el Voltaje Resultante es la Resta de los Voltajes Nominales de ambos devanados. No Obstante, la configuración del Procedimiento 2-e ofrece resultados inversos al anterior, llamándose Serie Aditiva el Voltaje Resultante es la Suma de los Voltajes Nominales en los devanados que componen al Secundario. 3.- a).- Observa el siguiente circuito. Nota que el devanado 3-4 está siendo alimentado con 104 V c-a No conectes el circuito aun!!: 99

101 V-c.a. N 4 FIGURA: b).- Qué Voltaje Inducido se obtiene en el devanado 1-2? V c-a. c).- Sí se conectan en Serie los devanados 1-2 y 3-4 Cuáles son los Voltajes de salida que podemos obtener? V c-a. V c-a. d).- Conecta el siguiente Circuito. Observa que ambos devanados están en Serie, analízalos bien: V-c.a. N 4 V V-c.a FIGURA: e).- Determina el Voltaje que ofrece este arreglo, tomando la lectura del Voltímetro entre las terminales 2 y 4: E 2 a 4 : V c-a. f).- Reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación. 100

102 g).-retira la conexión entre las terminales 1 y 3. Conectando ahora las terminales 1 y 4, como se ilustra en el siguiente circuito: V V-c.a 104 V-c.a. V V-c.a N 4 2 FIGURA: 3.7 h).- Encienda la Fuente de Alimentación y calíbrala a 104 V c-a., toma la lectura de ambos Voltímetros y escríbelas: E 2-3 : V c-a. E 1-2 : V c-a. i).-reduce el Voltaje a Cero y Apaga la Fuente de Alimentación. j).- Coinciden los resultados obtenidos en los Procedimientos 3-e y 3-h, con lo previsto en 3-c? Por qué? : k).- Cuáles Terminales tienen la misma polaridad? Positivas: Negativas: 101

103 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES PRACTICA: IV LA REGULACIÓN DE VOLTAJE EN EL TRANSFORMADOR OBJETIVOS: Que el Alumno, comprenda la importancia del Cálculo de la Regulación de Voltaje de una Máquina eléctrica. Conocer las características que presenta el Transformador a diversos tipos de Cargas. Apreciar gráficamente el comportamiento del Transformador a los efectos de las cargas. La regulación de voltaje es uno de los aspectos más importantes y que caracterizan a un transformador pues, no obstante de ser una máquina estática este logra estabilizar los niveles de voltaje a los que trabaja (gracias a los cambiadores de taps). Usualmente la carga de cualquier transformador de distribución tiende a variar a lo largo del día, por lo que es importante mantener el voltaje de salida a niveles equilibrados a cualquier hora, ya que los cambios bruscos de voltaje afectan los electrodomésticos de los usuarios. Dado que un transformador real tiene cierta resistencia (R) en su núcleo y devanados, además de requerir de potencia reactiva (VAR para establecer el campo magnético), produciendo reactancias (X) en los devanados, el voltaje de salida en el secundario variara según el factor de potencia (cos θ) de la carga aun, cuando el voltaje de alimentación en el primario sea constante, definiendo la Regulación de voltaje como: Una medida de la diferencia del voltaje de salida, cuando la corriente de carga varia de cero, a un valor nominal. Por tanto para una carga cuyo factor de potencia es atrasado (inductiva normalmente) se genera un diagrama fasorial como el mostrado en la figura izquierda, en la cual se muestra como el voltaje que se suministra V p /a es considerablemente mayor que el voltaje que se obtiene V s, lo que nos indica que para este tipo de cargas la regulación de voltaje es mayor que el 0%. 102

104 Por otro lado para una carga más comúnmente encontrada con un factor de potencia igual a la unidad (cargas resistivas), se produce un diagrama fasorial como el mostrado a la derecha, en el que se muestra que al igual, pero en menor magnitud que una carga inductiva, el voltaje suministrado es mayor que el voltaje obtenido, lo que nos indica que la regulación de voltaje para un transformador conectado a una carga resistiva también será mayor del 0%, pero menor a la de una carga inductiva. Sin embargo, lo anterior no ocurre cuando se tiene una carga con un factor de potencia adelantado (cargas capacitivas, extremadamente difíciles de encontrar), pues esta produce un efecto magnetizante en el transformador conocido como efecto ferranti, el cual incrementa el voltaje de salida con poco voltaje de alimentación, apreciándose esto en el diagrama fasorial de la izquierda, dando por resultado que el transformador tenga una regulación de voltaje negativa, aspecto que es beneficioso, pues se tiene una disminución en las pérdidas. Módulo de Transformador COMPONENTES A OCUPAR EQUIPO Módulo de Fuente de Alimentación (0-120 V c-a) Módulo de Medición de Voltaje de C.A. (250/250/250 V) Módulo de Medición de Corriente de C.A. (0.5/0.5/0.5 A) Módulo de Resistencia Módulo de Inductancia Módulo de Capacitancia Cables de Conexión CÒDIGO EMS-8341 EMS-8821 EMS-8426 EMS-8425 EMS-8311 EMS-8321 EMS-8331 EMS

105 EFECTOS EN EL TRANSFORMADOR POR CARGAS RESISTIVAS: 1.-Conecta el siguiente circuito, haz uso de los Módulos de Transformador, Fuente de Alimentación, Resistencia y Medición de C.A.: V-c.a. V E V-c.a. I1 A A-c.a. 1 5 I2 A A-c.a. V E V-c.a. Z-L N 2 6 FIGURA: 4.1 a).- Abre todos los interruptores del Módulo de Resistencia (posición hacia abajo). b).- Enciende la Fuente de Alimentación y calíbrala a 120 V c-a., apoyándote el el Voltímetro E 1. c).- Variando los valores de la Resistencia (Impedancia de carga Z L ), mide y anota los valores correspondientes a I 1, I 2, y E 2 en la tabla siguiente: Z L [ Ω ] I 1 [ma c-a.] Tabla: 4.1 I 2 [ma c-a.] E 2 [V c-a.] d).-reduce el Voltaje a Cero y Apaga la Fuente de Alimentación. 2.- a).-determina la Regulación de Voltaje del Transformador para este tipo de carga, apoyándote de la siguiente expresión y de los valores obtenidos anteriormente: NOTA: Cabe señalar que entre menor sea el valor porcentual de la Regulación de Voltaje, será Mejor; pues esto nos indica, que NO se necesita calibrar muchas veces la Fuente de Voltaje a las variaciones de la carga (Z L ) para obtener casi el mismo Voltaje de entrada, esto es:. % 104

106 b).- Permanecen iguales los Voltajes E 1 y E 2 en cada valor de Z L?: A qué se debe esto? c).- Traza la Curva de Regulación de Voltaje para una Carga Resistiva, graficando E 2 en función de I 2, en el Plano Cartesiano siguiente: EFECTOS EN EL TRANSFORMADOR POR CARGAS INDUCTIVAS: 3.- a).- Conecta el siguiente circuito. Nota que es el mismo circuito que el de la Figura 4.1, con la variante en que la carga que ahora ocuparemos será Carga Inductiva: V-c.a. V E V-c.a. I1 A A-c.a. 1 5 I2 A A-c.a. V E V-c.a. L-L N 2 6 FIGURA: 4.2 b).- Repite los Procedimientos del 1-a, al 1-c, con la variación de que se trata de Cargas Inductivas, anota en la siguiente tablas las lecturas tomadas: Z L [ Ω ] I 1 [ma c-a.] I 2 [ma c-a.] E 2 [V c-a.] Tabla:

107 c).-reduce el Voltaje a Cero y Apaga la Fuente de Alimentación. d).-calcula la Regulación de Voltaje del Transformador para Cargas Inductivas: % e).- Es alta ó baja la Regulación de Voltaje? Explica el comportamiento de esta carga para con el Transformador: f).- Gráfica el comportamiento del Transformador con la Carga Inductiva, proyectando E 2 con respecto a I 2. Une los puntos marcados con una línea, apóyate en el siguiente Plano Cartesiano: EFECTOS EN EL TRANSFORMADOR POR CARGAS CAPACITIVAS: 4.- a).-conecta el siguiente circuito. Nuevamente el circuito es similar al de la Figura 4.1 mas ahora la Carga se cambia por Capacitancias. 106

108 V-c.a. V E V-c.a. I1 A A-c.a. 1 5 I2 A A-c.a. V E V-c.a. C-L N 2 6 FIGURA: 4.3 b).- Repite los Procedimientos 1-a al 1-c, estando conscientes que se trata de Cargas Capacitivas, anota en la siguiente tabla los valores obtenidos: Z L [ Ω ] I 1 [ma c-a.] I 2 [ma c-a.] E 2 [V c-a.] Tabla:4.3 c).-reduce el Voltaje a Cero y Apaga la Fuente de Voltaje. d).- Determina la Regulación de Voltaje del Transformador para Cargas Capacitivas: % e).- Cómo consideras el comportamiento de esta carga, con respecto a su Regulación de Voltaje? f).- Gráfica el Comportamiento de E 2, con respecto a I 2, por el efecto de la Carga Capacitiva. Une los puntos con una Línea: 107

109 5.- De los Procedimientos anteriores, Cuál crees que de todas la Cargas tenga Mejor Regulación de Voltaje, qué beneficios crees que se pudieran obtener de esta? 108

110 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO. URIEL GARCIA ORTIZ TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES PRACTICA:V EL AUTOTRANSFORMADOR OBJETIVOS: Estudiar la relación de voltaje y corriente de un autotransformador. Aprender cómo se conecta un transformador estándar para que trabaje como autotransformador. Existen transformadores de propósito, que son aplicables en casos muy especiales, uno de estos (ocupado para transmitir grandes potencias)se caracteriza por tener sólo un devanado, que funciona como primario y secundario a la vez, en efecto se trata de un inductor con derivación y se le atribuye el nombre de: autotransformador. El autotransformador al igual que un transformador ocupa la inducción electromagnética para transportar la energía, elevando ó reduciendo el voltaje según se requiera. Dado que se trata de un transformador de propósito, la nomenclatura de sus voltajes, corrientes e incluso la del devanado no es la misma que la de un transformador común, pues para el autotransformador la sección del devanado que está entre la derivación y la terminal común (aparece en ambos lados) se le conoce como devanado común, mientras que la sección más pequeña del devanado se le conoce como devanado en serie, esto, por el mismo hecho de que se encuentra en serie con el devanado común. De la misma forma la relación de transformación (a) se modifica a esta nomenclatura, pero guardando el orden que se tiene en la de un transformador común, quedando: 109

111 En relación a esto, cabe señalar que sí un transformador común se conecta como autotransformador (tomando las precauciones necesarias), este podrá operar a una capacidad (KVA) mucho mayor a la que a modo transformador operaba, así por ejemplo, un transformador que maneja 5 KVA cuya relación de voltajes (V P /V S ) es 127/220 al ser conectado como autotransformador y reforzando su aislamiento podrá llegar a manejar hasta 11 KVA, lo que es el doble de la potencia que a la que fue diseñado como transformador. Es de suma importancia recalcar que el empleo del autotransformador no es tan común como el de un transformador pues su uso se remite a transformaciones por ejemplo de 120V a 75V ó de 13.2KV a 13.8KV, en circunstancias, donde la puesta de un transformador sería una opción demasiado cara. Sin embargo, a pesar de las considerables ventajas que tiene un autotransformador, este elemento presenta también inconvenientes; empecemos por cuando un transformador ordinario se conecta como autotransformador, esta acción debe realizarse con sumo cuidado y después de una rigurosa inspección del aislamiento de los devanados, esto porque el aislamiento existente en el devanado de bajo voltaje del transformador, no es lo suficientemente fuerte como para resistir el elevado voltaje de salida ó de entrada que manejara el aparato en modo autotransformador. Al construir una unidad de transformación predispuesta como autotransformador el aislamiento de ambos devanados (común y serie) es igual de fuerte, esto con el fin de soportar los niveles de tención a los que operará. Módulo de Transformador COMPONENTES A OCUPAR EQUIPO Módulo de Fuente de Alimentación (0-120 V c-a) Módulo de Medición de Voltaje de C.A. (250/250/250 V) Módulo de Medición de Corriente de C.A. (0.5/0.5/0.5 A) Módulo de Resistencia Cables de Conexión CÒDIGO EMS-8341 EMS-8821 EMS-8426 EMS-8425 EMS-8311 EMS

112 EL AUTOTRANSFORMADOR MODO DE CONEXIÓN: 1: 1.-Conecta el siguiente circuito. Nota que el devanado 5-6 del Módulo de Transformador se toma como primario, mas, de este mismo se obtiene una derivación central ( terminal 9 ), la cual se conecta a la carga junto con la terminal 6; esta derivación 9-6 es considerada como devanado secundario: 4 I1 A A-c.a V-c.a. V E V-c.a. 9 A I A-c.a. E V V-c.a. RL N 6 FIGURA: 5.1 a).- Abre todos los interruptores del Módulo de Carga Resistiva (todos los interruptores hacia abajo). b).- Enciende la Fuente de Alimentación, gira la perilla calibradora hasta tener 120 V c-a., (Voltaje Nominal del devanado 5-6) apóyate del Voltímetro E 1. c).- Calibra los elementos del Módulo de Resistencias, para obtener una Carga de 120Ω RESISTENCIA REQUERIDA DEL MÓDULO PRIMERA SECCIÓN SEGUNDA SECCIÓN TERCERA SECCIÓN 120 Ω 300 Ω 600 & 300 Ω NINGUNA d).- Toma las lecturas de los Amperímetros I 1, I 2 y el Voltaje del Secundario E 2 : I 1 : Amp c-a. I 2 : Amp c-a. E 2 : V c-a. e).- Reduce a Cero el Voltaje y Apaga la Fuente de Alimentación. f).-el Transformador, más que para elevar ó reducir Voltajes, su función principal es ser un puente para la Potencia, por tanto, Determina la Potencia Aparente (S) en los devanados Primario y Secundario: S 1 = [E 1 x I 1 ] S 1 =[ V c-a][ Amp c-a] S 1 = VA S 2 = [E 2 x I 2 ] S 1 =[ V c-a][ Amp c-a] S 2 = VA 111

113 g).- Son casi iguales ambas Potencias? Además de la explicación dada en f Qué otra razón puedes dar? h).- Es un Autotransformador reductor ó elevador? EL AUTOTRANSFORMADOR MODO DE CONEXIÓN: 2: 2.- a).- Conecta el siguiente Circuito. Date cuenta que ahora alimentamos la derivación 9-6 con 60 V c-a (Voltaje Nominal de esta sección), tomando esta sección del devanado como Primario, mientras la carga es conectada a las terminales 5-6, que son la sección del Secundario: 5 I2 A A-c.a V-c.a. I1 A E1 A-c.a. V V-c.a. 9 E2 V V-c.a. RL N 6 FIGURA: 5.2 b).-abre todos los interruptores del Módulo de Resistencias. c).- Enciende la Fuente de Alimentación y apoyándote del Voltímetro E 1 calíbrala a 60 V c-a. d).- Ajusta los interruptores del Módulo de Resistencias para una carga de 600 Ω. e).-toma las lecturas de los Amperímetros I 1, I 2 y del Voltaje obtenido a través de E 2 : I 1 : Amp c-a. I 2 : Amp c-a E 2 : V c-a. f).-reduce el Voltaje a Cero y Apaga la Fuente de Alimentación. g).-determina la Potencia Aparente (S) presente en los Devanados Primario y Secundario: S 1 = [E 1 x I 1 ] S 1 =[ V c-a][ Amp c-a] S 1 = VA S 2 = [E 2 x I 2 ] S 1 =[ V c-a][ Amp c-a] S 2 = VA h).- Son casi iguales ambas Potencias?. 112

