Universidad Tecnolgica de Panam Facultad de Ingeniera
Elctrica
Integrantes: Jayson Teodosio Felix Brown Juan Arosemena
Grupo: 1IE 131Profesor: Edilberto HallMateria: Conversin de
EnergaRevisin Bibliogrfica: Introduccin al Funcionamiento de las
Mquinas Elctricas
Fecha de Entrega: 1/9/2014Tabla de Contenido
Introduccin4A1. El Transformador de Potencia y Sistemas
Auxiliares51.Descripcin de las partes de un transformador de
potencia62.Descripcin de los diferentes tipos de protecciones de
los transformadores de potencia.133.Descripcin de los diferentes
tipos de sistemas de enfriamiento para transformadores de
potencia154.Descripcin de los transformadores de
instrumento:17a.Transformadores de Potencial
(PTs)17b.Transformadores de Corriente (CTs)195.Descripcin de los
sistemas de puesta a tierra para transformadores de
potencia.216.Descripcin de los diferentes tipos de Pararrayos o
Apartarrayos (Surge Arresters)22A2. El motor de Induccin Monofsico
y Motores Especiales261.Motor monofsico de induccin26Devanados de
fase partida26a)Principio de operacin26b)Construccin28c)Explicacin
de las aplicaciones y usos particulares30Devanados tipo
capacitor30a)Principio de operacin30b)Construccin31c)Explicacin de
las aplicaciones y usos particulares32Polos de estator
sombreados32a)Principio de operacin32b)Construccin33c)Explicacin de
las aplicaciones y usos particulares.332.Motor de
reluctancia33a.Principio de operacin33b.Construccin y grfico de un
motor de reluctancia real35c.Explicacin de las aplicaciones y usos
particulares373.Motor de histresis37a.Principio de
operacin37b.Construccin y grfico de un motor de histresis
real38c.Aplicaciones y usos particulares394.Motor de movimiento
paso a paso (Stepper Motor)39a.Principio de operacin39b.Construccin
de movimiento paso a paso real.41c.Aplicaciones y usos
particulares435.Motor CD sin escobillas (Brushless DC
Motor)44a.Principio de operacin44b.Construccin de un motor CD sin
escobillas real45c.Explicacin de las aplicaciones y usos
particulares456.Motor universal45a.Principio de
operacin45b.Construccin de un motor universal real46c.Explicacin de
las aplicaciones y usos particulares477.Motor lineal48a.Principio
de operacin48b.Construccin y grfico de un motor lineal
real48c.Aplicaciones y usos
particulares51Conclusin52Bibliografa53
IntroduccinEl propsito de este trabajo es brindar al estudiante
una introduccin al funcionamiento de las mquinas elctricas, las
cuales se basan en la produccin de un flujo magntico por medio de
una fuente con seal de voltaje y corriente alterna, produciendo un
cambio de una forma de energa a otra.
Durante todo el documento se tratar superficialmente cada tema,
sin profundizar en verificacin de conceptos fsicos, ni ecuaciones
matemticas, y solo se expondr la informacin necesaria para entender
su concepto ms general. El documento consta de una primera parte
que trata sobre los transformadores de potencia y sus sistemas
auxiliares. Se dar una descripcin general de esta mquina y de sus
partes. Luego se proceder a explicar el funcionamiento de sus
sistemas auxiliares, utilizados para evitar accidentes por los
altos voltajes que manejan. Para la segunda parte se tratar sobre
los motores de induccin ms usados, describiendo su principio de
funcionamiento, sus partes y las aplicaciones que se les da. En
algunos de los motores tratados, se brindar una comparacin entre
ellos mediante grficos, para ver sus ventajas y desventajas y las
razones por las que se usan o no.
A1. El Transformador de Potencia y Sistemas AuxiliaresUn
transformador de potencia, como el que se muestra en la figura
A1.1, es un dispositivo que convierte el voltaje inducido en su
devanado primario por una corriente alterna, a uno mayor o menor
inducido en el devanado secundario, como consecuencia del flujo
magntico variable que se encuentra en el ncleo del transformador.
Las principales funciones de un transformador de potencia son:1.
Transportar corriente elctrica de una estacin de generacin a un
destinatario, siendo un ejemplo, de una hidroelctrica a una
subestacin.2. Regular los voltajes, para que el destinatario reciba
un voltaje que pueda manejar.
Los transformadores de potencia manejan grandes voltajes, y se
considera un transformador de potencia de alto voltaje si su
capacidad de potencia est desde los 500 KVA hasta 500 MVA para
transformadores monofsicos y de 650 MVA para transformadores
trifsicos. Y se consideran de medio y bajo voltaje si estn de 500
KVA a menos. Los transformadores constan de diferentes componentes
y sistemas auxiliares para asegurar un eficiente funcionamiento y
la seguridad de los operadores. A continuacin se darn detalladas
descripciones sobre los componentes de un transformador y de sus
sistemas auxiliares.
Figura A1. 1: Transformador de potencia de una subestacin Panel
de un cambiador de Tomas o Tap Changer
1. Descripcin de las partes de un transformador de potencia
Tanque El tanque del transformador (figura A1.2) es la coraza donde
se encuentran ubicados el ncleo, los devanados y el aceite de
transformador. Debido a su gran tamao, tienen tubos o aletas de
refrigeracin (radiadores) soldados a las caras del tanque, adems de
eso, tienen instalados cambiadores de toma (tap changers), un
relevador de Buchholz (Buchholz Relay), una vlvula de sobrepresin,
un tanque conservador auxiliar (conservator tank), aislantes
(bushings), entre otros componentes (figura A1.3).
La tapa del tanque tiene una junta de hermeticidad para impedir
la entrada de polvo y humedad.
Alrededor del mundo, el tanque ms utilizado para transformadores
de mediana y gran capacidad es el de tipo conservador, ya que
presenta mejoras en la proteccin del aceite contra la humedad y el
oxgeno. Los tanques de tipo conservador vienen equipados con un
tanque auxiliar (tanque conservador) que tiene un volumen del 3% al
10% del volumen del tanque principal y se encuentra por encima de
este, estando ambos tanques interconectados (figura A1.3). El
transformador intercambia aire a travs de un respirador
deshidratador (breather) que est conectado con el tanque auxiliar
(figura 3), permitiendo el intercambio de aire (posee un filtro
para que no entren impurezas) entre el ambiente y el tanque cuando
se dan incrementos o decrementos en la presin del tanque.
Figura A1.2: Tanque de un transformador de potencia antes de
aadirle otros componentes y sistemas auxiliares
Figura A1.3: Esquema de un transformador de potencia monofsico y
ubicacin de sus componentes
Ncleo ferromagnticoEs el artefacto donde se encuentran
enrollados los devanados (figura A1.4). Estos estn hechos de
materiales ferromagnticos, que poseen una baja reluctancia, debido,
principalmente a su alta permeabilidad (en la ecuacin 1 si se
aumenta la permeabilidad, la reluctancia disminuye), lo que permite
que el flujo de campo magntico se concentre en el ncleo, en lugar
de viajar en el aire circundante. As el flujo magntico a travs del
ncleo se puede calcular mediante la ecuacin 2, asumiendo que el
flujo es tan grande que se puede despreciar el flujo que se libera
en el aire. As, los materiales ms comnmente usados para fabricar
los ncleos de los transformadores de potencia son las lminas de
aleaciones de niquel-hierro, cobalto-hierro y silicio-hierro
(figura A1.5), las cuales se pegan entre s para formar el
ncleo.
(Ecuacin # 1)
(Ecuacin # 2)
El ncleo permite hacer la conexin entre un circuito magntico
(devanado primario) y otro (devanado secundario o cualquier otro),
debido a que el flujo magntico producido por el devanado primario
se mantiene en todo el ncleo, actuando el mismo en el devanado
secundario, solo que produciendo un voltaje inducido que puede ser
igual o distinto, dependiendo del nmero de vueltas que posea.
Figura A1.5: Lmina de silicio-hierro
Figura A1.4: ncleo ferromagntico
Devanados o bobinadosEn un transformador, los devanados (figura
A1.6) estn enrollados en las columnas del ncleo, aislados entre s
(con aceite de transformador) y con aislamiento entre las vueltas
de cada devanado (con papel aislante), para as asegurar que la
corriente fluya a travs de todas las vueltas. Los devanados para
transformadores de potencia, consisten en cables de cobre
enrollados, a los cuales se les aplica una corriente y producen un
campo y un flujo magntico. Este flujo se transmite a travs del
ncleo a otro cable enrollado (devanado secundario), produciendo un
voltaje inducido que ser mayor si la cantidad de vueltas en el
devanado secundario es mayor a la del primario, o ser menor en el
caso contrario. Esto lo estipula la Ley de FaradayFigura A1.6:
Forma fsica de los devanados
(ecuacin 3).
