CAPTULO 1TIPOS PRINCIPALES DE MQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA Y SU
ESTRUCTURA1-1 Tipos fundamentales de mquinas de ca.Principio de
reversibilidad. Las mquinas de ca pueden funcionar como motores o
generadores.Existen dos tipos de mquinas de ca:Mquinas Sncronas:
-Existe la relacin bsica de: f=np, donde f=frecuencia de la red,
n=revoluciones por segundo, p=nmero par de polos.-Esta mquina de
excita mediante corriente continua a travs de una
excitadora.-Utilizada como generador.Mquina Asncrona o de
induccin:-Existen de dos tipos: con colector o sin colector.-La
velocidad del rotor (n) depende de la carga. Ya no se cumple la
relacin f=np.-Utilizada como motor.1-2 Principio de Funcionamiento
de mquina sncrona.Esta es una mquina bipolar, donde el inducido es
la parte mvil. Adems extrado cada 120 grados de han conectado a
anillos rozantes. Cuando el inducido comienza a girar en el campo
de originan tensiones trifsicas balanceadas.Se demuestra que tal
sistema de corrientes produce un campo magntico cuya onda
fundamental gira con respecto al inducido con una velocidad n=f/p
en sentido contrario al de rotacin del inducido.Para generar un
sistema de n fases basta con tomar n puntos uniformemente
espaciados en la periferia del inducido y conectarlos a un circuito
ca por medio de n anillos rozantes montados sobre el eje.1-3 Diseos
fundamentales de mquinas sncronas.La anterior disposicin de las
partes solo es posible para bajas potencias. En la prctica, para
medias y altas potencias esta disposicin es inadecuada porque el
contacto entre las escobillas y anillos rozantes es inseguro para
altas tensiones.
Por su construccin las mquinas sncronas se dividen en
dos:Mquinas de Polos No salientes: son las de mayor velocidad de
rotacin con p=1 y p=2, se construyen as por razones ligadas a mejor
resistencia mecnica y fijacin del devanado de campo. Son impulsadas
por turbinas de vapor (turboalternador).Mquinas de Polos Salientes:
son las de menor velocidad de rotacin con p mayor que 3;
econmicamente as son rentables. Generalmente son impulsadas por
turbinas hidrulicas, llamndose entonces alternadores hidrulicos
(hidroalternador), este modelo tambin es usado para motores
sncronos. Tambin son impulsadas por motores de combustin interna.
1-4 Caractersticas de una mquina sncrona de polos no
salientes.Predomina las del tipo bipolar.Debido a que las altas
velocidades de rotacin generan fuerzas centrfugas considerables
(tensiones mecnicas), se fabrica el rotor como una sola pieza
maciza de acero al cromo-nquel-molibdeno que soporte hasta
800N/mm^2 de rotura y una dilatacin de hasta 20%.Hay de dos tipos
en cunto a las ranuras interiores:a) Ranuras Radialesb) Ranuras
paralelasEn ambas existe un gran diente que ocupa la tercera parte
del paso polar (distancia entre dos polos adyacentes), por aqu pasa
casi todo el flujo magntico del alternador.Adems se utilizan cuas
no magnticas para asegurar el devanado de excitacin al rotor.En
cuanto al estator de los turbogeneradores se utiliza chapa de acero
elctrico aleado de 0.5mm (grado 41), se aslan las capas mediante
barniz.La ventilacin de estas mquinas es un problema
transcendental.Esta clase de mquinas son de una longitud grande
pero de dimetro pequeo superndose incluso de hasta 6 veces.1-5
Caractersticas de una mquina sncrona de polos salientes.Existen dos
diseos en cuanto a la posicin del eje:Diseo de eje horizontal: este
es el ordinario y se emplea para los motores sncronos y generadores
de velocidades muy altas (200rpm).Diseo de eje vertical: muy
utilizado para generadores de centrales hidroelctricas (baja
velocidad y alta potencia).De este mismo diseo existen dos tipos:a)
El suspendido: donde el cojinete de empuje se encuentra en la parte
superior del eje (rotor).b) El de forma sombrilla: donde el
cojinete de empuje (muonera) se encuentra en la parte inferior del
eje del rotor. Este es el usado para hidrogeneradores de alta
potencia pues permite reducir el peso del generador y la
altura.