114 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES PRÁCTICA: VI CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES EN PARALELO OBJETIVOS: Que el Alumno conozca cómo se conectan los Transformadores en paralelo. Que aprecie las ventajas de este tipo de conexión. Que el Alumno se relacione con el concepto de la Eficiencia (η) de una Máquina Eléctrica. Que determine los efectos nocivos del sobrecalentamiento en un Transformador. Se dice que dos ó más transformadores operan en paralelo, cuando sus devanados primarios son alimentados por una misma fuente, mientras sus secundarios suministran a una misma carga. La decisión para conformar un banco de transformadores en paralelo viene a raíz de las necesidades que se tienen en el suministro, sin embargo, la puesta de transformadores en paralelo no es una acción que se realiza a la ligera, pues, los transformadores que conformaran el banco deben cumplir ciertas condiciones, que son: Tener la misma relación de transformación (operar con mismos voltajes de entrada y mismos voltajes de salida). Los devanados deben tener la misma polaridad, esto es, las marcas de los devanados primarios estarán en un mismo lado, mientras las de los secundarios en su lado respectivo. Iguales tensiones de cortocircuito. Siendo la primera condición un factor lógico e importante, ya que sí hace caso omiso a esta regla se pueden producir corrientes (en condiciones de gran demanda ó falla) tan elevadas que pueden quemar e incluso hacer explotar al banco de transformación, siendo esto evitable al tener la misma relación de transformación (a) en cada transformador del banco. 113

115 En base a la segunda condición, se logra que al conectar el banco a la ó las cargas, las corrientes que circulan por los devanados secundarios se encuentren en fase entre ellas y con la corriente de la carga. La tercera condición es vital para el buen funcionamiento del banco bajo carga, esto, una vez cumplidas las dos primeras. Pues, sólo cuando se cumple la tercera condición, la repartición para la ó las cargas, será de manera proporcional a la capacidad (VA) de cada transformador. Pues sea una carga de 125 KVA, la que se alimenta por dos transformadores en paralelo, el primero de 100 KVA y el segundo de 200 KVA, se tendrá un funcionamiento en paralelo correcto sí, el primer transformador otorga 50 KVA, mientras el segundo aporta los 75 KVA restantes. La operación en paralelo es eficiente sí la ó las cargas se reparten proporcionalmente, según las capacidades nominales de cada transformador. El hecho de conectar una carga en un transformador implica varios conceptos, uno de ellos es la eficiencia (η) ó rendimiento que es un concepto global para cualquier tipo de máquina eléctrica y se define como: Expresándose matemáticamente como: La relación entre la Potencia activa (Watts) que sale con respecto a la que entra, que presenta una máquina al conectarle una carga. COMPONENTES A OCUPAR EQUIPO Módulo de Transformador (2 Unidades) Módulo de Fuente de Alimentación (0-120 V c-a) Módulo de Wattímetro Monofásico (750 W) Módulo de Medición de Voltaje de C.A. (250/250/250 V) Módulo de Medición de Corriente de C.A. (0.5/0.5/0.5 A) Módulo de Resistencia Cables de Conexión CÓDIGO EMS-8341 EMS-8821 EMS-8431 EMS-8426 EMS-8425 EMS-8311 EMS

116 PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LA CONEXIÓN: 1.- a).-conecta el siguiente circuito. Nota que el arreglo entre ambos Transformadores es en Paralelo, en modo elevador. Aplicamos 120 V c-a, determinando la Potencia de entrada por los devanados primarios 1-2 a través del Wattímetro monofásico, estos devanados también conectados en paralelo uno respecto al otro. Los Devanados Secundarios 3-4 conectados en paralelo entre sí y con la Carga Resistiva (R L ); los Amperímetros I 1, I 2 proporcionan las corrientes en los Secundarios mientras que I L nos indica la Corriente en la Carga: V-c.a. 1 2 W 3 4 E1 V V-c.a. 1 3 I1 A A-c.a. A A I I-L A-c.a. 3 Z-L A-c.a. E-L V V-c.a. 1 N FIGURA: 6.1 b).-con la finalidad de tener una Corriente de Carga I L igual a cero. Abre todos los interruptores del Módulo de Resistencia (Posición Abajo). c).-enciende la Fuente de Alimentación Gira lentamente la perilla calibradora de Voltaje, Pon atención que los Amperímetros I 1, I 2 así como I L, marquen cero.!! Esta lectura en los Amperímetros nos indicara si los devanados están debidamente faseados. d).- Calibra la Fuente de Alimentación a 120 V c-a, apoyándote en el Voltímetro E 1. e).-sube los interruptores del Módulo de Carga Resistiva gradualmente, hasta obtener una I L igual a 500 ma c-a. Revisa E 1, para verificar que el Voltaje de entrada siga siendo 120 V c-a. f).- Mide y anota el Voltaje de Carga E L, la Corriente en la Carga I L, las Corrientes que circulan en los devanados Secundarios I 1 é I 2, así como la Potencia de entrada. E L : V c-a I 1 : Amp c-a. I L : Amp c-a. I 2 : Amp c-a. P ENTRADA : Watts g).-reduce el Voltaje a Cero y Apaga la Fuente de Alimentación. 115

117 2.- a).-determina la Potencia Real absorbida por la carga: (Ten siempre en cuenta que en Cargas Resistivas el Factor de Potencia, es: 1) P L = E L (I L )[F.P.] P L = V c-a x ( Amp c-a)( 1) b).-obtén la Eficiencia del Circuito: P L = Watts η= η= % c).-calcula las Perdidas (Potencia Real disipada en calor) en el Transformador: P PERDIDA = P ENTRADA - P SALIDA P PERDIDA = W - W P PERDIDA = W d).-determina la Potencia entregada por el Transformador 1: P ENTREGADA T-1 = I 1 [E L ][F.P.] P ENTREGADA T-1 = Amp c-a[ V c-a][ 1 ] P ENTREGADA T-1 = W e).-ahora determina la Potencia entregada por el Transformador 2: P ENTREGADA T-2 = I 2 [E L ][F.P.] P ENTREGADA T-2 = Amp c-a[ V c-a][ 1 ] P ENTREGADA T-2 = W f).- Se distribuye la Potencia de Carga casi equitativamente entre ambos Transformadores?. A qué crees que se3 deba esto? 116

118 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES PRACTICA: VII EL TRANSFORMADOR EN LA RED DE DISTRIBUCIÓN OBJETIVOS: Que el Alumno conozca el funcionamiento del Transformador de Distribución estándar con Voltaje de salida 240/120 Volts. Que comprehenda la importancia del Hilo Neutro para la red de suministro domestico. Al andar por la calle podemos ver transformadores de diversos tipos y formas, tanto los de poste como los de pedestal y podemos ver que no todos trabajan con la misma capacidad (VA), no obstante, todos los transformadores de la red eléctrica pública se encuentran conectados en paralelo, cumpliendo a lo menos dos de las condiciones descritas en la práctica anterior, siendo la primera condición la que siempre se debe cumplir, pues aunque todos los transformadores del orden público no operan a la misma capacidad, sí lo hacen a la misma relación de transformación (a), la cual es: / 220/120 Volts, siendo V, la tensión media que existe en los cables de mayor altura en los postes, de la cual se conectan los transformadores para ofrecer así 220V (línea-línea) trifásica ó 120 V (línea neutro) monofásica. Figura de transformador tipo poste, donde: A, B, C, D y E, son longitudes normalizadas. Mientras: 1 y 2 son los conductores de fase, con su respectivo apartarayo 117

119 Módulo de Transformador COMPONENTES A OCUPAR EQUIPO Módulo de Fuente de Alimentación (0-120/208 V c-a) Módulo de Medición de Voltaje de C.A. (250/250/250 V) Módulo de Medición de Corriente de C.A. (0.5/0.5/0.5 A) Módulo de Resistencia Módulo de Inductancia Cables de Conexión CÓDIGO EMS-8341 EMS-8821 EMS-8426 EMS-8425 EMS-8311 EMS-8321 EMS-8941 TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN BAJO CARGAS VARIABLES: 1.- a).-conecta el siguiente circuito Date cuenta que el Devanado Primario ( 3-4 del Módulo Transformador ) se conecta a las terminales 4 y 5 de la Fuente de Alimentación ( V c-a.). Mientras el Devanado Secundario, constituido por los Devanados en serie 1-2 y 5-6 proporcionan 240 V c-a., a la carga Resistiva: A 120 V c-a. I1 A A-c.a. E V V-c.a. R V-c.a V c-a. I-N A A-c.a. E V V-c.a. R-2 E V V-c.a B I2 A A-c.a. FIGURA:

120 2.- a).- Enciende la Fuente de Alimentación y gira la Perilla calibradora hasta tener un Voltaje de 208 V c-a., apoyándote del Voltímetro de la Fuente de Alimentación. b).-toma las lecturas del Voltaje Total de salida E T, los Voltajes en cada Carga E 1, E 2, así como el valor de las Corrientes de Línea I 1, I 2 con la Corriente del Hilo Neutro I N y anótalas en las Tablas y 7.1.2, según los siguientes Casos: CASO: α (Alfa) - Abre todos los interruptores de los Módulos de Resistencias (Interruptores hacia Abajo). -Toma las lecturas, anótalas, reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación. - Por qué no se registran corrientes en los devanados secundarios del Transformador? CASO: β (Beta) -Ajusta los Módulos de Resistencia R 1 y R 2 a los valores requeridos. - Enciende la Fuente de Alimentación y ajústala a 208 V c-a. -Toma las lecturas, anótalas en la tabla, reduce Voltaje a Cero y apaga la Fuente. - A qué se debe que la Corriente del Hilo Neutro sea cero en este caso? CASO: γ (Gama) -Ajusta la Carga a los valores requeridos R 1 y R 2. -Enciende la Fuente de Alimentación, ajústala a 208 V c-a. - Toma las lecturas, anótalas en la tabla, reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente. - Es igual la Corriente en el Hilo Neutro a la diferencia ente las Corrientes de Línea I 1 I 2? CASO R 1 Ω R 2 Ω α β γ I 1 A I 2 A TABLA: I N A E 1 V c-a E 2 V c-a E TOTAL V c-a 119

121 CASO: δ (Delta) -Retira el Hilo Neutro de los Devanados Secundarios, quitando el cable que se encuentra en una de las terminales 1 ó 6 y el Amperímetro I N. -Ajusta la Resistencia de Carga a los Valores requeridos. -Enciende la Fuente de Alimentación y ajústala a 208 V c-a. Apoyándote del Voltímetro en la Fuente. -Mide, anota en la tabla, reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente. -Sí R 1 y R 2 fueran lámparas incandescentes Con qué intensidad brillarían estas al efecto producido en este caso? CASO: ε (Épsilon) -Reconecta el Hilo Neutro con su respectivo medidor de corriente. -Cambia el Módulo de Carga Resistiva R 2, por el Módulo de Inductancia. -Usa la siguiente combinación para obtener 400 Ω del Módulo de Carga Resistiva. RESISTENCIA REQUERIDA DEL MÓDULO PRIMERA SECCIÓN SEGUNDA SECCIÓN TERCERA SECCIÓN 400 Ω 1200 y 600 Ω NINGUNA NINGUNA -Usa la misma combinación para obtener una Reactancia Inductiva X L de 400 Ω -Enciende la Fuente de Alimentación y Ajústala a 208 V c-a. -Mide, anota en la tabla, reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente. -Es igual la Corriente que circula en el Hilo Neutro a la diferencia entre las Corrientes de Línea I 1 I 2 : Por qué? R 1 R 2 CASO Ω Ω δ ε I 1 A I 2 A TABLA: I N A E 1 V c-a E 2 V c-a E TOTAL V c-a 120

122 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ TRANSFORMADORES Y SUBESTACIONES PRÁCTICA: VIII TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS Y SUS CONEXIONES OBJETIVOS: Que el Alumno conozca las conexiones [Y-Δ] que se hacen con los Devanados de un transformador Trifásico. Que aprenda a diferenciar entre un Voltaje de Línea y uno de Fase. Que aprehenda los Procedimientos de Seguridad en la operación de un Transformador Trifásico con una conexión en el Secundario en Delta [Δ]. Que conozca las características de las conexiones Delta y Delta abierta, esto en el Secundario del Transformador. Un equipo de transformación trifásica puede presentarse de dos maneras; la primera se compone por tres transformadores monofásicos con los cuales se hacen arreglos de conexión, mientras cada uno actúa sobre una fase y se le llama banco trifásico. Mientras la segunda manera se conforma por el transformador trifásico como tal, que es una unidad con tres pares de bobinados enrollados sobre un núcleo común. Las unidades monofásicas a conectar, no pueden variar entre sí, si no para que estas se conecten correctamente, garanticen su funcionamiento y el suministro eléctrico deben cumplir ciertas características que son: Tener la misma capacidad (KVA-MVA). Operar a los mismos niveles de voltaje (primarios y secundarios). Mismas marcas de polaridad. Que los transformadores monofásicos a ocupar sean del mismo fabricante. Cualquiera de las formas de transformación trifásica son efectivas. Así, existiendo en ambas formas tres devanados primarios y tres secundarios, se tienen dos formas de conexión para cada trió, la conexión estrella ó Y ( Y ) y la conexión delta ó triángulo ( Δ ). 121

123 De las cuales se tienen cuatro tipos de conexiones conjugadas posibles en una unidad de transformación trifásica, que son: Estrella (Y) Estrella (Y) Estrella (Y) Delta (Δ) Delta (Δ) Estrella (Y) Delta (Δ) Delta (Δ) 122

