UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA AREA DE ENERGÍA, INDUSTRIAS Y RECURSOS NATURALES NO RENOVABLESMOTORES ELECTRICOS YARIMA DÍAZ RAMIREZ Ingeniera Eléctrica Las máquinas eléctricas MÁQUINAS ELÉCTRICAS _ Estáticas Rotativas Transformadores _ Motores Generadores Transformador SISTEMA ELÉCTRICO MEDIO DE ACOPLAMIENTO SISTEMA ELÉCTRICO Transformador Motor SISTEMA ELÉCTRICO MEDIO DE ACOPLAMIENTO SISTEMA MECÁNICO G nerador Generador Tipos de Motores Corriente Alterna Monofásicos Polifásicos Rotativos Motores Síncronos Motores Asíncronos » De Jaula » De Anillos Rozantes Lineales Motores Especiales Motores Paso a Paso Motores de Reluctancia Motores Magneto-hidrodinámicos Motor Universal Motores de 400 Hz Corriente Continua: Excitación Derivación. Excitación Serie. Excitación Compuesta. De imanes permanentes. Sin escobillas. Campos de Aplicación Domésticos. Automóbiles. Equipos de Tecnologías de la Información. Aplicaciones Industriales y Robots. Transporte. Juguetes y Entretenimiento. Equipos de Visión y Sonido. Equipos Médicos Entre otros Partes fundamentales de un motor eléctrico 1- Carcasa 2-Tapa anterior (frente) 3- Base 4- Flecha o eje del rotor 5-Caja de conexiones 6- Tapa posterior El principio de reversibilidad Todas las máquinas eléctricas rotativas son reversibles Pueden funcionar como motor o como generador Motor Conversión de Energía Eléctrica en Energía Mecánica Conversión de Energía Mecánica en Energía Eléctrica Generador Métodos de Refrigeración [A] Aire [F] Freon [H] Hidrógeno [N] Nitrógeno [C] Dióxido de Carbono [W] Agua [U] Aceite [S] Cualquier otro elemento refrigerante [Y] Refrigerante todavía no seleccionado Vida Útil / Ciclos de trabajo Depende del Servicio y del Entorno Influencias: Arranques Frecuentes Variaciones de Velocidad Oscilaciones Pendulares Inversiones del sentido de giro Sobrecargas Térmicas Oscilaciones de Temperatura Condiciones Ambientales: Suciedad, Humedad, Altitud, Atmósferas Explosivas o Agresivas,Sacudidas Componentes con vida limitada: Bobinados Cojinetes o rodamientos Anillos rozantes / Colectores de delgas Paquete magnético Aislamiento Cuando hablamos de la condición de aislamiento nos referimos a la resistencia que existe entre el bobinado a tierra (RTG, en ingles). La RTG indica que tan limpio o sano esta un aislamiento. En termografía IR es posible detectar una falla en el aislamiento de un motor si se tiene la clase de aislamiento del mismo (dato de placa). El aislamiento se pierde muy rápido sus propiedades al aumentar la temperatura, un motor en vez de durar aproximadamente 15 años, duraría alrededor de 3 años si se supera la máxima temperatura que soporte su clase de aislamiento. Tipos de Aislamiento Selección Inicial Catálogos de fabricantes Placa de características Designación de bornes y conexión Corriente consumida (nominal) Potencia nominal Clase de aislamiento Calentamiento nominal Velocidad a plena carga Nombre del fabricante Número de serie y año de fabricación DATOS NOMINALES Potencia, kW ó HP Tensión de servicio, kV ó V Frecuencia, Hz Velocidad nominal, r.p.m. Corriente nominal, Amp. Corriente de arranque. Amp. Factor de potencia, cos Eficiencia, % Un motor para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. Un motor eléctrico opera primordialmente en base a dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831. Y el principio que André Ampére observo en 1820, f.e.m. (fuerza electromotriz. MOTOR1 Motor Eléctrico Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica y se encuentran en todas partes: en las locomotoras del ferrocarril, el compresor del frigorífico o el mecanismo de arrastre del reproductor de vídeo. Corriente nominal: En un motor, el valor de la corriente nominal es la cantidad de corriente que consumirá el motor en condiciones normales de operación. Corriente de vacío: Es la corriente que consumirá el motor cuando no se encuentre