(Ecuacin # 3)
Donde N es el nmero de vueltas del devanado.
Tanque conservador auxiliar (tanque de expansin)Es un tanque
cilndrico que se coloca sobre el tanque conservador principal
(figura A1.7), conectado al tanque principal mediante una tubera,
en la cual tambin se puede encontrar un Relevador de Buchholz
(figura A1.3).
Cuando un transformador est cargado de aceite y la temperatura
aumenta, el volumen del aceite dentro del transformador aumentar,
por lo que el aceite que se encuentra dentro del tanque principal,
ocupar ms espacio. La funcin del tanque conservador auxiliar es de
proveer el espacio adecuado para que el aceite pueda expandirse sin
daar el sistema. As, el aceite que se comienza a expandir dentro
del tanque principal, empuja el aire que se encuentra dentro del
tanque auxiliar, llenndolo parcialmente del aceite. Cuando las
temperaturas comienzan a disminuir, el tanque conservador vuelve a
llenarse de aire mediante el respirador (que como se mencion, tiene
filtros para que no entren impurezas al sistema) y el aceite vuelve
al tanque principal. Figura A1.7: Ubicacin del tanque conservador
auxiliar
Adems de eso, el tanque conservador tambin es usado como un
reservorio del aceite aislante del transformador. Este componente
consta de vlvulas de carga para el aceite (top valve), vlvulas para
descarga del aceite (drain valve), la tubera que hace la conexin
con el tanque principal (main tank connection), la tubera que hace
conexin con el respirador (breather pipe) y una pantalla de vidrio
que indica el nivel de aire en el tanque (air level glass) (figura
A1.8).
Figura A1.8: Partes de un tanque conservador auxiliar
Radiadores y AbanicosCuando un transformador convierte el
voltaje de un devanado a otro, se dan prdidas de energa en forma de
calor en reas cercanas al ncleo y a los devanados. El calor se
transfiere al aceite del transformador y este es disipado por medio
de radiadores (figura A1.10), que en muchos casos tienen abanicos
instalados.
El aceite caliente fluye hacia la parte superior del tanque,
donde entra al radiador. Luego, pasa por tubos delgados (o aletas),
donde son enfriados por el aire a temperatura ambiente. Despus,
sale por la parte inferior de los tubos (o aletas) del radiador y
vuelve al tanque principal. Este proceso lo realiza cada vez que el
aceite del transformador se calienta, y se muestra en la figura
A1.9.Para brindarle un mejor enfriamiento, se le instalan abanicos
al radiador, para que aumente el flujo de aire y el enfriamiento
sea ms rpido.
Figura A1.9: Proceso de enfriamiento del aceite a travs de
radiadores
Figura A1.10: Radiadores instalados en un transformador de
potencia
AceiteEl aceite aislante (figura A1.11) que se utiliza en los
transformadores tiene tres funciones:1. Aislante en el
transformador de potencia. 2. Proteger el papel aislante contra el
polvo y la humedad para que no se oxide. 3. Absorber el calor
generado en el ncleo y las bobinas (funciona como
refrigerante)Figura A1.11: Tanque de transformador abierto
mostrando el aceite aislante
Los dos tipos de aceites disponibles en el mercado son los
inhibidos y los no inhibidos. Pero la mayor parte de las veces, un
transformador de potencia usan los de tipo inhibidos para evitar
que se formen xidos en el aceite. Cambiador de Tomas (Tap
Changer)El voltaje nominal en el devanado primario puede sufrir
variaciones. Los Cambiadores de Tomas se encargan de hacer cambios
en las relaciones de voltaje entre el devanado primario y el
secundario, de forma que el voltaje inducido en el devanado
secundario se quede en los lmites que requiere la salida de voltaje
del transformador. Los Pneles para controlar los cambiadores de
tomas pueden ser mecnicos, asistidos electrnicamente (figura A1.12)
o totalmente electrnicos (figura A1.13). El mtodo por el cual se
hacen los cambios de tomas en los transformadores de potencia es
llamado On-Load Tap Changer (OLTC), debido a que en este proceso no
se apaga el transformador durante el cambio de tomas, a diferencia
del Off-Load Tap Changer (OLTC), cuyo proceso si involucra el
apagado del transformador. En la figura A1.1 se muestra la ubicacin
del panel de control de un cambiador de tomas para ese
transformador en especfico y la figura A1.12 muestra como luce
internamente.
Figura A1.12: Parte interna de un cambiador de Tomas. Este es un
panel asistido electrnicamente
Figura A1.13: Panel de un cambiador de tomas electrnico
La ubicacin del cambiador de tomas y su forma fsica se
encuentran en la figura A1. 14.
Figura A1. 14: Forma fsica y ubicacin del cambiador de tomas
(flecha roja)
Aisladores (Bushings)Son dispositivos aislantes que cubren los
conductores que estn en la parte externa del transformador de
potencia, como las terminales de alto y bajo voltaje y la parte
activa de los pararrayos. Los conductores producen campos elctricos
cuya magnitud es grande en los transformadores de potencia, por los
altos voltajes que manejan. Los bushings estn diseados para
soportar ese campo elctrico y mantenerlos internamente y usualmente
estn hechos de porcelana.
En la figura A1.15 se muestra un esquema de un transformador,
donde las terminales de alto y bajo voltaje quedan en la parte de
afuera, y es sobre ellas que se colocan los bushings, al igual que
para los pararrayos. La figura A1.16 muestra todos los bushings que
puede tener un transformador de potencia.
Figura A1.15: Terminales de un transformador
Figura A1.16: Terminales y pararrayos cubiertos por bushings de
porcelana
2. Descripcin de los diferentes tipos de protecciones de los
transformadores de potencia.
Relevador BuchholzEl relevador de Buchholz (figura A1.17) es un
dispositivo que se utiliza para detectar fallas en el interior del
transformador, como fallas en el papel aislante de los devanados,
descomposicin del ncleo del transformador o sobrecalentamiento del
ncleo. Estos producirn tanto calor que descompondrn el aceite del
transformador en hidrgeno, dixido de carbono y otros hidrocarburos.
Figura A1.17: Forma fsica de un relevador Buchholz
Estas sustancias subirn a la parte superior del tanque principal
en forma de burbujas y se movern hasta encontrar la tubera que
conecta con el tanque de expansin (figura A1.3). Al entrar a esta
tubera, el relevador de buchholz atrapar esas sustancias, activando
una alarma y desconectando el transformador del suministro de
energa. Vlvula de SobrepresinEs un dispositivo que est hecho de
material anticorrosivo (por lo general aluminio) (figura A1.20),
que permite que la presin excesiva, producida por la sobrecarga,
las altas temperaturas del ambiente, por fallas secundarias
externas o internas en el devanado de baja tensin, se libere.
Como se muestra en la figura A1.18, est colocado arriba del
nivel de aceite, en un lugar donde no interfiere con los ganchos
para levantar el transformador, las manillas y los aisladores. La
figura A1.19 muestra su funcionamiento, viendo que al incrementar
la presin, habr un movimiento en el resorte, lo que har posible la
medicin de la presin. Mediante el ajuste de la vlvula, se podr
liberar las sustancias que aumentan la presin, las cuales saldrn
por medio de una tubera.
Figura A1.19: Funcionamiento de la vlvula
Figura A1.18: Ubicacin de la vlvula de explosin y un operador
revisando el medidor de presin
Figura A1.20: Forma fsica de una vlvula de sobrepresin
Respirador (Breather)Es un contenedor cilndrico cargado con gel
de silica (figura A1.22) para filtrar el aire hmedo o con
impurezas, para evitar que estas entren al transformador y daen
alguno de sus aislantes. El aire solo puede entrar al transformador
por medio del tanque conservador, cuando el aceite disminuye su
temperatura, as que est instalado en el tanque conservador (figura
A1.21).