124 La conexión (Y-Y) es adecuada y económica para el manejo de tensiones elevadas (transmisión), se caracteriza por brindar un buen servicio a sistemas en que se requiera disponer de 4 hilos (tres líneas vivas y el neutro). Es ideal para sistemas de transmisión ya que en estos, no existen grandes desequilibrios entre los voltajes de fase, ya que esta conexión sólo admite un 10% I 2n como máximo de desequilibrio para operar correctamente, pues tiende a desequilibrarse severamente, sí las cargas alimentadas por fase varían; por otra parte la conexión (Y-Δ), debido a las características de la delta (Δ), en el secundario, esta conexión es ideal para reducción de tensiones e incremento de corrientes, siendo posible su aplicación más en sistemas de potencia, además de poder operar sin ningún problema con cargas desbalanceadas. La conexión (Δ-Y) es la más empleada en la industria eléctrica, debido a que sirve como unidad elevadora de tensiones y limitadora de corrientes, su aplicación e importancia va desde los grandes sistemas de potencia hasta sistemas de distribución, opera correctamente a un con cargas desequilibradas y es conveniente de igual manera para sistemas de alumbrado y fuerza, por otra parte la conexión (Δ- Δ) es empleada en transformadores ó bancos trifásicos que no manejan elevados voltajes, además, de aplicarse en instalaciones donde la continuidad del suministro trifásico debe estar garantizada. Las principales ventajas de esta conexión radican en la estabilidad de sus voltajes y en la nula presencia de armónicos ante cargas desequilibradas. Es importante mencionar, que sin hacer distinción entre conexiones, el arreglo secundario a la hora del armado debe de hacerse con sumo cuidado (especialmente en una delta), buscando guardar las correctas relaciones de fase entre los devanados. Siendo el caso para una unidad de transformación trifásica con su secundario en Y, se mide el Vab=v3(Van)=v3(Vbn) Vab=Van=Vbn V A B N A N C Vbc=Vac=v3(Van)=v3(Vbn)=v3(Vcn) Vbc=Vac=Van=Vb n=vcn V B voltaje entre los puntos A y B, el cual debe ser 3 veces mayor que el voltaje obtenido entre cualquier línea y el neutro (esto es el voltaje de un devanado), si la lectura no corresponde a lo indicado, es necesario invertir uno de los devanados; este mismo hecho debe cumplirse al incorporar el devanado de la línea C. En el caso de una unidad de transformación trifásica con su secundario dispuesto a conectar en delta (Δ), se mide el voltaje de los dos primeros devanados de extremo a extremo, tal lectura debe ser la misma a la que se obtiene al medir el voltaje de uno de los devanados, si esta lectura entre A y C difiere, se debe invertir uno de los devanados. Al cerrar la delta, con el tercer devanado se conecta primeramente una de sus terminales, midiendo ahora entre las terminales C y C1 se debe obtener una lectura de 0 Volts; si se detecta un voltaje en estos bornes, se debe de invertir el bobinado C, evitando cerrar la delta en tales condiciones. 123

125 B B a b a b A V C Vac =Va=Vb Vac =v3(va)=v3(vb) A c C1 C V Vc-c1 = 0 Volts Vc-c1 = X Volts Es importante mencionar que jamás se debe de cerrar un secundario en delta (Δ), antes de verificar que el voltaje dentro de esta es cero, ya que sí se cierra la delta y no se toma en cuenta esta condición, la corriente desarrollada será tan elevada que alcanzará la magnitud de un cortocircuito, dañando al transformador y en algunos casos haciéndolo estallar. COMPONENTES A OCUPAR EQUIPO Módulo de Transformador (3 Unidades) Módulo de Fuente de Alimentación (0-120/208 V c-a 3φ) Módulo de Medición de Voltaje de C.A. (250/250/250 V) Cables de Conexión CÓDIGO EMS-8341 EMS-8821 EMS-8426 EMS

126 EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO CON CONEXIÓN: [Y-Y] ESTRELLA-ESTRELLA 1.- a).-conecta el siguiente circuito. Haz las conexiones tal y como se te indican y observa cómo cada Devanado de la configuración del Primario, se acopla magnéticamente con su respectivo Devanado de la configuración del Secundario. 4 V-Linea V-c.a. 5 V-Línea V-c.a V V E2 V-Fase V-c.a. E1 V-Fase V-c.a. V E3 V-Línea V-c.a. 5 E5 V-Fase V-c.a. E6 V-Línea V V V-c.a V-c.a. V E4 V-Fase PRIMARIOS SECUNDARIOS FIGURA 8.1 b).- Dado que: Determina los valores esperados en todos los Voltímetros y anótalos a continuación: PRIMARIOS E 1 V-Fase = V c-a E 2 V-Fase = V c-a. E 3 V-Línea = V c-a SECUNDARIOS E 4 V-Fase = V c-a E 5 V-Fase = V c-a. E 6 V-Línea = V c-a c).-enciende la Fuente de Alimentación, gira la perilla calibradora hasta tener un Voltaje de 120 V c-a. 125

127 d).- Toma las lecturas de los Voltímetros y anótalas a continuación: PRIMARIOS E 1 V-Fase = V c-a E 2 V-Fase = V c-a. E 3 V-Línea = V c-a SECUNDARIOS E 4 V-Fase = V c-a E 5 V-Fase = V c-a. E 6 V-Línea = V c-a e).-reduce el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación. Concuerdan los valores que calculaste con los valores medidos? Sí tu respuesta es No, toma atención en el diagrama y en la ecuación. EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO CON CONEXIÓN: *Δ-Y] DELTA-ESTRELLA 2.- a).-conecta el siguiente circuito: Observa, como cada devanado que conforma la configuración del Primario se acopla magnéticamente con su respectivo elemento de la configuración del Secundario, aun cuando no se trata de la misma configuración en ambas secciones. 4 V-Línea 0-90 V-c.a. 5 V-Línea 0-90 V-c.a V-c.a. E3 V-Fase V-c.a. E1 V-Fase V V E2 V-Fase V V-c.a. 5 E5 V-Fase V-c.a. V E6 V-Línea V V-c.a V E4 V-Fase V-c.a. PRIMARIOS FIGURA 8.2 SECUNDARIOS 126

128 b).- Apoyándote de la expresión que aparece en el Procedimiento 1-b; Calcula los Voltajes que crees registraran los Voltímetros y anótalos a continuación: PRIMARIOS E 1 V-Fase = V c-a E 2 V-Fase = V c-a. E 3 V-Fase = V c-a SECUNDARIOS E 4 V-Fase = V c-a E 5 V-Fase = V c-a. E 6 V-Línea = V c-a c).- Antes de Energizar el Circuito, Pide al Instructor revise la conexión de los elementos RECUERDA QUE LA CONEXIÓN DELTA EN TRANSFORMADORES SE CARACTERIZA TAMBIÉN POR SU PELIGROSIDAD EN LAS CORRIENTES QUE ESTA DESARROLLA. POR TÚ SEGURIDAD NO TE DISTRAIGAS EN ESTE NI EN LOS PROCEDIMIENTOS SIGUIENTES. d).-enciende la Fuente de Alimentación, aumenta lentamente el Voltaje de Salida hasta obtener 90 V c-a. e).- Toma las lecturas de cada Voltímetro y anótalas a continuación: PRIMARIOS E 1 V-Fase = V c-a E 2 V-Fase = V c-a. E 3 V-Fase = V c-a SECUNDARIOS E 4 V-Fase = V c-a E 5 V-Fase = V c-a. E 6 V-Línea = V c-a f).-reduce el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación. Son aproximadamente iguales los valores medidos a los calculados? EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO CON CONEXIÓN: [Y-Δ+ ESTRELLA-DELTA 3.- a).-conecta el siguiente circuito: Como puedes ver los Devanados del Primario y el Secundario mantienen el acoplamiento magnético. 127

129 V-c.a V-c.a V E V V-c.a. E V-c.a. E3 V V-c.a. E4 V-Fase V-c.a. V 6 V V E5 V-Fase V-c.a. 5 6 E6 V-Fase V-c.a. A PRIMARIOS SECUNDARIOS FIGURA 8.3 b).-considerando la expresión ya mencionada: Determina los Voltajes que aparecerán registrados en los Voltímetros y anótalos a continuación: PRIMARIOS E 1 V-Fase = V c-a E 4 V-Fase = V c-a E 3 V-Línea = V c-a SECUNDARIOS E 2 V-Fase = V c-a. E 5 V-Fase = V c-a. E 6 V-Fase = V c-a c).- A CONTINUACIÓN REALIZARAS EL PROCEDIMIENTO PARA CERCIORARTE QUE ES SEGURO CERRAR LA DELTA: Abre el Secundario en el Punto: A, esto es retira la conexión entre 5-6. Conecta un Voltímetro en estas terminales, tal y como se ilustra en la el siguiente esquema: 128

130 E4 V-Fase V-c.a. V 5 6 E5 V-Fase V-c.a V-c.a. V V E6 V-Fase A V V-c.a. c ).- Enciende la Fuente de Alimentación, y aumenta lentamente el Voltaje de salida. Sí los Devanados en Delta están faseados correctamente, el Voltímetro A, debe marcar un Voltaje muy pequeño cercano a Cero; esto, se debe a que no todos los Voltajes de la Fuente trifásica son iguales. Si esta condición se cumple, es posible cerrar la Delta sin temor a que los Devanados Secundarios provoquen un incendio. SECUNDARIOS c' ).- Baja el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación. c' ).- Desconecta el Voltímetro A y cierra la Delta conectando nuevamente 5 y 6. d).-enciende la Fuente de Alimentación, gira la perilla calibradora de Voltaje hasta obtener 120 V c-a Línea a Línea. e).-toma las lecturas de los Voltímetros y anótalas a continuación: PRIMARIOS E 1 V-Fase = V c-a E 2 V-Fase = V c-a. E 3 V-Línea = V c-a SECUNDARIOS E 4 V-Fase = V c-a E 5 V-Fase = V c-a. E 6 V-Fase = V c-a f).- Reduce el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación. Concuerdan los valores de Voltaje obtenidos a los calculados? EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO CON CONEXIÓN:*Δ-Δ+ DELTA-DELTA 4.- a).-conecta el siguiente circuito: Nota el acoplamiento magnético entre los Devanados del Primario y el Secundario. 129

131 4 V-Línea V-c.a. 5 V-Línea V-c.a V-c.a. E3 V-Fase V-c.a. E1 V-Fase V V E2 V-Fase V V-c.a. E4 V-Fase V-c.a. V 6 V V V-c.a. 5 6 E6 V-Fase V-c.a. A PRIMARIOS FIGURA: 8.4 SECUNDARIOS b).-obten los Voltajes que consideras registraran los Voltímetros, anotándolos a continuación: PRIMARIOS E 1 V-Fase = V c-a E 2 V-Fase = V c-a. E 3 V-Fase = V c-a SECUNDARIOS E 4 V-Fase = V c-a E 5 V-Fase = V c-a. E 6 V-Fase = V c-a c).-repite el procedimiento 3-c con sus subdivisiones para cerciorarnos que las marcas de polaridad de los Devanados que componen la Delta Secundaria tengan un faseo correcto y podamos cerrarlos con plena seguridad. d).-enciende la Fuente de Alimentación y aumenta el Voltaje de Salida hasta obtener 120 V c-a. Línea a Línea. e).-toma las lecturas correspondientes y anótalas a continuación: PRIMARIOS E 1 V-Fase = V c-a E 2 V-Fase = V c-a. E 3 V-Fase = V c-a SECUNDARIOS E 4 V-Fase = V c-a E 5 V-Fase = V c-a. E 6 V-Fase = V c-a 130

132 f).-reduce el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación. Concuerdan tus cálculos con las lecturas de los Voltímetros? EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO CON CONEXIÓN: *Λ -Λ+ DELTA ABIERTA-DELTA ABIERTA 5.- a).-conecta el siguiente circuito tal y como se indica: Nota el acoplamiento magnético entre los Devanados de los Transformadores. 4 V-Línea V c-a. 5 V-Línea V c-a V-c.a. E3 V-Fase V-c.a. E1 V-Fase V V 1 2 V E2 V-Línea V-c.a. E4 V-Línea V-c.a. V 6 5 V V V-c.a. 5 6 E6 V-Fase V-c.a. PRIMARIOS FIGURA: 8.5 SECUNDARIOS b).-determina los Voltajes de Fase y Línea que registraran los Voltímetros y anótalos a continuación: PRIMARIOS E 1 V-Fase = V c-a E 2 V-Línea = V c-a. E 3 V-Fase = V c-a SECUNDARIOS E 4 V-Línea = V c-a E 5 V-Fase = V c-a. E 6 V-Fase = V c-a c).- Enciende la Fuente de Alimentación y ajústala a 120 V c-a Línea a Línea. d).-toma las lecturas de los Voltímetros y apuntalas a continuación: PRIMARIOS E V-Fase 1 = V c-a E V-Línea 2 = V c-a. E V-Fase 3 = V c-a e).- Reduce el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación. Concuerdan los resultados que obtuviste con las lecturas de los Voltímetros tomadas? 131

133 5.2.-EL ALTERNADOR: UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A. PRÁCTICA: I PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO Y CONSTRUCCIÓN DEL ALTERNADOR OBJETIVOS: Que alumno, comprenda los principios que rigen el funcionamiento del alternador, reforzando los conocimientos adquiridos en clase. Comprender el desarrollo de la onda, del voltaje generado. Conocer las piezas que constituyen el alternador. La producción de un voltaje (Fuerza Electromotriz: fem ) cuando un conductor en movimiento corta las líneas de fuerza de un campo magnético, es uno de los principales conceptos de la electricidad, pues es la segunda forma de inducir un voltaje, la cual también fue descubierta por Michael Faraday en 1831 y cuya expresión matemática (caso ideal) es: Donde B es densidad de flujo magnético (teslas), l es la longitud activa del conductor (m) y v es la velocidad relativa del conductor (m/seg). Sí un conductor se hace girar a una velocidad constante, en sentido contrario al de las manecillas del reloj (por ejemplo), dentro de un campo magnético producido por una bobina de campo T 1 T 2. Se tendrá que en las posiciones 1 y 7, el voltaje inducido es de 0 Volts, ya que el alambre se encuentra paralelo a las líneas de fuerza del campo magnético, produciedo que no se induzca ningún voltaje en el conductor. Sin embargo, en las posiciones 4 y 10 (90 y 270 de rotación) la fem inducida en el conductor llega a un valor máximo, porque el alambre corta la mayor cantidad de líneas de fuerza, no obstante, estas fems tienen polaridades opuestas. Conforme el alambre pasa por la posición 2 (30 en relación con el punto de arranque), la fem inducida en el conductor será exactamente la mitad ó 0.5 del voltaje máximo, al pasar el conductor por el punto 3 (60 con respecto al punto de arranque), la fem inducida será del valor máximo. En el punto 4, se induce el voltaje máximo y al pasar al punto 5 (a 120 del punto de arranque) la tensión inducida decae a del valor máximo. En 6 la fem sigue descendiendo a un valor de la mitad del valor máximo y en la posición 7 llega a 0 volts. Conforme el alambre se mueve en sentido descendente atravesando las mismas líneas de flujo magnético, el voltaje inducido nuevamente aumenta gradualmente sólo que su polaridad se invierte. El comportamiento que toma el voltaje inducido se muestra en la gráfica de la siguiente página: 132

134 En una revolución del alambre se induce un ciclo completo de voltaje alterno, que parte de cero, aumenta a un máximo en una dirección, regresa a cero, se eleva a un máximo en la otra dirección y retorna a cero. Sí se está familiarizado con la trigonometría, se dará cuenta que los valores 0.5 correspondiente a 30, correspondiente a 60 y 1 a 90 son los valores del seno de dichos ángulos, por lo que a la forma de onda de C.A. se le conozca como onda senoidal. La dirección de la fem inducida en un conductor que se mueve en un campo magnético, se determina por la regla de la mano derecha (para generadores), en la cual, el pulgar, el índice y el medio se sostienen a ángulos rectos; siendo que para esta regla el pulgar toma el sentido de movimiento del conductor, mientras el índice indica la dirección de las líneas del campo magnético y el dedo medio señala la dirección de la fem inducida. Por tanto, el voltaje inducido analizado arriba tendrá, de acuerdo con la regla de la mano derecha se moverá con dirección al lector. Es claro que en un generador de C.A. ó bien llamado alternador no se hace girar un solo alambre, si no que se utiliza una bobina de muchas vueltas de alambre que es la que se hace girar, por tanto no es posible obtener la magnitud del voltaje inducido con la expresión primeramente mencionada, ya que tal expresión emplea componentes lineales, como la velocidad; mientras que el movimiento que se da en el alternador de energía es rotacional, además de que se debe tomar en cuenta el área efectiva de las bobinas además de otros aspectos que modifican la expresión para determinar el voltaje inducido. Así, un alternador se puede definir como: Una máquina eléctrica rotatoria, capaz de transformar la energía mecánica en energía eléctrica, a través del principio de inducción electromagnética. Teniendo que la tensión inducida en este, se determina por: Donde es la velocidad angular (rpm), es el flujo magnético dentro de la máquina (webers). Estos puntos y un tercero que es una constante que representa la construcción de la máquina son los aspectos fundamentales de los que depende la generación de voltaje en un alternador. 133

