Energía y Telecomunicaciones

Transcripción

1 Energía y Telecomunicaciones Tema 3.2. Circuitos magné4cos y máquinas eléctricas. Material complementario Alberto Arroyo Gu4érrez Mario Mañana Canteli Raquel MarCnez Torre Jesús Mirapeix Serrano Cándido Capellán Villacián Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energé5ca Este tema se publica bajo Licencia: Crea5ve Commons BY- NC- SA 4.0

2 Introducción Dónde puede encontrar motores un Teleco?

6 Introducción (II) Dónde puede encontrar motores un Teleco?

7 Introducción (II) Dónde puede encontrar motores un Teleco?

8 Introducción Introducción ((III) III) Dónde puede encontrar transformadores un Teleco?

9 Conceptos generales Energía Eléctrica Energía Mecánica Máquina eléctrica Energía Eléctrica Energía Mecánica Entrada Salida Máquina

10 Conceptos generales Energía Eléctrica Energía Mecánica Máquina eléctrica Energía Eléctrica Energía Mecánica Entrada Salida Máquina Energía Eléctrica Energía Eléctrica Transformador

11 Conceptos generales Energía Eléctrica Energía Mecánica Máquina eléctrica Energía Eléctrica Energía Mecánica Entrada Salida Máquina Energía Eléctrica Energía Eléctrica Transformador Energía Eléctrica Energía Mecánica Motor

12 Conceptos generales Energía Eléctrica Energía Mecánica Máquina eléctrica Energía Eléctrica Energía Mecánica Entrada Salida Máquina Energía Eléctrica Energía Eléctrica Transformador Energía Eléctrica Energía Mecánica Motor Energía Mecánica Energía Eléctrica Generador

13 Circuitos magné4cos. Analogía con los circuitos eléctricos Circuito eléctrico I Aire Conductor eléctrico

14 Circuitos magné4cos. Analogía con los circuitos eléctricos Circuito eléctrico I Aire R = ρl S Conductor eléctrico Resistencia r aire r cond (Cu) = 0,015

15 Circuitos magné4cos. Analogía con los circuitos eléctricos Circuito eléctrico I Aire R = ρl S Conductor eléctrico Resistencia r aire r cond (Cu) = 0,015

16 Circuitos magné4cos. Analogía con los circuitos eléctricos Circuito eléctrico I Aire R = ρl S Conductor eléctrico Resistencia r aire r cond (Cu) = 0,015 Circuito magné4co F Aire Conductor magné5co

17 Circuitos magné4cos. Analogía con los circuitos eléctricos Circuito eléctrico I Aire R = ρl S Conductor eléctrico Resistencia r aire r cond (Cu) = 0,015 Circuito magné4co F Aire Re = l µ 0 µ r S Conductor magné5co Reluctancia m aire = 1 m r,cond (Fe) = 5000

18 Circuitos magné4cos. Analogía con los circuitos eléctricos Circuito eléctrico I Aire R = ρl S Conductor eléctrico Resistencia r aire r cond (Cu) = 0,015 Circuito magné4co F Aire Re = l µ 0 µ r S Conductor magné5co Reluctancia m aire = 1 m r,cond (Fe) = 5000

19 Circuitos magné4cos. Reluctancia Permeabilidad rela4va m r Sección S Longitud l m 0 = 4p10 7 H/m Re = l µ r µ 0 S m r (Aire) = 1 m r (Hierro) = 5000 m r (Hierro al silicio) = m r (Permalloy) = m r (Mumetal) =

20 Circuitos magné4cos. Corriente alterna v( t) = 2.V sin( ω 0 t) ( ) = N dφ ( t ) v t dt V

21 Circuitos magné4cos. Corriente alterna φ( t) = 2Φcos( ω 0 t) v( t) = 2.V sin( ω 0 t) ( ) = N dφ ( t ) v t dt V ( ) = N dφ ( t ) v t dt F

22 Circuitos magné4cos. Corriente alterna φ( t) = 2Φcos( ω 0 t) Φ = V Nω 0 v( t) = 2.V sin( ω 0 t) ( ) = N dφ ( t ) v t dt V ( ) = N dφ ( t ) v t dt F

23 Circuitos magné4cos. Corriente alterna φ( t) = 2Φcos( ω 0 t) Φ = V Nω 0 v( t) = 2.V sin( ω 0 t) ( ) = N dφ ( t ) v t dt V ( ) = N dφ ( t ) v t dt F Re F

24 Circuitos magné4cos. Corriente alterna φ( t) = 2Φcos( ω 0 t) Φ = V Nω 0 v( t) = 2.V sin( ω 0 t) ( ) = N dφ ( t ) v t dt V F F I ( ) = N dφ ( t ) v t dt Re N

25 V Circuitos magné4cos. Corriente con4nua

26 Circuitos magné4cos. Corriente con4nua I = V R V I R

27 Circuitos magné4cos. Corriente con4nua I = V R F = NI V I F R N

28 Circuitos magné4cos. Corriente con4nua Φ = F Re I = V R F = NI V I F F R N Re

29 Verdadero o falso En un circuito magné5co que trabaja en corriente con5nua la intensidad que circula por el circuito eléctrico depende del material u5lizado en el circuito magné5co.

