Las máquinas eléctricas son convertidores electromecánicos capaces de transformar energía desde un sistema eléctrico a un sistema mecánico o viceversa

Transcripción

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2 Motores 2

3 Las máquinas eléctricas son convertidores electromecánicos capaces de transformar energía desde un sistema eléctrico a un sistema mecánico o viceversa Flujo de energía como MOTOR Sistema Eléctrico Maquina Eléctrica Sistema Mecánico Flujo de energía como GENERADOR

4 MÁQUINAS ELÉCTRICAS En los motores eléctricos las espiras rotativas del conductor son guiadas mediante la fuerza magnética ejercida por el campo magnético y la corriente eléctrica. Se transforma la energía eléctrica en energía mecánica.

5 Funcionamiento Funcionamiento con carga. Un motor funciona con carga cuando está arrastrando cualquier objeto o soportando cualquier resistencia externa (la carga) que lo obliga a absorber energía mecánica. Por ejemplo: el motor de una grúa soporta las cargas que eleva, el propio cable, los elementos mecánicos de la grúa, Funcionamiento en vacío. cuando el motor no está arrastrando ningún objeto, ni soportando ninguna resistencia externa, el eje está girando libremente y no está conectado a nada. En este caso, el par resistente se debe únicamente a factores internos.

6 MÁQUINAS ELÉCTRICAS Se basan en la ley de Faraday que indica que "en cualquier conductor que se mueve en el interior de un campo magnético se generará una diferencia de potencial entre sus extremos, proporcional a la velocidad de desplazamiento". Principio de funcionamiento de un generador 6

7 MÁQUINAS ELÉCTRICAS En los motores eléctricos las espiras rotativas del conductor son guiadas mediante la fuerza magnética ejercida por el campo magnético y la corriente eléctrica. Se transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Colector de delgas Colector de anillos 7

8 Funcionamiento del Motor DC Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un cable conductor inmerso en un campo magnético, la fuerza magnética produce un par el cual provoca el giro del motor 8

9 Corriente en un Motor DC 9

10 Campo Magnético en el Motor DC 10

11 Fuerza Magnética en el Motor DC 11

12 El campo magnético es definido por la ley de Lorentz, y específicamente por la fuerza magnética de una carga en movimiento: Las implicaciones de esta expresión incluyen: 1. La fuerza es perpendicular a la velocidad v de la carga q y al campo magnético B. 2. La magnitud de la fuerza es F = q v B sinβ donde β es el ángulo < 180º entre la velocidad y el campo magnético. Esto implica que la fuerza magnética de una carga estacionaria o de una carga en movimiento paralelo al campo magnético es nula. 3. La dirección de la fuerza está dada por la regla de la mano derecha. 12

13 Par en el Motor DC 13

14 MOTORES ELÉCTRICOS 14

15 Principio de Funcionamiento: N F I Armature windings Brush Rotor w F V F S 15

16 MOTORES DC El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales: Rotor (circuito de armadura o inducido) Constituye la parte móvil del motor, proporciona el par para mover a la carga. Está formado por Eje Núcleo y Devanado Colector Tapas 16

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18 MOTORES DC 18

19 Rotor El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos: a) Rotor ranurado b) Rotor de polos salientes c) Rotor jaula de ardilla 19

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21 MOTORES DC Eje : Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al núcleo, devanado y al colector. 21

22 Núcleo : Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de acero, su función es proporcionar un trayecto magnético entre los polos para que el flujo magnético del devanado circule. Este núcleo laminado contiene ranuras a lo largo de su superficie para albergar al devanado de la armadura (bobinado). 22

23 Devanado : Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conducción conmutado. 23

24 Colector : Denominado también conmutador, está constituido de láminas de material conductor (delgas), separadas entre sí y del centro del eje por un material aislante, para evitar cortocircuito con dichos elementos. 24

25 El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de modo que gira con éste y está en contacto con las escobillas. La función del colector es recoger la tensión producida por el devanado inducido, transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas. 25

26 Estator Constituye la parte fija de la máquina. Su función es suministrar el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio. Está formado por Armazón Imán permanente Escobillas portaescobillas Carcasa 26

27 Armazón : Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales : servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y del imán permanente, para completar el circuito magnético. 27

28 Imán permanente : Compuesto de material ferromagnético altamente remanente, se encuentra fijado al armazón o carcasa del estator. Su función es proporcionar un campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interactúe con el campo formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interacción de estos campos. 28