135 Las piezas que conforman a la máquina como tal son: COMPONENTE ILUSTRACIÓN DESCRIPCIÓN Estator [Inducido] vi Es la parte estática y la más compleja en su construcción dentro del Generador alternador. Consta de tres elementos: la carcasa, núcleo y devanado estatoricos; La carcasa, es el soporte y la parte externa de la máquina, la cual aloja los demás componentes del estator, se fabrica generalmente de hierro fundido de alta resistencia a la vibración. El núcleo estatorico, es un armazón de láminas de acero al silicio (chapa magnética) de un grueso ligeramente mayor a las del rotor, estas se ranuran para formar canaletas donde estarán los devanados del estator. Los devanados inducidos, didácticamente se enseña que los devanados de cada fase se concentran en un solo par de ranuras de la superficie del estator.sin embargo, en realidad, los devanados correspondientes a cada fase se distribuyen en varios pares de ranuras adyacentes, perfectamente espaciadas y aislados unos de otros y del núcleo en sí, ya que sería difícil colocar todos los conductores en una sola ranura. En estos devanados se capta el voltaje inducido de C.A. y ya que estos formulan tres fases, pueden ser conectados en delta (Δ) ó estrella (Y). Rotor [Inductor] o Es la pieza giratoria, que recibe la fuerza mecánica de rotación, su eje de soporte principal (flecha) es una barra cilíndrica, resistente. Sostenida en ambos extremos por medio de cojinetes. El núcleo del rotor es un sistema de laminas aisladas una de otra (reduce pérdidas por corrientes parasitarías), cada lamina es de un material altamente permeable (acero al silicio). El devanado del rotor está elaborado de alambre magneto y se excita con C.D para la producción del campo magnético, el cual al girar el rotor varia con el tiempo. La disposición del devanado del rotor puede ser de dos formas: De polos lisos ó cilíndrico: Para máquinas de 2 a 4 polos, que operan a elevadas velocidades. Por su diseño este tipo de núcleo soporta la presión de elevadas fuerzas centrifugas. Aplicable a generadores impulsados por turbinas de gas ó vapor.-de polos salientes: Diseño que se toma para máquinas de 4 ó más polos. Este tipo de rotor es especial para alternadores que serán impulsados a bajas velocidades como por turbinas hidráulicas, pues por su 134

136 Anillos Rozantes vii Escobillas- Portaescobilla Excitador ó Excitatriz viii velocidad se necesita un mayor número de polos para alcanzar la frecuencia deseada. También llamados anillos colectores, son anillos de metal (generalmente bronce), que son instalados en el eje del rotor pero aislados al mismo tiempo de este y entre sí. A estos llega la excitación de C.D. que pasa al devanado del rotor, pues las terminales de entrada y salida de este devanado se conectan a cada uno de estos respectivamente. Las escobillas ó también llamadas carbones son cuerpos cúbicos de carbón grafitado ó de metales pulverizados que se sujetan mediante portaescobillas; estos últimos son simplemente cubos huecos de metal del largo y ancho del carbón, con un resorte ó una lámina tensora. Las escobillas se mantienen en continuo contacto con los anillos colectores, logrando una conexión continua entre la fuente excitadora (C.D.) y el devanado del rotor. Es un elemento que elimina el sistema de excitación de campo por anillos rozantes y escobillas, se emplea para suministrar la excitación de C.D. en los alternadores de mayor capacidad. Se trata de un pequeño generador de C.A., cuyo campo magnético se desarrolla en el estator (contrariamente a la máquina mayor), que al ser cortado por los devanados de inducido (instalados en el mismo eje del alternador principal) produce una corriente trifásica que se rectifica y se comunica directamente a los devanados de campo del generador más grande. A través de este componente es posible controlar la corriente de campo de un generador de gran capacidad sin anillos rozantes y escobillas. 135

137 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A. PRÁCTICA: II EL ALTERNADOR TRIFÁSICO OBJETIVOS: Que el Estudiante interactué con un Generador de C.A. Trifásico y vea las conexiones del Rotor y Estator de este. Que comprenda los efectos que trae la Saturación Magnética en el Rotor del Generador Que comprenda las relaciones de Voltaje que guarda el Generador. Que comprenda e identifique los efectos del Cortocircuito en el Generador de C.A. Existen dos tipos, de máquinas rotatorias, capaces de producir un voltaje de C.A., y estas son de inducción ó síncronos. No obstante y por una parte los generadores de inducción son relativamente ineficientes y caros, mientras los generadores síncronos comúnmente llamados alternadores, son máquinas más eficientes y baratas. Deben su nombre (síncronos) por que la frecuencia (Hz) del voltaje que estas producen depende directamente de la velocidad que alcancen estas maquinas. Otro factor que las identifica es que necesitan una fuente externa de C.D., para producir el campo magnético interno, pues la magnitud que alcance el voltaje generado depende en gran manera de la excitación de C.D. Al aumentar la excitación de campo de C.D. de un alternador, manteniendo este su velocidad de rotación constante, el flujo magnético y el voltaje de salida aumentan en proporción directa a la corriente de excitación. Sin embargo, sí se sube indiscriminadamente la excitación de C.D., llegará el momento en que el núcleo ferromagnético del rotor se sature. Tal saturación se refleja en que aunque existan más incrementos en la excitación de C.D., el voltaje generado tomara valores proporcionalmente constantes. Cuando un alternador que está entregando voltaje nominal se pone en cortocircuito, se engendraran dentro de la máquina generadora elevadas corrientes que fluirán en un sentido contrario al sentido que tiene el voltaje generado, tal confrontación, produce un efecto desmagnetizante en la máquina que abate el voltaje generado a valores nulos. En el instante del cortocircuito, estas corrientes toman valores significativos, sin embargo, sí el cortocircuito se mantiene decrecen a valores seguros. 136

138 Fuente Trifásica de Poder Motor / Generador Síncrono COMPONENTES A OCUPAR EQUIPO Módulo de Conexiones del Motor / Generador Síncrono Motor de Inducción Jaula de Ardilla Módulo de Conexiones del Motor Jaula de Ardilla Módulo de Sincronización Volt-amperímetro de C-D. Módulo de Medición de Voltaje de C.A. Módulo de Medición de Corriente de C.A. Cables de Conexión Acoplador CÓDIGO EMS-8525 EMS-8507 EMS-8508 EMS-8503 EMS-8504 EMS-8518 EMS-8513 EMS-8426 EMS-8514 EMS-8550 EMS

139 FAMILIARIZACION CON LAS CONEXIONES ESTATOR-ROTOR DEL GENERADOR DE C.A. 1.- Acopla, El Alternador Trifásico al Motor de Inducción Jaula de Ardilla y conéctalos a sus respectivos módulos de conexión, (guíate con los números de los Códigos EMS, pues estos para cada Motor/Generador con su respectivo Módulo son consecutivos). a).-conecta el siguiente circuito: Usaremos el Motor con rotor Jaula de Ardilla como elemento impulsor para el Alternador, esto, debido a su característica de mantener una velocidad constante: TIP DE CONEXIÓN: A manera de sugerencia, lo ideal en estas Prácticas, es iniciar la Conexión a partir de la Fuente de Alimentación, esto es, conectar primeramente aquellos elementos que tienen relación directa con la Fuente de Alimentación V C-A V C-A V C-D N MOTOR DE INDUCCIÓN CON ROTOR JAULA DE ARDILLA Amp E1 V V-c.a. I-F 0-2 A c-d A + - E2 E3 V V V-c.a V-c.a ESTATOR GENERADOR / MOTOR TRIFÁSICO C-A ROTOR 7 8 FIGURA 2.1 -Nota que el Motor de inducción con Rotor Jaula de Ardilla se alimenta con 208 V c-a Línea-Línea, voltaje que se obtiene de las terminales 1, 2 y 3 de la Fuente de Alimentación. -También nota que alimentamos el rotor del Generador con un Voltaje variable de C-D, esto, con el fin de producir el Campo Magnético, que cortará las espiras en el Estator de la máquina. -Cabe señalar que las terminales 1,2 y 3 del Módulo de Generador / Motor de C.A. son las terminales de donde se obtiene el Voltaje producido por el Generador. b).-el Módulo de Conexiones del Generador / Motor de C-A., tiene un interruptor, con el cual se energiza el Rotor, ábrelo (colócalo en posición hacia abajo). c).-revisa que la Perilla reguladora de Voltaje de la Fuente de Alimentación este en Cero Volts. 138

140 EL MAGNETISMO REMANENTE DE UN GENERADOR 2.- a).-cambia la conexión de los Voltímetros E 1, E 2 y E 3 colocándolos en la escala de 100 V. b).-enciende la Fuente de Alimentación, el Motor de Inducción debe de arrancar, moviendo al Generador. c).-considerando que no se debería tener ningún Campo Magnético cortando las espiras en el Generador (El interruptor de la Corriente de excitación está abierto). Toma las lecturas de los Voltímetros y anota a continuación: E 1.- V c-a E 2.- V c-a E 3.- V c-a d).- Existe un Voltaje Generado sin la presencia del Campo Magnético producido por la excitación de C-D? Por qué? e).- Apaga la Fuente de Alimentación. EFECTO DE SATURACIÓN MAGNÉTICA EN EL NÚCLEO DEL GENERADOR DE C.A. 3.- a).-reconecta los Voltímetros a la escala de 250 V c-a. b).-cierra el interruptor de excitación de C.D. en el Modulo de Conexiones del Generador / Motor de C-A. (posición hacia arriba). c).-enciende la Fuente de Alimentación, el Motor arrancara. d).-para cada incremento en la excitación de C-D que aparece en la siguiente Tabla, toma las lecturas de los Voltímetros y anota. I F Amp C-D E 1 Volts C-A E 2 Volts C-A TABLA: 2.1 E 3 Volts C-A Voltaje Promedio e).-baja el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación. f).-determina el Voltaje Promedio. 139

141 RELACIONES DE VOLTAJE EN EL GENERADOR DE C.A. 4.- a).-enciende la Fuente de Alimentación y calibra la excitación de C-D, hasta que E 1 registre 208 V c-a, Toma las lecturas de E 2,E 3 y anota: E 2.- V c-a E 2.- V c-a b).- Sin tocar la perilla calibradora de voltaje, apaga la Fuente de Alimentación. c).- Desconecta los Voltímetros y la conexión en estrella que se tiene en las terminales 4, 5 y 6. Ahora conecta un Voltímetro para cada Devanado del Estator. d).-enciende la Fuente de Alimentación, toma las lecturas y anota: E 2.- V c-a. E 1.- V c-a. E 3.- V c-a. e).- Baja el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación. f).- Guarda el Generador de C-A, la misma relación de Voltajes entre Líneas-Fases que una Fuente Trifásica ordinaria? CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE C-A., EN ESTADO DE CORTOCIRCUITO 5.- a).-conecta el siguiente circuito: V C-A MOTOR DE INDUCCIÓN CON ROTOR JAULA DE ARDILLA 1 4 I AMP C-A A Amp 1 4 GENERADOR / MOTOR TRIFÁSICO C-A V C-A E1 V V-c.a ESTATOR ROTOR ON OFF MODULO DE SINCRONIZACIÓN V C-D N 2 Amp I-F 0-2 A c-d A + - FIGURA 2.2 b).-coloca el interruptor del Módulo de Sincronización en posición abierta (posición hacia abajo). c).-enciende la Fuente de Alimentación y a través de la Perilla calibradora del voltaje de salida, aumenta el Campo Magnético del Rotor en el Generador hasta que E 1 indique 208 V c-a. El Motor de Inducción debe estar operando y las tres lámparas del Modulo de Sincronización deben estar encendidas. 140

142 d).-toma la lectura del Amperímetro de C-D, que registra la Corriente de excitación en el Rotor del Generador y anota: I F.- Amp C-D. e).-a continuación el Instructor inducirá un Cortocircuito en el Generador de C-A., al cerrar el interruptor del Módulo de Sincronización, mientras Tú y tus compañeros observen detenidamente el comportamiento del Amperímetro I 1, en el momento en que se induce la falla. f).- A qué magnitud llego la Corriente de Cortocircuito registrada por I 1? g).- A qué magnitud se estabilizo la Corriente de Cortocircuito en los devanados del Generador? h).- A qué se debe que se produzca este efecto? h).- Cómo se comportó la Corriente de Excitación, estable después del Cortocircuito ó vario? i).-baja a Cero el Voltaje y apaga la Fuente de Alimentación. 141

143 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A. PRÁCTICA: III EL GENERADOR DE C.A. BAJO CARGA OBJETIVOS: Que el Alumno note y conozca las características de un Generador de C.A. conectado a cargas Resistivas, Inductivas y Capacitivas. Que sepa los riesgos que se tienen al momento de retirar las cargas del Generador de C.A. cuando este se encuentra funcionando. Que aprenda los enormes beneficios que ofrecen las cargas capacitivas a los Sistemas de Generación Eléctrica. Que vea el efecto que produce una carga monofásica grande en en un Sistema de Voltaje Trifásico. Cuando un conjunto primotor-alternador, opera sin alimentar ningún sistema ó aparato (operación en vacio), el voltaje en terminales del alternador V φ es el mismo que el voltaje interno generado en el inducido (estator) E g. Ambos voltajes (sólo en condición de vacio) son dependientes de la corriente de campo, (excitación de C.D.) que se suministre al rotor del alternador, limitándose estos voltajes a los niveles de saturación magnética que alcance el núcleo del rotor. Cuando un alternador es conectado a una carga E g comienza a diferir de V φ, debido a que, comienza a circular una corriente por los devanados del inducido (estator), tal corriente desarrolla un campo magnético (polos ficticios en el estator), el cual reacciona con el campo magnético giratorio de campo del rotor, produciendo alteraciones en el voltaje de fase resultante (V φ ). Este efecto desarrollado bajo condiciones de carga se conoce como reacción del inducido y es la problemática más grande para el funcionamiento de cualquier generador. Dependiendo del tipo de carga y su factor de potencia (F.P.) la reacción es diferente, pudiendo visualizar el efecto de la carga en el alternador, a partir de un diagrama fasorial. Efecto de cargas resistivas [Factor de potencia unitario] Este tipo de cargas (como las siguientes) produce tensiones en el inducido generadas por la circulación de corriente en este (I a ), desarrollan un flujo magnetizante transversal, φ a el cual es máximo en la región interpolar y se retrasa con respecto al flujo principal φ R en el entrehierro por 90 ; esto genera que se deba aumentar la tensión interna generada E g, para obtener la tensión nominal en bornes V φ. 142

