INDICE Capítulo 1. Introducción Capítulo 2. Conversión de energía Electromecánica Capítulo 3. Construcción de Máquinas Reales, Dínamos de CD

Transcripción

1 INDICE prefacio XIX Capítulo 1. Introducción Mayor uso de la corriente alterna Primeros usos de los motores Distribución de la energía eléctrica a los particulares Ignorancia sobre el funcionamiento de los motores eléctricos Prerrequisitos Uso eficiente de la energía Sistemas internacional de unidades métricas El futuro de las máquinas eléctricas 13 Capítulo 2. Conversión de energía Electromecánica La electricidad en el centro Escasez de dispositivos útiles de conversión de la energía El descubrimiento básico de Faraday Leyes fundamentales relacionadas Ley de inducción de Faraday Formulación de Newmann Relaciones de Fleming La ley de Lenz Construcción mecánica de los motores y generadores de corriente 27 directa Producción de voltaje en un generador práctico Relación de fuerza de la ley de Biot y Savart Regla de la mano izquierda de la acción de motor Otras leyes relacionadas Conversión de unidades 43 Preguntas 46 Problemas 47 Capítulo 3. Construcción de Máquinas Reales, Dínamos de CD Construcción mecánica Carcasa Polos del campo Estructura de la armadura Bobinas del devanado de la armadura El conmutador Escobillas Cojinetes de la flecha de la armadura Estructura de los extremos de campana Portaescobillas Bobinas de campo Campos de conmutación Devanado de compensación Devanados de la armadura 57

2 Tipos de devanado Devanados traslapados Devanados ondulados Devanado tipo ancas de rana y conexiones equipotenciales El conmutador y los elementos relacionados Espaciamiento de las escobillas Devanados traslapados Reacción de la armadura Corrección del efecto de reacción de la armadura Reactancia de la armadura Efecto de cortocircuito de las escobillas Efectos opuestos de las características de diseño Mejoras deseables El circuito magnético Análisis simplificado de un circuito magnético Observaciones de diseño de los circuitos magnéticos Motores sin núcleo Rotores de disco o de circuito impreso Motores enlatados Motores sin escobillas Mecanismos de conmutación en el circuito de la armadura 83 Preguntas 84 Problemas 84 Capítulo 4. Características de los Generadores de Corriente Directa El generador excitado en forma externa Curva de magnetización del generador Tipos de generadores básicos Acumulación y polaridad en el generador en derivación Recta de excitación de campo Empobrecimiento del generador El campo magnético residual y la energización del campo Polaridad el generador Características externas del generador en derivación Pérdida interna de voltaje en un generador en derivación Características internas y las externas relacionadas Regulación de los generadores Generador en serie Acumulación y polaridad en un generador en serie Características y ajuste de un generador en serie Polaridad y empobrecimiento en un generador en serie Características externas del generador en serie Pérdida interna de voltaje en un generador en serie Operación del compuesto acumulativo Operación del compuesto acumulativo Operación del compuesto diferencial 105

3 4.8. Características del generador compuesto Ajustes del generador compuesto 108 Preguntas 110 Problemas 111 Capítulo 5. Conexión en Paralelo de los Generadores de Corriente 113 Directa 5.1. Aplicaciones modernas de la conexión en paralelo Requerimientos de los generadores de corriente directa conectados en 114 paralelo 5.3. Generadores en derivación conectados en paralelo: Unidades idénticas Generadores en derivación conectados en paralelo: Unidades distintas Generadores compuestos acumulativos conectados en paralelo: 119 Unidades idénticas Conexión de la barra equipotencial Generadores compuestos acumulativos en paralelo: valores nominales 122 diferentes Conexiones equipotenciales transpuestas 123 Preguntas 124 Problemas 125 Capítulo 6. El Motor de Corriente Directa Qué es la potencia Fuerza Trabajo Potencia Relación entre el par y la potencia Producción del par Medición del par Freno de Prony Freno de Prony de doble báscula Dinanómetro Fuerza contraelectromotriz en un motor Potencia desarrollada por la armadura Velocidad del equilibrio del motor El motor en derivación Características de velocidad del motor en derivación Características de par de un motor en derivación Regulación de velocidad Potencia nominal estándar Motores con campo de imán permanente El motor en serie Características de velocidad del motor en serie Características del par del motor en serie Motores compuesto El motor compuesto Características de velocidad del motor compuesto 155