Recordemos que el cojinete de empuje soporte el peso de las
partes giratorias del generador y la reaccin del flujo de agua en
la turbina.Los generadores de polos salientes estn provistos de
arrollamientos amortiguadores en el rotor para amortiguar las
oscilaciones el rotor en condiciones transitorias y facilitar el
funcionamiento en condiciones de carga balanceada.Los motores
sincrnicos de polos salientes tienen un arrollamiento de arranque
cuyas aleaciones tienen mayor resistividad que las del
arrollamiento amortiguador.1-6 Diseo de mquina asncrona o de
induccin.En cuanto al estator, se puede afirmar que es muy similar
al devanado del estator de una mquina sncrona.Segn cmo est
constituido los devanados del rotor, clasificamos a un motor
sncrono como:
1) De Rotor Bobinado: El devanado del rotor es del mismo tipo
que del estator, generalmente conectado en estrella.
2) De rotor en cortocircuito o jaula ardilla:2.1) De simple
jaula ardilla. Barras de cobre de seccin rectangular.2.2) De gran
reactancia o tambin llamada de corriente de Foucalt.2.3) De doble
jaula ardilla. Un devanado superior de gran resistencia y poca
reactancia que es el devanado de arranque, mientras que un devanado
inferior de baja resistencia pero de alta reactancia que es el
devanado de trabajo.1-7 Principio de funcionamiento de una mquina
de induccin.El funcionamiento de la mquina de induccin est basado
en el principio de la interaccin electromagntica entre el campo
giratorio generado por un sistema de corrientes trifsicas y las
corrientes inducidas en el arrollamiento del rotor cuando sus
conductores son cortados por el campo giratorio.Sea la velocidad
del campo giratorio sinusoidal: n1=f/pPara que exista induccin en
el rotor, es necesario que: n sea diferente a n1. As definamos el
deslizamiento como:S=(n1-n)/n.1-8 Condiciones de funcionamiento de
la mquina de induccin.a) Funcionamiento como motor: Al cerrar el
circuito de rotor y alimentando el estator mediante corrientes
trifsicas. Las corrientes inducidas generarn un campo que formar
una resultante con el campo del estator. As de la interaccin del
flujo con los conductores del rotor, surgir una fuerza sobre estos
conductores y as un par en el sentido de giro el campo. Si este par
es mayor que el par de freno en el eje, el rotor comenzar a girar a
una velocidad n, y as trabajar la mquina como motor. La velocidad
del eje depender de la carga colgada al eje. En vaco, la velocidad
es casi igual a n1, pero no puede alcanzarla ya que con n=n1 la
mquina no puede funcionar como motor.As como motor: n=0 a n=n1
,tambin s=1 a s=0.b) Funcionamiento como generador: Si con una
mquina motriz aceleramos al rotor hasta una velocidad n mayor que
n1. Se desarrollar un par de freno en los conductores en direccin
contraria al flujo. As la mquina trabajar como generador: n=n1 a
n=infinito, o tambin s=0 a s=-infinito.c) Funcionamiento como freno
electromagntico: Se da con n=0 hasta n=-infinito. O tambin s=1 a
s=infinito. Su aplicacin se da en las gras.1-9 Par electromagntico
en mquina de induccinEn una mquina de induccin el rotor gira
respecto al campo con velocidad n-n1. Por lo tanto en el rotor se
tienen una frecuencia f2=p(n1-n)=fs. Supongamos flujo magntico
constante, entonces:
El par electromagntico depende de la componente de corriente
activa en el rotor, entonces:
Vemos que para s>0 (motor) el par es positivo. Mientras que
para s