Figura A1.22: Respirador con su gel de silica
Figura A1.21: Respirador instalado en el tanque conservador
3. Descripcin de los diferentes tipos de sistemas de
enfriamiento para transformadores de potencia Los radiadores son el
componente principal para los sistemas de enfriamiento de un
transformador de potencia y adems de eso, todos siguen el mismo
principio en el que el aceite caliente dentro del transformador,
sube a la superficie del tanque principal, donde entra al radiador
y se enfra, y simultneamente aceite ya a temperatura normal, entra
al tanque principal a medida que el caliente entra al radiador
(figura A1.9). El nico cambio que se da para cada uno de los mtodos
de enfriamiento, son los cambios en los fluidos que atrapan el
calor o las formas en que lo hacen. Oil Natural Air Natural
(ONAN)Enfra el aceite mediante la circulacin regular de aire a
travs del radiador. La figura A1.1 y la figura A1.10 muestran
transformadores que utilizan este sistema. Oil Natural Air Forced
(ONAF)Utiliza el mismo procedimiento que el mtodo ONAN, solo que se
le incluyen ventiladores, para as forzar a un mayor flujo de aire,
a pasar a travs de las aletas del radiador y aumentar la velocidad
de disipacin de calor. En la figura A1.7 se muestra un
transformador al cual se le instalaron ventiladores con este
propsito. Oil Forced Air Forced (OFAF)A pesar de que el mtodo ONAF
es rpido, el flujo de aire todava puede aumentarse an ms, si se
incrementa el flujo de aceite a travs del radiador. Esto se puede
hacer, incluyndole una bomba de aceite al sistema, cuyo
funcionamiento se puede visualizar en la figura A1. 23.
Figura A1.23: Funcionamiento de OFAF
Oil Forced Water Forced (OFWF)Para este mtodo, se utiliza una
bomba para acelerar el flujo del aceite, pero en lugar de usar aire
para disipar el calor, se utiliza agua a travs de un condensador.
Teniendo el agua una temperatura menor a la del aire, a temperatura
ambiente, funciona mejor para disipar el calor. Su funcionamiento
se puede ver en la figura A1.24.
Figura A1. 24: Funcionamiento de OFWF
Oil Directed Air Forced (ODAF)Es una forma mejorada de OFAF,
donde el aceite, en lugar de fluir a travs de cualquier parte del
tanque, este se concentra en los devanados. As permite enfriar
directamente el aceite que se encuentra cerca de los devanados,
haciendo ms eficiente el proceso de enfriamiento. Una comparacin
entre OFAF y ODAF se muestra en la figura A1.25, donde se ve que en
lugar de pasar por el borde del tanque, pasa directamente por los
bobinados para el ODAF.
ODAF
OFAF
Figura A1.25: Comparacin entre OFAF y ODAF
4. Descripcin de los transformadores de instrumento:Cuando en un
transformador, se requiere medir el voltaje o la corriente de una
de la lnea que conectan a la carga, usualmente esos valores estn en
la escala de los kV y kA, los cuales un voltmetro y ampermetro no
pueden medir directamente (figura A1.26), porque esa intensidad los
daara.Para estos casos se emplean los transformadores de
instrumentos. Estos permiten alimentar circuitos que tienen
instrumentos de medicin y/o proteccin. Estos dispositivos se hacen
necesarios en dispositivos de alta tensin (transformadores de
potencia), para reducir los valores de voltaje corriente a
cantidades admisibles para los instrumentos, ya sea por razones de
seguridad o comodidad. La figura A1.26 muestra un voltmetro y un
ampermetro conectados directamente a la lnea, proceso que le
causara daos a ambos dispositivos. Mientras que en la figura A1.27
se muestra que a la lnea se le agrega un transformador. Haciendo
que se disminuye la magnitud al voltaje y a la corriente, y si se
conecta voltmetro y un ampermetro como se muestra en la figura, se
debera poder realizar la medicin sin ningn problema. Figura A1. 26:
Esquema de un transformador y de su lnea de transmisin. El
voltmetro y el ampermetro se daaran si intentaran medir esas
magnitudes directamente.
Figura A1.27: Se conecta un transformador a las lneas. Luego se
conectan el voltmetro y el ampermetro
Figura 26: Se muestra el PT y el CT (en rojo) en la lnea de
transmisin. Se aprecia el transformador anexado al voltmetro y al
ampermetro.
a. Transformadores de Potencial (PTs)El transformador de
potencial (figura A1.29) es un transformador de tensin en el que el
circuito primario se conecta en paralelo con el circuito del cual
se desea conocer el voltaje. En el secundario se conectan en
paralelo los instrumentos correspondientes de medicin, proteccin
y/o control (Voltmetro, relevadores, wattimetros).
Debido a que los instrumentos que son alimentados por la tensin
del circuito primario deben recibir exactamente el valor de esa
tensin, es necesario que la relacin entre los voltajes primario y
secundario (ecuacin 4) se mantenga constante. Esto se hace
limitando las cadas de tensin en el circuito primario y en el
secundario.
(ecuacin 4)
Figura A1.28: Representacin de un transformador de potencial. Se
muestra la conexin fsica de un voltmetro y wattimetro en paralelo y
su representacin en un circuito elctrico-magntico
La figura A1.28 muestra la conexin en paralelo del voltmetro y
wattimetro al circuito secundario del transformador de potencial.
Existen los transformadores de potencial de tipo inductivo y los de
tipo capacitivo. Pero para transformadores de potencia se usan los
de tipo capacitivo (figura A1.30), ya que son ms precisos que los
inductivos. Adems de eso, son ms econmicos y ahorran espacio. La
nica desventaja sera que su devanado primario solo se puede
conectar de fase a tierra, mientras que el inductivo se puede
conectar entre fases y de fase a tierra.
Figura A1. 29: Transformadores de potencial para una subestacin
elctricaFigura A1.30: Transformador de potencial capacitivo
b. Transformadores de Corriente (CTs)Un transformador de
corriente produce una corriente alterna en el devanado secundario,
que es proporcional a la del devanado primario. Su magnitud se
disminuy al punto de que un ampermetro puede realizar la medicin
sin sufrir ningn dao. Usualmente los CTs vienen integrados con los
dispositivos de medicin (ampermetro) y de proteccin. Los
transformadores de corriente tienen una capacidad baja, que est
entre los 15 a 70 VA y deben tener un aislamiento de muy buena
calidad con materiales como resina sinttica o aceite o lquidos no
inflamables. Sus valores de corriente nominal en el circuito
secundario est entre 1 y 5 A y usualmente estn conectados a
sistemas trifsicos, por lo tanto se pueden hacer las conexiones
trifsicas conocidas de delta-delta, delta-estrella, etc. Como est
transformando de magnitudes altas a magnitudes bajas, en teora,
funciona similar a un transformador de potencia, por lo que mucho
de sus componentes sern similares a los de los transformadores de
potencia, solo que a una escala ms pequea. La figura A1.31 muestra
los componentes de un CT y la figura A1.32 muestra la forma fsica
de un CT utilizado en una subestacin elctrica.
Figura A1.31: Componentes de un transformador de corriente
Figura A1.32: componentes de un transformador de corriente
Su instalacin consiste en que el circuito primario del
transformador de corriente se conecta en serie con el circuito cuya
intensidad se desea medir (dispositivo de alta corriente) y el
circuito secundario se conecta en serie con las bobinas de
corriente de los aparatos de medicin (ampermetros) y de proteccin
que sern energizados.Para que el transformador pueda cumplir con su
funcin de indicar exactamente el valor de la corriente circulante
en el primario, la relacin entre la corriente en el primario y la
corriente (ecuacin 5) en el secundario se debe mantener constante
al variar la carga, por lo cual se intenta de reducir al mnimo la
corriente magnetizante. Para esto, el diseo debe considerar un
ncleo magntico muy compacto, con entrehierros casi nulos y prdidas
de entrehierro muy pequeas. (ecuacin 5)El circuito equivalente de
un TC se muestra en la figura A1.33. DondeZH = Impedancia del
devanado de alta tensin ZM = Impedancia propia del devanado de baja
tensinZL = Impedancia de magnetizacin del transformadorZC =
Impedancia de carga en el secundarioIH = Corriente primariaIL =
Corriente que alimenta la carga IM = Corriente de magnetizacin1:N =
Relacin de transformacin RTC =
Figura A1.33: circuito equivalente de un CT
Asumiendo que el Transformador de Corriente funciona
correctamente, se tiene que: Para ese diagrama, los terminales del
devanado primario estn conectados en serie con la lnea, por lo que
IH es la misma corriente de la lnea y ZH se desprecia. ZC es la
impedancia resultante de los dispositivos de medicin y de proteccin
(importante: observar que ZC est conectado en serie) y debe ser
mnima, para que el paso de la corriente sea el que realmente se
quiere medir. 5. Descripcin de los sistemas de puesta a tierra para
transformadores de potencia.Para instalaciones elctricas existen
cinco tipos de sistemas de puesta a tierra: Aislado Rgidamente
conectado a tierra (solid grounding) Conectado a tierra por
resonancia Conectado a tierra por reactancia Conectado a tierra por
resistencia Segn el libro Anlisis de Sistemas de Energa Elctrica
por Jos Coto Aladro, de estos tres, los transformadores de potencia
usan los Rgidamente Conectados a Tierra y una comparacin de los
cinco se puede ver en la tabla de la figura A1.34: Figura A1.34:
Comparacin de todos los tipos de sistemas de puesta a tierra
Los sistemas rgidamente conectados a tierra son aquellos que
estn operados con una conexin directa de neutro a tierra (figura
A1.35) y las cargas pueden estar conectadas en delta o en
estrella
Figura A1.35: Esquema de sistema rgidamente conectado a
tierra
Este tipo de sistema de puesta a tierra crea un paso para la
corriente en circuito cerrado para desbalances de corriente,
corrientes armnicas, corrientes de falla, y luego activa la
proteccin de sobrecorriente creando un potencial cero de referencia
para el voltaje.