4 Características del par de un motor compuesto Comparación de las características del motor de corriente directa Problemas de arranque en los motores de corriente directa Interruptor de arranque de cd Inversión del motor de corriente directa Conexiones del circuito de inversión de un motor de corriente directa Conversión de unidades de fuerza, pár y velocidad de rotación 165 Preguntas 167 Problemas 168 Capítulo 7. Eficiencia de las Máquinas de Corriente Directa Relaciones básicas de la eficiencia Fuentes convenientes de datos Tipos de pérdidas en máquinas de corriente directa Pérdidas por rotación Pérdidas por resistencia de devanado Pérdida en el campo en derivación Relaciones entre las pérdidas Aislamiento y determinación de las pérdidas Prueba de pérdida por rotación con energía propia Pérdidas por rotación con alimentación independiente de energía Fricción mecánica de las escobillas Pérdidas por histéresis y pos corrientes parásitas Resistencia de los devanados Resistencia a partir de las características del alambre Efecto de la temperatura sobre la resistencia Resistencia del circuito de la armadura Método de óhmetro o de la ley de Ohm Métodos de coltmetro amperímetro Cálculo de resistencias Método de Forgue Calibración de un motor o generador de corriente directa Consideraciones para calibrar una máquina Eficiencia de motores de corriente directa empleando un generador 215 calibrado Preguntas 217 Problemas 218 Capítulo 8. Componentes Básicos de Control Control Dispositivos primarios de control Dispositivos piloto de control Dispositivos semiconductores básicos de control Diodos de potencia El transistor Tiristores El DIAC y el TRIAC 254

5 8.3. Fuentes de disparo para los interruptores semiconductores Convertidores electrónicos de potencia Diodos como rectificadores 266 Preguntas 288 Capítulo 9. El Control de Motores de Corriente Directa Lista de características de cargas de motor Suministro de energía Consideraciones en cuanto a requerimiento de arranque Consideraciones en cuanto a requerimientos de paro Consideraciones en cuanto a requerimientos de reversa Consideraciones en cuanto a requerimientos de marcha normal Consideraciones en cuanto a requerimientos de control de velocidad Consideraciones en cuanto a los requerimientos de seguridad y 293 medio ambiente 9.2. Arrancadores manuales de motores de corriente directa Arrancadores automáticos de motores de corriente directa Arrancadores de cd de aceleración en tiempo definido Arrancadores de aceleración con límite de corriente Control de inversión de motores de corriente directa Control de botón de presión con reserva Control de inversión por cambio de polaridad Controlador típico de inversión, por cambio de polaridad Retardo y paro Frenado dinámico Frenado regenerativo Frenos eléctricos Avance por impulsos Control de velocidad en motores de corriente directa Causas básicas y límites de la velocidad Relaciones específicas de velocidad Mecanismos que se usan en el control de velocidad Control de velocidad de estado sólido de motores de cd Control de voltajes por SCR Convertidores de modo conmutado de cd a cd Convertidor de modo conmutado de un solo cuadrante Convertidores de modo conmutado de dos cuadrantes Convertidor de modo conmutado de cd a cd de cuatro cuadrantes 347 Preguntas 356 Capítulo 10. Selección de Motores y Generadores de Corriente Directa Potencia de la flecha Características de la carga manejada Velocidad nominal Tamaño de la carcasa Clasificación en cuanto a velocidad Efecto del ciclo de trabajo 367

6 10.7. Efectos de la temperatura ambiente Elevación permisible de temperatura Voltajes y corriente nominales Tipos de cubiertas de máquinas Mantenimiento y accesibilidad 375 Preguntas 375 Problemas 376 Capítulo 11. Dínamos de Corriente Alterna Construcción física de máquinas de corriente alterna Armadura fija o estator Estructura del campo giratorio Devanados del alternador Encordado de los devanados Conexiones de grupos de bobinas Distribución de los devanados Alternador síncrono 385 Preguntas 389 Problemas 389 Capítulo 12. El Alternador Síncrono Relación de voltaje Fórmula básica de generación de voltaje Paso de devanados Distribución de los devanados Relaciones de voltaje de grupo completo de polo fase 397 Preguntas 399 Problemas 399 Capítulo 13. Regulación de Alternadores Síncronos Desempeño representativo de los alternadores Regulación porcentual de los alternadores Regulación a factor de potencia unitario Regulación con factor de potencia atrasada Cargas de factor con potencia adelantado Resumen de las relaciones de los factores de potencia de la carga Resistencia de los devanados Impedancia síncrona 411 Preguntas 416 Problemas 416 Capítulo 14. Puesta en Paralelo de Alternadores Síncronos Requerimientos de voltaje en paralelo Voltajes concordantes y transformadores Voltajes opuestos contra voltajes iguales Consideraciones de la secuencia de fases Magnitud del problema de las secuencias desfasadas Fuerzas de secuencia de fase incorrecta Requerimiento de estar en fase para poner en paralelo 423

