Introducción a los principios de las máquinas

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1 CONTENIDO Prefacio Capítulo Introducción a los principios de las máquinas Las máquinas eléctricas, los transformadores y la vida diaria Nota referente a las unidades y notación Notación Movimiento rotatorio, ley de Newton y relaciones de potencia Posición angular (8) Velocidad angular (cu) Aceleración angular (a) Par(r) Ley de rotación de Newton Trabajo (W) Potencia (P) El campo magnético Producción de un campo magnético Circuitos magnéticos Comportamiento magnético de los materiales ferromagnéticos Pérdidas de energía en un núcleo ferromagnético Ley de Faraday: voltaje inducido por un campo magnético variable Producción de fuerza inducida en un alambre Voltaje inducido en un conductor que se mueve en un campo magnético Ejemplo sencillo de una máquina lineal de corriente directa Arranque de la máquina lineal de corriente directa La máquina lineal de corriente directa como motor La máquina lineal de corriente directa como generador con el arranque en la máquina de corriente directa lineal Potencias real, reactiva y aparente en los circuitos de corriente alterna Formas alternativas de las ecuaciones de potencia Potencia compleja XXI xi

2 xii CONTENIDO 1.10 Capítulo Las relaciones entre el ángulo de impedancia, el ángulo de la corriente y la potencia El triángulo de potencia Transformadores Por qué son importantes los transformadores en la vida moderna Tipos y construcción de transformadores El transformador ideal Potencia en el transformador ideal Transformación de impedancia a través de un transformador Análisis de circuitos que contienen transformadores ideales Teoría de operación de los transformadores monofásicos reales Relación de voltaje en el transformador Corriente de magnetización en un transformador real Relación de corriente en un transformador y la convención de puntos El circuito equivalente de un transformador Circuito equivalente exacto de un transformador real Circuitos equivalentes aproximados de un transformador Determinación de los valores de los componentes en el modelo de transformador Sistema de medidas por unidad Regulación de voltaje y eficiencia en un transformador Diagramafasorial del transformador Eficiencia del transformador Tomas (taps) y regulación de voltaje en los transformadores El autotransformador Relaciones entre el voltaje y la corriente en un autotransformador La ventaja del valor nominal de la potencia aparente de los autotransformadores La impedancia interna de un autotransformador Transformadores trifásicos Conexiones de transformadores trifásicos El sistema por unidad para los transformadores trifásicos Transformación trifásica utilizando dos transformadores La conexión ~ abierta (o V-V) La conexión ye abierta-delta abierta La conexión Scott- T La conexión T trifásica Valores nominales y problemas relacionados con los transformadores Valores nominales de voltaje y frecuencia de un transformador El valor nominal de la potencia aparente de un transformador

3 CONTENIDOxiii El problema de la corriente de irrupción Placa de características del transformador Transfonnadores para instrumentos Capítulo Introducción a la electrónica de potencia Componentes de electrónica de potencia El diodo El tiristor de dos hilos o diodo PNPN El tiristor de tres hilos o SCR El tiristor de interrupción por puerta El DlAC El TRIAC El transistor de potencia El transistor bipolar de puerta aislada Comparación de potencia y velocidad de los componentes de potencia electrónica Circuitos rectificadores básicos El rectificador de media onda El rectificador de onda completa El rectificador trifásico de media onda El rectificador trifásico de onda completa Filtrado de la salida del rectificador Circuitos de pulso Oscilador de relajación con un diodo PNPN Sincronización de pulsos Variaciones de voltaje mediante control de fase de ca Control de fase de ca para una carga de cd alimentada por una fuente de ca Control de ángulo de fase de ca para una carga de ca El efecto de las cargas inductivas en el control de ángulo de fase Control de potencia de cd a cd: recortadores Conmutación forzada en los circuitos recortado res Circuitos de conmutación con capacitor en serie Circuitos de conmutación con capacitor en paralelo Inversores El rectificador Inversores de conmutación externa Inversores de autoconmutación Inversor monofásico de fuente de corriente Inversor trifásico de fuente de corriente

4 xiv CONTENIDO Inversor trifásico de fuente de voltaje Inversor de modulación de ancho de pulso Cicloconvertidores Conceptos básicos Cicloconvertidor de corriente no circulante Cicloconvertidor de corriente circulante de armónicas Capítulo 4 Principios básicos de las máquinas de corriente alterna (ca) Espira sencilla en un campo magnético uniforme Voltaje inducido en una espira rotativa sencilla Par inducido en una espira que porta corriente Campo magnético giratorio Demostración del concepto de campo magnético giratorio Relación entre la frecuencia eléctrica y la velocidad de rotación del campo magnético Inversión de la dirección de rotación del campo magnético Fuerza magnetomotriz y distribución de flujo en máquinas de ca Voltaje inducido en máquinas de ca Voltaje inducido en la bobina de un estator bipolar Voltaje inducido en un grupo de bobinas trifásico Voltaje rms en un estator trifásico Par inducido en una máquina de ca Aislamiento del devanado en una máquina de ca Flujo de potencia y pérdidas en máquinas de ca Pérdidas en máquinas de ca Diagrama de flujo de potencia Regulación de voltaje y regulación de velocidad Capítulo Generadores síncronos 267 Construcción de generadores síncronos La velocidad de rotación de un generador síncrono El voltaje interno generado por un generador síncrono Circuito equivalente de un generador síncrono