6. Descripcin de los diferentes tipos de Pararrayos o
Apartarrayos (Surge Arresters)Los pararrayos o apartarrayos son
dispositivos aislantes que se utilizan en redes de sistemas de
potencia, como en subestaciones elctricas y en transformadores,
para protegerlos de alguna sobretensin inesperada que afecte al
sistema. Las sobretensiones pueden ser causadas por origen
atmosfrico (un rayo) o por fallas en el sistema (conexin y
desconexin de interruptores) y su efecto en el voltaje del sistema
y en el pararrayos se muestra en la figura A1.37. Los pararrayos se
conectan entre lnea y tierra (figura A1.38) y estn hechos de
materiales que brinden una resistencia no lineal, para que cuando
el sistema funcione normalmente, la resistencia ser alta, pero
cuando el sistema est expuesto a una sobretensin, la resistencia
disminuir y le proveer un paso a la corriente generada por esa
sobretensin y pueda conducirla a tierra, cumpliendo su funcin de
proteccin.
Figura A1.37: Efecto de las tensiones
Figura A1.38: Ubicacin de un pararrayos
Segn la norma IEEE 1313.2: 1999, seccin 3.2.1, existen tres
tipos de pararrayos, de los cuales solo dos se usan actualmente y
el tercero se sola utilizar en las subestaciones elctricas en la
dcada del 40 hasta el 70, hasta que Panasonic innov con la
tecnologa de los semiconductores de xido de zinc, usados hoy en da
(bibliografa). A continuacin se describen los tres tipos de
pararrayos: Pararrayos tipo autovalvular (gapped metal oxide-norma
IEEE) Las partes principales de este pararrayos son los explosores,
resistencia variable no lineal hecha de xido de zinc y su
caracterstico GAP ubicado entre los explosores (figura A1.39). No
necesariamente tienen que ser solo dos explores y una resistencia
no lineal, sino que dependiendo de las dimensiones que se
necesitan, pueden cambiar su cantidad (figura A1.40). La figura
A1.42 muestra las partes internas y externas que lo componen, que
como se ve, las tres partes principales estn dentro de una cubierta
de porcelana que acta como aislador y la figura A1.41 muestra la
forma fsica de este tipo de pararrayos.
Figura A1.39: Esquema bsico de un circuito par un pararrayos de
vlvula
Figura A1.41: Forma fsica de un pararrayos tipo vlvula
Figura A1.40: Presencia de varios resistores
Figura A1.42: Componentes de un pararrayos tipo vlvula
Pararrayos tipo resistencia variable (gapless metal oxide-norma
IEEE)Este tipo de pararrayos tiene realiza las mismas funciones que
los de tipo autovalvular y que los de tipo de carburo de silicio.
La diferencia es que solo tiene una parte activa (columna de
resistores)(figura A1.43) , a diferencia de los otros dos tipos de
pararrayos que tienen tres partes activas (explosor, varias
columnas de resistores y el gap) y su comparacin se muestra en la
figura A1.44. Adems de esto, en comparacin con los de carburo de
silicio, son resistentes al desgaste producido por el alto voltaje,
hacindolos una mejor inversin, porque no se tienen que comprar ms,
despus de haberlos usados algunas veces. Estos tambin limitan ms
eficientemente la corriente de la descarga, para que el pararrayos
pueda tener una operacin trmica estable. Su forma fsica y sus
componentes externos estn en la figura A1.45, donde se pueden ver
que hay dos unidades pegadas, lo que significa que se pueden
conseguir de diferentes dimensiones, dependiendo de las dimensiones
del transformador que se vaya a proteger.
Figura A1.44: Comparacin de pararrayos sin y con GAPs
Figura A1.43: cilindros de ZnO que forman la columna de
resistores
Figura A1.45: Forma fsica de un pararrayo de tipo gapless. Cada
unidad tiene una columna de resistores
Pararrayos tipo carburo de silicio (gapped silicon carbide-norma
IEEE) Funciona exactamente igual que el pararrayos autovalvular,
con la diferencia de que las columnas de resistores estn hechas de
carburo de silicio en lugar de xido de zinc. Su us es menos
frecuente para esta poca, por la cantidad de desventajas del
carburo de silicio como resistencia variable. Las desventajas
principales de este tipo de pararrayos son las siguientes:
Si reciba muchos rayos, su GAP se daaba y el aislante del
pararrayos se daaba. La funcin del GAP es inestable en ambientes
con impurezas, lo que puede causar un corto circuito interno en el
pararrayos. Despus de absorber carga, su funcin de aislante solo
llega a cierto lmite. Si lo sobrepasa deja de funcionar
correctamente. Tiene una estructura ms complicada de fabricar que
los pararrayos gapless metal oxide. Sus partes son las mismas que
para el pararrayos tipo autovalvular y solo cambia el material de
las columnas de resistores (figura A1.39 y figura A1.40).
A2. El motor de Induccin Monofsico y Motores Especiales1. Motor
monofsico de induccin Devanados de fase partidaa) Principio de
operacinEl motor de fase de partida est constituido por dos
devanados el principal y el auxiliar, llevando incorporado un
interruptor centrfugo.Este motor tiene solo una fase de
alimentacin, debido a esto no posee campo giratorio como en los
polifsicos, pero si tienen un campo magntico pulsante, esto impide
que se proporcione un torque en el arranque ya que el campo
magntico inducido en el rotor est alineado con el campo del
estator. Este problema en el arranque se soluciona utilizando un
devanado auxiliar que son dimensionados adecuadamente y colocados
de tal forma que se crea una fase ficticia, lo que permite la
formacin de un campo giratorio necesario en la partida. Lo que hace
el devanado auxiliar es crear un desequilibrio de fase, que es lo
que produce el torque y la aceleracin necesaria para la rotacin
inicial. Una vez el rotor llega a tener una velocidad determinada
la fase auxiliar se desconecta de la red a travs de un interruptor
que normalmente acta por una fuerza centrfuga, tambin puede darse
el caso que esta es reemplazada por un rel de corriente o una llave
externa. El devanado auxiliar es dimensionado solo para el
arranque, si no se desconecta se quemar. El devanado de arranque o
devanado auxiliar tiene menos nmero de espiras de alambre fino, lo
que indica que su resistencia es elevada debido a que su rea
transversal es pequea y a su vez su reactancia es reducida. El
devanado principal, tiene muchas espiras de alambre mucho ms grueso
lo que ocasiona que su resistencia sea mucho ms baja y su
reactancia muchos ms alta, esto quiere decir que las corrientes no
estarn en fase debido a su construccin. Por el devanado principal
circula una corriente de mayor magnitud que en el devanado de
arranque. Debido al desfase existente entre ambas corrientes y dado
el desfase espacial de los devanados, al conectar el motor, se
generara un campo magntico bifsico que permitir el desarrollo de un
torque de arranque resultante distinto de cero, que a su vez
permitir que el motor parta del reposo. El motor girara en sentido
de aceleracin, la cual siempre ser el mismo sentido en que gire el
campo magntico giratorio producido por ambas corrientes, de tal
forma que, este tipo de motor es considerado como no reversible
pero s invertible. Para poder desconectar el devanado de arranque,
despus de cumplida su funcin, se ideo un interruptor de accin
mecnica, cuyo estado cambia por la accin de la fuerza centrfuga. Al
arrancar el motor el interruptor debe abrirse ms o menos cuando el
desplazamiento haya alcanzado el valor de 75%. El interruptor est
cerrado durante el reposo y se abre despus de haber alcanzado un
75% de la velocidad nominal por dos razones; el torque desarrollado
por el campo giratorio en el devanado principal es mayor que el
torque desarrollado por los dos devanados a un valor del 15% y por
lo tanto, los dos devanados nunca deben permanecer conectados al
motor al llegar a 85% de su velocidad nominal, al quedar conectado
solo el devanado principal, la corriente total que al arrancar el
motor es igual a la suma fasorial de las dos corriente, se ve
reducida a la corriente circulando nicamente por el devanado
principal por lo que las prdidas se vern reducidas. El interruptor
puede ser sustituido ya sea por un interruptor de estado slido
(triac) o por un relevador de contactos magnticos. Por ltimo hay
que sealar que si el interruptor no se abre, el excesivo calor
generado por la alta resistencia del devanado auxiliar har que la
temperatura del estator aumente, pudiendo llegar a quemarse sus
devanados.b) Construccin Este motor est constituido principalmente
por el devanado principal y por el devanado de arranque. Otros
elementos que lo componen se muestran en la figura A2.1.