7 14.4. Requerimiento de frecuencia idéntica Diferencias de frecuencias permisibles Relación par velocidad del motor primario Relaciones no concordantes de par velocidad Procedimiento de sincronización de alternadores Concordancia de los voltajes Concordancia de la secuencia de fases Indicación de secuencia de fases por lámparas oscuras Indicación de la secuencia de fases por lámparas brillantes Indicación de la secuencia de fases por dos lámparas brillantes y 427 una oscura Método alternativos de indicación de la secuencia de fases Determinación de la condición de estar en fase Indicación de la condición de estar en fase por lámparas oscuras Indicación de la condición de estar en fase por lámparas brillantes Indicación de la condición de estar en fase por dos lámparas 430 brillantes y una oscura Sincronización de frecuencias Sincronización por sincroscopio 431 Preguntas 432 Capítulo 15. Transformadores Ideales y Transformadores Prácticos El transformador ideal Relaciones de la razón de transformación Ecuación general de los transformadores Condiciones de los transformadores prácticos 447 Preguntas 451 Problemas 452 Capítulo 16. Circuitos Equivalentes de Transformadores Impedancia reflejada Circuitos equivalentes simplificados Relaciones fasoriales de voltaje del secundario Relaciones de voltaje para factor de potencia atrasada Relaciones de voltaje de factor de potencia atrasada Relaciones de voltaje de factor de potencia adelantada Regulación de voltaje de transformadores por relaciones de fasoriales 462 de corriente Regulación de voltaje en transformadores mediante la prueba de 465 cortocircuito Prueba de circuito abierto por pérdidas magnéticas Eficiencia de transformadores 470 Preguntas 474 Problemas 475 Capítulo 17. Tipos Específicos de Transformadores Transformadores con devanados múltiples Pruebas para identificación de bobinas 479

8 Pruebas de polaridad y voltaje Autotransformadores División de potencia en autotransformadores Transformadores de instrumentación Transformadores de potencial Transformadores de corriente 487 Preguntas 488 Problemas 489 Capítulo 18. Conexiones de Transformadores Conexiones de transformadores en paralelo Transformadores no concordantes en paralelo Transformadores concordantes en paralelo Circuitos de transformadores trifásicos Conexiones trifásicas estrella estrella (Y-Y) Conexiones trifásicas delta delta (A-A) Conexiones trifásicas estrella estrella (A-Y) Conexiones trifásicas delta estrella (A-Y) Delta abierta o V-V trifásica Te Scott o T T trifásico Te Scott trifásica o bifásica Puesta en paralelo de transformadores trifásicos Transformación multifásica 507 Preguntas 507 Problemas 508 Capítulo 19. El Motor Polifásico de Inducción Acción de motor de inducción Campo magnético giratorio de bobinas de estator polifásico fijo Desarrollo de par en el rotor de motores de inducción Parámetros de desempeño de motores de inducción Prueba de vacío o prueba de pérdida por rotación Prueba de rotor bloqueado Prueba de resistencia del estator Prueba de carga para motores de inducción Los parámetros de motor en síntesis Desempeño de motores de inducción Corriente y potencia del rotor Par del motor de inducción Par máximo desarrollado Relaciones de par de arranque 532 Preguntas 535 Problemas 535 Capítulo 20. Características del Motor Polifásico de Inducción Clases de motores de la National Electrical Manufactures Association Características de los motores de clase Nema Características de los motores de inducción 543