144 Efecto de cargas inductivas [Factor de potencia en atraso] La circulación de la corriente I a por los devanados del inducido genera un campo magnético (fmm) y un flujo φ a que se opone al flujo inicial de excitación φ R existente en el entrehierro y producido por el rotor; tal flujo (φ a ) desarrolla un efecto desmagnetizante, pues sus polos ficticios se ubican frente a los polos del inductor (rotor) con el mismo signo. El flujo del inducido (estator) φ a concatena los conductores del mismo inducido (autoinducción) generando un voltaje de reacción de inducido E gr que se opone y reduce de manera considerable la magnitud del voltaje interno generado E g, llevando a una regulación de voltaje muy pobre con este tipo de cargas. Se caracterizan por ser cargas inductivas. Motores y todo tipo de aparatos con devanados; un estudio reciente ha confirmado que una computadora es vista por la línea como una inductancia. Efecto de cargas capacitivas [Factor de potencia en adelanto]: Esta carga afecta la corriente I a, de manera que genera una fuerza magnetomotriz (campo magnético) y un flujo en el inducido φ a, que se suma al flujo inicial del entrehierro producido por el rotor φ R, lo que produce un efecto magnetizante entre el rotor y estator de la máquina, pues ubica los polos ficticios desarrollados por la reacción de inducido, frente a los polos del inductor (rotor) de polaridad opuesta (figura. 3.6a). Tal efecto pone en fase los voltajes E g y E gr, permitiendo alcanzar el valor del voltaje nominal en terminales V φ con niveles relativamente bajos de excitación, mejorando así la regulación de tensión. Por otro lado, sí una fase del alternador trifásico se sobrecarga, el voltaje de las tres fases decaerá. Esta caída NO puede compensarse variando la corriente de excitación de C.D. Por tanto es esencial que los alternadores no tengan cargas muy desbalanceadas. 143

145 Fuente Trifásica de Poder Motor / Generador Síncrono COMPONENTES A OCUPAR EQUIPO Módulo de Conexiones del Motor / Generador Síncrono Motor / Generador de C-D Módulo de Conexiones del Motor / Generador de C-D CÓDIGO EMS-8525 EMS-8507 EMS-8508 EMS-8501 EMS-8502 Módulo de Resistencia Variable ( 3 Unidades ) EMS-8509 Módulo de Inductancia Variable ( 3 Unidades ) EMS-8510 Modulo de Capacitancia Variable ( 3 Unidades ) EMS-8511 Reóstato de Campo ( 2 Unidades ) EMS-8524 Volt-amperímetro de C-D. Módulo de Medición de Voltaje de C.A. Módulo de Medición de Corriente de C.A. Cables de Conexión Acoplador EMS-8513 EMS-8426 EMS-8514 EMS-8550 EMS-8943 Tacómetro de Mano

146 CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE C.A. CON CARGA RESISTIVA 1.- a).- Acopla el Motor /Generador de C.D. con el Motor /Generador de C.A. y estos con sus respectivos Módulos de Conexión (apóyate de la Nomenclatura EMS, pues es consecutiva de las Máquinas Rotatorias a sus Módulos de conexión). b).-conecta el siguiente circuito: Nota como el Motor de C-D, será nuestro elemento impulsor y como este esta conectado a la salida variable de V c-d (terminales 7 y N). Además de que la Corriente de excitación (I F - C.D. ) que suministraremos al Rotor del Generador de C.A., será calibrada por los dos reóstatos de campo que están conectados entre la salida fija de 120 V c-d (terminales 8 y N) y el Rotor: V C-D N 3 7 MOTOR / GENERADOR DE C-D I A c-a A Amp 2 E1 V V-c.a ESTATOR GENERADOR / MOTOR TRIFÁSICO C-A ROTOR V C-D N I-F 0-2 A c-d A 2 Amp + - FIGURA 3.1 -Date cuenta que la Carga Resistiva está conectada en estrella, a la salida de Voltaje trifásico generado, en el Generador de C.A. 145

147 c).-coloca los reóstatos de campo que calibran la excitación para el Rotor, para que ofrezcan su máxima resistencia (posición completa en el sentido de las manecillas del reloj). d).-cierra el interruptor de excitación del rotor en el Modulo de Conexiones del Generador de C.A. (posición hacia arriba). e).-la carga que alimentara el Generador de C.A., será balanceada primeramente, por tanto, coloca una resistencia de 30 Ω en cada Modulo de Carga. f).-enciende la Fuente de Alimentación, gradualmente aumenta el Voltaje de salida de la Fuente hasta obtener una velocidad en el Motor de 1800 rpm, para esto mide la Velocidad de la Máquina con el Tacómetro Manual, pidiendo al Instructor te enseñe el modo de uso de este. Nota: Para obtener una velocidad aproximada a las 1800 rpm (sin los reóstatos), la Perilla calibradora de Voltaje en la Fuente debe estar a un %, realiza los ajuste necesarios para obtener la Velocidad requerida pues esta no debe variar por el resto del experimento). g).-calibra los reóstatos de la Corriente de excitación, disminuyendo la resistencia de estos, hasta obtener un Voltaje generado por fase E 1 de 120 V c-a. Nota II: Al bajar la resistencia de los reóstatos una mayor I F, pasara al rotor del Generador, intensificando el campo magnético que corta a las espiras. Este efecto hace más pesado al Generador, por tanto la Velocidad del Motor de C.D., disminuirá. Una calibración aproximada para obtener 1800 rpm del Motor y un Voltaje de 120 Vc-a en el Generador es ajustar la Fuente a un 96% del Voltaje de Salida, con un reóstato a resistencia: 0 Ω y el otro a un 60% de su resistencia total. h).-toma las lecturas de ambos Amperímetros y anótalas a continuación: I F.- Amp. C-D I 1.- Amp. C-A PELIGRO!!! EL PROCEDIMIENTO SIGUIENTE DEBE REALIZARSE CON EXTREMO CUIDADO Y MUCHA VELOCIDAD: VAMOS A QUITAR LA CARGA DEL GENERADOR, SIN EMBARGO, AL HACER ESTO, Y CON ESOS NIVELES DE EXCITACIÓN, EL GENERADOR SERA EXTREMADAMENTE LIBIANO Y SE CORRE EL RIESGO DE QUE ESTE SE DESBOQUE. POR TÚ SEGURIDAD Y LA DEL EQUIPO DOS COMPAÑEROS ARAN LA OPERACIÓN; UNO BAJARA LOS INTERRUPTORES DE CARGA RESISTIVA, MIENTRAS EL OTRO SIMULTANEAMENTE BAJA EL VOLTAJE DE LA FUENTE A NIVELES CERCANOS A 0 VOLTS. i).- Abre los interruptores de la carga resistiva, para que el Generador de C.A. opere sin carga. Nuevamente Calibra la Velocidad de las Máquinas a 1800 rpm ( ). Mide y anota el Voltaje de salida del Generador por fase: E 1 y la Corriente de excitación I F : E 1.- Volts C-A I F.- Amp. C-D 146

148 j).- Baja el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación, de igual manera regresa ambos reóstatos a su Resistencia Máxima (Ajustarlos a favor de las manecillas del reloj). k).-determina la Regulación de Voltaje del Generador de C.A., para una Carga Resistiva (Recuerda que entre menor sea la Regulación de Voltaje de una Máquina Eléctrica Mejor y siendo excelente para valores negativos), por tanto dada la expresión: CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE C.A. CON CARGA INDUCTIVA 2.- a).-reemplaza la Carga del Generador, remueve los Módulos de Carga Resistiva y cámbialos por los de Carga Inductiva (No los asegures al gabinete de la Fuente, ya que se sacaran al terminar esta sección del experimento). b).-calibra los Módulos de Carga para que ofrezcan 30 Ω inductivos c/u. c).-enciende la Fuente de Alimentación y ajústala nuevamente, junto con los reóstatos para obtener una Velocidad en el Motor de C.D. de 1800 rpm y un Voltaje Generado por Fase E 1 de 120 V c-a. ( Para estas condiciones el Voltaje de la Fuente debe estar aproximadamente a un 52%, mientras por el lado de la Corriente de excitación un reóstato deberá tener Resistencia mínima, mientras el otro deberá tener un 50 ò 60 % de su Resistencia total; realiza las correcciones pertinentes para obtener las condiciones requeridas). d).- Toma la lectura de la Corriente que está absorbiendo la Carga inductiva y la Corriente de excitación que se le proporciona al Generador: I 1.- Amp. C-A I F.- Amp. C-D NUEVAMENTE RETIRAREMOS LA CARGA DEL GENERADOR MIENTRAS ESTE SE ENCUENTRA FUNCIONANDO. ASÌ UNO DE TUS COMPAÑEROS BAJARA LOS INTERRUPTORES DE CARGA INDUCTIVA MIENTRAS OTRO, SIMULTANEAMENTE BAJA EL VOLTAJE DE LA FUENTE A NIVELES CERCANOS A 0 VOLTS. (NO APAGUES LA FUENTE DE ALIMENTACIÒN Y BUSCA REGRESAR AL CONJUNTO MOTOR DE C.D. Y GENERADOR A LA VELOCIDAD DE 1800 RPM (VOLTAJE DE LA FUENTE 44%)). e).-mide el Voltaje generado E 1 sin carga y la Corriente de excitación I F : E 1.- Volts C-A I F.- Amp. C-D 147

149 f).-reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación, también regresa los reóstatos a su posición de resistencia máxima (moviendo la perilla de estos a favor de las manecillas del reloj). g).-determina la Regulación de Voltaje del Generador, bajo una carga inductiva: h).-una Carga inductiva, desarrolla una Fuerza Magnetomotriz en el Generador Apoya esta Fuerza al Rotor de la Máquina ó lo hace más pesado? CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE C.A. CON CARGA CAPACITIVA 3.- a).- Remueve los Módulos de Carga inductiva y reemplázalos por aquellos de Carga Capacitiva (No los asegures al Gabinete de la Fuente). b).- Sube los interruptores de los Módulos de Carga para que ofrezcan una Reactancia de 30 Ω capacitivos. c).- Enciende la Fuente de Alimentación y calíbrala para una velocidad en el conjunto de 1800 rpm, con un Voltaje Generado por fase de 120 V c-a. (Para obtener estas condiciones de las máquinas, el Voltaje de la Fuente debe estar a un 44% aproximadamente, mientras por el lado de la corriente de excitación para el Generador, los reóstatos no requieren un ajuste significativo). d).-toma la lectura de la Corriente que consume la carga, así como la de la Corriente de excitación que se le aplica al rotor del Generador: I 1.- Amp. C-A I F.- Amp. C-D e).- Quita la carga del Generador, mientras este está funcionando. ( Para este tipo de carga no se corre el riesgo de que el Generador desboque su velocidad, como en los casos anteriores, por tanto baja confiadamente los interruptores de Carga Capacitiva, veras como la velocidad del conjunto comienza a disminuir. Nuevamente ajusta el Voltaje de la Fuente de Alimentación para obtener las 1800 rpm del conjunto (Voltaje de la Fuente 34%)). f).- Toma las lecturas del Voltaje Generado por fase sin carga y la Corriente de excitación: E 1.- Volts C-A I F.- Amp. C-D g).- Baja el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación. 148

150 h).-determina la Regulación de Voltaje del Generador para una Carga Capacitiva: i).-igual que una carga inductiva, una carga capacitiva desarrolla una Fuerza Magnetomotriz en el Generador: Apoya esta Fuerza al movimiento del Rotor ó se opone? EFECTOS DE LA CARGA CAPACITIVA EN EL GENERADOR DE C.A. 4.- a).-no retires los Módulos de Carga Capacitiva, mas cambia el rango del Amperímetro I 1 a la escala de 10 Amp. C-A. b).-ajusta los Módulos de Carga a una reactancia capacitiva de 120 Ω c/u. c).-enciende la Fuente de Alimentación, calibrándola hasta obtener una Velocidad del conjunto de 1800 rpm. d).-aumenta la carga, colocando reactancias capacitivas de 60 Ω en paralelo. Explica lo que sucede con: - La Velocidad del Conjunto: - El Voltaje Generado: -Corriente que consume la carga: e).-baja el Voltaje acero y apaga la Fuente de Alimentación. EFECTO DE DESBALANCEO DEL SISTEMA TRIFÁSICO POR CAUSA DE UNA CARGA MONOFÁSICA: 5.- a).- Manteniendo las conexiones del Motor de C.D y de la excitación del Rotor del Generador, conecta el circuito siguiente a las salidas de Voltaje del Generador. Te daras cuenta que se trata de un Módulo de carga resistiva, alimentado por una de 149

151 las Fases del Generador: V C-D N 3 7 MOTOR / GENERADOR DE C-D Ω E1 V E2 E V-c.a. V V ESTATOR GENERADOR / MOTOR TRIFÁSICO C-A ROTOR V-c.a V-c.a V C-D N I-F 0-2 A c-d A 2 Amp + - FIGURA 3.2 b).-ajusta la carga a 60 Ω c).-enciende la Fuente de Alimentación y aumenta el Voltaje hasta obtener una Velocidad del conjunto de 1800 rpm. También ajusta los reóstatos de la excitación en C-D del Generador hasta que el Voltímetro E 1 indique 208 V c-a. d).-toma las lecturas de E 2 y E 3 (Los Voltajes de las fases del Generador restantes) E 2.- Vc-a E 3.- Vc-a e).-apaga la Fuente de Alimentación, sin mover la calibración de la Perilla reguladora de Voltaje de la Fuente y los reóstatos. f).-conecta los tres Voltímetros de manera que cada uno lea el Voltaje de cada fase. No desconectes la Carga Resistiva (déjala en su lugar), ni tampoco la estrella que une los devanados del estator en las terminales 4, 5 y 6 del Módulo de Generador de C.A. g).-enciende la Fuente de Alimentación. Toma las lecturas de los tres Voltímetros (Voltajes de fase) y anótalos a continuación: E Vc-a. E Vc-a. E Vc-a. e).-baja el Voltaje a cero y apaga la fuente de Alimentación. f).- Cómo se comportaron los Voltajes de las dos Fases que no tenían carga conectada con respecto al Voltaje de la Fase cargada? 150