Figura A2.1: Partes de un motor de induccin de devanado de fase
partida
El rotorConsta de tres elementos fundamentales:1. Un ncleo:
formado por un paquete de lminas o chapas de hierro de alta calidad
magntica1. El eje: sobre el cual se ajusta a presin el paquete de
chapas. 1. jaula de ardilla: es un enrollamiento la cual consiste
en una serie de barras de cobre de gran seccin, alojadas en ranuras
axiales en la periferia del ncleo y unidas por cortocircuitos por
medio de dos gruesos aros de cobre, los cuales se sitan uno a cada
extremo del ncleo. EstatorEst compuesto por un ncleo de chapas de
acero con ranuras semicerradas de una pesada carcasa de acero,
dentro de la cual esta introducido a presin en el ncleo de chapas y
de dos devanados de hilo de cobre aislados en las ranuras, los
cuales son llamados el devanado principal o de trabajo y devanado
auxiliar o de arranque. Escudos o placas trmicasEste componente est
fijado a la carcasa del estator por medio de tornillos o pernos: su
misin principal es mantener el eje del rotor un una posicin
invariable. Cada escudo tiene un orificio central para alojar el
cojinete que es el permite el giro del rotor con la mnima friccin,
adems los cojinetes cumplen la funcin de sostener el peso del
rotor, mantener el rotor centrado dentro del estator y no
permitiendo el roce entre ambos. Interruptor centrifugoVa montado
en el interior del motor, su misin es desconectar el devanado de
arranque cuando el rotor ha alcanzado una velocidad predeterminada.
Arrollamiento de jaula de ardillaCompuesto de barras de cobre de
gran seccin, alojadas dentro de las ranuras del paquete de chapas
retrico, las barras se encuentran soldadas a gruesos aros de cobre,
que la cierran en corto circuito. Devanados estatricosUn devanado
principal o de trabajo, compuesto de un conductor de cobre grueso
aislado, dispuesto generalmente en el fondo de las ranuras
estatricas y un devanado de arranque auxiliar, a base conductor de
cobre fino aislado. Los cuales estn unidos en paralelo.c)
Explicacin de las aplicaciones y usos particularesLos motores de
fase partida fueron uno de los primeros motores monofsicos usados
en la industria, y an permanece su aplicaciones en forma muy
amplia. Algunos de los aparatos en los cuales se usan actualmente
estos motores que se pueden mencionar son: ventiladores, bombas,
lavadoras, secadoras, mquinas de coser, taladros, aspiradoras,
acondicionadores de aire, entre otros; la mayora de ellos se
fabrican en el rango de 1/30 (24.9 W) a 1/2 HP (373 W), estos
motores son motores pequeos.
Devanados tipo capacitora) Principio de operacinEstos motores
monofsicos de corriente alterna tienen una capacidad nominal que va
desde fracciones hasta 15 hp. Su principio de operacin es casi
similar al motor de fase de partida posee los dos devanados tanto
el principal como el auxiliar solo que en esta ocasin se conecta un
capacitor en serie con el devanado auxiliar y el switch centrfugo.
Este capacitor permite tener un mayor par de arranque.La corriente
en el devanado de arranque que es liberada por el capacitor se
adelanta al voltaje en el devanado de principal o de trabajo,
obteniendo de esta manera un desplazamiento angular mayor entre los
devanados. Para tener una idea del par que se generara se compara
el par producido por un motor de fase de partida con una de fase de
partida con capacitor, lo cual nos dar que tiene una par mayor de
hasta dos veces ms grande.El funcionamiento de un motor con
condensador doble se describe a continuacin. Primero: Se produce el
arranque (punto 0) con ambos condensadores en paralelo (se suman
las capacidades) obteniendo alto par de arranque. Segundo: Cerca
del punto de funcionamiento del motor, se elimina el condensador de
arranque (punto 1) Tercero: El motor evoluciona hasta el punto 2
solo con el condensador permanente.De esta forma se consigue alto
par de arranque, estabililidad en el par y buen rendimiento. Para
eliminar el capacitor se utilizan, en funcin del tipo de motor de
fase partida la cual puede ser implementada de dos maneras:
Interruptores centrfugos: conforme la velocidad se aproxima a la
nominal (un 80% aprox), abren un contacto desconectando el
Arranque. Rels de intensidad (tpicos de compresores de fro): la
bobina del rel se conecta en serie con el devanado principal.
Cuando la intensidad se aproxima a la nominal (un 80%
aproximadamente), significa que el motor ya est lanzado y el
contacto del rel se abre desconectando el arranque.b) Construccin
Como se mencion, su estructura es un tanto similar al motor de fase
de partida lo que cambia es que se le agrega un capacitor en serie
con el devanado auxiliar como se muestra a continuacin.
Figura A2.2: Esquema de un circuito elctrico para la
representacin del motor de induccin de devanado tipo capacitor.
Claramente se ve el capacitor en su devanado auxiliar.
Figura A2.3: Esquema de un motor de induccin de devanado de fase
partida.
c) Explicacin de las aplicaciones y usos particularesLos motores
de fase de partida con capacitor, tienen las mismas aplicaciones
que los motores monofsicos de fase de partida los cuales ya
mencionamos: mquinas herramientas, ventiladores, bombas, lavadoras,
secadoras, mquinas de coses, taladros, aspiradoras,
acondicionadores de aire entre otros.
Este motor posee un funcionamiento uniforme y la posibilidad de
controlar su velocidad, son ms comnmente usados en ventiladores de
toma y descarga en mquinas de oficina, unidades de calefaccin o en
aires acondicionados. Existe tambin el motor monofsico con dos
capacitores, este es usado en aplicaciones mucho ms exigentes, en
las cuales el par de arranque debe de ser mayor, el condensador
deber tener ms capacidad para que el par de arranque sea
suficiente. Para conseguir esto se puede usar dos capacitores. El
primero deber ser un capacitor permanente conectado en serie con
uno de de los devanados. Y el segundo debe de ser un capacitor de
arranque en paralelo con el permanente en el momento del arranque,
para aumentar la capacidad, y luego ser desconectado.
Polos de estator sombreadosa) Principio de operacinEstos motores
de corriente alterna, solo tienen un devanado principal y en vez de
tener un devanado auxiliar, tiene polos salientes y una parte de
cada polo est envuelta por una bobina de sombreo cortocircuitada o
un anillo de cobre macizo.
Un flujo se induce en los polos debido al devanado principal,
cuando este flujo de polo varia induce un voltaje y una corriente
en la bobina de sombreo, las cuales se oponen al cambio del flujo
original, la cual retarda los cambios de flujo bajo las partes
sombreadas de la bobina y produce un ligero desequilibrio en los
campos magnticos rotacionales opositores al estator. Esta rotacin
neta se dirige desde la cara polar no sombreada hacia la
sombreada.b) Construccin Los motores con devanado tipo sombreado
son de tamao pequeo lo cual presenta una gran ventaja ya que son
muy simples de construir son confiables y adems tienen bajo costo.
c) Explicacin de las aplicaciones y usos particulares.Este tipo de
motores es usado en casos ms especficos, como el de accionamiento
de ventiladores o sopladores, que tienen requerimientos de potencia
muy bajos. Su rango de potencia est comprendido en valores que van
desde los 0.0007 hp hasta hp y la mayora se fabrican en un rango de
1/100 a 1/20 hp. Estos motores en la industria de la construccin
tienen un mayor uso, ya que son pequeos motores monofsicos
(ventiladores, extractores, etc.)