9 Cambio de velocidad de motores por cambio de frecuencia Cambio de velocidad de motores por cambio de polos Motores PAM Cambio de velocidad de motores por cambio de voltaje Cambio de velocidad de motores por resistencia de rotor Eficiencia de motores de inducción 551 Preguntas 556 Problemas 556 Capítulo 21. El Motor Síncrono Similitud con los alternadores síncronos Acción de motor síncrono Arranque de motores síncronos Control del factor de potencia en motores síncronos Curva en V de los motores síncronos Corrección de factores de potencia en motores síncronos Capacitor síncrono Eficiencia de la dínamos síncronos Curvas características de motores síncronos 572 Preguntas 574 Problemas 574 Capítulo 22. El Motor Monofásico de Inducción Arranque de motores monofásicos de inducción Nada de par en motores monofásicos detenidos Teoría de los dos campos giratorios Teoría del campo cruzado del rotor Arranque con fase dividida por resistencia Problemas de interruptor de arranque Motores inversos de fase dividida por resistencia Motores de inducción de arranque por capacitar Requisitos del capacitor Problemas de interruptor de arranque Motores de arranque por capacitor y operación por capacitor Circuitos de autotransformador y capacitor Motor de capacitor permanentemente dividido Características de carga del motor monofásico de inducción Motores de fase dividida por resistencia Motores de arranque por capacitor Motores de arranque por capacitor y operación por capacitor Eficiencia de los motores monofásicos de inducción Pruebas sin carga o de pérdidas por rotación Prueba con rotor bloqueado Prueba de resistencia del estator Eficiencia a partir del método del AIEE Mejoramiento de la eficiencia por uso de menor voltaje con cargas 600 de potencia parcial

10 Preguntas 602 Problemas 603 Capítulo 23. Motores Monofásicos de Polos Sombreados, Síncronos, 605 Universales y de Otros Tipos Motores de inducción de polos sombreados Inversión de motores de polos sombreados Motores de inducción de arranque por reluctancia Motores monofásicos síncronos Motores de reluctancia Motores de histéresis Motores subsíncronos Motores polifásicos de inducción síncronos Eficiencias de los motores del tipo de inducción Motores no síncronos Motor universal Características del motor universal Aplicación de motores monofásicos 621 Preguntas 623 Problemas 624 Capítulo 24. Control y Operación de Motores de Corriente Alterna Lista de características de carga de motores de corriente alterna Suministro de energía Consideraciones en los requerimientos de arranque Consideraciones en los requerimientos de paro Consideraciones en los requerimientos para inversión Consideraciones en los requerimientos para marcha normal Consideraciones en los requerimientos para control de velocidad Consideraciones en los requerimientos de seguridad y medio 627 ambiente Componentes y símbolos de diseño relacionados Transformadores de voltaje de línea Transformadores para circuitos de control piloto Arrancador de motor no inversor a voltaje pleno Arrancadores de motor inversor a voltaje pleno Controles trifásicos integrales de potencia Controles de arranque de motores trifásicos con voltaje reducido Circuitos específicos de arranque Otros circuito0s de arranque con corriente reducida Arranque de motores de inducción con rotor devanado Controles de inversión de corriente reducida Reversa por inversión de polaridad en motores de corriente alterna Retardo y paro de motores de corriente alterna Controles de avance por impulsos en motores de corriente alterna Control de velocidad en motores de corriente alterna Controles de velocidad de polos consecuentes 642

11 Controles de velocidad en motores PAM Controles de velocidad de dos devanados Controles de dos velocidades con reversa Ventajas en eficiencia de operación de motores a voltaje reducido Consideraciones sobre control de estado sólido Control de motores monofásicos de ca El cicloconvertidor Características para el control: consideraciones operativas 662 Preguntas 672 Capítulo 25. Selección de Motores de Corriente Alterna Potencia en la flecha Características de la carga manejada Velocidad nominal Tamaño de carcasa Clasificación por velocidad Efecto del ciclo de trabajo Efectos de la temperatura ambiente Elevación permisible de temperatura Voltajes y corrientes nominales Especificaciones de nivel de voltaje para corriente alterna Frecuencia de corriente alterna Niveles de corriente en motores de corriente alterna Dispositivos para protección de motores Factor de potencia del motor Tipos de cubiertas de máquinas Mantenimiento y accesibilidad Eficiencia Interferencia de radio y televisión 691 Preguntas 692 Problemas 693 Capítulo 26. Usos Especiales de las Máquinas Síncronas y de 695 Inducción Conjunto convertidor de frecuencia Convertidor de frecuencia de inducción Convertidor de fase de inducción, de monofásica a trifásica Convertidor de fase de inducción, de monofásica o bifásica o trifásica Regulador de inducción Dispositivos de movimiento lineal 702 Preguntas 703 Apéndice A. Conversiones de Unidades 705 Apéndice B. Lista de símbolos 708 Apéndice C. Símbolos griegos 715 Apéndice D. Constantes y coeficientes que se emplean en el texto 717 Apéndice E. Letras de código indicadoras para rotor bloqueado en los 719 motores de inducción

12 Bibliografía 721 Índice 723