152 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A. PRÁCTICA: IV SINCRONIZACIÓN DEL GENERADOR DE C.A A LA RED ELÉCTRICA OBJETIVOS: Que el alumno aprenda y comprenda las condiciones requeridas para sincronizar un Generador de C.A. a un Sistema de Potencia Eléctrico. Que vea los efectos de la subexcitación y de la sobrexcitación en un Generador de C.A. (subido a la Red) con respecto a la Potencia entregada por este. Que vea la relación directa que existe entre la Potencia Real útil que entrega el Generador y el par desarrollado por el elemento impulsor. La potencia requerida para abastecer la demanda eléctrica de la población es aportada, por la red eléctrica nacional (C.F.E.), la cual en su división de generación esta constituida por cientos de grandes alternadores distribuidos (en sus correspondientes plantas) a lo largo y ancho de la República Mexicana. Estos a su vez no operan de manera aislada, sino que se conectan en paralelo, conformando así la base de la red eléctrica nacional (bus infinito) cuya frecuencia f es remarcablemente estable en cualquier punto (60 Hz). No obstante, un alternador no puede conectarse a la línea y suministrar potencia al sistema, de una manera tan simple; si no que debe cumplir ciertos requisitos; los cuales, para el acoplamiento en paralelo de alternadores ó el acoplamiento de un alternador a la red son: Ambos sistemas (alternador y red) deben operar a la misma frecuencia. La magnitud de sus voltajes de línea (rms), debe ser la misma. Operar bajo la misma secuencia de fases [a-a, b-b, c-c ]. Los ángulos de cada fase deben ser los mismos en ambos sistemas. La máquina que busca adicionarse a la línea, es llamada generador en aproximación y debe cumplir estas condiciones, ya que sí se adiciona a la línea de manera arbitraria y en cualquier momento, sufrirá severos daños al grado de su inutilidad, además de ser un peligro para el personal que este cerca; por tanto es necesario cumplir minuciosamente estas condiciones. El primer aspecto es importante, ya que un alternador, sólo puede suministrar potencia a la red eléctrica sí y sólo si opera a la misma frecuencia; la frecuencia de la red eléctrica nacional es determinada por la velocidad de rotación ω de todos los alternadores en ella, por lo que es muy difícil que esta oscile por sí misma, mientras que la frecuencia de la maquina en aproximación también depende puramente de la velocidad de rotación desarrollada por el primotor y por el número de polos que la constituyan. Por otro lado, sí la frecuencia del alternador en aproximación difiere de la frecuencia de la red y estos son conectados, se desarrollaran grandes potencias transitorias dentro del alternador hasta que la frecuencia de este se estabilice con la frecuencia de la red. 151

153 El segundo punto es una condición lógica, pues como se sabe, la característica de los circuitos en paralelo es su voltaje constante, por lo tanto la magnitud del voltaje de línea (rms) producido por el alternador debe ser igual a la magnitud del voltaje de línea (rms) de la red a la que se va a conectar (ejemplo: 208V alternador = 208V red eléctrica ); sí el voltaje de la máquina en aproximación no es el mismo al de la red y se conectan juntos, elevadas corrientes fluirán por los devanados del estator quemando el alternador. Los dos últimos puntos son de vital importancia ya que los principales daños catastróficos se dan por no seguirlos. El tercer punto se escucha lógico y expresa orden debiendo llevarse a cabo diligentemente, buscando que las fases A, B y C del alternador se acoplen a las respectivas de la línea de suministro. Sí se acopla el alternador con un orden de fases distintos al de la línea, se producirán y fluirán elevadas corrientes en los devanados del estator, quemando el aislante de los devanados y por tanto la máquina. El cuarto punto esta íntimamente relacionado con el tercero, y es muy importante, pero algo difícil de percibir, y marca que la secuencia y el tiempo en que los voltajes (tanto del alternador como del sistema) alcanzan sus valores pico deben ser los mismos. Ya que la percepción de esta condición es muy difícil existen formas para hacer visible tal detalle; uno de ellos es muy sencillo y se conoce como el procedimiento de las lámparas apagadas, el cual se enseña y aplica en esta práctica. Un aspecto interesante que se desarrolla en un alternador sincronizado con la red eléctrica es que sí la corriente de excitación de C.D. varía, el alternador comenzará a intercambiar potencia reactiva (Q+ ó Q- VARS ) con el sistema al que esta acoplado. Pues sí la excitación es menor que la requerida para tener el flujo magnético nominal, el estator demandará del sistema potencia reactiva negativa para completar los niveles de flujo a los que opera la máquina. Por otro lado sí la corriente de excitación en el rotor es mayor que la requerida, el estator tomará potencia reactiva adelantada del sistema, comportándose como un capacitor. El hecho de que un alternador este sincronizado con el sistema eléctrico no garantiza que este aporte potencia útil (Watts) a dicho sistema. Pues un alternador sólo puede suministrar potencia activa (Watts), sí se forza su rotor a moverse a mayor velocidad, aplicando un par mecánico mayor para que dicho incremento pueda ocurrir y mantenerse. El par [τ] multiplicado por la velocidad [ω] es una medida de la potencia mecánica que se le da al alternador y por tanto, la potencia eléctrica (que idealmente) debe entregar. Poniendo en claro que el primotor (máquina impulsadora del alternador) debe proporcionar un mayor par para que la potencia activa entregada sea mayor. Es importante señalar que las condiciones ya mencionadas para sincronizar un alternador a la red eléctrica, sólo se aplican a unidades de generación de gran tamaño, excluyendo a los alternadores portátiles (a gasolina ó diesel, montados en camiones), ó los que suministran energía a un área remota (propio de la localidad) y los de uso de emergencia. No obstante, los grandes alternadores que pertenecen a Sistemas de potencia, todo su proceso de conexión a la red de alternadores en paralelo es automatizado, siendo una computadora la que lleva a cabo este trabajo. 152

154 Fuente Trifásica de Poder Motor / Generador Síncrono COMPONENTES A OCUPAR EQUIPO Módulo de Conexiones del Motor / Generador Síncrono Motor / Generador de C-D Módulo de Conexiones del Motor / Generador de C-D Módulo de Sincronización Wattímetro/Varímetro Trifásico CÓDIGO EMS-8525 EMS-8507 EMS-8508 EMS-8501 EMS-8502 EMS-8518 EMS-8515 Reóstato de Campo ( 2 Unidades ) EMS-8524 Volt-amperímetro de C-D. Módulo de Medición de Voltaje de C.A. Módulo de Medición de Corriente de C.A. Cables de Conexión Acoplador Tacómetro de Mano EMS-8513 EMS-8426 EMS-8514 EMS-8550 EMS-8943 EMS

155 SINCRONIZACIÓN DEL VOLTAJE GENERADO POR EL GENERADOR DE C.A. CON EL VOLTAJE DE LA RED DE SUMINISTRO ELÉCTRICO 1.- a).-acopla la máquina impulsora (Motor de C.D.) al Generador de C.A. Conecta cada uno a su respectivo Módulo de Conexiones, guiándote de la nomenclatura EMS ya que esta sigue una secuencia tanto en la Máquina rotatoria como en su Módulo de Conexión. b).-conecta el siguiente circuito: Te darás cuenta que los únicos instrumentos que se encuentran entre el Voltaje obtenido por el Generador de C.A. y el Voltaje de la Línea de la Empresa Suministradora (C.F.E.) son el Módulo de Wattmetro/Varmetro y el Módulo de Sincronización: 208 V C-A 208 V C-A E2 V V-c.a. ON OFF MODULO DE SINCRONIZACIÓN I A c-a A Amp W VAR REÓSTATO: A MOTOR / GENERADOR DE C-D 1 SHUNT GENERADOR / MOTOR TRIFÁSICO C-A V C-D N 7 CONM 8 ARMADURA 9 E1 V V-c.a ESTATOR ROTOR V C-D N REÓSTATO: B Amp I-F 0-2 A c-d A + - FIGURA 4.1 c).-ajusta el Reóstato de campo A (Reóstato del Motor de C.D) en su posición extrema hacia la izquierda. Así ofrecerá una resistencia mínima. d).-ahora, ajusta el Reóstato de campo B (Reóstato para el Rotor del Generador de C.A.), colocándolo en su posición extrema hacia la derecha con la finalidad de que ofrezca su resistencia máxima. e).-verifica que el interruptor del Módulo de Sincronización se encuentre hacia abajo (abierto). f).-enciende la Fuente de Alimentación. Calibra la perilla de la Fuente a un Voltaje de 120 V c-d., apoyándote del Voltímetro de la Fuente (colócalo en 7 y N). 154

156 g).-un Motor de C.D. funciona con Voltaje, esto es, a medida que aumentamos el Voltaje con que alimentamos el Motor, este tenderá a girar a mayor velocidad. Por tanto considerando el Reóstato A unido al Motor de C.D. y apoyándonos de la Ley de ohm; tenemos: Aumenta la resistencia en el Reóstato A (gira el reóstato a favor de las manecillas del reloj) hasta obtener una Velocidad en el Conjunto de 1800rpm. h).-toma la lectura del voltímetro E 2 y anótala a continuación: E 2.- Vc-a i).-reduce la resistencia en el Reóstato B (Reóstato del rotor del Generador), con la finalidad de que circule una mayor Corriente de excitación I F y se produzca un campo magnético mayor en el Generador de C.A. (Gira el reóstato B en contra a las manecillas del reloj), haz esto hasta que: E 1 = E 2 Ahora tenemos una de las tres condiciones que se requieren para sincronizar el Generador de C.A. al Sistema de suministro eléctrico, teniendo el Voltaje generado por la máquina E 1 la misma amplitud de onda que el Voltaje suministrado por la empresa electrificadora E 2. j).-las tres lámparas del Módulo de sincronización deben estar encendiendo y apagando simultáneamente. Si su encendido y apagado es desigual, la secuencia de fases es incorrecta, esto es puede que se tenga una secuencia en el Generador de C.A. de : A, C y B cuando la secuencia de la empresa suministradora es: A, B y C. Para solucionar esto, baja el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación. Intercambia dos de las Fases (terminales 1, 2 y 3) del Módulo de conexiones del Generador. k).-enciende la Fuente de Alimentación y repite desde el paso: f, hasta el paso: j La segunda condición para sincronizar al Generador de C.A. se ha dado, ahora tanto el Sistema de suministro como la máquina generadora operan con la misma secuencia de fases. l).-cuidadosamente y a través del reóstato: A, calibra la velocidad del Motor de C.D. hasta que el tiempo de encendido y apagado en las lámparas del Módulo de Sincronización sea lenta. Esto nos indica que la Frecuencia (Hz) de la Máquina Generadora se acerca a la Frecuencia del Sistema de suministro eléctrico. m).- La senoide de Voltaje del Generador se acopla perfectamente con la senoide de Voltaje del Sistema eléctrico solamente cuando las lámparas del Módulo de Sincronización están apagadas. 155

157 Por el contrario, cuando las lámparas están encendidas, la onda de uno de los Voltajes se desfasa 180 respecto a la onda del otro Voltaje. Es por eso que NUNCA!! Se debe de subir el interruptor del Módulo de Sincronización cuando las lámparas de este estén encendidas ya sea ligeramente ó completamente. -(Verifica que el Voltaje E 1 permanezca igual al Voltaje E 2, si no es así, ajusta la excitación del Rotor del Generador de C.A. a través del reóstato B hasta cumplir nuevamente con esta condición). n).- Cuando las lámparas del Módulo de Sincronización estén completamente apagadas. Cierra el interruptor de este Módulo, colocándolo hacia arriba. Con esto hemos sincronizado el Generador de C.A. a la red de suministro eléctrico. En este momento el Generador no absorbe ni suministra Potencia Real (P) y Reactiva (Q) al Sistema, esto es la Máquina generadora se encuentra flotando en la línea de Potencia del Sistema. EL GENERADOR DE C.A EN EL PUNTO FLOTANTE DE LA RED ELÉCTRICA: 2.- El Módulo Watt/Varímetro funciona como un puente en el circuito, mas para que este registre lecturas, debe ser alimentado con 24 V c-d. Por tanto, de la salida especial de la Fuente de Alimentación conecta el Módulo y enciende el switch correspondiente a este tipo de alimentación. a).-a través del reóstato: A, calibra la velocidad del Motor de manera que el Wattímetro indique: 0 (cero). b).-ahora con el reóstato: B, calibra la excitación del rotor del Generador de modo que el Varímetro indique: 0 (cero). c).- Toma la lectura de los siguientes instrumentos y anota: E 1.- Vc-a. I 1.- Ac-a. I F.- Ac-d. COMPORTAMIENTO DEL GENERADOR CON SUBEXCITACIÓN EN LA RED ELÉCTRICA 3. a).-aumenta la resistencia en el reóstato: B, girándolo a favor de las manecillas del reloj, esto, para reducir la Corriente de excitación en el rotor del Generador y debilitar el campo magnético en este. Realiza esta acción hasta que el Amperímetro I 1 marque 2.5 Amp. c-a. Toma las lecturas de los siguientes instrumentos y anota: E 1.- V c-a I F.- A c-d P.- W Q.- VAR (+) ó (-) A qué Potencia afecto la disminución de la corriente de excitación en el Generador? 156

158 Está esta Potencia siendo absorbida ó suministrada por el Generador de C.A? b).-calcula la Potencia Aparente (S) desarrollada por el Generador, así como el Factor de Potencia en este, bajo estas condiciones: COMPORTAMIENTO DEL GENERADOR CON SOBREEXCITACIÓN EN LA RED ELÉCTRICA: 4.-Ajusta nuevamente el reóstato: B hasta que el Varímetro marque: 0 (cero) a).-cuidadosamente reduce la resistencia del reóstato: B, girándolo en contra a las manecillas del reloj, esto, con el fin de aumentar la corriente de excitación en el rotor del Generador y fortalecer el campo magnético. Haz esto hasta que el amperímetro: I 1 registre 2.5 Amp c-a., toma las lecturas de los siguientes instrumentos y anota: E 1.- V c-a I F.- A c-d P.- W Q.- VAR (+) ó (-) A qué Potencia afecto el hecho de aumentar la corriente de excitación del Generador? Visto desde la red de distribución eléctrica Cómo se está comportando el Generador como una carga pesada ó como un Capacitor? Por qué? b).- Determina la Potencia Aparente (S) que desarrolla el Generador, así como su Factor de Potencia: 157

159 EL GENERADOR DE C.A. SUMINISTRANDO POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA A LA RED ELÉCTRICA 5.- Calibra el reóstato: B, de modo que el Varímetro indique: 0 (cero) De igual manera verifica que el Wattímetro se mantenga en: 0 W, si no ajústalo con el reóstato: A modulando la velocidad del Motor. a).- Aumenta la velocidad en el conjunto, aumentando la resistencia del reóstato: A (que es el reóstato conectado al Motor de C.D.), girándolo a favor de las manecillas del reloj, hasta que el Generador suministre una Potencia Activa de: 900W. b).-reduce la resistencia del reóstato: B (reóstato de control de excitación del Generador) girándolo en contra a las manecillas del reloj, hasta obtener del Generador una Potencia Reactiva suministrada de: 900 VAR c).- Toma las lecturas de los siguientes instrumentos y anota: I 1.- A c-a I F.- A c-d P.- W Q.- VAR (+) Calcula la Potencia Aparente del Generador bajo esta condición (sobreexcitado) y el Factor de Potencia: d).-deja en su posición el reóstato: A, de manera que se sigan teniendo 900 W de potencia activa. Por el contrario aumenta la resistencia del reóstato: B (gíralo a favor de las manecillas del relog) hasta que el Generador absorba: 900 VAR de Potencia Reactiva. Mide y anota: I 1.- V c-a I F.- A c-d P.- W Q.- VAR (-) Determina la Potencia Aparente del Generador en condición de subexcitado, así como el Factor de potencia de este, bajo esta condición: e).- Ajusta ambos reóstatos, de manera que el Generador regrese al punto flotante, (0 Watts y 0 VARS). f).- Saca el Generador de la línea de Suministro, abriendo el interruptor del Módulo de.sincronización. g).-reduce el Voltaje a Cero y apaga la Fuente de Alimentación. 158