5 CONTENIDO xv Diagrama fasorial de un generador síncrono Potencia y par en los generadores síncronos Medición de los parámetros del modelo de generador síncrono Relación de cortocircuito Generador síncrono que opera solo Efecto de los cambios en la carga en un generador síncr01ioque opera solo Ejemplos Operación en paralelo de generadores de ca Las condiciones requeridas para operar en paralelo Procedimiento general para conectar generadores en paralelo Características de frecuencia-potencia y de voltaje-potencia reactiva en un generador síncrono Operación de generadores en paralelo con grandes sistemas de potencia Operación de generadores en paralelo con otros generadores del mismo tamaño Transitorios (oscilaciones momentáneas) en los generadores síncronos Estabilidad transitoria en los generadores síncronos Transitorios en cortocircuito en generadores síncronos Valores nominales en los generadores síncronos Valores nominales del voltaje, la velocidad y lafrecuencia Valores nominales de la potencia aparente y del factor de potencia Curvas de capacidad de los generadores síncronos Operación de corta duración y factor de servicio Capítulo ~otoressíncronos Principios básicos de la operación de los motores Circuito equivalente de un motor síncrono Motores síncronos desde la perspectiva del campo magnético Operación de motor síncrono en estado estacionario Curva característica par-velocidad de los motores síncronos Efecto de los cambios de carga en los motores síncronos Efecto de cambios en la corriente de campo en los motores síncronos Los motores síncronos y la corrección del factor de potencia Capacitor o condensador síncrono Arranque de los motores síncronos Arranque del motor por medio de la reducción de lafrecuencia eléctrica Arranque del motor con un motor primario externo Arranque del motor con devanados de amortiguamiento Efecto de los devanados de amortiguación en la estabilidad del motor

6 xvi CONTENIDO Capítulo Generadores síncronos y motores síncronos Valores nominales en los motores síncronos Motores de inducción Construcción de un motor de inducción Conceptos básicos de los motores de inducción Desarrollo del par inducido en un motor de inducción Concepto de deslizamiento del rotor Frecuencia eléctrica en el rotor Circuito equivalente de un motor de inducción Modelo de transformador de un motor de inducción Modelo de circuito del rotor Circuito equivalente final Potencia y par en los motores de inducción Pérdidas y diagrama de flujo de potencia Potencia y par en un motor de inducción Separación de las pérdidas en el cobre del rotor y la potencia convertida en el circuito equivalente de un motor de inducción Característica par-velocidad en los motores de inducción Par inducido desde el punto de vista físico Deducción de la ecuación del par inducido en el motor de inducción Comentarios sobre la curva par-velocidad del motor de inducción Par máximo (par de desviación) en un motor de inducción Variaciones en las características par-velocidad del motor de inducción Control de las características del motor mediante el diseño del rotor de jaula de ardilla Diseños de rotores de barra profunda y de doble jaula Clases de diseño de los motores de inducción Tendencias en el diseño de motores de inducción Arranque de los motores de inducción Circuitos de arranque de los motores de inducción Control de velocidad en los motores de inducción Control de velocidad del motor de inducción mediante el cambio de polos Control de velocidad mediante el cambio en lafrecuencia de la línea Control de velocidad mediante el cambio en el voltaje de línea Control de velocidad mediante el cambio de la resistencia del rotor Controladores de estado sólido para motores de inducción Ajuste de frecuencia (velocidad) Selección de patrones de voltaje y de frecuencia

7 CONTENIDO xvii Rampas de aceleración y desaceleración ajustables independientemente Protección del motor Determinación de los parámetros del modelo del circuito Prueba en vacío Prueba de cd para determinar la resistencia del estator Prueba de rotor bloqueado El generador de inducción Generador de inducción aislado Aplicaciones de los generadores de inducción Valores nominales de los motores de inducción Capítulo 8 Fundamentos de máquinas de corriente directa (cd) 8.1 Espira giratoria sencilla entre caras polares curvas El voltaje inducido en una espira giratoria Obtención del voltaje de cd de una espira giratoria El par inducido en la espira giratoria Conmutación en una máquina de cd sencilla de cuatro espiras Construcción del sistema de conmutación y del inducido en las máquinas de cd Bobinas del rotor Conexiones a los segmentos del conmutador Devanados imbricados Devanado ondulado Devanado de pata de rana de conmutación en las máquinas reales Reacción del inducido Voltajes L di/dt Soluciones a los problemas de conmutación Ecuaciones de voltaje interno generado y par inducido en las máquinas de cd reales Construcción de las máquinas de cd Construcción de los polos y de la estructura Construcción del rotor o inducido El conmutador y las escobillas Aislamiento de los devanados Flujo de potencia y pérdidas en las máquinas de cd Pérdidas en las máquinas de cd Diagrama de flujo de potencia