operando con carga y es aproximadamente del 20% al 30% de su corriente nominal. Corriente de arranque: Todos los motores eléctricos para operar consumen un excedente de corriente, mayor que su corriente nominal, que es aproximadamente de dos a ocho veces superior. Corriente a rotor bloqueado: Es la corriente máxima que soportara el motor cuando su rotor esté totalmente detenido. Revoluciones por minuto (R.P.M.) o velocidad angular: Se define como la cantidad de vueltas completas que da el rotor en el lapso de un minuto. w = N = 2 F F = 1/t Donde: W=N = Revoluciones por minuto o velocidad angular = Constante [3.14] F = Frecuencia t = Tiempo Factor de potencia: El factor de potencia [cos ] se define como la razón que existe entre Potencia Real [P] y Potencia Aparente [S]. Factor de servicio (FS): El factor de servicio de un motor se obtiene considerando la aplicación del motor, para demandarle más, o menos potencia, y depende directamente del tipo de maquinaria impulsada (Pr = P* F.S.). Par Nominal: Es el par que se produce en un motor eléctrico para que pueda desarrollar sus condiciones de diseño. Par de arranque: Es el par que va a desarrollar el motor para romper sus condiciones iniciales de inercia y pueda comenzar a operar. Eficiencia: Es un factor que indica el grado de perdida de energía, trabajo o potencia de cualquier aparato eléctrico o mecánico. Deslizamiento: El deslizamiento es la relación que existe entre la velocidad de los campos del estator y la velocidad de giro del rotor. (s = Ne/Nr). Motores de Corriente Directa (MCD) Tipos de MCD a) El motor Shunt: Es el motor que tiene la mejor regulación de velocidad. Se emplea principalmente para accionar cargas de velocidad constante. b) El motor Serie: Este Motor varía mucho su velocidad con la carga y tiende a asumir velocidades muy altas en vacío. En cambio soporta mejor las sobrecargas. Se emplea para accionar cargas pesadas tales como tranvías, grúas, montacargas, ascensores, etc. c) El motor Compound: Tiene características intermedias entre el shunt y el serie. Se le emplea mucho, en lugar del serie, para mover cargas pesadas, tales como ascensores, grúas, etc. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE LA MÁQUINA DE C.C. EL ESTATOR: a) Los polos: los cuales están hechos de acero silicio laminado. b) Las bobinas de campo: Las bobinas están arrolladas sobre los polos. c) Los Interpolos: Están hechos de láminas de acero silicio y llevan un arrollamiento de alambre grueso. d) Los arrollamientos de Compensación: Están conformados por los conductores que se colocan en los polos con el objeto de neutralizar la reacción de armadura. Solamente los llevan las máquinas de gran potencia ya que su costo es bastante elevado. f) Las Escobillas y las Portaescobillas: Toda máquina de corriente continua requiere de por lo menos dos escobillas. Están hechas de carbón ó de cobre grafito y van alojadas en las portaescobillas que están sujetas a un anillo que va entornillado al yugo. EL ROTOR: a) El Núcleo de la Armadura: Está constituído por láminas de acero silicio de sección circular. b) El Conmutador: Está hecho por un gran número de segmentos de cobre ó delgas, aislados entre sí. c) El Arrollamiento de Armadura: Existen dos tipos de arrollamiento de armadura: el imbricado y el ondulado. Despiece de una máquina de CC 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Culata Núcleo polar Expansión polar Núcleo del polo auxiliar o de conmutación Expansión del polo auxiliar o de conmutación Núcleo del inducido Arrollamiento de inducido Arrollamiento de excitación Arrollamiento de conmutación 1 2 9 12 10 8 3 6 11 5 7 4 ¥ . F. Cabanas: T cnicas para el mantenimiento y diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas 11. 