160 5.3.-MOTORES DE C.A UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A. PRÁCTICA: V FUNDAMENTOS DE OPERACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DEL MOTOR DE C.A. OBJETIVOS: Qué el alumno aprenda los principios bajo los que opera un motor de C.A. Conozca los dos tipos principales de motores de C.A. Un motor eléctrico se puede definir como: Una máquina eléctrica rotatoria que transforma la potencia eléctrica en potencia mecánica, a través de interacciones electromagnéticas Este tipo de máquinas eléctricas se clásica de la siguiente forma: SINCRONOS JAULA DE ARDILLA C.A MOTORES ELÉCTRICOS INDUCCIÓN ROTOR DEVANADO C.D. Los motores síncronos, se caracterizan por requerir de una fuente externa de C.D., la cual le suministra la corriente que produce uno de los campos magnéticos, mientras los motores de inducción, son máquinas cuya corriente del campo magnético del rotor es engendrada por inducción magnética (efecto transformador). Los circuitos de campo de la mayoría de los motores de C.A. están localizados en sus rotores. La frecuencia en la corriente alterna es la cantidad de ciclos completos desarrollados en un segundo, siendo esta característica de la C.A. el fundamento que produce la acción del motor, esto, al producir un campo magnético giratorio en el estator de la máquina. Este campo magnético giratorio se produce cuando un devanado trifásico, (tres bobinas espaciadas 120 ), es recorrido por un sistema de corrientes trifásicas, generando un campo magnético en el que la orientación Norte-Sur de los polos va girando constantemente alrededor del eje del estator. Este campo magnético se forma por la combinación de cada uno de los campos magnéticos de 159

161 los tres devanados monofásicos que conforman el devanado del motor. Para invertir el sentido del giro del campo hay que cambiar el orden de alimentación de sus fases. Este campo giratorio, induce en el devanado o barras del rotor una corriente, que es la encargada de que se produzca la fuerza magnetomotriz que da origen al movimiento. Cabe señalar que el par que desarrolla el rotor en un motor de C.A., se comporta de una forma senoidal, de igual manera que el voltaje inducido en un alternador, definiéndose por el producto cruz: Donde k es un factor que depende de la construcción de la máquina, B r es la densidad de flujo del campo magnético producido por el rotor y B S es la densidad de flujo del campo del estator. En general el par en cualquier máquina de corriente alterna depende directamente de cuatro factores que son: La intensidad del campo magnético del rotor. La intensidad del campo magnético giratorio en el estator. El seno del ángulo que se desarrolla entre las resultantes de estos. Una constante de proporcionalidad que representa la geometría y facilidad de magnetización de los devanados de la máquina. En el aspecto constructivo, el estator generalmente consiste en una carcaza de fundición, un núcleo formado por chapas magnéticas, y un arrollamiento constituido por bobinas individuales alojadas en las ranuras del núcleo, en máquinas trifásicas se tienen tres devanados; estos tres devanados están desfasados por 120 uno respecto a los otros, Los extremos del devanado son conducidos al tablero de bornes situado en la caja de conexiones. Por su parte, el rotor puede tomar diversas formas (según las necesidades del par), pero con el común denominador de que el núcleo debe estar conformado de láminas de chapa magnética (acero al silicio) ajustado a presión sobre el eje, pudiendo ser del tipo jaula de ardilla (a) ó rotor bobinado (b). 160

162 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: DR. ALFREDO RAMIREZ RAMIREZ MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A. PRÁCTICA: VI EL MOTOR SÍNCRONO SUS CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONAMIENTO OBJETIVOS: Que el Alumno conozca directamente un Motor Síncrono, sus componentes, así como las características de estos. Que el Alumno conozca las condiciones bajo las cuales nunca se debe arrancar un Motor de este tipo. Capacitar al Alumno para el arranque correcto de este tipo de Motores. Que el Alumno aprenda cómo mejorar el Factor de Potencia de un Sistema a través de uno ó varios Motores Síncronos y su excitación. El motor síncrono es un tipo de motor eléctrico de corriente alterna, cuya construcción es similar a la de un alternador; su arrollamiento estatorico puede ser monofásico ó trifásico y consiste en una serie de bobinas alojadas en ranuras de un núcleo de chapa magnética (acero al silicio). La conexión de estas bobinas puede ser en estrella (Y) ó en delta (Δ), de modo que se forme un determinado número de polos. El rotor suele ser de polos salientes, siendo esencial que tenga el mismo número de polos que el estator. Las bobinas montadas en los polos del rotor se conectan en serie de modo que formen polaridades alternadas y de estas (bobinas) se extraen dos hilos que se conectan a dos anillos de toma, montados sobre el mismo eje. Generalmente se provee al rotor de un arreglo de jaula de ardilla, dispuesto a su alrededor. Este arreglo auxiliar es necesario para poner la maquina en marcha, pues el motor síncrono no puede arrancar por sí mismo, esto es, no tienen par de arranque, llamándosele a esté arreglo como devanado amortiguador, el efecto de inducción de este proporciona el torque de arranque, mantiene la aceleración, además de amortiguar las oscilaciones durante la marcha. El motor síncrono adquiere su nombre por la característica que tiene de operar a una velocidad constante sin deslizamiento ( velocidad sincrónica ), tal velocidad es la velocidad natural a la que gira el campo magnético del estator. Esta se determina por el número de polos en la maquina y por la frecuencia de la línea de alimentación: 161

163 El rotor de un motor síncrono se excita con corriente directa (C.D.) ya sea por medio de una fuente externa (unidades pequeñas) ó mediante una excitatriz montada en el mismo eje del rotor (motores muy grandes), esto, con la finalidad de producir un campo magnético fijo en el rotor, el cual se engancha con el campo magnético giratorio del estator llevando a la máquina a la velocidad de sincronismo. El efecto de variar la corriente de campo (excitación de C.D.) eleva ó reduce el factor de potencia de la línea que lo alimenta. Si, se aumenta la corriente de campo, alimentando con más de la necesaria, se tendrá una maquina sobreexcitada que tomará una potencia reactiva adelantada (Q+) de la línea, sin consumir potencia activa (Watts); tales condiciones son propias de un capacitor y por tanto, un motor síncrono bajo estas condiciones de es llamado condensador síncrono. Por otro lado, sí la corriente de campo es menor que la nominal, el motor se encuentra subexcitado, lo que lleva a la maquina a consumir potencia reactiva negativa (Q-), comportándose como un inductor, llamando a la máquina síncrona con estas características inductor síncrono. Sin embargo, las maquinas insuficientemente excitadas no ofrecen ventajas, por lo que no tienen una aplicación útil conocida. Ya que el motor síncrono se aplica para mover cargas a una velocidad constante, es necesario tener precauciones al operarlo en condiciones de sobrecarga, ya que sí la carga a conectar es demasiado grande ó pesada, el motor puede perder velocidad y salir de su sincronía con el campo giratorio, pararse y quizá quemarse, ya que el campo magnético rotatorio del estator cortara los devanados del rotor (fabricados con menor cantidad de aislante que los del estator), sí no se toman precauciones, se inducirán voltajes tan altos que consumen el aislante, quemando la máquina internamente. Comúnmente el motor síncrono encuentra aplicación en la industria para el movimiento de cargas fijas a velocidades constantes; por ejemplo, compresores, sopladores, mezcladoras, ventiladores, bombas, trituradores, molinos, diversos usos en la industria de la pulpa, papel, caucho, sustancias químicas, y laminadoras de metales, etc. A manera de síntesis las características de funcionamiento del motor síncrono son: La velocidad nominal de rotación es la velocidad de sincronismo del campo magnético giratorio del estator. Se suministra corriente directa a los embobinados de campo del rotor, a través de escobillas y anillos de deslizamiento. Carece de par de arranque propio. Es de velocidad constante. Algunas maquinas cuentan con devanado amortiguador, para poder proporcionar el par de arranque inicial y también para amortiguar las oscilaciones en el rotor producidas por los cambios de carga. Una maquina con excitación normal, sin carga no consume corriente. Una maquina con sobreexcitación se comporta como condensador síncrono. Una maquina con insuficiente excitación se comporta como inductor síncrono. 162

164 COMPONENTES A OCUPAR EQUIPO Fuente Trifásica de Poder Motor / Generador Síncrono Módulo de Electrodinamómetro Módulo de Wattímetro Trifásico Módulo de Interruptor de Sincronización Módulo de Medición de Corriente de C-D. (0.5/2.5 A c-d) Módulo de Medición de Corriente de C.A. (0.5/2.5 A c-a) CÓDIGO EMS-8525 EMS-8241 EMS-8911 EMS-8441 EMS-8621 EMS-8412 EMS-8425 Módulo de Medición de Voltaje de C.A. (250 V c-a) EMS-8426 Tacómetro de Mano Cables de Conexión Banda de Acoplamiento EMS-8920 EMS-8941 EMS-8942 CARACTERÍSTICAS DEL MÓDULO MOTOR /GENERADOR SÍNCRONO: EMS Analiza la estructura del Módulo EMS-8241 de Motor/generador Síncrono: a).- Gira el Módulo y revisa la parte trasera de este: Mira y toca los dos anillos colectores y las escobillas (te darás cuenta que los primeros son de cobre, mientras las segundas son de carbón) Es posible mover las escobillas como en una Maquina de C.D.? -Nota que las terminales de los dos devanados del Rotor (en el frente del Módulo) son llevadas a los anillos colectores a través de las conexiones en los carbones (escobillas). b).-revisa la piña del Rotor, te darás cuenta que esta seccionada por dos devanados; estos, son los llamados devanados amortiguadores y operan con C.D. ( Aunque sólo son dos sus conexiones están en tal forma que sus fuerzas magnetomotrices se repelen una con respecto a la otra, desarrollando así la fuerza de cuatro polos). -Bajo los devanados amortiguadores, en el área negra, encontraras cuatro puntos de metal, estos, son los cuatro polos salientes que se le integran a la máquina para un mejor desempeño. c).-analiza el devanado del estator. Pide al instructor te muestre un Motor con rotor jaula de ardilla y uno con rotor devanado, te darás cuenta que el devanado del estator es el mismo para los tres. 163

165 d).-examina el frente del Módulo (caratula): - Qué terminales en la caratula alimentan a los tres devanados independientes del estator? y, y, y. - Cuál es el Voltaje nominal con que funciona cada devanado del estator? - Cuál es la Corriente nominal que absorbe cada devanado del estator? -Las terminales que alimentan al Rotor son: y. Sin embargo, con la finalidad de modular la corriente de excitación en C.D. que va a este elemento de la máquina, se tiene conectado en serie un reóstato de 150 Ω. -El voltaje nominal en C.D. de los devanados del rotor es: - Cuál es la corriente nominal que absorben los devanados del rotor? Amp. c-d - Cuál es la velocidad nominal y la potencia que desarrolla este Motor? rpm. H.P. (Horse Power = Caballo de Fuerza) 164

166 CARACTERÍSTICAS DE ARRANQUE EN EL MOTOR SÍNCRONO: 2.-a).-Conecta el Motor Síncrono como se indica: Notarás que la conexión entre los tres devanados del Estator es una estrella. Además que estos devanados se alimentan con la salida trifásica fija de la Fuente ( 208 V c-a Línea-Línea, terminales: 1, 2 y 3): MOTOR SÍNCRONO V C-A V C-A 3 I A c-a 8 Amp A ROTOR S ESTATOR FIGURA: 6.1 b).-enciende la Fuente de Alimentación. (Pon atención en el sentido de rotación). El Motor arrancara y se moverá suavemente. Como no se tiene un campo Magnético en el Rotor, el Motor está operando como un Motor de inducción. En qué sentido está girando el Rotor del Motor? Indica la lectura del Amperímetro I 1 : Amp c-a. c).-apaga la Fuente de Alimentación, e intercambia dos de las tres fases que alimentan al Motor. d).-enciende la Fuente de Alimentación, poniendo atención en el sentido de giro del Motor. En qué sentido gira ahora el Rotor del Motor? Qué lectura registra el Amperímetro: I 1? Amp c-a. e).-apaga la Fuente de Alimentación. 165

167 ARRANQUE DE UN MOTOR SÍNCRONO CON CARGA: 3 a).-conecta el siguiente circuito: Sin embargo, antes de hacerlo, busca que el sentido de rotación del Motor sea horario. Acopla el Motor Síncrono con el Electrodinamómetro a través de la banda V C-A V C-A 3 O N O F F MODULO DE SINCRONIZACIÓN Amp I A c-a A MOTOR SÍNCRONO ROTOR S 1 ELECTRODINAMÓMETRO ROTACIÓN 3 6 ESTATOR V C-D N 1 N FIGURA: 6.2 Ocuparemos el Módulo de Sincronización a manera de interruptor para la alimentación de los devanados del Estator. Cerciórate que el interruptor del Módulo se encuentre abierto (Posición hacia la derecha). Para producir el Campo magnético fijo en el Rotor del Motor Síncrono, este se alimentara de la salida fija de 120 V c-d (terminales 8 y N). Coloca la perilla del reóstato del Rotor a su posición extrema derecha, con el fin de que ofrezca una resistencia de 0 Ω. b).-calibra la perilla de carga del electrodinamómetro a un 40% de su capacidad total. Notaras que este instrumento sólo opera en el sentido de giro horario y que se conecta a la salida fija de 120 V c-a (terminales 1 y N), esto, para desarrollar cargas pesos para los Motores a partir de fuertes campos magnéticos en sus devanados. c).- Cierra el interruptor S del Rotor del Motor Síncrono (colócalo hacia arriba). d).-enciende la Fuente de Alimentación. (El Motor permanecerá estático). PRECAUCIÓN: El siguiente procedimiento a realizar, puede producir daños considerables al Motor, pues se producirá el Campo Magnético Giratorio del Estator después del Campo Magnético Estático del Rotor, lo que NO se debe hacer cuando un Motor de esta clase tiene carga. Sigue las instrucciones como se te indican, nota el comportamiento del Motor y pon atención en la lectura de Amperímetro: I 1 166

168 e).- Por no más de 10 segundos, cierra el interruptor del Módulo de Sincronización. Esto es, alimenta los devanados del Estator para producir el Campo Magnético giratorio. Qué sucedió? Indica la lectura del Amperímetro: I 1 : Amp. c-a. Debes arrancar un Motor Síncrono cuando este tenga carga y su Rotor este excitado con C.D.? Por qué? f).- Abre el interruptor S del Rotor del Motor Síncrono. Enciende la Fuente y describe lo que sucede: ALCANZANDO LA VELOCIDAD SÍNCRONA (MODO CORRECTO DE ARRANCAR UN MOTOR SÍNCRONO) 4 a).-cambia la conexión al Rotor del Motor Síncrono de una alimentación fija (120 V c-d, terminales 8 y N) a una alimentación variable (0-120 V c-d, terminales 7 y N). b).-cerciórate que la perilla calibradora de Voltaje de la Fuente este en cero Volts. c).-enciende la Fuente de Alimentación y produce el campo magnético giratorio en el Motor, cerrando el interruptor del Módulo de Sincronización. - Funciona el Motor con vibraciones excesivas? -El Motor está operando como un Motor de Inducción, (no tenemos excitación de C.D.) esto se debe al arreglo que tienen estos Motores en su Rotor pues por el efecto del transformador(inducción electromagnética) las corrientes que circulan en los devanados del Estator, inducen corrientes en los devanados y en la jaula de ardilla del Rotor, lo que produce una interacción en los campos que genera el par. d).-calibra el Voltaje de la Fuente hasta suministrar 120V c-d en el Rotor del Motor. (Apóyate del Voltímetro de la Fuente, ajustando su perilla de escala en 7-N). Le es más fácil ó más difícil al Motor mover la carga? -Al aplicar la excitación de C.D., se desarrolla el campo magnético fijo en el Rotor, (que se ancla con el campo giratorio del Estator), el cual al llegar la excitación a los 120V c-d, produce que el Motor alcance su velocidad síncrona. e).-baja el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación. Además, abre el interruptor S del Módulo de Motor Síncrono 167