2. Motor de reluctanciaa. Principio de operacinUn motor de
reluctancia es aquel que para operar depende de un torque producido
por una reluctancia magntica (figura A2.4). Este par se induce en
un objeto de hierro (rotor) en presencia de un campo magntico
externo (producido en los bobinados de las chapas del estator), el
cual provoca mediante la generacin de las lneas de campo, que el
objeto se alinee con dicho campo magntico. La aparicin del par se
debe a que el campo magntico externo induce un campo magntico en el
objeto de hierro (rotor) lo que ocasiona que aparezca entre los dos
campos, y esto hace que el objeto gire hasta que se alinee con el
campo magntico externo (figura A2.7). En la figura A2.5 se muestra
el esquema simple de un motor de reluctancia de dos polos. En estos
motores se demuestra que el par aplicado al rotor del motor es
proporcional a sen2, donde se conoce como el ngulo elctrico entre
los dos campos magnticos . El par mximo de reluctancia se produce
cuando los campos estn situados a 45. Otra forma de visualizarlo
sera con la figura A2.6, donde es como tener tres ncleos
ferromagnticos y cada uno tiene GAPS con las mismas dimensiones. Si
se superponen entre s, quedara un esquema de un motor de
reluctancia.
Figura A2.4: Torque producido por efecto del campo magntico.
Figura A2.5: dependencia del torque del ngulo de los campos
magnticos.
Figura A2.6: superposicin de tres ncleos ferromagnticos.
Figura A2.7 Alineamiento del rotor con los campos magnticos.
Aunque existen tres tipos diferentes de motor de reluctancia
(autoconmutado, paso a paso , sncrono), los tres funcionan bajo el
mismo principio, donde el rotor se mueve por la induccin de un
campo magntico del estator. b. Construccin y grfico de un motor de
reluctancia realLas partes principales de un motor de reluctancia
se muestran en la figura A2.8. Donde ya se mencionaron algunos
durante la explicacin del principio de funcionamiento.
Figura A2.8. Partes principales de un motor de reluctancia.
Como se sabe, estos motores usan corrientes alternas, y como por
cada fase de estos motores, se alimenta con una corriente alterna,
la figura A2.9 muestra un grfico de un motor de reluctancia de tres
fases.
Figura A2.9: desfase de las tres corrientes alternas
Y un grfico del torque vs la velocidad en rpm del rotor se
muestra en la figura A2.10.
Figura A2.10: Visualizacin del torque con respecto a la
velocidad
c. Explicacin de las aplicaciones y usos particulares Algunas
aplicaciones conocidas son: Algunas lavadores usan motores de
reluctancia autoconmutado (figura A2.11). Algunas varillas de
control de mecanismos de accionamiento de reactores nucleares usan
motores de reluctancia sncronos (figura A2.12). Medidores elctricos
analgicos. Los motores de reluctancia sncronos no tienen muchas
aplicaciones prcticas para grandes motores. Sin embargo es prctico
en motores pequeos. Algunos de estos motores son utilizados en
aparatos con eficiencia energtica como aspiradoras, motores de
ventiladores o bombas.
Figura A2.12: Sistema de control de una planta nuclear, que
incluye un motor de reluctancia
Figura A2.11: Aplicacin del motor de reluctancia en una
lavadora.
3. Motor de histresisa. Principio de operacinEs un motor sncrono
sin excitacin por polos ni corriente directa, que utiliza el
fenmeno de prdidas por histresis para producir un par mecnico. El
rotor es un cilindro liso de material magntico (acero o cobalto)
sin dientes, protuberancias ni devanados, con una resistividad
parecida a la de un aislante, para as prevenir prdidas por
corrientes parsitas (figura A2.14). Cuando se produce un campo
magntico en el estator, se inducen polos de polaridad opuesta en la
superficie del rotor (figura A2.13) y a medida que este va girando,
los polos que estaban con polaridad positiva (Norte) cambian a
polaridad negativa (Sur) durante cada ciclo. Cada vez que el
estator completa un ciclo, el rotor completa otro ciclo llamado
Lazo de Histresis. El Lazo de Histresis se puede ver claramente en
su grfico (dado en clases), y el rea de ese grfico es equivalente a
las prdidas producidas por la histresis. La potencia mecnica que
utiliza el estator para controlar el rotor, es equivalente a las
prdidas por histresis y el torque producido es proporcional a la
energa disipada (prdidas causadas por la histresis). Figura A2.13:
Aplicacin de un campo magntico en un rotor de motor de
histresis.
A diferencia de otros motores sncronos, que utilizan otros
medios para alcanzar la velocidad sncrona, los motores de histresis
producen un torque casi constante desde el principio y pueden as
mantener su velocidad sncrona y su diferencia con otros motores de
induccin se ve en la figura A2.15.Figura A2.14: rotor sin
protuberancias y completamente liso.
b. Construccin y grfico de un motor de histresis realEl grfico
de la figura A2.15 muestra que desde el inicio de operacin del
motor, el torque es mximo, lo que permite que el rotor tenga un
funcionamiento casi automtico, sin tener que recurrir a otros
medios para alcanzar a ese mismo torque y sin el retraso del tiempo
que toma para llegar, como lo es en los motores de induccin.
Figura A2.15: diferencia entre un motor de induccin y uno de
histresis.
Sus partes principales son las mismas, un estator, un rotor
slido sin protuberancias y los gaps que inducen los campos
magnticos. c. Aplicaciones y usos particulares Tiene una operacin
silenciosa debido a su velocidad sncrona y a que su rotor es suave
y liso. Se utiliza o utilizaba mucho en las grabadoras de cinta
como los VHS y Walkmans. Se utiliza tambin en relojes elctricos y
dispositivos que miden el tiempo, porque su torque inicial le
permite tener una velocidad angular constante desde el principio.
Tambin son usados en giroscopios rotatorios de sistemas de control.
4. Motor de movimiento paso a paso (Stepper Motor)a. Principio de
operacinInicialmente, si no se aplica ninguna corriente a las
bobinas (que tambin reciben el nombre de fases) y con el rotor en
una posicin cualquiera, el imn permanecer en reposo si no se somete
a una fuerza externa.
Si circula corriente por ambas bobinas como se muestra en la
Figura A2.16a , se crearn dos polos magnticos NORTE en la parte
interna, bajo cuya influencia el rotor se desplazar hasta la
posicin indicada en dicha figura.
Si se invierte la polaridad de la corriente que circula por L1
se obtendr la situacin magntica indicada en la Figura A2.16b y el
rotor se ver desplazado hasta la nueva posicin de equilibrio, es
decir, ha girado 90 grados en sentido contrario a las manecillas
del reloj.
Nuevamente si se invierte ahora la polaridad de la corriente en
L2, se llega a la situacin de la Figura A2.16c habiendo girado el
rotor otros 90 grados. Y por ultimo, volvemos a invertir el sentido
de la corriente en L1, el rotor girar otros 90 grados como se ve en
la Figura A2.16d, y se habr obtenido una revolucin completa de
dicho imn en cuatro pasos de 90 grados.De esta manera podemos
concluir, que si se mantiene la secuencia de excitacin expuesta
para L1 y L2 y dichas corrientes son aplicadas en forma de pulsos,
el rotor avanzar pasos de 90 grados por cada pulso aplicado.
El modelo de motor paso a paso que acabamos analizar, recibe el
nombre de bipolar ya que, para obtener la secuencia completa, se
requiere disponer de corrientes de dos polaridades, pero esto es un
inconveniente a la hora de disear. Una forma de contrarrestar este
inconveniente, es representado en la Figura A2.17, que viene siendo
un motor unipolar de cuatro fases, puesto que la corriente circula
por las bobinas en un solo sentido.
Si inicialmente se aplica corriente a L1 y L2 cerrando los
interruptores S1 y S2, se generarn dos polos NORTE que atraen al
polo SUR del rotor hasta encontrar la posicin de equilibrio entre
ambos como se ve en la Figura A2.17a.
Si se abre posteriormente S1 y se cierra S3, por la nueva
distribucin de polos magnticos, el rotor se mueve hasta la posicin
que se ve en la Figura A2.17b.
De esta misma manera se producen las secuencialmente lo que se
ve en la figura A2.17c y d cerrando S2 y abriendo S4 y
consecutivamente cerrando S3 y abriendo S1. Y de esta manera se
logra dar la revolucin completa de rotor en paso de 90 con un solo
sentido de corriente.