12. Escobillas ¡ ¡ 10. Colector El colector El colector es un dispositivo que invierte el sentido de la FEM para obtener una tensión continua y positiva ¥ M. F. Cabanas: Técnicas para el mantenimiento y diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas Colector real Colector Escobillas FUNCIONAMIENTO EN VACIO MCD UN MOTOR TRABAJA EN VACIO CUANDO NO EXISTE NINGUNA CARGA MECANICA CONECTADA A SU EJE; ES DECIR NO ENTREGA CARGA. POR LO QUE LA CORRIENTE QUE POSEE ES LA CORRIENTE DE FUNCIONAMIENTO EN VACIO, EDS LA CORRIENTE MINIMA NECESARIA PARA VENCER LA INERCIA PROPIA DEL MOTOR. FUNCIONAMIENTO CON CARGA DEL MCD CAMBIO DE VELOCIDAD EN MCD La velocidad de los motores de c.c. puede variarse entre amplios márgenes por métodos relativamente simples. En esto reside justamente su mayor ventaja sobre los motores de corriente alterna. a) Variación de Velocidad por reóstato de Campo o Método de Potencia Constante: El reóstato de campo permite variar la corriente de excitación del motor shunt y el motor compound. Se emplea cuando la carga tiene potencia constante b) Variación de Velocidad por variación de la tensión aplicada a la Armadura: La velocidad es proporcional a la tensión aplicada. A plena tensión tendremos la velocidad máxima de base y reduciendo la tensión podremos bajar velocidad hasta cero. FRENADO ELÉCTRICO Frenado mecánico: El motor cuando se le desconecta de la red poniendo su armadura en cortocircuito y manteniendo conectada su excitación. En realidad de esta manera el motor está funcionando como un generador y como no tiene una máquina prima que lo accione se detendrá rápidamente. Frenado dinámico: Para acelerar más todavía el frenado, se acostumbra conectar el motor a una resistencia en la que se disipa rápidamente la energía cinética de la máquina bajo forma de calor. Frenado regenerativo: Se emplea en los trenes eléctricos cuando están bajando una pendiente. En este caso los motores trabajan como generadores y de frenar la máquina pueden producir energía eléctrica que vuelve a la red y es utilizada por otras máquinas que estén funcionando simultáneamente. FRENADO ELÉCTRICO Frenado mecánico: El motor cuando se le desconecta de la red poniendo su armadura en cortocircuito y manteniendo conectada su excitación. En realidad de esta manera el motor está funcionando como un generador y como no tiene una máquina prima que lo accione se detendrá rápidamente. Frenado dinámico: Para acelerar más todavía el frenado, se acostumbra conectar el motor a una resistencia en la que se disipa rápidamente la energía cinética de la máquina bajo forma de calor. Frenado regenerativo: Se emplea en los trenes eléctricos cuando están bajando una pendiente. En este caso los motores trabajan como generadores y de frenar la máquina pueden producir energía eléctrica que vuelve a la red y es utilizada por otras máquinas que estén funcionando simultáneamente. Generador Eléctrico de CD Tipos de Generador Eléctrico de CD De acuerdo con la forma como se conectan las bobinas de campo del generador se representan los siguientes tipos de generadores: I) CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE La bobina de campo es alimentada desde una fuente de tensión exterior denominada excitatriz. II) CON EXCITACIÓN PROPIA Es la más utilizada en la práctica. Se pueden presentar tres casos: a) Con excitación shunt o paralelo: La bobina de campo es alimentada en paralelo por el mismo generador. b) Con excitación serie: La bobina de campo es conectada en serie con el generador. c) Con excitación compuesta (compound): En este generador se tiene bobinas de campo serie y Shunt que se conectan en serie y en paralelo con el generador. Motores Asincrónicos (MA) Tipos de Motores Asincrónicos Hay 2 tipos de MA los de rotor de jaula de ardilla o rotor en cortocircuito y los de rotor de anillos rozantes. Estos pueden ser: Monofásicos Polifásicos REGÍMENES DE FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA ASÍNCRONA a. Régimen de motor. b. Régimen de generador. c. Régimen de freno electromagnético. Tipos