169 -Para el siguiente procedimiento puedes dejar el Motor Síncrono unido a través de la Banda con el Electrodinamómetro, sólo desconecta a este último y reduce su carga (a través de la perilla en este) a: 0 lb x in RELACIÓN ENTRE LA EXCITACIÓN DEL MOTOR SÍNCRONO CON EL FACTOR DE POTENCIA: 5.-Cabe señalar que el Factor de Potencia de este tipo de Máquinas (Motor Síncrono) está directamente relacionado con la excitación de C.D. que se le da al Rotor. Una Forma de conocer el F.P. de un Motor Síncrono (y cómo ajustarlo) es por el método de los dos Wattmetros, por tanto la siguiente Tabla muestra la relación entre el F.P. de la Máquina, con el desplazamiento de las agujas de los Wattmetros: Factor de Potencia Indicación de las Agujas en los Wattmetros 1 Ambos Wattmetros indicaran la misma lectura Un Wattmetro marcará una Potencia mayor que la del otro Uno de los Wattmetros marcará 0 Watts, mientras el otro indicará la Potencia total. Uno de los Wattmetros indicará una Potencia Negativa, mientras el otro una Potencia Positiva, la Potencia total es la diferencia entre estas. Ambos Wattmetros marcaran las lecturas idénticas pero de signo contrario (esto es, una positiva y otra negativa). Tabla: 6.1 a).-conecta el circuito de la página siguiente: Notaras que el Módulo de dos Wattmetros se encuentra conectado entre la Salida Trifásica de la Fuente de Alimentación (208V c-a, Línea a Línea) y los devanados del Estator de la Máquina Síncrona: WATTÍMETRO TRIFÁSICO V C-A I A c-a A 8 Amp W-1 W MOTOR SÍNCRONO V C-A E1 V V-c.a ROTOR S ESTATOR V C-D 8 I A c-a A 8 Amp + - FIGURA:

170 b).-enciende la Fuente de Alimentación, El motor comenzara a funcionar, sin embargo por la ausencia de una excitación de C.D. ( un campo magnético A fijo), este, tomará potencia reactiva positiva (Q+) y operara como un motor de inducción, el cual es visto desde la Línea de suministro como un inductor. c).-cierra el interruptor S del Módulo de Motor Síncrono. d).-cuidadosamente, suministra voltaje de excitación, hasta que I 1 registre la mínima corriente (esto es, se absorba la menor cantidad de corriente de la Línea de Suministro). Ambos Wattmetros deben marcar la misma lectura positiva; Bajo estas condiciones el Motor a alcanzado su velocidad síncrona, su Factor de Potencia es: 1 y es visto desde la Línea de Suministro como una Resistencia. -Toma las lecturas de los siguientes instrumentos y anota: I 1.- Amp. c-a I 2.- Amp. c-d W 1 = W 2.- Watts e).-incrementa el Voltaje de excitación de C.D., notaras que la corriente I 1 vuelve a subir (esto es, el Motor nuevamente demanda más corriente de la Línea). Aquí, en el estado de sobreexcitación, el Motor absorbe potencia reactiva negativa (Q -), comportándose como un capacitor. f).-para cada valor de Corriente de excitación dado en la siguiente Tabla, toma las lecturas de los instrumento que se indican y anota. NOTA: Al llegar a una excitación de 0.5, apaga la Fuente de Alimentación y Cambia la escala del Amperímetro I 1 a 2.5 Amp-c.a. hecho esto reenciende la Fuente y toma las lecturas. Mantén esta escala para 0.6 y 0.7. Para tomar las lecturas de 0.8 y 0.9 Amp-c.d, apaga la Fuente y reconecta el Amperímetro a la escala de 8 Amp-c.a. I 2 Amp-c.d E 1 Volt-c.a I 1 Amp-c.d W 1 Watts Tabla: 6.2 W 2 Watts P REAL Watts S= 3*[E 1][I 1] VA F.P. g).- Apoyándote de los valores obtenidos: -Determina la Potencia Reactiva (Q) para una Corriente de excitación en el Rotor de 0 Amp-c.d: 169

171 S Q 3*V[I] 3*V[I] Sen(θ) S S [Sen(θ)] P- real 3*V[I] F.P S [ F.P ] - Cómo es el Factor de Potencia, adelantado ó atrasado? -Calcula la Potencia Reactiva para la máxima corriente de excitación en el Rotor: -Para este caso: Cómo es el Factor de Potencia? - Cómo es el Factor de Potencia? -Determina la Potencia Reactiva para la condición en que los Wattmetros teniendo la misma polaridad, indican lo mismo y la corriente requerida de la Línea I 1 es mínima: - Qué Factor de Potencia obtuviste? (Recuerda que debe ser cercano ó 1, para este caso) 170

172 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ MÁQUINAS ROTATORIAS DE C.A. PRÁCTICA: VII EL MOTOR DE INDUCCIÓN CON ROTOR JAULA DE ARDILLA OBJETIVOS: Que el Alumno interactué con un Motor trifásico de inducción de este tipo. Comprenda el por qué de las características físicas de su Rotor. Conozca la operación de esta clase de Motores en condiciones de vacío y carga. El rotor de un motor de inducción jaula de ardilla está formado por un núcleo de hierro laminado, con ranuras longitudinales, donde se incrustan barras de cobre o aluminio, quedando en la periferia de las chapas magnéticas. Ambos extremos del cilindro se sujetan por anillos cortocircuitantes que son soldados ó fundidos en conjunto con las barras, (esto es que sea una misma pieza); la estructura de las barras del rotor con los anillos de los extremos, semeja una jaula de ardilla, lo que da su nombre al motor. Generalmente se busca que el núcleo laminado de chapa magnética (acero al silicio) presente cierto ángulo de inclinación, ya que la posición inclinada de las ranuras mejora las propiedades de arranque y disminuye los ruidos al estar el motor en marcha Cuando fluye una corriente de en los devanados del estator, se produce un campo magnético, el cual gira alrededor del rotor a una velocidad determinada por la frecuencia de la línea de alimentación (velocidad sincrónica (3 600 rpm para una frecuencia de 60Hz)). Al empezar a girar el campo del estator, sus líneas de flujo atraviesan las barras de la periferia del rotor, apareciendo voltajes en estas engendrados por inducción electromagnética. Ya que las barras del rotor están cortocircuitadas y con una resistencia muy baja (por su material), aparecen elevadas corrientes que circulan en el circuito de la jaula en dirección opuesta al flujo de la corriente en el estator (principio de Lenz), tales corrientes producen sus propios campos magnéticos de gran intensidad, desarrollando fuerzas de atracción y repulsión en la misma dirección (derecha o izquierda) con el campo del estator, tales las fuerzas actúan juntas y ninguna trabaja contra la otra, el resultado de estas fuerzas produce torque y rotación. 171

173 A manera de síntesis, las características de de funcionamiento del motor de inducción jaula de ardilla son: Es el motor industrial más sencillo. No hay conexión externa del rotor. El devanado del rotor, consiste en barras de cobre o aluminio conectadas en cada extremo mediante un anillo continuo. El arreglo de jaula de ardilla hace que el motor trifásico arranque automáticamente. Es un motor de velocidad casi constante, pues el rotor nunca podrá alcanzar la velocidad sincrónica. El rotor gira en la dirección de rotación del campo del estator. Su corriente de arranque, suele ser de 3 o 5 veces la intensidad nominal. Es fácil de fabricar y no requiere de mucho mantenimiento. COMPONENTES A OCUPAR EQUIPO Fuente Trifásica de Poder Módulo de Motor de Inducción-Jaula de Ardilla Módulo de Electrodinamómetro Módulo de Wattímetro Trifásico Módulo de Medición de Corriente de C.A. (2.5/ 8 A c-a) CÓDIGO EMS-8525 EMS-8221 EMS-8911 EMS-8441 EMS-8425 Módulo de Medición de Voltaje de C.A. (250 V c-a) EMS-8426 Tacómetro de Mano Cables de Conexión Banda de Acoplamiento EMS-8920 EMS-8941 EMS

174 EL MOTOR DE INDUCCIÓN-JAULA DE ARDILLA, MÓDULO [EMS-8221] 1.- Revisa la estructura del Módulo de Motor de Inducción-Jaula de Ardilla: CONOCIENDO EL ESTATOR: a).- Analiza los devanados del Estator. Date cuenta que son bobinas de muchas vueltas con alambre magneto de diámetro pequeño, espaciadas uniformemente alrededor del Estator. (El Estator de los Motores de Inducción es el mismo para todos, ya sea con Rotor Jaula de Ardilla ó con Rotor Devanado). b).- Observa la caratula del Módulo: Las terminales para alimentar los devanados del Estator son: y, -Estos funcionan con un Voltaje Nominal:. y, y. - Y con una Corriente Nominal de :. -Observa el entrehierro existente entre el Estator y el Rotor de la Máquina. CONOCIENDO EL ROTOR: a' ).- Identifica las paletas de enfriamiento; estas sobresalen del rotor. b ).-Revisa los anillos en los extremos del Rotor en los cuales están montadas las paletas de enfriamiento, estos son los anillos cortocircuitantes. - Existen terminales en la caratula del Módulo para conectar el Rotor?. c).- Cuál es la Potencia Nominal a la que opera esta Máquina? H.P. Y la Velocidad Nominal? Rev./min. 173

175 OPERACIÓN DEL MOTOR CON CARGA Y ALIMENTACIÓN VARIABLE: 2 a).-conecta el siguiente circuito: Notaras que la alimentación del Estator (conectado en estrella) se da a través del Wattmetro trifásico y la salida trifásica variable de la Fuente de Alimentación (terminales 4,5 y 6). No acoples aun el Electrodinamómetro al Motor! V-c.a. MOTOR DE INDUCCIÓN CON ROTOR JAULA DE ARDILLA V C-A V C-A 6 E1 V WATTÍMETRO TRIFÁSICO W-1 W Amp I A c-a A I-2 A 2.5 Amp I-3 A 2.5 Amp ELECTRODINAMÓMETRO ROTACIÓN V C-A N 2 FIGURA: 7.1 b).-estando el Motor sin carga. Enciende la Fuente la Alimentación y revisando que el sentido de rotación del Motor sea horaria, calibra la salida de la Fuente a 208 V c-a., apóyate del Voltímetro: E 1. Nota: Si el sentido de rotación de la Máquina no es horaria, apaga la Fuente de Alimentación e invierte dos de las tres terminales de alimentación ( 4, 5 y 6). c).- Toma las lecturas de las tres corrientes de entrada, de los Wattmetros así como la Velocidad del Motor y anótalas en la Tabla: 7.1 para una carga de 0 lbf x in. d).-apaga la Fuente de Alimentación. Acopla el Electrodinamómetro al Motor a través de la banda, hecho esto, gira la perilla de control de carga (en el dinamómetro) a su posición extrema izquierda. e).-enciende la Fuente de Alimentación y ajústala a 208 V c-a. Manteniendo este voltaje de entrada, calibra el electrodinamómetro para los siguientes niveles de carga, anotando las lecturas requeridas en la Tabla 7.1 que se muestra a continuación: 174

176 PAR Lbf x in I 1 Amp. c-a I 2 Amp. c-a I 3 Amp. c-a W 1 Watts Tabla: 7. 1 f).-baja el Voltaje a cero y apaga la Fuente de Alimentación. W 2 Watts VELOCIDAD Rev. / min ARRANQUE DEL MOTOR BAJO CARGA : 3 a).-conecta el siguiente circuito: En este, alimentaremos al Motor con la salida trifásica fija de 208 V c-a (terminales: 1,2 y 3 de la Fuente de Alimentación). MOTOR DE INDUCCIÓN CON ROTOR JAULA DE ARDILLA ELECTRODINAMÓMETRO V C-A 8 Amp I A c-a A ROTACIÓN V C-A E1 V V-c.a V C-A N FIGURA: 7.2 b).-ajusta la perilla de control de carga del electrodinamómetro a su posición extrema derecha. Esto, para que el Motor arranque con una carga máxima. -A continuación tres compañeros apoyaran al Instructor, pues mientras este último aplica potencia por no más de 10 segundos al Motor, un compañero estará pendiente del Voltímetro E 1, otro del Amperímetro I 1 y el tercero registrara el par de arranque que desarrolla el Motor en el electrodinamómetro. c).-enciende la Fuente de Alimentación, toma rápidamente las lecturas requeridas y anota: E 1.- V c-a. I 1.- Amp. c-a. Par de Arranque [τ].- Lbf x in d).-determina la Potencia aparente de la Máquina para el par [τ]de arranque obtenido: 175

177 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ZONA XALAPA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS RESPONSABLE: MTRO URIEL GARCIA ORTIZ MAQUINAS ROTATORIAS DE C.A PRÁCTICA: VIII EL MOTOR DE INDUCCIÓN CON ROTOR DEVANADO OBJETIVOS: Que Alumno conozca directamente un Motor de Inducción trifásico con Rotor Devanado. Aprenda el funcionamiento de este tipo de Máquina Rotatoria. Analice como influye el Voltaje inducido en el Rotor con la Velocidad de operación de la Máquina. El rotor devanado de este tipo de motor de inducción, esta compuesto por un núcleo laminado con tres devanados uniformemente espaciados, de un alambre magneto de diámetro ligeramente mayor que el que compone las bobinas del estator. Estos son generalmente trifásicos y se conectan en estrella o en delta, para luego sus tres extremos libres conectarse uno a cada anillo colector (aros de cobre o latón), situado sobre el eje del rotor y aislado convenientemente del mismo. Por este motivo también se llama rotor de anillos rozantes. De esta forma, los tres extremos o las fases del rotor se pueden sacar al exterior por medio de unos frotadores o escobillas de grafito que rozan sobre los anillos del rotor, llevando el circuito del devanado del rotor fuera del motor, hasta un controlador, donde se varía la resistencia de dicho circuito, controlando así la aceleración y la velocidad del motor una vez que está funcionando. Al suministrar potencia trifásica a los devanados del estator, se produce un campo magnético giratorio el cual induce un voltaje alterno en cada devanado del rotor. Cuando el rotor se encuentra estático, la frecuencia del voltaje inducido en el rotor es la misma que la frecuencia de la fuente que alimenta al estator. No obstante al iniciar su giro el rotor, en la misma dirección que el campo y alcanza cierta velocidad, las líneas de flujo del campo giratorio del estator cortaran cada ves menos los devanados del rotor, lo que produce que el voltaje y la frecuencia inducidos en estos vallan disminuyendo hasta llegar a cero, esto ha razón de que la máquina ha alcanzado la velocidad síncrona, condición en la que el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético giratorio. Sin embargo, sí el rotor gira en sentido contrario al campo giratorio del estator, alcanzando la velocidad síncrona, esto producirá que las líneas del campo giratorio y los devanados del rotor se crucen, generando que el voltaje inducido y la frecuencia en el rotor se dupliquen con respecto a los valores obtenidos cuando el motor esta energizado y detenido. 176