30 Leyes de los circuitos magné4cos Fuerza magnetomotriz [A.v] Inducción [T] Intensidad campo magné5co [A.v/m] Flujo Magné5co [Wb] Reluctancia [H 1 ] Circuito eléctrico Circuito magné4co e: f.e.m [V] F: f.m.m [A.v] J: densidad de corriente [A/m 2 ] B: inducción [T] σ: conduc5vidad [S/m] µ: permeabilidad [H/m] E: campo eléctrico [V/m] H: campo magné5co [A.v/m] i: corriente eléctrica [A] Φ: flujo magné5co [Wb] V: potencial eléctrico [V] U: potencial magné5co [A.v]

31 Circuito eléctrico Circuito magné4co e: f.e.m [V] F: f.m.m [A.v] J: densidad de corriente [A/m 2 ] B: inducción [T] σ: conduc5vidad [S/m] µ: permeabilidad [H/m] E: campo eléctrico [V/m] H: campo magné5co [A.v/m] i: corriente eléctrica [A] Φ: flujo magné5co [Wb] V: potencial eléctrico [V] U: potencial magné5co [A.v] Circuito eléctrico Circuito magné4co,

32 Ejemplo de aplicación 1.1 Máquinas eléctricas, Fraile, pg. 14 El núcleo central del circuito magné5co de la Figura 1.7 está bobinado con 800 espiras. El material es acero fundido con un valor de la permeabilidad rela5va μ r = Calcular la corriente i que debe aplicarse a la bobina para obtener en el entrehierro un flujo de 1 mwb.

33 Problema 1.1 Máquinas eléctricas, Fraile, pg. 75 Calcular la intensidad que debe aplicarse a la bobina del circuito magné5co de la figura para producir un flujo de 1 mwb en la columna de la derecha. La permeabilidad rela5va se supone que es constante en todos los puntos y de valor μ r = 400. La sec- ción de circuito magné5co es S = 10 cm 2 en toda la estructura, excepto en la columna izquierda, que vale S = 20 cm 2. La longitud l es igual a 10 cm. Calcular, también, el flujo en el brazo horizontal.

34 Transformador

35 Transformador

36 Transformador

37 Transformador

38 Transformador

39 Transformador

40 Transformador. Modelo ideal

46 Transformador

47 Transformador

48 Transformador

49 Transformador. Ensayo de vacío Obje4vos: Obtener la relación de transformación y referencia de fase. Obtener la rama derivación Pérdidas en vacío (hierro del transformador).

53 Transformador. Ensayo de cortocircuito Obje4vos: Obtener la rama serie Pérdidas en el cobre del transformador.

57 Ejemplo de aplicación 2.2 Máquinas eléctricas, Fraile, pg. 129 Se 5ene un transformador monofásico, cons5tuido por dos devanados, primario y secundario, colocados en un núcleo magné5co de sección uniforme S = 10 cm 2 como in- dica la figura. Los devanados primario y secundario 5enen 400 y 639 espiras, respec- 5vamente. El primario se conecta a una red de 127 V, 50 Hz. En el supuesto de despre- ciar la caída de tensión primario. Calcular: 1) Densidad de flujo máxima existente en el núcleo. 2) F.e.m. inducida en el secundario.

58 Ejemplo de aplicación 3.4 Máquinas eléctricas, Fraile, pg. 193 Un transformador monofásico de 250 kva, /250 V, 50 Hz, ha dado los siguien- tes resultados en unos ensayos: vacío: 250 V, 80 A, W (datos medidos en el lado de B.T.); cortocircuito: 600 V, corriente asignada, W (datos medidos en el lado de A.T.). Calcular: 1) Parámetros del circuito equivalente del transformador reducido al primario. 2) Corriente de cortocircuito de falta.

59 Complementos de mecánica aplicados a las máquinas rota4vas Conceptos básicos: Velocidad angular. Relación velocidad angular/linear. Par mecánico. Momento de inercia. Ecuación de equilibrio mecánico de las cargas. Energía ciné5ca de rotación. Relación entre potencia mecánica y par. i M i = J dω dt + ω dj dt

60 Máquina de cc. Curva par- velocidad Tipo A. Par resistente constante. Car- gas de 5po ascensor, compresores y cintas transportadoras. Tipo B. Par resistente proporcional a la velocidad angular. Pequeñas má- quinas herramientas y cargas en las que predomina la fricción viscosa. Tipo C. Par resistente proporcional al cuadrado de la velocidad. Bombas, compresores y ven5ladores centrífu- gos. Tipo D. Par resistente inversamente proporcional a la velocidad angular. Típico de bobinadoras y tornos.

61 Complementos de mecánica aplicados a las máquinas rota4vas P = M ω [W]=[Nm][rd/s]

62 Complementos de mecánica aplicados a las máquinas rota4vas (II)

63 Máquina de cc. Curva par- velocidad

64 Máquina de cc. Funcionamiento básico

65 Máquina de cc. Funcionamiento básico

66 Máquina de cc.

67 Modelo del motor de cc. F

68 Máquina de cc. Balance de potencias P exc + P i EI i Potencia ú5l Pérdidas en el devanado de excitación 2 R exc I exc Pérdidas en el devanado de inducido R i I i 2

69 Máquina de cc. Curva par- velocidad

70 Motor asíncrono

71 Máquina asíncrona n 1 = 60 f p

72 Motor asíncrono. Caja de bornes

73 Motor asíncrono. Conexionado

74 Motor asíncrono. Caja de bornes Potencia ú5l (Pu). Rendimiento (h). Factor potencia (FP). P total = P útil η S = P total FP = 3V 1LI L

75 Motor asíncrono. Balance de potencias P a = P e P Fe P Cu,e P Cu,r = sp a M mec = P mec ω = P mec P = 9,55 mec 2π 60 n n η P 1 s a( ) P a =1 s M mec = P mec ω ( ) ( ) = P a = P a 1 s ω 1 1 s w 1

76 Regulación de velocidad en la máquina inducción Clasificación de los accionamientos para motor asíncrono

77 Regulación de velocidad en la máquina inducción (II) Diagrama de bloques de un conver4dor para motores C.A.

78 Motor paso a paso