de Motores de CA Corriente Alterna Monofásicos Polifásicos Rotativos Motores Síncronos Motores Asíncronos » De Jaula » De Anillos Rozantes Lineales Partes componentes de un motor de inducción trifásico jaula de ardilla. - Estator compuesto de una carcasa de fundición, un núcleo formado por chapas magnéticas, y un arrollamiento constituido por bobinas individuales alojadas en las ranuras del núcleo. - El rotor puede ser del tipo jaula de ardilla o bien bobinado. Vista del estator de una máquina de corriente alterna trifásica. - Los motores 3 están normalmente previstos para trabajar a una ó dos tensiones de servicio y para girar a dos, tres ó cuatro velocidades de régimen, lo cual exige una gran variedad de conexiones ( en , en Y, en serie, en paralelo y todas las combinaciones posibles entre éstas). Vista del rotor devanado con anillos deslizantes. Rotor jaula de ardilla El arranque de los motores asíncronos El reglamento de BT establece límites para la corriente de arranque de los motores asíncronas. Por este motivo, es necesario disponer procedimientos específicos para el arranque Métodos de arranque _ Arranque directo de la red Sólo válido en motores pequeños o en las centrales eléctricas Sólo válido en motores de rotor bobinado y anillos rozantes El método más barato y utilizado Reducción de la tensión durante el arranque mediante autotrafo Arranque mediante inserción de resistencias en el rotor Arranque estrella triángulo Arranque con autotransformador Arranque con arrancadores estáticos Gobierno del motor durante el arranque por equipo electrónico El arranque de los motores asíncronos V arranque por inserción de resistencias rotóricas: Para el arranque de la máquina se introducen resistencias entre los anillos rozantes que se van eliminando conforme aumenta la velocidad de giro. El arranque estrella triángulo: consiste en conectar los devanados del motor en estrella para arrancar la máquina conmutando a conexión en triángulo una vez que la máquina ha elevado su velocidad El arranque de los motores asíncronos VI: arranque mediante autotrafo R S T C1 Para el arranque de la máquina se introduce un autotransformador reductor (rt>1) Inicialmente C1 y C2 están cerrados: el motor arranca con la tensión reducida C3 C2 En las proximidades de plena carga C2 se abre: el motor soporta una tensión ligeramente inferior a la red debido a las caídas de tensión en el devanado del autotrafo Se cierra C3: el motor soporta toda la tensión de la red M Fases del arranque con autotransformador T C1 T C1 T C1 Ligera caída de tensión C3 C2 C2 M M M Catálogos comerciales Arrancadores estáticos con microprocesador de potencias hasta 2500 kW 7200V Arrancador 90 kW 690V Arrancadores estáticos Arrancador 4 kW Arrancador para aplicaciones navales y militares Catálogos comerciales El frenado eléctrico de los motores asíncronos Existen aplicaciones en las que es necesario poder aplicar un par de frenado al motor que permita detenerlo rápidamente: ascensores, grúas, cintas transportadoras, tracción eléctrica, etc. En este caso, las propiedades eléctricas de la máquina se utilizan para lograr el frenado. TIPOS DE FRENADO ELÉCTRICO _ FRENADO REGENERATIVO O POR RECUPERACIÓN DE ENERGÍA FRENADO POR CONTRACORRIENTE O CONTRAMARCHA FRENADO DIN MICO (Por inyección de CC) Regímenes Anormales en MCA Defectos en el circuito de potencia: · · · · · · · Terminales corroídos Cables sueltos Barras sueltas Prensa fusibles corroídos Hilos abiertos Conexiones entre Aluminio cobre Diferentes tamaños de conductores Regímenes Anormales en MCA Calidad de la energía: Desbalance de Voltaje: Cuando los voltajes de línea aplicados a un motor no son equilibrados se desarrollan corrientes desbalanceadas en los devanados del estator; que producen dos efectos importantes, aumenta la temperatura en el devanado y aumenta su vibración. Armónicas: Son señales que distorsionan a la