29 Clasificación: MOTORES ELÉCTRICOS 29

30 MOTORES ELÉCTRICOS 30

31 Motor de excitación independiente: Son aquellos que obtienen la alimentación del rotor y del estator de dos fuentes de tensión independientes. Con ello, el campo del estator es constante al no depender de la carga del motor, y el par de fuerza es entonces prácticamente constante. Este sistema de excitación no se suele utilizar debido al inconveniente que presenta el tener que utilizar una fuente exterior de corriente. 31

32 Motor serie: Los devanados de inducido y el inductor están colocados en serie y alimentados por una misma fuente de tensión. En este tipo demotores existe dependencia entre el par y la velocidad; son motores en los que, al aumentar la corriente de excitación, se hace disminuir la velocidad, con un aumento del par. 32

33 Motor de derivación: El devanado inducido e inductor están conectados en paralelo y alimentados por una fuente común. También se denominanmáquinas shunt, y en ellas un aumento de la tensión en el inducido hace aumentar la velocidad de la máquina. 33

34 Motor compuesto: También llamados compound, en este caso el devanado de excitación tiene una parte de él en serie con el inducido y otra parte en paralelo. El arrollamiento en serie con el inducido está constituido por pocas espiras de gran sección, mientras que el otro está formado por un gran número de espiras de pequeña sección. Permite obtener por tanto un motor entre serie y con excitación en derivación. 34

35 LAS PRINCIPALES APLICACIONES DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA Trenes de laminación reversibles. Los motores deben de soportar una alta carga. Normalmente se utilizan varios motores que se acoplan en grupos de dos o tres. Industria del papel. Otras aplicaciones son las máquinas herramientas, máquinas extractoras, elevadores, ferrocarriles. El motor de corriente continua se usa en grúas que requieran precisión de movimiento con carga variable (cosa casi imposible de conseguir conmotores de corriente alterna) 35

36 Clasificación de los motores de corriente alterna Por su velocidad de giro: 1. Asíncrono: Son aquellos motores eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de frecuencias. 2. Motores Síncronos: Son aquellos motores eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de frecuencias. Este motor tiene la característica de que su velocidad de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta. Es utilizado en aquellos casos en donde se desea una velocidad constante. 36

37 Los motores síncronos se subdividen a su vez, de acuerdo al tipo del rotor que utilizan, siendo estos: rotor de polos lisos (polos no salientes) y de polos salientes. Motores de rotor de polos lisos o polos no salientes: se utilizan en rotores de dos y cuatro polos. Estos tipos de rotores están construidos al mismo nivel de la superficie del rotor. Los motores de rotor liso trabajan a elevadas velocidades. 37

38 Motores de polos salientes: Los motores de polos salientes trabajan a bajas velocidades. Un polo saliente es un polo magnético que se proyecta hacia fuera de la superficie del rotor. Los rotores de polos salientes se utilizan en rotores de cuatro o más polos. 38

39 Principales componentes de un excitador sin escobillas para un motor sincrónico 39

40 Circuito equivalente de un motor sincrónico que muestra una fase 40

41 Motor bajo carga E 0 detrás de E 41

42 Ejemplo Un motor sincrónico de 500 Hp y 720 rpm esta conectado a una línea trifásica de 3980 V genera un voltaje de excitación E 0 de 1790 V(Linea neutro) cuando la corriente directa de excitación es de 25 A. La reactancia sincrónica es de 20 Ω y el ángulo entre E 0 y E es de 30. a) Calcular el valor de E x b) corriente alterna de línea c) factor de potencia del motor. d) caballos de fuerza aproximados que desarrolla el motor e) El par de momento de torsión que desarrolla el eje ℸ = 9,55P n 42

43 a) Para calcular el valor de E x Recordar que E LN = E LL 3 Tome como referencia este voltaje y recuerde que E referencia = E LN = E Defina E o en forma fasorial. Recuerde que ángulo entre E 0 y E es de 30. Aplicar LVK en el cto equivalente y deduzca E x. Dibuje los fasores E x ;E; E 0 43

44 b) Para hallar la corriente alterna de línea En el circuito equivalente aplicar ley de Ohm en la bobina V L = Z L I E x = X L I c) Para hallar el factor de potencia del motor recuerde que el factor de potencia es el coseno del ángulo entre E e I. d) caballos de fuerza aproximados que desarrolla el motor. P = 3 E I cosθ y trabaje la relación 1Hp=746 W 44