8 xviü CONTENIDO Capítulo Motores y generadores de corriente directa Introducción a los motores de cd Circuito equivalente en un motor de cd Curva de magnetización de una máquina de cd Motores de cd de excitación separada y en derivación Característica de los terminales de un motor de cd en derivación Análisis no lineal de un motor de cd en derivación Control de velocidad en los motores de cd en derivación Efecto de un circuito de campo abierto Motor de cd de imán permanente Motor de cd en serie Par inducido en un motor de cd en serie Característica de los terminales de un motor de cd en serie Control de velocidad en los motores de cd en serie Motor de cd compuesto Característica par-velocidad de un motor de cd compuesto acumulativo Característica par-velocidad de un motor de cd compuesto diferencial Análisis no lineal en motores de cd compuestos Control de velocidad en un motor de cd compuesto acumulativo Arrancadores para motores de cd en el arranque de motores de cd Circuitos de arranque de los motores de cd El sistema Ward-Leonard y los controladores de velocidad en estado sólido Sección del circuito de protección Sección del circuito de arranque y paro Sección de electrónica de alta potencia Sección de electrónica de baja potencia Cálculo de la eficiencia de un motor de cd Introducción a los generadores de cd Generador de excitación separada Característica en los terminales de un generador de cd de excitación separada Control del voltaje en los terminales Análisis no lineal de un generador de cd de excitación separada Generador de cd en derivación Incremento de voltaje en un generador en derivación Característica de los terminales de un generador de cd en derivación Control de voltaje en un generador de cd en derivación Análisis de los generadores de cd en derivación

9 CONTENIDO xix Capítulo Generador de cd en serie Característica de los terminales de un generador en serie Generador de cd compuesto acumulativo Característica de los terminales de un generador de cd compuesto acumulativo Control de voltaje en los generadores de cd compuestos acumulativos Análisis de generadores de cd compuestos acumulativos Generador de cd compuesto diferencial Característica de los terminales de un generador de cd compuesto diferencial Control de voltaje en los generadores de cd compuestos diferenciales Análisis gráfico de un generador de cd compuesto diferencial Motores monofásicos y de uso especial El motor universal Aplicaciones de los motores universales Control de velocidad en los motores universales Introducción a los motores de inducción monofásicos Teoría del doble campo giratorio de los motores de inducción monofásicos Teoría de campo cruzado de los motores de inducción monofásicos Arranque de los motores de inducción monofásicos Devanados de fase partida Motores de arranque por capacitor Motores de capacitor permanente dividido y motores de capacitor de arranque-capacitor de marcha Motores de polos sombreados Comparación entre los motores de inducción monofásicos Control de velocidad de un motor de inducción monofásico Circuito modelo de un motor de inducción monofásico Análisis del circuito con un circuito equivalente de un motor de inducción monofásico Otros tipos de motores Motores de reluctancia Motores de histéresis Motores de avance paso a paso (motores a pasos) Motores de cd sin escobillas

10 xx CONTENIDO Apéndice A A.I A.2 A.3 AA A.S A.6 Apéndice B B.I B.2 B.3 Apéndice C C.l C.2 Circuitos trifásicos 681 Generación de voltajes y corrientes trifásicas Voltajes y corrientes en un circuito trifásico Voltajes y corrientes en la conexión en ye (Y) Voltajes y corrientes en la conexión en delta (.:1) Relaciones de potencia en los circuitos trifásicos Ecuaciones de potencia trifásica que involucran cantidades de fase Ecuaciones de potencia trifásica que involucran cantidades de línea Análisis de un sistema trifásico balanceado Diagramas de una línea Utilización del triángulo de potencia Paso de bobina y devanados distribuidos 707 Efecto del paso de bobina en las máquinas de ca Paso de una bobina El voltaje inducido de una bobina de paso fraccionado con los armónicos y los devanados de paso fraccionado Devanados distribuidos en las máquinas de ca Factor de amplitud o de distribución Voltaje generado que incluye los efectos de distribución Armónicos de diente o de ranura Teoría de polos salientes de las máquinas síncronas 727 Desarrollo del circuito equivalente de un generador síncrono con polos salientes Ecuaciones de par y de potencia para las máquinas con polos salientes Apéndice D Tablas de constantes y factores de conversión 737 Índice 739