El sentido de giro en los motores paso a paso es reversible en
funcin de la secuencia de excitacin por lo tanto, se puede hacer
avanzar o retroceder al motor un nmero determinado de pasos segn
las necesidades que se tenga.Como anteriormente se mencion que los
pasos de comn son de 7.5 a 15 para alcanzar este movimiento tan
reducido se necesita aumentar el nmero de bobinas en el estator.
pero ello llevara a un aumento del coste y del volumen y a prdidas
muy considerable en el rendimiento del motor. Para contrarestar eso
hoy dia se recurre a la mecanizacin de los ncleos de las bobinas y
el rotor en forma de hendiduras o dientes, crendose as micropolos
magnticos, tantos como dientes y estableciendo las situaciones de
equilibrio magnticos con avances angulares mucho menores, siendo
posible conseguir motores de hasta de 500 pasos. Figura A2.17:
Motor unipolar de cuatro bobinas
Figura A2.16: Principio de funcionamiento de un motor paso a
paso
b. Construccin de movimiento paso a paso real.En la construccin
de estos motores, varan algunos componentes dependiendo del tipo
que se necesite construir. A continuacin se dar una explicacin de
los componentes que tiene el motor de paso a paso de reluctancia
variable, los hbridos y los de imn permanente.Motor de Imn
Permanente Los motores con imn permanente tienen magnetizado el
rotor, y los de reluctancia variable tienen rotores dentados de
hierro dulce mientras que los hbridos son una combinacin de ambas
tecnologas. Motores de reluctancia variable (tambin llamados
motores de reluctancia conmutada): Tienen de 3 a 5 bobinas
conectadas a un terminal comn. En la figura A2.18 se muestra un
corte transversal de un motor de tres bobinas, de reluctancia
variable y 30 grados por paso. El rotor en este motor tiene 4
dientes y el estator tiene 6 polos; con cada bobina arrollada sobre
polos opuestos.
Figura A2.18. Motor de reluctancia variable de 3 bobinas
Motores Hbridos Los motores hbridos comparten las principales
operaciones de los PAP de imanes permanentes y de los de
reluctancia variable. El rotor de un motor hbrido es multidentado
(Figura A2.19), como el motor de reluctancia variable, y contiene
un imn axialmente magnetizado y concntrico alrededor de su eje. Los
dientes sobre el rotor proporcionan un camino que ayuda a dirigir
el flujo magntico a posiciones preferidas en el hueco de aire. El
imn magntico concntrico aumenta el freno mecnico, el agarre y las
caractersticas dinmicas de torsin del motor son comparables tanto
con los de reluctancia variable como con los de imn permanente.
Figura A2.19 .Rotor de un motor hibrido multi dentado
c. Aplicaciones y usos particulares Taxmetros. Disk-drive.
(figura A2.20) Impresoras. Plotters. Brazo y Robots completos.
Patrn mecnico de velocidad angular. Registradores XY. Relojes
Elctricos. Casetes Digitales. Control Remoto. Mquinas de escribir
electrnicas. Manipuladores. Posicionamiento devlvulasen controles
industriales. Posicionamiento de piezas en general. Bombas
impelentes en aplicaciones de electromedicina.
A2.20 Motor paso a paso de una disquetera, que est basado en el
mecanismo de micropolos
5. Motor CD sin escobillas (Brushless DC Motor)a. Principio de
operacinUn motor elctrico sin escobillas o motor brushless es un
motor elctrico que no emplea escobillas para realizar el cambio de
polaridad en el rotor.
Un motor de cd sin escobilla funciona por medio de la
energizacin de una bobina del estator a la vez que con un voltaje
de cd constante. Cuando se enciende una bobina, se produce un campo
magntico del estator y se produce un par en el rotor que tiende a
alinear el rotor con el campo magntico del estator. En el momento
que se muestra en la figura A2.21 . el campo magntico del estator
Bs apunta hacia la izquierda mientras que el campo magntico del
motor de imn permanente Br apunta hacia arriba, lo que produce un
par en sentido contrario al de las manecillas del reloj en el
rotor. Como resultado el rotor girara hacia la izquierda. Si la
bobina (a) permanece energizada todo el tiempo, el rotor girara
hasta que los dos campos magnticos se alinearan y luego se detendra
al igual que un motor de avance paso a paso. La clave del
funcionamiento de un motor cd sin escobillas es que incluye un
sensor de posicin por lo que el circuito de control sabe cuando el
rotor est casi alineado con el campo magntico del estator. En ese
momento apagara la bobina (a) y prendera la bobina (b), lo que
provocara que el rotor experimente una vez ms un par en sentido
contrario al de las manecillas del reloj y contine girando. Este
proceso se repetir en forma indefinida y las bobinas se prendern en
el siguiente orden: a, b, c, d, -a, -b, -c, -d, etc., por lo que el
motor girara continuamente. La electrnica del circuito del motor se
puede utilizar para regular tanto la velocidad como la direccin del
motor.
Figuara A2.21.Motor cd sin escobilla simple y su unidad de
control
b. Construccin de un motor CD sin escobillas realLas partes de
un motor dc sin escobillas se muestran en la figura A2.22 y son las
siguientes: Rotor de imn permanente Estator con un devanado de
tres, cuatro o ms fases Sensor hall de posicin del rotor Circuito
equivalente para controlar las fases del devanado del rotor
Figura A2.22.Motor cd sin escobillas
c. Explicacin de las aplicaciones y usos particularesAlgunas
aplicaciones seran los coches y aviones con radiocontrol, que
funcionan con pilas.Otros motores sin escobillas, que slo funcionan
con corriente continua son los que se usan en pequeos aparatos
elctricos de baja potencia, como lectores de CD-ROM, ventiladores
de ordenador, casetes, etc.
6. Motor universala. Principio de operacin Elmotor elctrico
universalbasa su funcionamiento en la ley de Laplace. El estator
(bobinado inductor)y el rotor (inducido) estn conectados en serie.
Al ser recorridos por unacorriente, el bobinadoinductorforma
elcampo magnticoy el inducido por la ley de Laplace, al
serrecorridopor la corriente y sometido a la influencia delcampo
magnticoinductor, se desplaza, dando origen al giro del rotor.
Siaumentael campoaumentala fuerza,aumentala velocidad. Elcampo
magnticoque produce la bobina inducida, provoca una deformacin del
flujoinductorllamada reaccin del inducido. EnCorriente alterna
(CA)o encorriente directa (CD)el sentido se mantiene por la accin
momentnea de cada alternancia en particular. En CA produce una
f.c.e.m. (fuerza contra electromotriz) por efecto transformador y
por efecto generador. En CD slo por efecto generador.
b. Construccin de un motor universal realLas partes de un motor
universal son la carcaza, el estator y el rotor La carcaza
generalmente de acero o de aluminio, tiene el tamao necesario para
mantener firmes las piezas del estator. Muchas veces no existe la
carcaza como tal, puesto que el lugar de la herramienta al que va
fijo el estator hace las veces de carcaza. El estator consiste en
un paquete de laminas circulares prensadas, fijadas con remaches,
que en su interior tienen unos polos salientes con forma necesaria
para recibir, generalmente, un solo par de bobinas inductoras. El
rotor, consiste en un paquete de laminas de acero que forman el
nucleo, con unas ranuras en las que se alojan varias bobinas, cuyos
extremos van soldados a un colector. El colector es una pieza
circular, montada en el eje, hecha con numerosas laminas de cobre,
llamadas delgas, aisladas unas de otras con una mica intermedias
generalmente mas bajas que las delgas y aisladas tambien del
eje.Sobre el colector, cuya superficie es completamente lisa, van
unas portaescobillas con sus respectivas escobillas de carbon o
carbones, que permiten la conexion electrica en serie con el rotor
o inducido que gira.