45 Ejemplo Un motor sincrónico de 4000 Hp (3000 W) y 6600v, 60Hz; 200 rpm y reactancia sincrónica de 11 Ohmios opera a plena carga con un FP adelantado de 0,8 a) La magnitud de la Potencia aparente del motor por fase. b) corriente alterna de línea. c) El valor y la fase de E o. d) Diagrama de fasores. e) Determinar el ángulo del par motor 45

46 Proceso de solución Para calcular la magnitud de la Potencia aparente del motor por fase. 1) Calcule la potencia activa por fase. P = Pot_Motor 3 2) Calcule la potencia aparente por fase: parta de P = V I cos (θ)= S cos (θ), despeje S. 46

47 b) Para calcular la corriente alterna de línea: calcule E LN = E LL 3 En la expresión S = E LN I despeje I Para expresar I en forma fasorial debemos aplicar el hecho de que el factor de potencia es el coseno del ángulo entre E e I..conoce θ 47

48 c) Para calcular el valor y la fase de E o. Aplique ley de Ohm En el circuito equivalente aplicar ley de Ohm en la bobina V L = Z L I E x = X L I. Luego aplique LVK en el circuito equivalente del motor sincrónico para hallar E 0 48

49 d) hacer el diagrama de fasores. e) Determinar el ángulo del par motor el ángulo del par motor es el angulo que se forma entre E y E 0 49

50 Por qué Utilizar Motores Sincrónicos? Las principales ventajas son: Corrección del factor de potencia Los motores sincrónicos pueden ayudar a reducir los costos de energía eléctrica y mejorar el rendimiento del sistema de energía, corrigiendo el factor de potencia en la red eléctrica donde están instalados. 50

51 Velocidad constante Los motores sincrónicos mantienen la velocidad constante tanto en las situaciones de sobrecarga como durante momentos de oscilaciones de tensión, respetándose los límites del conjugado máximo (pull-out). 51

52 Alta capacidad de torque Los motores sincrónicos son proyectados con altos torques en régimen, manteniendo la velocidad constante, incluso en aplicaciones con grandes variaciones de carga. Mayor estabilidad en la utilización con convertidores de frecuencia. Puede actuar en un amplio rango de velocidad, manteniendo la estabilidad independiente de la variación de carga. 52

53 Alto rendimiento En la conversión de energía eléctrica en mecánica es más eficiente, generando mayor ahorro de energía. Los motores sincrónicos son proyectados para operar con alto rendimiento en un amplio rango de velocidad y para proveer un mejor aprovechamiento de energía para una gran variedad de cargas. 53

54 Aplicaciones Minería (moledoras, molinos, cintas transportadoras y otros) Siderurgia (laminadores, ventiladores, bombas y compresores) Papel y celulosa (extrusoras, picadoras, desfibradoras, compresores y refinadoras) Saneamiento (bombas) Química y petroquímica (compresores, ventiladores, extractores y bombas) Cemento (moledoras, molinos y cintas transportadoras) Goma (extrusoras, molinos y mezcladoras) 54

55 Por el tipo de rotor 1.Motores de anillos rozantes: Es similar al motor trifásico jaula de ardilla, su estator contiene los bobinados que generan el campo magnético giratorio. El objetivo del diseño del motor de anillos rosantes es eliminar la corriente excesivamente alta del arranque y el troqué elevado asociado con el motorde jaula de ardilla. Cuando el motor se arranca un voltaje es inducido en el rotor, con la resistencia agregada de la resistencia externa la corriente del rotor y por lo tanto el troqué pueden controlarse fácilmente 55

56 2. Motores con colector: Los colectores también son llamados anillos rotatorios, son comúnmente hallados en máquinas eléctricas de corriente alterna como generadores, alternadores, turbinas de viento, en las cuales conecta las corriente de campo o excitación con el bobinado del rotor. Pueden entregar alta potencia con dimensiones y peso reducidos. Pueden soportar considerables sobrecargas temporales sin detenerse completamente. Se adaptan a las sobrecargas disminuyendo la velocidad de rotación, sin excesivo consumo eléctrico. Producen un elevado torque de funcionamiento. 56

57 3. Motores de jaula de ardilla: un motor eléctrico con un rotor de jaula de ardilla también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de anillos y barras y la rueda de un hámster (ruedas probablemente similares existen para las ardillas domésticas). 57

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70 Ver ejemplos resueltos en clase 70