onda fundamental, tienen una forma sinusoidal y están presentes en múltiplos de la fundamental. Provocan mayor consumo en el motor que pueden causar daños en el aislamiento del motor. magnitud Onda Contaminada tiempo real C0 imag C1 Componente Directa Armónico fundamental C3 3er Armónico C5 5to Armónico C7 7mo Armónico recuencia Regímenes Anormales en MCA Problemas en el estator: Corto entre vueltas, esto reduce la habilidad de producir un campo magnético balanceado. Problemas en el rotor: Se deben de revisar las barras, laminaciones y los anillos de cortocircuito. Una barra rota genera un calor intenso en la zona de ruptura y puede destruir el aislamiento cercano a las laminaciones y el devanado estatórico colapsara. Excentricidad: El rotor de un motor / generador debe estar centrado, existe un claro entre estos denominado Air Gap , si este Air Gap no esta bien distribuido en los 360° del motor se producen campos magnéticos desiguales. Regímenes Anormales en MCA Regímenes Anormales en MCA La máquina síncrona La máquina síncrona utiliza un estator constituido por un devanado trifásico distribuido a 120º idéntico a la máquina asíncrona El rotor está formado por un devanado alimentado desde el exterior a través de escobillas y anillos rozantes mediante corriente continua El rotor puede ser liso o de polos salientes Industrialmente es el generador utilizado en la mayoría de las centrales eléctricas: turboalternadores y grandes alternadores hidráulicos Como motor se usa principalmente cuando la potencia demandada es muy elevada >1 MW Máquina síncrona Líneas de campo Rotor liso Sentido de las corrientes por el rotor Rotor de polos salientes S N N N S S Elevadas velocidades de giro: turboalternadores Velocidades de giro bajas Motores síncronos Catálogos comerciales Generadores síncronos ¥ L. Serrano: Fundamentos de máquinas eléctricas rotativas ¥ Mulukutla S. Sarma: Electric machines Principio de funcionamiento del ESTATOR= Devanado trifásico generador distribuido conectado a la carga o red que se desea alimentar N f !P 60 P=PARES DE POLOS N=VELOCIDAD DE GIRO Para conectar el generador a una red es necesario que gire a la velocidad de sincronismo correspondiente a la frecuencia de dicha red ROTOR= Devanado alimentado con corriente continua que crea un campo magnético fijo. Se hace girar por un medio externo El campo creado por el rotor, al girar, induce FEM en el estator y, por tanto, hace circular corriente por la carga Controlando la excitación (tensión de alimentación del rotor) se consigue que la máquina trabaje con cualquier factor de potencia: PUEDE ABSORBER O CEDER Q TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA EN ENERGÍA ELÉCTRICA 8.6. El generador síncrono en carga: reacción de inducido I Cuando el alternador trabaja en vacío el único flujo existente es el producido por la corriente continua de excitación del rotor Cuando suministra corriente a una carga, dicha corriente produce un campo magnético giratorio al circular por los devanados del estator. Este campo produce un par opuesto al de giro de la máquina, que es necesario contrarrestar mediante la aportación exterior de potencia mecánica. El flujo total de la máquina se verá disminuido o aumentado dependiendo que la carga sea inductiva o capacitiva A este efecto creado por el campo del estator se le conoce con el nombre de reacción de inducido Bibliografía Hamid A. Toliyat y Gerald B. Kliman. CRC Press. Handbook of Electric Motors. Hidalgo Juan Carlos. Grupo TERMOGRAM, San José, Costa Rica. Análisis de las zonas de falla de Motores Eléctricos. TakKenjo. Oxford Science Publications. Electric Motors and their Controls. Merino Azcárraga Jose María. CADEM. Accionamientos Eléctricos, Tomo I y II. Videla Flores Andrés. Manual de Motores Eléctrico. www.monografias.com. Estudio teórico de las aplicaciones que tienen los principales motores eléctricos. Visitada 1-09-10