Figura A2.23. Partes de un motor cd sin escobillas
c. Explicacin de las aplicaciones y usos particularesEl uso de
estos motores en corriente alterna est muy extendido por el mayor
par de arranque respecto al de los motores de induccin y por su
elevada velocidad de rotacin, lo que permite reducir su tamao y su
precio. As, se emplea en mquinas, herramientas porttiles de todo
tipo, electrodomsticos pequeos. Aplicaciones tpicas de este motor
son las aspiradoras elctricas, los taladros (figura A2.24)
Figura A2.24. Taladro (motor universal)
7. Motor lineala. Principio de operacin[Para terminologa, ver
seccin b-Construccin y grfico de un motor real]Es una mquina
impulsora, cuya fuerza de accionamiento es lineal y no circular
como en los dems motores elctricos y donde el campo magntico se
mueve en lnea recta.La corriente trifsica que circula por el
devanado trifsico del inductor, origina un campo magntico que se
mueve en lnea recta, el cual a su vez origina fuertes corrientes
parsitas en el inducido. Segn la regla de Lenz, el sentido de estas
es tal que frenan el movimiento del campo magntico. En este motor,
el campo mvil del inductor y las corrientes parsitas en el inducido
dan lugar a una fuerza en la direccin de dicho campo mvil. Si el
inductor es fijo y el inducido es mvil, el inducido se mueve
arrastrado por el campo mvil. Si por el contrario, el inductor es
mvil y el inducido es fijo, el inductor se mueve en sentido
contrario a su propio campo mvil, queriendo decir que cada uno
puede actuar como estator o rotor.En este tipo de motores, el
entrehierro (GAP) es mayor que en los motores de cortocircuito y la
resistencia del inducido es mayor a la resistencia rotrica. En
consecuencia, su caracterstica fuerza-velocidad es ms plana que la
curva par motor-velocidad de giro que el motor asncrono
correspondiente (figura XX). Unmotor lineales unmotor elctricoque
posee suestatory surotor"distribuidos" de forma tal que en vez de
producir untorque(rotacin) produce unafuerzalineal en el sentido de
su longitud.
b. Construccin y grfico de un motor lineal realPartes
Principales:En el motor lineal, la parte correspondiente al estator
de los motores trifsicos, se llama inductor y consta de un paquete
de chapas en forma de peine, en cuyas ranuras va colocado un
devanado trifsico.La parte que en el motor lineal corresponde al
rotor, se llama inducido. Est situado entre los dos inductores y
formado por un material conductor macizo (aluminio), o si se desea
eliminar uno de los inductores, se puede emplear acero como
inducido. Sus partes principales se pueden ver en la figura
A2.25.
Figura A2.25. Seccin transversal de un motor lineal
Diseo: dependiendo del tipo de motor lineal que se desee, su
diseo cambiar, aunque el principio de funcionamiento ser el mismo:
Ncleo de hierro: Bobinados de cobre alrededor de laminaciones
Forcer a travs de un nico carril de imn.
A2.26: Composicin del motor lineal.
Sin hierro: Forcer construido de espiras unidas con epoxi y se
mueve entre dos carriles (norte y sur). Tambin conocido como
"Aircore" o motores "U-channel".
A2.27: Vista frontal de un motor lineal sin hierro.
Slotless: Mezcla de ncleo sin hierro y de hierro: bobinas con
hierro dentro de la carcasa de aluminio sobre un solo carril
imn.
A2.28 Vista frontal de un motor lineal slotless.
Grfico: El siguiente grfico compara el torque de un motor de
cortocircuito (los que no son lineales) con los motores
lineales.
A2.29 Diferencia de un motor lineal de uno de corto circuito
c. Aplicaciones y usos particularesGeneralmente son utilizados
para realizar estudios de colisiones conhipervelocidad, comoarmas,
o comoimpulsores de masade sistemas depropulsin de naves
espaciales. Los motores de alta aceleracin por lo general poseen
diseos tipomotor de induccin linealACcon un bobinadotrifsicoactivo
de un lado del entre hierro de aire y una placa conductora pasiva
del otro lado. Algunos ejemplos de sus aplicaciones con pequeos
motores lineales son: empaque y almacenaje, montaje automatizado,
compresores de pistn y alternadores. Entre sus aplicaciones con
grandes mquinas de induccin lineal tenemos: transporte, manejo de
materiales, prensas de extrusin, entre muchas otras.
ConclusinTodas las mquinas elctricas utilizan un medio para
transportar flujo magntico, y cada uno lo aprovecha de una forma
diferente para realizar su funcin, como lo es inducir un voltaje en
otra bobina a travs de un ncleo ferromagntico en los
transformadores, transportando energa ms estable o para producir o
tambin producir un par en un rotor generando energa mecnica para
labores como las de un ventilador o una lavadora. Aunque ambas
tienen funciones diferentes, su principio de funcionamiento es el
mismo, el uso de magnetismo para cambiar de una forma de energa a
otra.
Bibliografa
A1. El Transformador de Potencia y Sistemas Auxiliares1.
Componentes (Libro) Mquinas Elctricas-Stephen Chapman-Captulo 1
(Folleto-Biblioteca UTP) Dispositivos Auxiliares de Proteccin para
Transformadores de Potencia- Isaac Elias Gmez (Folleto-Biblioteca
UTP) Folleto Mquinas Elctricas II: Transformadores Pedro Pablo
Batista (video) http://goo.gl/C2SUOk http://goo.gl/GS460Z
http://goo.gl/fNxL6L http://goo.gl/UzWcAY (funcionamiento de un
radiador) http://goo.gl/FoJu0a http://goo.gl/vQ7WQD
http://goo.gl/viirN6 http://goo.gl/xgoL6w
http://goo.gl/XsSRNAhttp://goo.gl/NZVnjF http://goo.gl/Db8Bb5
(video) http://goo.gl/TCm3nD http://goo.gl/2P5uVF
http://goo.gl/pfA5Qg http://goo.gl/A9vCNN (funcionamiento de un tap
changer) http://goo.gl/VeenmR (funcionamiento de un tap changer)
http://goo.gl/Siqh9j (video) http://goo.gl/pg6QvC (bombas de aceite
en el mercado) http://goo.gl/fXj2ya (sistemas de enfriamiento)
http://goo.gl/74BzJF (sistemas de enfriamiento)
http://goo.gl/dcCrIN http://goo.gl/OBB3Ar http://goo.gl/u8FnWg
http://goo.gl/XXbZjw http://goo.gl/LLuefc (muy buena referencia)
http://goo.gl/bFKP9y (video) http://goo.gl/gfjCVl (Proceso de
manufactura para un tanque de transformador de potencia)
http://goo.gl/Z5piwR (funcionamiento de un transformador de
potencia en una subestacin) (video) http://goo.gl/006MXl (TODAS LAS
PARTES DE UN TRANSFORMADOR y su funcionamiento)
2. Mismas referencias que para el punto 13. Sistemas de
Enfriamiento http://goo.gl/fXj2ya (sistemas de enfriamiento)
http://goo.gl/74BzJF (sistemas de enfriamiento)4. Transformadores
de Instrumentohttp://taitsa.com.ar/esp/tmat_66_500/tmat_vau.htm
Transformador de Potencial
(PT)http://goo.gl/6G6QUvhttp://goo.gl/uTk91Q Transformador de
Corriente
(CT)http://goo.gl/SMxEu9http://goo.gl/4S964Jhttp://goo.gl/wQd7EOhttp://goo.gl/NPVDL1http://goo.gl/wpoYt1http://goo.gl/iMK2oghttp://goo.gl/Ts8c2Phttp://goo.gl/bUc20J(libro)
Proteccin de Instalaciones Elctricas Industriales y
Comerciales-Gilberto Harper-2da edicin-Enrquez Harper-
http://goo.gl/KB3qy0
5. Sistemas de Puesta a tierra (libro) http://goo.gl/YL9NSE
(libro)http://goo.gl/sc1Bys http://goo.gl/Kw3NOe
http://goo.gl/nESpj4
6. Surge Arresters (Folleto-Biblioteca UTP) Dispositivos
Auxiliares de Proteccin para Transformadores de Potencia- Isaac
Elias Gmez http://goo.gl/CIM4um http://goo.gl/nhXHsl (Razones por
las cuales se dej de usar los pararrayos tipo carburo de silicio)
http://goo.gl/SF5mkR http://goo.gl/nIqP3P h http://goo.gl/snZzTE
(tesis mexicana) http://goo.gl/H6VWid (blog) http://goo.gl/kSEp1X
(Libro) Fundamentos de instalaciones electricas en mediana y alta
tensin-Enriquez haperper 2da edicin. - http://goo.gl/Lajgfe
http://goo.gl/DAuV3N (grafico raro) http://goo.gl/Nbo9Bh (siemens)
http://goo.gl/GjkTz1 A2. El Motor de Induccin Monofsico y Motores
Especiales1. Motores de induccin con
devanadoshttp://goo.gl/BHeFLzhttp://goo.gl/aac0iDhttp://goo.gl/EpFwDE2.
Motor de Reluctancia http://goo.gl/VxY97F http://goo.gl/Ic6p44
(libro) http://goo.gl/33hcfh
3. Motor de Histeresis (libro) http://goo.gl/TliZaN (libro)
http://goo.gl/dt9Rsj4. Motor paso a paso5. Motor DC sin
escobillas6. Motor Universal http://goo.gl/HSudB1
http://goo.gl/eWPDVE http://goo.gl/NZvpjM http://goo.gl/nmUwVb
http://goo.gl/gBfoPS http://goo.gl/C2Ycgl7. Motor lineal (libro)
http://goo.gl/kYu3zl
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